马钢轴承钢试制的非金属夹杂物控制的精炼工艺研究

高振波，陈　扬，石　玮，龚志翔(．马钢特钢公司，安徽 马鞍山，43000；．马钢车轮公司，安徽 马鞍山，43000)

马钢轴承钢试制的非金属夹杂物控制的精炼工艺研究

高振波1，陈扬2，石玮1，龚志翔1(1．马钢特钢公司，安徽 马鞍山，243000；2．马钢车轮公司，安徽 马鞍山，243000)

摘要：采用理论分析结合生产经验的方法，确定马钢特钢GCr15轴承钢的精炼渣组分、钢中[Ti]和[N]含量上限以及真空循环时间和浇铸前软吹时间等关键工艺参数，实现对钢中非金属夹杂物的有效控制，成功试制了T[O]<5ppm、D类夹杂评级≤1.0级和DS类夹杂物≤1.0级的高品质GCr15轴承钢。由于凝固偏析的作用，在[Ti]和[N]含量较低的条件下，不能避免凝固过程中析出TiN类夹杂。

关键词：轴承钢；全氧；精炼渣成分；非金属夹杂物

非金属夹杂物数量、性质、形态和分布等是轴承钢质量的重要影响因素，可用钢中的全氧(T[O])衡量非金属夹杂物的数量。研究已表明[1]，降低钢中T[O]含量控制夹杂物类型、减少其数量可以提高轴承的疲劳寿命，其中点状夹杂和TiN类夹杂相对于其它类非金属夹杂物对轴承钢的使用寿命影响更大。

1精炼生产工况

GCr15轴承钢主要化学成分，见表1。

表1　GCr15轴承钢化学成分

该钢种生产工艺路线采用EAF-LF-RH-圆坯连铸-开坯-连轧，具体生产设备条件如下：110吨超高功率电弧炉，采用EBT出钢方式；双工位120吨LF精炼炉，在线喂线；双工位120吨RH真空炉，抽气能力500kg/h；圆坯连铸，断面 380/450/600mm，R 15m，配置三段电磁搅拌；Ø1150mm两辊可逆式初轧机，立平交替布置的六机架连轧机。

2精炼工艺设计

低的T[O]含量、D类和DS类非金属夹杂物级别以及TiN夹杂的有效控制是精炼工艺的关键，而影响这些指标的主要因素有精炼渣成分、[Ti]和[N]含量、钢水的真空循环和软吹时间等。

2.1精炼渣成分设计

在精炼过程中采用扩散脱氧，本厂目前精炼渣中的TFe+MnO<0.5%，因此，钢水中的T[O]含量可认为由CaO、Al2O3、SiO2决定，要求T[O]含量较低又能实现D和DS类夹杂物级别在一个较低的水平，这需要对精炼渣的成分进行合理设计。

(1)渣中(Al2O3)含量

轴承钢的脱氧采用沉淀脱氧和扩散脱氧结合的方式。脱氧反应如下[2]：

(2-1)

由式2-1可知，提高钢中[Al]含量和降低渣中的(Al2O3)活度时，钢水中的溶解氧含量会进一步降低。根据马钢特钢经验，[Al]s含量不易超过0.020%，一方面是为了防止连铸浇铸过程水口蓄流，另一方面也是为了降低钢中的点状夹杂。当[Al]含量较低时，(Al2O3)活度对T[O]含量的影响更大，这有必要采用低(Al2O3)活度的渣系。本文引用文献[3]中的活度图(见图1)，在渣系的设计上，保持渣中的(Al2O3)含量处于较低的水平，在保持熔渣物理性能的基础上，渣中(Al2O3)含量控制在25%以下，从而保证(Al2O3)活度不超过0.05，钢中的T[O]含量不超过5ppm。

(2)二元碱度

提高碱度可降低钢中的T[O]含量。碱度增加的直接后果是降低了渣中(SiO2)的活度，但是也增加了钢中出现点状夹杂的风险，生产经验认为该参数不宜超过6。

从图2中可看出，在[Si]=0.25%时，炉渣中(SiO2)的活度对钢水T[O]含量的影响非常大，只有当(SiO2)活度<0.001时，才有可能能抑制SiO2向钢水传氧。由文献[3]相图可知(见图3)，当炉渣中(Al2O3)=25%时，只有二元碱度大于4以上，才能使渣中(SiO2)的活度小于0.001，防止其向钢水供氧。因此，在二元碱度设计上选择为4-6。根据上述讨论和分析确定了精炼渣系，CaO50-60%、Al2O315-25%、SiO28-15%。

2.2TiN形成热力学条件

在不同温度阶段TiN形成的热力学条件是不同的。GCr15轴承钢的固、液相线的温度分别约为1335℃和1455℃。在凝固过程中，随着温度的降低，[Ti]和[N]在钢中的溶解度逐渐降低，当其浓度积达到一定值时即将析出TiN，这时析出物在钢中的溶解度随温度变化的函数表达式如下[4]：

(2-2)

根据1873K时的相互作用系数[4]，计算得到：

lgfTi=-0.0625lgfN=0.582

代入式2-2，可以计算出在凝固过程中析出TiN所需的最低[Ti]和[N]含量。如图4所示：

若将TiN的析出控制在固相区，此时析出物比较细小，如图4，此时钢中[N]含量约为0.0046%，[Ti]含量约为0.0018%。

马钢在控制[N]含量方面主要通过以下措施：电炉冶炼采用高比例铁水降低初炼钢水[N]含量；LF精炼减少过程增[N]量；保证一定的真空循环时间，脱除部分[N]。由于炉渣的还原以及原辅料中含有Ti或Ti的结合物，钢中[Ti]含量在电炉出钢后是一个逐渐增加的过程，在控[Ti]措施上主要采取：电炉出钢[Ti]含量不超过0.0003%；电炉留钢量15%以上，减少出钢下渣；使用专用的低Ti合金和原辅料等。

2.3真空循环时间及浇铸前软吹氩时间确定

采取上述措施后，LF精炼结束仍然会有点状夹杂和大颗粒夹杂残留在钢中，而RH真空循环对促进夹杂物上浮和去除非常高效。文献[5]研究认为，RH真空处理的前8min夹杂物去除量最大，8min-24min的去除量逐渐减小，12-24min内，由于大量夹杂被去除，剩余的细小夹杂碰撞长大十分困难，夹杂物去除率越来越低，大部分夹杂在24分钟内已经基本去除。结合自身生产经验，马钢特钢将真空循环时间规定在25min。

由于各厂的工况不同，对钢水浇铸软吹氩时间控制并不完全一样。李京社[6]研究认为，真空后软吹时间超过15min对降低钢中的T[O]含量没有意义。王文军[7]得出的结论是随着软吹氩气时间的增加，钢中T[O]含量不断降低，在软吹氩12min后, 钢水T[O]含量变化不明显，从软吹氩过程中钢中夹杂物含量变化来看，钢包软吹氩时间应保持在15min以上。李强[8]研究X80管线钢，综合夹杂物的去除效果和软吹过程的温降等因素，认为软吹时间控制在20min-25min较为合理。根据马钢的工况条件设计的钢水上连铸浇铸前软吹时间不低于20min。

3试制结果

3.1化学成分

C、Si、Mn、Cr等常规元素的控制均达到目标要求，[H]、[Ti]、[N]等元素的检测结果如表2所示。从表中可以看到：RH有较强的脱氢能力，经过一定的真空时间能够保证[H]含量低于1.0ppm；通过对进真空前的原始[N]含量控制等措施可实现轴承钢成品[N]含量低于40ppm；[Ti]含量比预计的含量高，分析认为主要为原材料Ti含量偏高所致。

表2　试制炉次化学成分检测结果/ppm

3.2精炼终渣成分

从表3看出，三炉试验钢精炼终渣成分较好，TFe+MnO均小于0.5%。

表3　试制炉次LF终渣成分/%

3.3夹杂物检测结果

考虑到非稳态浇铸对检测结果的影响，本次试制取浇铸的第2炉102炉进行热轧，取样分析热轧圆钢T[O]含量，并对非金属夹杂物进行评级和APSEX分析。T[O]含量如表4所示，可见根据上述工艺可以满足低T[O]含量轴承钢的要求。

表4　试制102炉T[O]含量检测结果/ppm

对热轧的102炉次取样，根据GB/T 10561-2005对非金属夹杂物进行评级，如表5所示，可以看到本次试制夹杂物得到较好控制，完全满足试制要求和高品质轴承钢的要求。

表5　试制102炉夹杂物评级结果/级

使用ASPEX自动分析仪对轧制圆钢上夹杂物进行定量分析，扫描面积109.35mm2，夹杂物数量202个，单位面积夹杂物数量1.85个/mm2，夹杂物指数1.8。表6是ASPEX自动分析的夹杂物尺寸分布及各种组成夹杂物的数量，从表中可以看到，夹杂物数量少、尺寸小，10μm以下的夹杂物占总夹杂物比例的91.58%以上，全部夹杂物尺寸都小于20μm。需要注意的是：夹杂物中含Ti类所占比例很高，这也表明在超低氧钢中，由于Ti、N、O相互作用，即使[N]含量较低，在凝固过程中还较容易形成含Ti夹杂物，在后续的试验和生产中，需要进一步降低Ti含量，使[Ti]含量低于12ppm，甚至更低，以验证其对含Ti夹杂物的影响。

表6　夹杂物类型和尺寸分布情况

4结论

马钢特钢利用现有装备，采用Al2O315%-25%、CaO50%-60%、SiO28%-15%的精炼渣，控制钢中[Al]s含量不超过0.020%，保证真空循环时间25min以及钢水浇铸前20min以上的软吹时间，试生产轴承钢。试制结果表明：

(1)达到D类夹杂不超过1.0级、DS类夹杂不超过1.0级的高品质轴承钢要求；

(2)实现钢中T[O]含量低于5ppm的超低氧钢生产，夹杂物指数1.8，达到较好的水平；

(3)钢中的[N]含量达到40ppm以下，[Ti]含量18ppm，ASPEX分析钢中仍然存在个别的较大(10μm-20μm)含Ti夹杂物。

参 考 文 献

[1]钟顺思，王昌生．轴承钢[M]．北京：冶金工业出版社，2000

[2]D.J.NAYLOR. Ironmaking Steelmaking, 1989(16)：246-252

[3]德国钢铁工程师协会．渣图集[M]．北京：冶金工业出版社，1989

[4]陈家祥．炼钢常用图表数据手册[M]．北京：冶金工业出版社，1984

[5]迟云广，沈巧珍．210 t RH精炼过程夹杂去除和卷渣的物理模拟[J]．特殊钢，2011(4)：10-13

[6]高振波，李京社．影响出口车轴钢T[O]含量因素的探讨[J]．安徽冶金科技职业学院学报，2013(3)：5-8

[7]王文军．钢包软吹氩对钢中夹杂物去除效果的研究[J]．钢铁，2010(9)：28-31

[8]李 强．X80管线钢钙处理后软吹时间对夹杂物行为的影响[J]．钢铁钒钛，2011(2)：74-78

Research of Controlling Inclusions in Trial-producing

Bearing Steel of Masteel During Refining

GAO Zhen-bo1, CHEN Yang2, SHI Wei1, GONG Zhi-xiang1

Abstract：The key process parameters for bearing steel GCr15 of Masteel was formulated such as the composition of refining slag, upper limit of [Ti] and [N] in liquid steel, cycling time in vacuum, time of soft blowing before casting and so on. The non-metal inclusion was controlled effectively. The high quality bearing steel was trial-produced successfully, quality standard of which follow as: T[O]<5ppm, D-inclusions rating≤1.0, DS-inclusions rating≤0.5. As the effect of segregation, inclusion of TiN was separated out inevitably during solidification, when the content of [Ti] and [N] was lower.

Key words：bearing steel；total oxygen；component of refining slag；non-metal inclusion

作者简介：高振波(1979-)，男，马钢特钢公司，工程师，工学硕士。

收稿日期：2015-03-18；改 回日期：2015-04-10

中图分类号：TF762+.4

文献标识码：A

文章编号：1672-9994(2015)02-0001-04