白俊麗
（天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院冶金工程系）

　　摘　要：天津鋼鐵集團(tuán)有限公司（天鋼）采用頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐(BOF)→LF精煉→VD真空脫氣→小方坯連鑄工藝流程生產(chǎn)GCr15軸承鋼。通過轉(zhuǎn)爐高拉碳工藝，控制終點(diǎn)碳含量在0.25%以上，出鋼過程中加鋼芯鋁進(jìn)行深脫氧，LF精煉工藝造高堿度精煉渣，控制爐渣堿度CaO/SiO2在4.0~5.5之間，VD處理進(jìn)行脫氣等技術(shù)手段使鑄坯中全氧含量T[O]≤0.0012%，夾雜物等級及低倍組織滿足要求。
　　關(guān)鍵詞：軸承鋼；轉(zhuǎn)爐；高堿度渣
　　軸承鋼主要用于軸承的滾動(dòng)體及內(nèi)、外套圈，要求其性能滿足高而均勻的硬度、足夠的耐磨性及高的彈性極限等。為達(dá)到這些要求，需要控制好軸承鋼的化學(xué)成分、潔凈度及組織均勻性。相關(guān)研究表明^[1]：鋼中夾雜物是影響軸承疲勞壽命的重要因素，提高鋼的純凈度有利于提高軸承的疲勞性能。減少鋼中的夾雜物含量，減小夾雜物尺寸是提高軸承疲勞壽命的主要途徑。因此，降低與氧化物夾雜的含量關(guān)系密切的氧含量是提高軸承疲勞壽命的Z重要手段之一。
　　GCr15.軸承鋼是一種合金含量少、具有良好性能、應(yīng)用Z廣泛的高碳鉻軸承鋼。天鋼在研究了多個(gè)文獻(xiàn)^[2-3]的基礎(chǔ)上結(jié)合自身的設(shè)備情況，采取了高拉碳、Al深脫氧、造高堿度渣等技術(shù)使鑄坯中全氧含量控制在T[O]≤0.0012%，成功生產(chǎn)出質(zhì)量符合要求的GCr15軸承鋼。
　　1.軸承鋼的生產(chǎn)
　　天鋼轉(zhuǎn)爐流程生產(chǎn)GCr15軸承鋼的工藝流程為：120t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐(BOF)→120tLF精煉→120tVD真空處理→六流150×150小方坯連鑄。
　　1.1轉(zhuǎn)爐冶煉
　　轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)高拉碳技術(shù)是冶煉軸承鋼的基礎(chǔ)，鋼液初始氧含量對Z終T[O]含量影響很大，降低初煉鋼水中的溶解氧不僅可以減輕精煉過程的脫氧負(fù)擔(dān)，減少脫氧產(chǎn)物的生成量及初始夾雜物的主要來源，同時(shí)減少了脫氧劑的用量，降低冶煉成本。
　　在轉(zhuǎn)爐冶煉實(shí)際操作中，兌入鐵水要求采用優(yōu)質(zhì)鐵水，要求鐵水Si≤0.35%、P≤0.075%。廢鋼采用本廠自產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋼板邊。轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)采用高拉碳操作，碳含量基本控制在0.25%~0.60%。此操作有利于降低鋼中的氧含量，減少了后序處理時(shí)氧化鋁夾雜物形成的幾率。采用雙渣冶煉控制鋼水中P含量，出鋼溫度控制在1630~1650℃。轉(zhuǎn)爐出鋼采用擋渣錐進(jìn)行擋渣操作，嚴(yán)格控制下渣量，保證渣層＜5mm，減少高氧化性的鋼渣對鋼水的污染，并為LF精煉造還原渣創(chuàng)造良好條件。轉(zhuǎn)爐出鋼過程中采用鋼芯鋁深脫氧，控制鋼中的Als＞0.02%。
　　天鋼此次生產(chǎn)2爐軸承鋼轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)成分控制見表1。

表1.轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)成分（%）

　　1.2.LF精煉
　　鋁在鋼中是強(qiáng)脫氧劑，Al和O的反應(yīng)方程為：

　　根據(jù)（1）式計(jì)算得到1600℃時(shí)鋼中鋁、氧平衡曲線，見圖1。

圖1 鋼中鋁氧平衡曲線

　　為使鋼中的氧含量處在較低水平，需要鋼中保持一定量的酸溶鋁，根據(jù)鋁氧平衡公式^[4]及圖1可知，增加酸溶鋁含量有利于降低鋼中的溶解氧含量，但酸溶鋁太高會(huì)造成連鑄過程中容易堵塞水口現(xiàn)象發(fā)生。因此，需要將鋁含量控制在合適的范圍。鋁的控制范圍應(yīng)由計(jì)算確定。由圖1可知當(dāng)鋼中酸溶鋁Als≥0.020%時(shí)，活度氧a(O)≤0.0005%。因此確定Als控制范圍為0.02%~0.05%。
　　兩爐次VD出站Als含量分別為0.047%和0.049%，活度氧a(O)都為0.00016%，與理論值較吻合。
　　鋼水進(jìn)LF精煉爐后取鋼液樣測鋼中Als含量，根據(jù)Als含量補(bǔ)加Al線，使Als達(dá)到一定的范圍，保證成品中Als≥0.020%。
　　補(bǔ)加鋁線后在精煉工位造高堿度精煉渣對鋼水進(jìn)一步處理，造渣料采用石灰、預(yù)熔渣、鋁礬土，還原劑采用電石、鋁粒，精煉渣堿度控制在4.0~5.5之間。在精煉工位還要微調(diào)鋼水成分，使鋼水成分均勻穩(wěn)定。
　　鋼中T[O]包括活度氧和夾雜物中的氧兩部分，一定的Als含量保證了鋼中較低的活度氧，夾雜物中的氧只能用提高鋼液的純凈度來實(shí)現(xiàn)。鋼中的夾雜物主要靠軟吹氬氣使其聚集上浮，且要求精煉渣具有較好的吸附效果。
　　為了降低鋼中的氧含量和硫含量，采用高堿度、低熔點(diǎn)、流動(dòng)性好、吸附夾雜物能力強(qiáng)的精煉渣，精煉渣成分見表2。高堿度精煉渣可以降低渣中SiO2活度，鋼渣的堿度控制在4.3左右。精煉時(shí)對鋼渣進(jìn)行充分還原，.使?fàn)t渣中FeO+MnO＜0.5%，從而降低FeO的活度系數(shù)。

表2.LF精煉渣成分（%）

　　1.3.VD工藝
　　鋼包在VD工藝進(jìn)行真空脫氣處理，對鋼液中H、N進(jìn)行脫除，同時(shí)吹氬攪拌使鋼渣充分接觸吸附夾雜。VD處理過程中控制真空度小于67Pa，高真空時(shí)間大于15min，氬氣量200NL/min，使鋼液中氣體充分脫除。鋼水經(jīng)VD處理后進(jìn)行適當(dāng)軟吹，軟吹時(shí)間大于20min，軟吹過程中確保鋼液面不出現(xiàn)裸露，達(dá)到使大顆粒夾雜物充分上浮去除，但不發(fā)生二次氧化和卷渣得效果。
　　1.3澆鑄
　　精煉處理后，鋼中氧含量已經(jīng)較低，在連鑄過程中應(yīng)防止二次氧化。澆鑄時(shí)，中間包內(nèi)采用氬氣保護(hù)澆鑄，勤加中間包渣，嚴(yán)禁鋼液面裸露。采用浸入式水口全程保護(hù)澆鑄，并防止鋼包下渣。連鑄時(shí)控制中間包鋼液過熱度不超過20℃，結(jié)晶器液面波動(dòng)±5mm以內(nèi)，拉速保持恒定。保護(hù)渣采用承鋼專用保護(hù)渣。
　　1.4成品成分
　　本批次生產(chǎn)的軸承鋼成分穩(wěn)定，P、S含量較低，且酸溶鋁/全鋁比率較高（分別為94.1%和97.2%），說明鋼中Al質(zhì)夾雜物較少，取得了良好的去除夾雜物的效果。成品成分見下表3。

表3.成品成分（%）

　　2.結(jié)果分析
　　2.1.T[O]含量分析
　　T[O]含量影響軸承鋼的疲勞性能，目前較好企業(yè)生產(chǎn)軸承鋼T[O]含量已控制在0.0006%以內(nèi)，因此T[O]含量控制越低越好。
　　天鋼GCr15軸承鋼冶煉過程中T[O]含量的變化見圖2。從圖2中可以看出，整個(gè)過程中氧含量整體呈下降趨勢，都控制在較低的范圍內(nèi)，鑄坯氧含量為0.0008%，另外一爐的氧含量為0.0009%。

圖2.T[O]變化情況

　　2.2.N含量分析
　　冶煉過程中N含量的變化見圖3。從圖3可以看出，兩個(gè)爐次鑄坯中N含量都為0.003%。VD過程起到了很好的脫氣效果，使鋼液中N含量明顯降低，VD出站時(shí)鋼液中N含量達(dá)到Z低值0.0021%，在中間包時(shí)鋼液中N含量與VD出站含量基本一致，鑄坯中N含量稍有增加，達(dá)到0.003%。

圖3.N含量變化

　　鋼液中N容易與鋼液中Ti形成TiN類夾雜物，TiN類夾雜物是影響軸承鋼疲勞強(qiáng)度的主要因素之一。軸承鋼中氮化物以TiN和Ti[CN]為主，它們是一種硬度很高的不變形夾雜物，在交變應(yīng)力的作用下會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中而損壞軸承鋼^[5]。較低的N含量對TiN的形成也有一定抑制作用，但有學(xué)者研究表明^[6]，軸承鋼固相線以上不析出TiN的熱力學(xué)條件是：[%Ti][%N]＜1.6×10^-5。天鋼鋼水中Ti含量較高，但轉(zhuǎn)爐工藝冶煉軸承鋼N含量較低，[%Ti][%N]=1.35×10^-5，符合不析出TiN的熱力學(xué)條件。取的鑄坯樣在電鏡下也并未發(fā)現(xiàn)TiN夾雜。
　　2.3.夾雜物分析
　　取鑄坯樣品用掃描電鏡進(jìn)行夾雜物分析，試樣大小為直徑25mm，個(gè)數(shù)為每爐3個(gè)試樣，夾雜物情況見圖4。可以看出，此次軸承鋼中夾雜物呈球形、不規(guī)則形，大小為2μm～4μm，個(gè)數(shù)為3～5個(gè)/試樣。通過EDS分析非金屬夾雜物基本為Al2O3-CaO+MgO復(fù)合夾雜物，Al2O3所占比重較高，大約占70%左右。鋼中Al2O3類非金屬夾雜物尺寸較小，后續(xù)的使用過程未引發(fā)質(zhì)量問題。

圖4.夾雜物形貌圖

　　2.4.低倍組織分析
　　對此批次軸承鋼鑄坯進(jìn)行低倍組織分析，發(fā)現(xiàn)鑄坯中只有少量中心疏松，沒有出現(xiàn)中心偏析、縮孔、裂紋等影響使用性能的低倍組織缺陷出現(xiàn)。
　　3.結(jié)語
　　天鋼在轉(zhuǎn)爐BOF→LF→VD→CC工藝條件下，通過采用高拉碳工藝減少鋼液初始[O]含量、全程控Al使成品Als≥0.020%、造高堿度精煉渣、全程保護(hù)澆鑄等技術(shù)手段，生產(chǎn)出的GCr15軸承鋼其化學(xué)成分控制、潔凈度指標(biāo)T[O]等技術(shù)指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
　　參考文獻(xiàn)：
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出處：《河北冶金》2017(5)