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天钢GCr15轴承钢氧含量控制

发布时间:2019-04-16
白俊丽
(天津冶金职业技术学院冶金工程系)
  摘 要:天津钢铁集团有限公司(天钢)采用顶底复吹转炉(BOF)→LF精炼→VD真空脱气→小方坯连铸工艺流程生产GCr15轴承钢。通过转炉高拉碳工艺,控制终点碳含量在0.25%以上,出钢过程中加钢芯铝进行深脱氧,LF精炼工艺造高碱度精炼渣,控制炉渣碱度CaO/SiO2在4.0~5.5之间,VD处理进行脱气等技术手段使铸坯中全氧含量T[O]≤0.0012%,夹杂物等级及低倍组织满足要求。
  关键词:轴承钢;转炉;高碱度渣
  轴承钢主要用于轴承的滚动体及内、外套圈,要求其性能满足高而均匀的硬度、足够的耐磨性及高的弹性极限等。为达到这些要求,需要控制好轴承钢的化学成分、洁净度及组织均匀性。相关研究表明[1]:钢中夹杂物是影响轴承疲劳寿命的重要因素,提高钢的纯净度有利于提高轴承的疲劳性能。减少钢中的夹杂物含量,减小夹杂物尺寸是提高轴承疲劳寿命的主要途径。因此,降低与氧化物夹杂的含量关系密切的氧含量是提高轴承疲劳寿命的最重要手段之一。
  GCr15.轴承钢是一种合金含量少、具有良好性能、应用最广泛的高碳铬轴承钢。天钢在研究了多个文献[2-3]的基础上结合自身的设备情况,采取了高拉碳、Al深脱氧、造高碱度渣等技术使铸坯中全氧含量控制在T[O]≤0.0012%,成功生产出质量符合要求的GCr15轴承钢。
  1.轴承钢的生产
  天钢转炉流程生产GCr15轴承钢的工艺流程为:120t顶底复吹转炉(BOF)→120tLF精炼→120tVD真空处理→六流150×150小方坯连铸。
  1.1转炉冶炼
  转炉终点高拉碳技术是冶炼轴承钢的基础,钢液初始氧含量对最终T[O]含量影响很大,降低初炼钢水中的溶解氧不仅可以减轻精炼过程的脱氧负担,减少脱氧产物的生成量及初始夹杂物的主要来源,同时减少了脱氧剂的用量,降低冶炼成本。
  在转炉冶炼实际操作中,兑入铁水要求采用优质铁水,要求铁水Si≤0.35%、P≤0.075%。废钢采用本厂自产优质钢板边。转炉终点采用高拉碳操作,碳含量基本控制在0.25%~0.60%。此操作有利于降低钢中的氧含量,减少了后序处理时氧化铝夹杂物形成的几率。采用双渣冶炼控制钢水中P含量,出钢温度控制在1630~1650℃。转炉出钢采用挡渣锥进行挡渣操作,严格控制下渣量,保证渣层<5mm,减少高氧化性的钢渣对钢水的污染,并为LF精炼造还原渣创造良好条件。转炉出钢过程中采用钢芯铝深脱氧,控制钢中的Als>0.02%。
  天钢此次生产2炉轴承钢转炉终点成分控制见表1。
表1.转炉终点成分(%)
  1.2.LF精炼
  铝在钢中是强脱氧剂,Al和O的反应方程为:
  根据(1)式计算得到1600℃时钢中铝、氧平衡曲线,见图1。

图1 钢中铝氧平衡曲线
  为使钢中的氧含量处在较低水平,需要钢中保持一定量的酸溶铝,根据铝氧平衡公式[4]及图1可知,增加酸溶铝含量有利于降低钢中的溶解氧含量,但酸溶铝太高会造成连铸过程中容易堵塞水口现象发生。因此,需要将铝含量控制在合适的范围。铝的控制范围应由计算确定。由图1可知当钢中酸溶铝Als≥0.020%时,活度氧a(O)≤0.0005%。因此确定Als控制范围为0.02%~0.05%。
  两炉次VD出站Als含量分别为0.047%和0.049%,活度氧a(O)都为0.00016%,与理论值较吻合。
  钢水进LF精炼炉后取钢液样测钢中Als含量,根据Als含量补加Al线,使Als达到一定的范围,保证成品中Als≥0.020%。
  补加铝线后在精炼工位造高碱度精炼渣对钢水进一步处理,造渣料采用石灰、预熔渣、铝矾土,还原剂采用电石、铝粒,精炼渣碱度控制在4.0~5.5之间。在精炼工位还要微调钢水成分,使钢水成分均匀稳定。
  钢中T[O]包括活度氧和夹杂物中的氧两部分,一定的Als含量保证了钢中较低的活度氧,夹杂物中的氧只能用提高钢液的纯净度来实现。钢中的夹杂物主要靠软吹氩气使其聚集上浮,且要求精炼渣具有较好的吸附效果。
  为了降低钢中的氧含量和硫含量,采用高碱度、低熔点、流动性好、吸附夹杂物能力强的精炼渣,精炼渣成分见表2。高碱度精炼渣可以降低渣中SiO2活度,钢渣的碱度控制在4.3左右。精炼时对钢渣进行充分还原,.使炉渣中FeO+MnO<0.5%,从而降低FeO的活度系数。
表2.LF精炼渣成分(%)
  1.3.VD工艺
  钢包在VD工艺进行真空脱气处理,对钢液中H、N进行脱除,同时吹氩搅拌使钢渣充分接触吸附夹杂。VD处理过程中控制真空度小于67Pa,高真空时间大于15min,氩气量200NL/min,使钢液中气体充分脱除。钢水经VD处理后进行适当软吹,软吹时间大于20min,软吹过程中确保钢液面不出现裸露,达到使大颗粒夹杂物充分上浮去除,但不发生二次氧化和卷渣得效果。
  1.3浇铸
  精炼处理后,钢中氧含量已经较低,在连铸过程中应防止二次氧化。浇铸时,中间包内采用氩气保护浇铸,勤加中间包渣,严禁钢液面裸露。采用浸入式水口全程保护浇铸,并防止钢包下渣。连铸时控制中间包钢液过热度不超过20℃,结晶器液面波动±5mm以内,拉速保持恒定。保护渣采用承钢专用保护渣。
  1.4成品成分
  本批次生产的轴承钢成分稳定,P、S含量较低,且酸溶铝/全铝比率较高(分别为94.1%和97.2%),说明钢中Al质夹杂物较少,取得了良好的去除夹杂物的效果。成品成分见下表3。
表3.成品成分(%)
  2.结果分析
  2.1.T[O]含量分析
  T[O]含量影响轴承钢的疲劳性能,目前较好企业生产轴承钢T[O]含量已控制在0.0006%以内,因此T[O]含量控制越低越好。
  天钢GCr15轴承钢冶炼过程中T[O]含量的变化见图2。从图2中可以看出,整个过程中氧含量整体呈下降趋势,都控制在较低的范围内,铸坯氧含量为0.0008%,另外一炉的氧含量为0.0009%。
图2.T[O]变化情况
  2.2.N含量分析
  冶炼过程中N含量的变化见图3。从图3可以看出,两个炉次铸坯中N含量都为0.003%。VD过程起到了很好的脱气效果,使钢液中N含量明显降低,VD出站时钢液中N含量达到最低值0.0021%,在中间包时钢液中N含量与VD出站含量基本一致,铸坯中N含量稍有增加,达到0.003%。
图3.N含量变化
  钢液中N容易与钢液中Ti形成TiN类夹杂物,TiN类夹杂物是影响轴承钢疲劳强度的主要因素之一。轴承钢中氮化物以TiN和Ti[CN]为主,它们是一种硬度很高的不变形夹杂物,在交变应力的作用下会导致应力集中而损坏轴承钢[5]。较低的N含量对TiN的形成也有一定抑制作用,但有学者研究表明[6],轴承钢固相线以上不析出TiN的热力学条件是:[%Ti][%N]<1.6×10-5。天钢钢水中Ti含量较高,但转炉工艺冶炼轴承钢N含量较低,[%Ti][%N]=1.35×10-5,符合不析出TiN的热力学条件。取的铸坯样在电镜下也并未发现TiN夹杂。
  2.3.夹杂物分析
  取铸坯样品用扫描电镜进行夹杂物分析,试样大小为直径25mm,个数为每炉3个试样,夹杂物情况见图4。可以看出,此次轴承钢中夹杂物呈球形、不规则形,大小为2μm~4μm,个数为3~5个/试样。通过EDS分析非金属夹杂物基本为Al2O3-CaO+MgO复合夹杂物,Al2O3所占比重较高,大约占70%左右。钢中Al2O3类非金属夹杂物尺寸较小,后续的使用过程未引发质量问题。
图4.夹杂物形貌图
  2.4.低倍组织分析
  对此批次轴承钢铸坯进行低倍组织分析,发现铸坯中只有少量中心疏松,没有出现中心偏析、缩孔、裂纹等影响使用性能的低倍组织缺陷出现。
  3.结语
  天钢在转炉BOF→LF→VD→CC工艺条件下,通过采用高拉碳工艺减少钢液初始[O]含量、全程控Al使成品Als≥0.020%、造高碱度精炼渣、全程保护浇铸等技术手段,生产出的GCr15轴承钢其化学成分控制、洁净度指标T[O]等技术指标均满足标准要求。
  参考文献:
  [1].刘跃,吴伟,刘浏等.转炉冶炼轴承钢钢水氧含量的研究[C].中国钢铁年会论文集,2005,166.
  [2].阮小江,姜周华,龚伟.精炼渣对轴承钢中氧含量和夹杂物的影响[J].特殊钢,2008,.29:1-3.
  [3].胡俊辉.控制轴承钢氧含量的实践[C].中国钢铁年会论文集,2003,786.
  [4].魏寿昆.冶金过程热力学[M].上海:上海科学技术出版社,1980.
  [5].李诤,徐明华,冯刚等.轴承钢纯净度的现状与发展[J].五钢科技,2003,1:3.
  [6].傅杰,周德光,朱剑等.合金钢中的氮、钛控制[J].中国稀土学报,2000,18:394.
出处:《河北冶金》2017(5)


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