轴承钢主要用于制造轴承的滚珠和滚圈,它具有很高的硬度、强度和耐磨性。由于轴承在工作时受力的接触面积很小,同时受高速度的反复不断变化的应力,所以对轴承钢的质量要求比较高。钢的纯净度和耐用寿命有着很密切的关系,因此对钢中气体和夹杂物的含量要求很严。一般广泛应用的轴承钢为GCr15。南京钢铁联合有限公司(以下简称南钢)轴承钢GCr15棒线材已生产了2年,实物质量取得了明显提高,钢中氧质量分数基本上能控制在12×10-6以下,但钢中的D类夹杂物(球状不变形夹杂物)级别仍然较高,普遍在粗系0.5～1.5级,细系0.5～2.0级(国标要求粗系≤1.0级,细系≤1.0级)。为了有效去除钢中的D类夹杂,对LF、VD工序专门取过程钢样和渣样,做O、N气体分析和渣样分析,然后做脱氧工艺优化试验,取得了显著效果。
1 氧、氮和夹杂物分析
O、N数据见表1,LF吊桶样w([O])=(8～13)×10-6,w([N])=(48～54)×10-6,VD吊桶样w([O])=(9～14)×10-6,w([N])=(32～40)×10-6,VD过程w([O])下降14×10-6。可见,原冶炼工艺中的钢液脱氧任务主要在LF完成,VD主要作用是脱氮,脱氧效果并不明显。个别炉号[O]上升,这是由于VD初始[O]已经很低、真空处理时真空度不够低,真空时间不足或VD前后钢水可能有裸露现象等原因而造成。钢材成品中的D类夹杂物(球状不变形夹杂物)级别较高,普遍在粗系0.5～1.5级,细系0.5～2.0级(国家标准要求粗系≤1.0级,细系≤1.0级)。
2 精炼渣成分分析
表2为8炉渣样的分析数据。VD过程中渣中w(CaO)平均上升0.16 %,基本不变,下降炉次是由于钢中SiO2、Al2O3夹杂上浮后渣量增加而造成。
VD过程w(SiO2)平均下降3.04 %,这是因为在真空条件下,碳的脱氧能力超过硅,碳将(SiO2)还原成Si,生成CO。(SiO2)的下降导致R2平均上升5.53,VD后平均R2高达12.58。这么高的炉渣碱度恶化炉渣流动性,对脱氧、脱硫均很不利。
VD过程w(Al2O3)平均上升2.95 %,表明脱氧产物(Al2O3)在真空的良好搅拌下从钢液中分离,被渣吸附。有关研究表明,有44 %的脱氧产物在真空处理过程中上浮。
VD过程w(S)上升0.05 %,说明VD过程钢水在进一步脱硫。
3 脱氧工艺分析
3.1 脱氧剂的分析
GCr15脱氧元素主要是Si和Al,出钢时喂Al线进行钢液的脱氧,精炼开始和结束时喂Al丝脱氧,使钢中氧含量进一步下降。运用吹氩搅拌,除了起搅拌作用外,同时还有脱气的作用。有关资料显示,当每吨钢吹Ar量达0.1 m3时,常压下的吹Ar脱气率可达70 %,当真空度达50.66kPa时,吹Ar脱氧量大于90 %。为此,脱氧工艺可以作适当调整:(1)适当减少加Al量,以减少Al2O3的生成量,提高LF结束时的[O],充分发挥VD的脱氧作用。(2)延长吹Ar时间,一方面提高吹Ar脱气率,另一方面促进Al2O3夹杂物的上浮。
3.2 渣系成分分析
在采用铝脱氧的情况下,脱氧夹杂物主要是Al2O3基夹杂,精炼渣对此夹杂的吸附能力主要取决于精炼渣中Al2O3活度的高低。为了使精炼渣具有良好的吸附Al2O3夹杂的能力,根据目前的炉渣成分,需降低炉渣碱度,提高渣中SiO2,降低造渣料中的Al2O3,促使形成CaO-SiO2-Al2O3渣系中的低熔点产物。在CaO-SiO2-Al2O3三元系夹杂物中,具有良好变形能力的夹杂物组分分布在钙斜长石(CaO·Al2O3·2 SiO2)与磷石英和假硅灰石(CaO·SiO2)相邻的周边低熔点区。该区域内Al2O3相成分在15 %～20 %。轴承钢GCr15原用的造渣原料为改性渣和铝质调渣剂,由于改性渣和铝质调渣剂中含有较高的Al2O3成分,改性渣w(Al2O3)=18 %～20 %,铝质调渣剂成分为w(Al2O3)≥75 %,造成精炼渣中初始Al2O3就很高,LF未期w(Al2O3)达31.2 %,VD结束后w(Al2O3)达34.14 %,整个精炼过程中w(Al2O3)均在30 %以上,这不利于炉渣吸附Al2O3夹杂。若减少改性渣和铝质调渣剂的加入量,降低造渣料中的Al2O3,保证真空下w(Al2O3)在20 %以下,将大大促进精炼渣对Al2O3夹杂的吸附。
轴承钢中的D类夹杂物,几乎全是含钙的铝酸盐,钢液中一定数量的钙是球状夹杂物生成的必要条件。随着精炼渣R2的提高,渣中自由CaO含量增加,CaO活度随之增大,有利于钙进入钢液。这就要求精炼渣降低碱度。
配制1种适当成分的精炼渣,要达到3个目的:(1)具有一定程度的脱硫能力,使轴承钢中的A类(硫化物)夹杂物的数量控制在一定范围内;(2)具有吸收脱氧产物Al2O3夹杂的能力,以便在搅拌精炼过程中最大程度地降低氧化物夹杂的数量;(3)减少或消除含CaO的D类夹杂物。采用高碱度渣精炼轴承钢,硫含量及Al2O3夹杂含量都可降到很低的程度,但球状夹杂物出现率升高;酸性渣虽然消除了球状夹杂物,但对降低钢中硫含量的能力很有限,硫化物夹杂和氧化物夹杂的数量都较高。国内数家特殊钢厂吹氩精炼工艺均采用低碱度渣,碱度控制在2.5以下,钢中w(Ca)一般不超过20×10-6,塑性夹杂物占夹杂物总量的比例可达90 %以上。
3.3 搅拌工艺分析
与LF精炼相比,真空下钢水静压力较小,夹杂物容易上浮,所以应优化LF与VD的搅拌时间,确保VD真空处理15～25 min。加强真空搅拌处理比加强LF弱搅拌处理更能有效促进夹杂物的上浮。
优化搅拌工艺,制定适宜的吹氩流量。对于上VD的钢种,由于其出钢量比普通钢种少20%～25 %,所以其吹氩流量应适当减少,否则搅拌强度过大,上浮到渣中的夹杂又回到钢水中,甚至出现钢水裸露现象。合理的吹氩流量应使混匀时间短,净化效果最佳,还不致于出现卷渣现象,避免钢水与空气接触。为促使夹杂物的分离,炉渣粘度要适当高一些,避免渣与钢混合,以防止二次氧化。
4 脱氧工艺优化试验
根据以上生产数据分析,对GCr15脱氧工艺进行优化试验。
4.1 试验内容
(1)降低精炼渣碱度,R2从5.0～7.0降至2.0～3.0;
(2)造渣剂由改性渣加铝质调渣剂改为石灰加萤石,降低精炼渣起始Al2O3浓度;
(3)减少Al线喂入量,由Al脱氧改为Al加Si脱氧,减少铝酸钙的生成量;
(4)保证弱搅拌时间,促进夹杂物上浮;
(5)保证真空压力小于67 Pa,真空下处理时间达15~20 min。
4.2 VD精炼渣样成分与成品分析
表3为GCr15钢VD精炼渣的分析数据。
注:R2=m(CaO)/m(SiO2);R4=m(CaO+MgO)/m(SiO2+Al2O3)
试验中将炉渣R2控制在2.5～3.5,渣中w(Al2O3)控制在20 %以下。炉渣w(FeO)在0.5%左右,说明炉渣还原性较好,铝线加入量减少后并没有影响炉渣的还原性能,炉渣脱硫能力得到了提高。
脱氧工艺改变后,成品w([O])范围基本上在(7～12)×10-6,与原工艺相当,D类夹杂物级别粗系、细系均为0～1.0级,与试验前相比,D类夹杂物级别明显下降。
5 结 论
(1)调整造渣料的配比,减少造渣剂所带入的Al2O3,控制渣中Al2O3含量,可有效提高精炼渣对钢液中Al2O3夹杂的吸附;
(2)适当减少铝线加入量,采用Al加Si脱氧,控制Al2O3夹杂的生成量;
(3)降低炉渣碱度和钢中[Als],LF渣碱度保持R2=2.5～3.0,VD渣碱度保持R2=3.0～3.5,控制钢液的含钙量,从而控制球状夹杂物的生成条件;
(4)优化搅拌工艺,保证弱搅拌时间和合适的吹氩流量,可加强D类夹杂物的上浮去除;
(5)保证真空压力和真空处理时间,可充分发挥VD的脱氧能力。
[参 考 文 献]
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