高品质轴承钢超低氧含量和非金属夹杂物控制的进展

　　摘　要：超低氧含量和低夹杂物级别是高品质轴承钢的重要指标。分析了高品质轴承钢中超低氧含量和非金属夹杂物控制的影响因素，如出钢除渣、铝脱氧、高碱度精炼渣、真空或非真空条件下的长时间搅拌和合理的生产工艺流程等，得出生产5×10^-6[O]、≤1×10^-6[H]和≤12×10^-6[Ti]的超纯净高品质轴承钢的关键是对各冶炼工序的严格控制。
　　关键词：高品质轴承钢；超低氧；非金属夹杂；冶炼工艺
　　1　国内外高品质轴承钢中全氧和夹杂物控制水平
　　瑞典SKF公司OVAKO厂生产的高品质轴承钢中氧含量为5×10^-6，夹杂物含量达到极低的程度。日本神户钢铁公司和大同特殊钢公司的全氧T•O分别达到了4×10^-6、≤5×10^-6，日本山阳特殊钢厂轴承钢氧含量已经可以控制在5×10^-6以下，氧化物夹杂可控制在11μm以内，其接触疲劳寿命比普通轴承钢的寿命大幅度提高。国内大冶特钢和兴澄特钢公司生产的高品质轴承钢氧含量分别达到（6.5～6.7）×10^-6、（7～9）×10^-6。
　　我国轴承钢氧含量的波动偏差大多在2×10^-6以上，而瑞典SKF轴承钢的氧含量波动偏差为0.6×10^-6。Bhadeshia等认为现在的高品质轴承钢中全氧含量需控制在10×10^-6以下，实际生产中的波动控制在（±1.5）×10^-6；铸锭中的平均全氧含量应控制在（2～5）×10^-6。
　　2　国内外高品质轴承钢生产工艺流程
　　瑞典SKF公司开发出SKF-MR（熔炼+精炼）工艺，该工艺流程是：双壳炉熔炼（C、P含量调整到允许值）→除渣→感应搅拌→加热→脱氧→合金化→脱硫→真空脱气→模铸3.4t钢锭。在该工艺中，钢包炉可以加热，利用铝沉淀脱氧，配以强烈的电磁搅拌，使脱氧产物有充分的时间分离，可以把氧含量和夹杂物含量控制在极低的程度。
　　日本山阳特殊钢公司近几年来开发的SNRP（Sanyo New Refining Process）超纯净轴承钢的生产工艺，即：90tUHP电弧炉炼钢→偏心炉底出钢→LF→RH→完全垂直连铸，生产出氧含量为5×10^-6，夹杂物尺寸≤11μm的轴承钢。大同特殊钢公司Z近开发的MRAC-SSS（Multi-function Refining &Advanced Casting-Special Solution & Soaking，工艺流程为EAF→除渣→LF→RH→CC（370mm×470mm），可以生产出氧含量≤5×10^-6，氧化物夹杂极细小的轴承钢。
　　中国大冶特钢通过铁水+废钢→60t电弧炉→LF→RH→5t锭模铸→热轧/热锻工艺，可生产出氧含量（6.5～6.7）×10^-6，B类和D类夹杂级别小于1的轴承钢。目前国内北满特钢、兴澄特钢等企业大多采用EAF→LF→VD→CC生产高品质轴承钢。
　　钢液中全氧在小于10×10^-6时，钢液中主要以细小夹杂物形式存在。细小夹杂物有硅酸盐和硅铝酸盐、镁铝尖晶石、含钙夹杂物、氧化铝等，主要来源包括：脱氧去夹杂后的残留、二次氧化、钢渣反应、喂线处理、钢与耐火材料、浇钢过程、连铸中耐火材料影响、凝固过程等。
　　3　高品质轴承钢中超低氧含量和夹杂物控制工艺
　　3.1 出钢除渣
　　国内外采用无渣出钢（如EBT）、钢包扒渣、真空吸渣和换钢包除渣等技术，将氧化渣彻底排除，以减少氧化渣对钢液总氧含量的影响。如瑞典SKF在双炉壳熔炼出钢后，将对钢水进行除渣处理。日本神户在转炉出钢后将对钢水进行排渣处理，日本山阳特殊钢采用EBT出钢。蒂森维藤厂也采用电弧炉EBT出钢，控制氧化渣对钢水总氧的影响。
　　3.2 Al脱氧
　　在精炼过程中，真空下碳脱氧速度很慢，并且效果差，如果只采用真空碳脱氧工艺，钢中氧含量可高达0.002％以上。因此，为了提高钢的洁净度，必须在精炼前预先采用铝沉淀脱氧，使钢中氧主要以夹杂物形式存在，通过搅拌去除。
　　Al脱氧工艺可实现轴承钢的超低氧含量控制，使钢中全氧降到10×10^-6以下，但难点是钢中Al₂O₃、高熔点CaO-Al₂O₃系不变形夹杂物（ASTM“B类”或“D类”）的控制。日本大同特殊钢公司开发的MRAC-SSS高洁净钢生产工艺，工艺要点之一是在电炉出钢时对钢液铝强脱氧，初步实现低氧化，在此基础上再通过渣—钢精炼、RH真空处理、连铸等去除钢液中的非金属夹杂物，全氧Z终可控制在≤5×10^-6，实现了全部夹杂小于7.5μm，并均匀分布。瑞典SKF在除渣和感应搅拌后也采用铝脱氧，将钢液中的总氧含量控制在极低的水平。国内兴澄特钢公司采用铝脱氧和高碱度精炼，延长VD吹氩搅拌时间，控制耐火材料质量，使钢中总氧含量≤8×10^-6，脆性夹杂物得到了有效的控制，达到高纯净度技术要求。
　　3.3 高碱度精炼渣
　　采用高碱度精炼渣系是日本钢铁厂高品质轴承钢生产的另一重要技术。日本山阳特殊钢对采用其常规高碱度（CaO/SiO₂=10.3）和较低碱度渣系（CaO/SiO₂=2.98）生产的轴承钢的总氧含量及非金属夹杂物进行了比较发现总氧含量差别不大（仅低1×10^-6），但采用较低碱度生产的轴承钢中大型夹杂物（≥23μm）数量显著多于高碱度渣系生产的轴承钢。此外，为了保证炉渣具备高的碱度，高品质轴承钢二次精炼所用包衬也应采用SiO₂含量低的MgO质或Al₂O₃质耐火材料。
　　采用：MoSi₂电阻炉在MgO质坩埚内进行了精炼渣成分对GCr15（0.95％C-1.50％Cr）轴承钢中氧含量和夹杂物的影响的试验研究发现，随精炼渣碱度CaO/SiO₂由2增加至4.5，钢液中的终点全氧含量由20×10^-6降至11×10^-6，夹杂物的总数量、总面积和平均半径减小。
　　除采用高碱度精炼渣之外，日本的许多特殊钢厂甚至能够将精炼渣中的T•Fe+MnO含量降低至0.5％以下。
　　3.4 真空或非真空条件下长时间搅拌
　　铝脱氧钢中的氧绝大部分是以夹杂物（主要是Al₂O₃）的形式存在，钢中的溶解氧很低，只有（1～2）×10^-6，因此，要降低钢中氧含量，只有通过长时间搅拌（包括吹氩搅拌、电磁搅拌、RH循环搅拌）促使夹杂物充分上浮。如果要生产氧含量小于10×10^-6的轴承钢，至少应搅拌30min以上。如日本山阳特殊钢公司开发的SNRP工艺，LF精炼时间大于45min，RH真空脱气时间大于40min。
　　3.5 生产工艺对高品质轴承钢中全氧和夹杂物的影响
　　高品质轴承钢的典型工艺流程是采用超高功率电弧炉（或BOF）作初炼炉，出钢时用铝脱氧、除渣、钢包合成渣精炼和RH处理，Z后连铸保护浇铸。钢包炉精炼渣为高碱度合成渣，CaO/SiO₂=4～6，渣中（％MnO+％FeO）应低于1.0％，SiO₂含量低于1000。钢包炉精炼可以达到钢水升温、促进脱氧剂脱氧、吹氩搅拌促进夹杂物上浮和避免钢水二次氧化的目的；RH处理主要是进一步促进夹杂物聚集和上浮、去氢和去氮。目前这种工艺流程已用来生产高品质弹簧钢和轴承钢等，山阳特殊钢、大同特殊钢等日本钢厂大多采用该工艺流程，全氧T•O可降低至（5～8）×10^-6，“B类”和“D类”夹杂物显著减少，钢的抗疲劳性显著改善。
　　目前国内特殊钢企业大多采用UHP（或BOF）→LF→VD→CC生产高品质轴承钢。北满特钢用90tEBT电弧炉-LF（VD）-240mm×240mm方坯连铸生产GCr15轴承钢钢包精炼时采用碱度为4.46的高碱度渣系，用含32.8％Al的脱氧剂，进行25minVD真空处理，保持[Al]s≤0.030％，统计结果表明GCIt15轴承钢的平均氧含量7.5×10^-6。
　　另外，国外在生产高品质轴承钢时，废钢进行精选；入炉铁水均进行了脱硫、脱磷处理；连铸坯断面尺寸普遍大于国内特钢厂，采用多级电磁搅拌；采用轻压下和连续锻压等液相穴压下技术减少偏析；在精整热处理方面，具有完善的精整热处理装备和质量保护体系。
　　4　国内轴承钢的研究方向
　　国内轴承钢生产厂家的硬件已得到很大的改进和提高，相信我国在轴承钢生产的软件和管理方面必将得到进一步的提高，生产超纯净轴承钢。
　　轴承钢的研究方向为：
　　1）国内轴承钢在努力降低钢中氧含量的同时，要在钢中夹杂物特别是氧化物夹杂的颗粒较为细小，分布较为均匀等方面进行深入的研究，从而提高钢材冶金质量的均匀性和稳定性。
　　2）复合脱氧对轴承钢中全氧和非金属夹杂物含量的影响。
　　3）低氧情况下轴承钢中硫的行为。
　　4）微量镁对轴承钢碳化物的影响。
　　5）改善连铸轴承钢的碳偏析以及碳偏析对轴承钢的疲劳性能的影响。
　　5　结论
　　1）国外钢铁企业经过多年研制开发，形成了比较成熟的高品质轴承钢超低氧和非金属夹杂物的控制技术，各项技术指标已经达到很高的水平。与国外相比，近年来国内高品质轴承钢生产技术水平提高较快，但许多特殊钢厂在超低氧控制和夹杂物控制方面仍存在氧含量波动大、氧化物夹杂尺寸及分布不均等问题。
　　2）出钢除渣、铝脱氧、高碱度精炼渣、真空或非真空条件下的长时间搅拌和合理的生产工艺流程等是高品质轴承钢中超低氧含量和夹杂物控制的有效措施。
　　3）为缩小与国外高品质轴承钢的差距，国内特殊钢厂需进一步降低高品质钢中氧含量，缩小其波动范围，并在降低夹杂物的含量，减小夹杂物特别是氧化物夹杂的颗粒的尺寸及分布的均匀性等方面进行深入研究。