轴承钢中氧化物的控制及工艺分析

王超，张艳福，丁秀中
（山东寿光巨能特钢有限公司，山东寿光　262711）

　　摘　要：山东寿光巨能特钢有限公司通过加强电炉终点碳的控制，出钢过程强预脱氧，合理的氩气搅拌，控制出钢过程下渣量，调整精炼炉渣系，控制钢中铝含量，VD真空冶炼，连铸全程保护浇注等一系列措施，轴承钢材中的全氧含量控制为（8～12）×10^-6，提高了钢材的洁净度。
　　关键词：轴承钢；电炉；氧含量；工艺优化；氧化物
　　1　前言
　　山东寿光巨能特钢有限公司炼钢厂电炉线生产工艺流程为70tUHP（EBT）+70tLF+70tVD真空脱气+四机四流矩形坯连铸机，连铸机弧形半径为8m，一点矫直，铸坯断面尺寸为150mm×150mm、180mm×220mm，采用结晶器液面自动控制，结晶器电磁搅拌，二冷气水雾化冷却，全过程封闭无氧化保护浇注，连铸坯重接部分切除，尾坯优化等技术。轴承钢质量要求严格，其中轴承钢中的非金属夹杂物，破坏了金属的连续性，在轴承工作过程中所产生的交变应力的作用下，易于引起应力集中，成为疲劳裂纹源，降低轴承钢的疲劳寿命。因此，减少钢中夹杂物的含量是提高轴承钢的疲劳寿命的主要途径。从现有的生产工艺出发，探讨降低轴承钢中氧化物夹杂的工艺过程。
　　2　钢中氧化物及测试方法
　　在一定的工艺装备条件下，通过优化生产工艺，减少钢中的氧化铝等氧化物夹杂，提高钢材洁净度，是炼钢和连铸生产中的重要任务之一。氧化物夹杂是钢中一种常见的非金属夹杂物，其存在不仅影响钢的产品质量，也会给生产操作带来很多麻烦。如钢中的氧化铝夹杂物堆积在水口上，会形成水口结瘤，影响结晶器内钢液的流动模式和流场，阻碍钢液中夹杂物的上浮，引起结晶器液面的严重波动，Z终影响钢材的产品质量。应该尽量在工序前期测定宏观夹杂物在材料中的位置及破坏作用，通过随机取样的方式获得宏观夹杂物的概率很低，在连铸之后的监测比较可靠。非金属夹杂物的数量、尺寸、形貌、成分和分布决定了钢的洁净度，常用的对钢材洁净度的测试方法^[1]大致分为3类：分别是化学分析法、金相观察法和无损物理检测法。巨能特钢常采用金相观察法。
　　3　轴承钢中氧化物的工艺控制
　　3.1电炉冶炼
　　3.1.1电炉出钢终点碳的控制
　　精确控制电炉出钢碳含量，以降低和稳定初始氧含量。电炉出钢碳含量决定了钢中初始溶解氧的含量，通过控制电炉出钢碳含量，降低钢中的初始氧含量，减轻炉外精炼的脱氧负担。电弧炉熔清碳含量低，易出现电炉钢液过氧化，增加铁损、脱氧剂消耗和精炼炉的脱氧负担，巨能特钢电炉线通过调整电炉用氧模式和用氧时间（见表1，其中通电时间为12～18min，冶炼周期60～85min），喷吹碳粉，泡沫渣操作，以及稳定每炉热装铁水的比例（控制在40%～60%），电炉溶解碳和终点碳得到明显的提高，有效地降低了钢中的气体含量。图1为吹炼终点时轴承钢中碳与氧质量分数的关系^[2]。

　　3.1.2用铝强预脱氧
　　根据电炉钢液中溶解的氧含量，加入足够的脱氧剂钢芯铝，使钢中的溶解氧尽可能早地转变为氧化物夹杂态的氧上浮到渣中。电炉出钢前期钢液中的自由氧含量高，一次加入大量的铝（巨能特钢电炉线铝的加入量为1.0kg/t），与氧反应生成大尺寸的Al₂O₃，Al₂O₃与钢液间的表面张力很大，大尺寸的AI₂O₃颗粒碰撞，聚集成为群簇状的夹杂物。大尺寸的Al₂O₃群簇在钢液中上浮去除，滞留在钢液中的主要是＜30μm的Al₂O₃群簇或较小的块状Al₂O₃夹杂物，如向钢液中分批加入Al或在钢液中自由氧含量低或Al含量较高时，再加入Al会有较小块状的Al₂O₃生成，上浮排除困难。
　　稳定电炉出钢量，调整合金、精炼合成渣加入量，出钢过程中加入大量的钢芯铝预脱氧，保证到精炼位钢液中的酸溶铝含量和合金成分一次进入目标控制范围，钢液中的酸溶铝含量控制在0.020%以上。随着精炼的进行，钢中残余铝逐渐降低，快速生成白渣，保证白渣保持时间，强化脱硫，脱氧。
　　3.1.3严格控制出钢过程，减少下渣量
　　电炉出钢过程，严格控制下渣量以降低钢液二次氧化概率，大部分的挡渣措施有效，这些措施包括挡渣球、挡挡塞、留钢操作、红外检测、炉渣电磁探测系统以及偏心炉底出钢。巨能特钢采用偏心炉底出钢。
　　3.1.4氩气搅拌
　　调整合适的氩气搅拌速率对钢水进行搅拌，减少外来夹杂物，确保渣钢的平衡，以控制钢液中溶解氧含量和合金元素的残余浓度。通过控制钢液中的溶解氧以及残余元素的成分来调节钢液凝固过程中析出的内生氧化物夹杂。
　　3.2LF炉精炼
　　3.2.1钢中铝含量的控制
　　轴承钢中的氧化物控制，主要是通过降低钢中的全氧含量，而通过调整钢中的酸溶铝含量，可以有效地控制钢中氧化物夹杂的数量。
　　通过对2010年生产的500炉GCr15钢中的铝含量与钢中的氧含量统计（见图2），可知钢中的铝含量对钢中的氧含量有较大影响。当铝含量＜0.015%时，随着钢中铝含量的增加，钢中氧含量的减少不是很明显；而当铝控制在0.015%~0.035%时，钢中的氧含量随钢中的铝含量的增加，逐渐降低；钢中的铝含量超过0.035%时，钢中的铝很容易与渣中的氧结合，也会还原渣中的SiO₂和MnO等化合物，使钢液中聚集的Al₂O₃增加，还会加大钢液在浇注时的二次氧化，产生停流在成品中的Al₂O₃夹杂。因此，钢中铝含量控制在0.015%~0.035%较为适宜。电炉出钢时尽可能一次性加入足够的脱氧剂（钢芯铝），使钢液中溶解氧和铝反应，生成大尺寸的Al₂O₃群簇状夹杂。到达精炼位前，钢中的Al2O₃群簇夹杂物长大上浮排除，到达LF炉后，调节合适的氩气搅拌，向钢液中喂铝线深脱氧，进一步降低氧含量。

　　3.2.2调整精炼渣系
　　精炼过程合理调整精炼渣系，提高炉渣碱度，使钢水中的平衡氧降低，同时提高S在渣钢中的分配比。严格控制吹氩压力、流量和时间，保持还原性气氛，防止钢液二次氧化，并且排除Al₂O₃夹杂。白渣保持时间＞30min，炉渣既有良好的脱氧脱硫能力，又有良好的吸附夹杂能力，且埋弧效果很好。
　　3.3VD炉真空冶炼
　　为了进一步降低钢中O、H、N等有害元素的含量，提高钢液的纯净度和可浇性，对精炼出钢的钢水进行VD炉真空冶炼。通过控制氩气搅拌（见图3）、VD炉真空度和真空保持时间，Z大限度地排除钢中的气体，使钢中的夹杂物聚集长大，上浮转化为钢渣。真空度控制在100Pa以下，保持时间控制在15min以上，使C、O有充分的反应时间。VD处理完毕后，对钢水进行软吹氩操作，进一步净化钢液。

　　3.4连铸
　　从钢包→中间包→结晶器采用全封闭无氧化保护浇注，避免钢液裸露，防止钢水二次氧化，形成Al₂O₃夹杂物，钢包与中间包之间采用保护套管，接缝采用氩气保护，钢包开浇中间包吹氩排空，中间包内采用专用弱碱性覆盖剂，结晶器与中间包之间采用浸入式水口，结晶器内钢液面采用预熔型颗粒保护渣，避免钢液的吸气氧化。与敞开浇注相比，全程无氧化保护浇注钢中的氧含量由32.5×10^-6降为4.9×10^-6。
　　4　控制效果
　　通过对UHP→LF→VD→CC生产工艺优化，加强电炉终点碳的控制，出钢过程强预脱氧，合理的氩气搅拌，控制出钢过程下渣量，调整精炼炉渣系，控制钢中铝含量，VD真空冶炼，连铸全程保护浇注，减少了轴承钢中的氧含量，提高了钢材的洁净度。轴承钢初练钢液到达LF精炼位的溶解氧含量为（30～65）×10^-6，LF精炼结束时，钢液中的溶解氧含量为（6～10）×10^-6，钢材中的全氧含量为（8～12）×10^-6，钢中氧含量的降低，为生产洁净钢、提高钢的洁净度奠定了基础。
　　参考文献：
　　[1]钢铁协会.洁净钢-洁净钢生产工艺技术[M].中国金属学会，译.北京：冶金工业出版社，2006：10.
　　[2]蔡开科，程士富.连续铸钢原理与工艺[M].北京：冶金工业出版社，1994.