转炉流程生产GCr15轴承钢洁净度研究
发布时间：2010-10-21 浏览次数：894
贾楠1；吴华杰1；包燕平1；薛正学2；武珣1；马富平2
（1．北京科技大学；2．邢台钢铁有限责任公司）
摘 要：针对转炉→LF→RH→连铸的GCr15轴承钢生产工艺，采用系统取样、综合分析等方法，对转炉、LF、RH、中间包、铸坯中T[O]以及非金属夹杂物变化进行系统研究。结果表明铸坯中T[O]平均值为12×10-6，钢材中T[O]平均值为9×10-6，铸坯中大型夹杂物总量平均值为2.68mg/10kg。采用合理的工艺，转炉流程能够生产出高洁净度水平的GCr15轴承钢。
关键词：转炉；轴承钢；夹杂物；洁净度
Research on Cleanliness of GCr15 Bearing Steel Produced By BOF
JIA Nan1 ;WU Huajie1 ;BAO Yanping1 ;XUE Zhengxue2 ; WU Xun1 ;MA Fuping 2
（1. University of Science and Technology Beijing；2. Xingtai IRON&STEELCORP.,LTD)
Abstract: A research was made on the cleanliness of GCr15 bearing steel produced by BOF-LF-RH-CC. The Variation of the total oxygen content and the behavior of non-metallic inclusion have been studied systematically. It is found that the average total oxygen content in billet is 12×10-6，in wire rod is 9×10-6, theaverage amount of macro-inclusion in casting billet is 2.68 mg/10kg。The results show that high cleanliness GCr15 bearing steel can be produced by BOF.
Key words:BOF; bearing steel; inclusion; cleanliness
1 前言
现代科学技术的发展，要求轴承具有高寿命，高稳定性和高可靠性，这就需要将轴承钢中各种杂质含量降低到Z低程度，而影响轴承寿命的重要因素之一就是轴承钢的洁净度[1，2]。轴承钢洁净度主要指钢中氧含量高低以及夹杂物的形貌、尺寸和分布[3，4]。由于铁水中夹杂元素含量小，国内废钢资源少等因素，目前国内厂家如武钢、石钢、攀钢、邢钢等开始采用转炉流程生产轴承钢。本文对某钢厂转炉流程生产GCr15轴承钢的洁净度进行了研究。
2 生产工艺及研究方法
转炉流程轴承钢工艺路线为：高炉→顶底复吹转炉→LF精炼→RH精炼→连铸。高炉铁水和一定比例的废钢在转炉中熔炼后出钢，出钢时进行脱氧和合金化操作。LF工艺采用白渣操作，钢水在RH炉中进行真空脱气操作，连铸机为4流弧形连铸机，结晶器采用电磁搅拌技术。
在一个浇次6炉钢中用提桶取样器进行取样，在转炉、LF炉、RH、中间包、铸坯工序分别取样。将所取各工序金相试样经过粗磨、细磨（6道砂纸）和抛光后在光学显微镜下连续观察100个视场，统计各阶段夹杂物的数量，类型及尺寸分布，将尺寸分为<2mm，2～4mm，4～6mm，6～10mm，>10mm五级。
采用日本电子产JSM-6480LV扫描电镜，对夹杂物形貌进行观察，对夹杂物成分应用电子探针进行定量成分分析。采用大样电解法，分析铸坯中尺寸大于50μm的大型夹杂物形貌和成分。
3 结果分析与讨论
GCr15轴承钢国标成分如表1所示，系统取样时刻如表2所示。开浇炉为非稳态浇注，其余各取样炉次为稳态浇注。
表1 GCr15轴承钢主要成分表/%
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表2 系统取样时刻表
3.1 各工序T[O]和[N]变化情况
系统取样过程中各工序全氧平均值、全氮平均值如图1和图2所示。从图1中可知，转炉终点T[O]平均值为56×10-6，而进LF钢中T[O]为16×10-6，T[O]下降40×10-6，说明转炉出钢后脱氧较好。从6炉平均值来看，进出LF钢液全氧含量下降1×10-6。出RH钢中T[O]平均值为11×10-6，平均降低4×10-6，表明RH具有较明显的脱氧效果。精炼完后到中间包是一个增氧的过程，从11×10-6增至13×10-6，线材中T[O]平均值为9×10-6，小于国标要求的12×10-6水平。如果进一步加强保护浇注，优化中间包冶金效果，能够进一步提高转炉轴承钢洁净度水平。
从图2中可知，转炉终点氮含量Z低，平均20×10-6，转炉出钢后基本都是一个增氮的过程，转炉后至LF运送过程中增氮25％；LF过程增氮较厉害，平均增加9×10-6，LF后氮为34×10-6，LF精炼过程增氮36％；RH有一定的脱氮效果，平均降低9×10-6；吊包后及中包浇注过程，中间包内增氮较多，平均增加8×10-6，线材中[N]平均值为30×10-6。
图1 各工序T[O]平均值 图2 各工序[N]平均值
3.2 轴承钢精炼过程中非金属夹杂物分析
轴承钢精炼过程中主要存在以下四类夹杂物即：Al2O3，MnS，铝酸钙，铝酸钙+硫化物复合夹杂。典型夹杂物形貌、尺寸以及组成如下表3所示。
从表3可知，LF处理前钢中夹杂物主要是簇状Al2O3，球形的铝酸钙夹杂以及球状的铝酸钙+MnS。簇状Al2O3尺寸较大，其它类型夹杂物尺寸基本上在5μm左右，纯Al2O3是转炉出钢时铝脱氧的产物。推断钢中Ca元素由残铝还原精炼渣进入钢中，所以钢中存在铝酸钙夹杂。块状的MnS夹杂物主要来源于脱氧剂锰铁以及合金剂铬铁的加入。金相结果表明入LF炉时，夹杂物中0~2μm占总数的30.6%，2~4μm占6.5%，4~6μm占14.5%，6~10μm占30.6%，>10μm占17.7%。
LF处理后，Al2 3夹杂物数量非常少，且簇状Al2O3转变为块状Al2O3，其余夹杂物类型与入LF前相同，而且小颗粒夹杂增多，尺寸大于10μm占8.8%。从RH工艺到中间包，钢中夹杂物主要有具有规则形状的MnS夹杂，球形的钙铝酸盐，夹杂物尺寸<5μm。夹杂物类型变化不大。且尺寸大于10μm的大颗粒夹杂进一步减少。
表3 精炼过程中典型夹杂物形貌和组成
3.3 轴承钢铸坯非金属夹杂物分析
铸坯中存在以下三类夹杂即：铝酸钙，铝酸钙+硫化物复合夹杂以及含有V元素的TiN夹杂物，TiN夹杂典型形貌和能谱如图3所示。铸坯中夹杂物尺寸基本上在5μm以内，但也存在尺寸大于10μm的铝酸钙夹杂和TiN夹杂，铸坯中尺寸大于10μm夹杂物典型形貌和组成如表4所示。
图3 铸坯中TiN夹杂物形貌和能谱图
正常浇注炉次铸坯中大型夹杂物总量平均值为2.68 mg/10kg。开浇炉和正常炉铸坯中大型夹杂物总体对比如图4所示：
表4 铸坯中大颗粒夹杂形貌和组成
图4开浇炉和正常炉铸坯中大型夹杂物对比图
正常浇注炉，铸坯大型夹杂物扫描电镜分析结果表明：所测33个夹杂物中，含K元素的夹杂物有15个，占铸坯大型夹杂物总数的45%，表明浇注过程可能有结晶器保护渣进入钢中。另外通过加强结晶器液面波动监测，加强浇注过程中间包钢水重量和中间包恒重浇注的监控等手段提高非稳态浇注水平。
4 结论
1)采用转炉→LF→RH→连铸工艺可以生产GCr15轴承钢，钢材中T[O]为9×10-6，转炉轴承钢洁净度水平比较高。
2)轴承钢精炼过程中存在Al2O3，MnS，铝酸钙，铝酸钙+硫化物这四类夹杂物，夹杂物尺寸在5μm左右。Al2O3，MnS与脱氧剂以及合金的加入有关，钢中铝酸钙以及铝酸钙+硫化物夹杂物与钢中残铝还原精炼渣有关。残铝与精炼渣作用情况需进一步研究。
3)铸坯中存在以下三类夹杂：铝酸钙，铝酸钙+硫化物以及含有V元素的TiN夹杂物夹杂物尺寸基本在5μm之内，表明该工艺生产的轴承钢夹杂物尺寸较小，有利于提高轴承钢的疲劳寿命；铸坯中大型夹杂物总量的平均值为2.68mg/10kg，防止浇注过程中二次氧化、下渣及结晶器卷渣可进一步降低大型夹杂物含量，提高铸坯洁净度水平。
参 考 文 献：
[1] 钟顺思，王昌生．轴承钢[M]．北京：冶金工业出版社，2000，427．
[2] Uesugi, Toshikazu．Recent development of bearing steel in Japan[J]．Transactions of the Iron and Steel Institute of Japan．1988，28(11)：893-899．
[3] Sjodin Petra，Jonsson Par，Andreasson Mikael，Winqvist Alf．Oxidic steel cleanness in high-carbon chromium-bearing steel[J]．Scandinavian Journal of Metallurgy．1997, 26(1): 41-46.
[4] 张立峰，王新华．洁净钢与夹杂物[A]．第十三届全国炼钢学术会议论文集[C]．
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