010-58202838
轴承知识
石钢GCr15轴承钢脱氧工艺优化技术
2010-07-20（薛利强）
石家庄钢铁有限责任公司（以下简称“石钢”）GCr15轴承钢线材中的氧质量分数虽然基本上能控制在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，石钢进行了脱氧工艺优化试验并取得了显著效果。
首先对LF炉、VD炉中的钢水进行取样分析，结果为LF吊包样W（[O]）=（9～13）×10-6，W（[N]）=（48～54）×10-6，VD吊包样W（[O]）=（7～13）×10-6，W（[N]）=（32～40）×10-6，VD过程W（[O]）下降0.4×10-6。可见，原冶炼工艺中的钢液脱氧任务主要在LF完战，VD主要作用是脱氮，脱氧效果并不明显。实际中个别炉号[O]上升是由于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）。
表1为8炉渣样的分析数据。VD过程中渣中W（CaO）平均上升0.23%，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1.36，VD后平均R2高达5.89。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。
首先对LF炉、VD炉中的钢水进行取样分析，结果为LF吊包样W（[O]）=（9～13）×10-6，W（[N]）=（48～54）×10-6，VD吊包样W（[O]）=（7～13）×10-6，W（[N]）=（32～40）×10-6，VD过程W（[O]）下降0.4×10-6。可见，原冶炼工艺中的钢液脱氧任务主要在LF完战，VD主要作用是脱氮，脱氧效果并不明显。实际中个别炉号[O]上升是由于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）。
表1为8炉渣样的分析数据。VD过程中渣中W（CaO）平均上升0.23%，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1.36，VD后平均R2高达5.89。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。
表1 GCr15精炼渣样分析数据表 %
GCr15脱氧元素主要是Si和Al，出钢时加Al铁进行钢液的预脱氧，精炼过程加Al铁和碳化硅强脱氧和结束时喂Al线终脱氧，使钢中氧含量进一步下降。运用吹Ar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.l耐时，常压下的吹Ar脱氧量可达70%，当真空度达66.7KPa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。
在采用铝脱氧的情况下，夹杂物主要是Al2O3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，Al2O3，SiO2渣系中的低熔点产物。在CaO·Al2O3 ·SiO2三元系夹杂物中，具有良好变形能力的夹杂物组分分布在钙斜长石（CaO·Al2O3·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 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）＞750%，造成精炼渣中初始Al2O3就很高，LF末期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，不利于炉渣吸附Al2O3夹杂。若减少改性渣和铅质调渣剂的加入量，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。
配制一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Z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20x10-6塑性夹杂物占夹杂物总量的比例可达90%以上。
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15～25min。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VD的钢种，由于其出钢量比曾通钢种少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Z佳，还不至于出现卷渣现象，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。
根据以上生产数据分析，对GCr15脱氧工艺进行优化试验。试验内容包括：（1）降低精炼渣碱度，R2从4.0～6.0降至2.0～3.0；（2）造渣剂由改性渣加铝质调渣剂改为右灰加萤石，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67Pa，真空下处理时间达15～20min。
表2为GCr15钢VD精炼渣的分析数据。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。
在采用铝脱氧的情况下，夹杂物主要是Al2O3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，Al2O3，SiO2渣系中的低熔点产物。在CaO·Al2O3 ·SiO2三元系夹杂物中，具有良好变形能力的夹杂物组分分布在钙斜长石（CaO·Al2O3·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 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）＞750%，造成精炼渣中初始Al2O3就很高，LF末期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，不利于炉渣吸附Al2O3夹杂。若减少改性渣和铅质调渣剂的加入量，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。
配制一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Z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20x10-6塑性夹杂物占夹杂物总量的比例可达90%以上。
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15～25min。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VD的钢种，由于其出钢量比曾通钢种少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Z佳，还不至于出现卷渣现象，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。
根据以上生产数据分析，对GCr15脱氧工艺进行优化试验。试验内容包括：（1）降低精炼渣碱度，R2从4.0～6.0降至2.0～3.0；（2）造渣剂由改性渣加铝质调渣剂改为右灰加萤石，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67Pa，真空下处理时间达15～20min。
表2为GCr15钢VD精炼渣的分析数据。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。
表2 GCr15钢VD精炼渣试验数据 %
综上所述，为降低GCr15轴承钢中的D类非金属夹杂物，在冶炼时通常应注意以下几方面的工艺要求。
（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Al，LF渣碱度保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，可有效使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。
（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Al，LF渣碱度保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，可有效使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。