徐傳兵 周同軍 李悅
( 寶鋼特鋼有限公司)
摘 要 高品質(zhì)軸承鋼的冶煉工藝主要以EAF－LF－VD－IC 冶煉工藝為主，其中電爐冶煉工藝對(duì)氧含量與夾雜物的控制尤為重要。主要研究了電爐冶煉工藝對(duì)高品質(zhì)軸承鋼冶金質(zhì)量的影響，并分析了不同電爐終點(diǎn)［C］控制、電爐留鋼量、以及LF到站時(shí)的Al、C、Si成分對(duì)成品氧含量的關(guān)系。研究表明: 在電爐生產(chǎn)過程中，終點(diǎn)［C］含量≥0． 07%，出鋼時(shí)電爐留鋼10% ～ 15%，并確保LF到站時(shí)分析的Al、C、Si成分適當(dāng)，可取得良好的冶金質(zhì)量效果。
關(guān) 鍵 詞 電爐 軸承鋼 氧含量 夾雜物
0 引言
軸承是重要的基礎(chǔ)機(jī)械零件，在各行業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛，其質(zhì)量直接決定了其所裝備的機(jī)械設(shè)備可靠性、精度的高低、性能的好壞以及使用壽命的長(zhǎng)短，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，軸承的工作環(huán)境也越來越惡劣，對(duì)于軸承的要求也越來越高［1］。如何提高軸承鋼鋼液質(zhì)量一直是冶金工作者的重點(diǎn)研究方向，而影響軸承鋼鋼液質(zhì)量的主要因素是軸承鋼氧含量和夾雜物控制。要有效降低軸承鋼氧含量并穩(wěn)步提升夾雜物控制級(jí)別，就必須從電爐出鋼開始進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)及優(yōu)化。近年來，在軸承鋼鋼液質(zhì)量控制方面，電爐冶煉對(duì)軸承鋼冶金質(zhì)量的影響的相關(guān)研究相對(duì)較少，因此本文將結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，從電爐冶煉方面著手進(jìn)行深入研究，以便優(yōu)化改進(jìn)生產(chǎn)工藝，提升鋼液質(zhì)量。
1 產(chǎn)品技術(shù)要求及工藝流程
1． 1 產(chǎn)品技術(shù)要求
表1 所示為軸承鋼GCr15的材質(zhì)成分要求，為尋求更優(yōu)異的軸承鋼使用性能，在冶煉生產(chǎn)中需要更低含量的氧、鈦等成分，以及更窄的成分范圍才能滿足此要求。
軸承鋼材料成分標(biāo)準(zhǔn)見表1。
1． 2 工藝流程
目前，模鑄材軸承鋼的冶煉工藝流程為: 40t電爐－LF－VD－IC。
氧含量和夾雜物控制水平作為軸承鋼冶金質(zhì)量控制的重要指標(biāo)，在追求更低氧含量與更高夾雜物控制水平的平衡時(shí)，諸多鋼企都從精煉操作方面著手來展開相關(guān)研究，對(duì)電爐冶煉的影響情況研究相對(duì)較少，而在電爐出鋼畢，LF爐取樣分析成分及渣樣時(shí)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)以下問題:
1) LF( 到站) 成分分析，發(fā)現(xiàn)鋼液中主要元素C、Si、Al 波動(dòng)范圍大;
2) LF渣樣分析，發(fā)現(xiàn)精煉渣中( FeO) +( MnO) % 含量≥1． 0% 的比例高達(dá)15%，反映出鋼過程中有下渣情況發(fā)生;
為此，筆者主要從以上兩個(gè)主要問題出發(fā)，通過研究電爐冶煉對(duì)軸承鋼氧含量與夾雜物的影響，提出合理的控制方法，提升軸承鋼的質(zhì)量控制水平。
2 影響因素分析及討論
2． 1 電爐終點(diǎn)控制對(duì)質(zhì)量的影響
電爐冶煉試驗(yàn)方案及結(jié)果見表2。
表2所示為電爐冶煉不同終點(diǎn)［C］、留鋼量及LF的到站成分與成品氧含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系分析結(jié)果。根據(jù)三組試驗(yàn)方案以及對(duì)應(yīng)的軸承鋼成品氧含量試驗(yàn)結(jié)果，通過對(duì)比成品的氧含量來優(yōu)選出一組控制水平相對(duì)較好的方法。方案1中電爐終點(diǎn)［C］較低、電爐留鋼量偏少，而且LF到站中C、Si、Al含量均較低，造成鋼液中原始氧含量偏高，后道檢測(cè)氧含量平均為10 × 10－6以上; 方案2 中雖然電爐終點(diǎn)［C］、LF 到站時(shí)的［C］含量相對(duì)方案1均有所提升，可反映出電爐出鋼氧活度降低明顯，而且通過LF到站時(shí)的Si、Al含量相對(duì)方案1較高即可反映方案2 的脫氧強(qiáng)度要優(yōu)于方案1; 但經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)案2 的氧含量仍然較高，未有明顯改進(jìn)，其中氧含量平均為9×10－6 ; 在方案3中，通過進(jìn)一步提高電爐終點(diǎn)［C］、LF到站時(shí)的［C含量，進(jìn)一步提高脫氧強(qiáng)度，來有效降低電爐出鋼氧活度以及鋼液中的原始氧含量。經(jīng)檢測(cè)分析，方案3中氧含量平均為7．5×10－6，相對(duì)其他方案均有明顯的提升效果。
選用方案3進(jìn)行實(shí)際操作，即: 軸承鋼冶煉過程中，將含高( FeO)氧化渣從爐門流出，并盡量減少出鋼過程氧化渣流入鋼包(通過適當(dāng)增加裝入量，并根據(jù)合格量、余鋼量倒推出鋼量，能有效的使電爐出鋼鋼液盡可能少下渣) 。電爐氧化期吹氧結(jié)束，控制終點(diǎn)［C］≥0．07%，并控制精煉爐爐渣分析( FeO) + ( MnO) ≤0．50%，出鋼過程中配入的C、Si、Al按LF到站成分進(jìn)行控制。
2． 2 終點(diǎn)［C］含量控制分析
目前國(guó)外的許多鋼鐵企業(yè)十分重視電爐出鋼的質(zhì)量控制和入爐原料的質(zhì)量管理，嚴(yán)格做到電爐出鋼終點(diǎn)［C］的穩(wěn)定控制。在保證脫磷的前提下，適當(dāng)提高電爐出鋼終點(diǎn)［C］，可減少脫氧劑的用量，進(jìn)而能夠減少氧化物夾雜的生成總量。
鋼液中碳和氧反應(yīng)式為:
［C］+［O］= CO( g) lgKc =1168/T +2． 07 ( 1)
電爐出鋼終點(diǎn)［C］與鋼液中［O］的平衡數(shù)值見表3。
從表3可以明顯地看出，電爐出鋼［C］含量過低，勢(shì)必造成鋼中的氧活度大大增加，脫氧劑用量也隨之增加。同時(shí)也造成殘留在鋼中的脫氧產(chǎn)物增加，還會(huì)提高生產(chǎn)成本。實(shí)際電爐生產(chǎn)過程中碳、氧是達(dá)不到平衡的［2］。一般情況下，電爐出鋼時(shí)終點(diǎn)氧比平衡氧高出1．15～1．25 倍。當(dāng)采用30% 生鐵冶煉時(shí)，電爐工位做好低溫脫磷前提下，出鋼的終點(diǎn)［C］控制到0．07% 以上，可大幅度降低鋼中原始氧含量，進(jìn)而減少脫氧產(chǎn)物的生成量。
2． 3 出鋼渣中( FeO) 控制分析
一般鋼廠出鋼按留鋼10%～15% 操作，盡量避免電爐渣進(jìn)入鋼包［3］。電爐冶煉軸承鋼時(shí)，電爐渣中的(FeO)含量一般為20%～30%，氧化性相對(duì)較強(qiáng)，當(dāng)電爐渣隨鋼液流進(jìn)入鋼包開始LF爐精煉時(shí)，渣中的(FeO)會(huì)不斷的向鋼液中供氧( 如式(2) ～式(4) 所示) ，進(jìn)而不斷的增加鋼液中的氧化物夾雜總量。另外，由于電爐渣中含有一定量的有害元素P，在精煉過程中會(huì)進(jìn)入至鋼液中，從而導(dǎo)致鋼液中的有害元素含量增加，影響成品的使用性能。
由化學(xué)平衡可知:
由于是鋼液可以認(rèn)為aFeO = 1，則有:
爐渣( FeO) %和氧活度關(guān)系如圖1 所示。
從圖1 可以看出，當(dāng)渣中( FeO)含量不斷增加時(shí)，鋼液中氧活度首先會(huì)急劇上升，之后上升趨勢(shì)有所減緩，特別是( FeO)含量由0% 增加至3% 時(shí)，氧活度呈直線上升趨勢(shì)。
精煉渣中( FeO) + ( MnO) 含量與鋼中總氧含量關(guān)系如圖2［4］所示。
從圖2可以看出，鋼液中總氧量會(huì)隨著精煉渣中( FeO) + ( MnO) 含量的增加而不斷增加，當(dāng)渣中( FeO) + ( MnO) 含量控制在1% 以內(nèi)時(shí)，總氧量相對(duì)較低。綜合來看，在電爐出鋼操作中，嚴(yán)禁電爐下渣是最優(yōu)的措施，但考慮到電爐出鋼操作過程中很難分辨是否有下渣情況，因此均以精煉渣中( FeO)+ ( MnO) %≤0． 5%以內(nèi)來控制。
現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過程中，精煉渣中( FeO) + ( MnO) %含量分布如圖3 所示。從圖3 可以看出，控制水平相對(duì)比較穩(wěn)定。
2． 4 出鋼脫氧的控制分析
鋁是軸承鋼冶煉時(shí)的終脫氧劑，由于鋁脫氧能力強(qiáng)，鋁的氧化物容易上浮。鋼中保留一定含量的鋁，可使氧含量保持在較低的范圍［5］。因此需重點(diǎn)控制鋁的加入方式、加入時(shí)間，并保證脫氧產(chǎn)物有足夠的上浮時(shí)間。出鋼過程加鋁量應(yīng)根據(jù)LF到站時(shí)的鋁成分來控制，合適的LF到站鋁成分不僅能保證出鋼過程脫氧效果良好，而且會(huì)減少脫氧產(chǎn)物Al2O3的產(chǎn)生量。鋁錠的加入時(shí)間一般在出鋼時(shí)隨鋼液流加入鋼包中，以便鋁錠能與鋼液充分接觸并完全反應(yīng)，有效提升鋁錠的脫氧效果。綜上所述，主要從以下三個(gè)方面對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化:
1) 出鋼終點(diǎn)碳控制在0．07%以上;
2) 電爐留鋼10%～15%;
3) 確保合適的LF到站分析的鋁、碳和硅成分。
3 實(shí)施效果
1) 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施改進(jìn)，40t電爐產(chǎn)線模鑄軸承鋼氧含量由電爐工藝改進(jìn)前的平均氧含量10 ×10－6降至7． 5×10－6，平均氧含量≤10×10－6的比例由80． 93%提高至97． 12%，模鑄軸承鋼產(chǎn)品質(zhì)量大幅度提高。電爐工藝改進(jìn)前后氧含量數(shù)據(jù)見表4。
2) 改進(jìn)后40 t電爐產(chǎn)線模鑄軸承鋼夾雜物評(píng)級(jí)情況良好，夾雜物B 類、D 類夾雜物評(píng)級(jí)得到了改善。模鑄軸承鋼夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果見表5。
4 結(jié)論
1) 電爐出鋼終點(diǎn)［C］控制在0．07% 以上，能有效減少鋼液中的原始氧含量; 鋼液中原始氧含量降低后，出鋼過程脫氧劑用量也相應(yīng)減少，從而產(chǎn)生夾雜物的幾率也相應(yīng)減少;
2) 通過電爐留鋼10%～15%操作，盡量減少出鋼過程氧化渣流入鋼包是確保模鑄軸承鋼質(zhì)量的關(guān)鍵;
3) 合適的LF到站分析的鋁成分不僅保證出鋼過程脫氧效果良好，而且保證減少了脫氧產(chǎn)物Al2O3的產(chǎn)生量; 同樣，LF到站分析的碳和硅成分也可反映出鋼過程的脫氧效果。
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