李廣幫，魏崇一，常桂華，曹東
（鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）
摘要： 鞍鋼利用轉(zhuǎn)爐生產(chǎn) GCr15 軸承鋼， 通過(guò)采取轉(zhuǎn)爐高拉碳出鋼，LF 高堿度渣精煉，VD 爐真空脫氣，連鑄加強(qiáng)保護(hù)澆鑄、控制鋼水過(guò)熱度不超過(guò) 30 ℃、減少澆鑄過(guò)程中鋼液溫降等措施后，有效地控制了 GCr15 鋼水中的氧、氮、硫、磷含量及夾雜物，滿(mǎn)足了軸承鋼的質(zhì)量要求。
關(guān)鍵詞： GCr15 軸承鋼；轉(zhuǎn)爐；精煉；連鑄；氧含量
軸承鋼在使用過(guò)程中， 套圈與滾動(dòng)體之間呈點(diǎn)和線接觸，承受著集中交變載荷，對(duì)疲勞強(qiáng)度、彈性強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、韌性、耐磨性、硬度及抗腐蝕能力均有很高的要求。 因此，要求材料具有高純凈度和較好的均勻性［1］。 與電爐冶煉軸承鋼相比，轉(zhuǎn)爐冶煉具有鐵水原料中有害元素含量低、 爐內(nèi)脫磷條件好、 終點(diǎn)渣鋼反應(yīng)更接近平衡、 終點(diǎn)鋼水氫、氮含量低且生產(chǎn)效率高、成本低的明顯優(yōu)勢(shì)，但轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)控制下渣、 氧含量及酸溶鋁方面不如電爐。 我國(guó)軸承鋼生產(chǎn)目前仍以電爐流程為主，而日本住友、 德國(guó)蒂森和日本川崎制鐵公司已先后開(kāi)發(fā)出了轉(zhuǎn)爐采用雜質(zhì)少的鐵水冶煉并配合LF 鋼包精煉和 RH 真空處理生產(chǎn)高純凈度軸承鋼的生產(chǎn)工藝［2-3］。 本文介紹了鞍鋼轉(zhuǎn)爐冶煉 GCr15軸承鋼的工藝實(shí)踐情況。
1 轉(zhuǎn)爐冶煉軸承鋼工藝流程
鞍鋼轉(zhuǎn)爐冶煉 GCr15 軸承鋼的生產(chǎn)工藝流程為： 鐵水預(yù)處理→100 t 轉(zhuǎn)爐冶煉→LF 精煉→VD真空處理→280 mm×380 mm 方坯連鑄。
1.1 鐵水預(yù)處理工藝
冶煉 GCr15 軸承鋼需要采用鐵水預(yù)處理脫硫，脫硫劑主要采用鈍化鎂粉和石灰復(fù)合脫硫，鐵水中含有大量的硅、碳和錳等還原性元素，不會(huì)造成強(qiáng)脫硫劑鎂發(fā)生大量的燒損， 能保證脫硫反應(yīng)順利進(jìn)行。鐵水中的碳和硅等能夠大大提高硫在鐵水中的活度系數(shù)，很容易將硫脫到很低水平。 鐵水中氧含量較低，硫的分配系數(shù)相應(yīng)有所提高，有利于脫硫。 鐵水預(yù)處理減輕了煉鋼負(fù)擔(dān)、簡(jiǎn)化了操作，提高了煉鋼生產(chǎn)率，可減少渣量和提高金屬收得率，鐵水爐外脫硫可以對(duì)鐵水實(shí)現(xiàn)深度脫硫，從而為轉(zhuǎn)爐冶煉超低硫鋼創(chuàng)造條件。 經(jīng)鐵水預(yù)處理脫硫后，鐵水中的硫含量可以達(dá)到 0.002 0%。
1.2 轉(zhuǎn)爐工藝
GCr15 軸承鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表 1。 由表 1 可知，該鋼屬高碳低合金鋼，磷、硫在鋼中非常容易偏析，且磷、硫含量高時(shí)，對(duì)鋼的性能會(huì)產(chǎn)生很大的影響。 因此，在轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí)，既要做到高拉碳，同時(shí)又要降低鋼中的磷含量， 使鋼中成品磷不大于0.015%，出鋼碳含量盡量高（≥0.50%），有利于降低 鋼 中 的 氧 含 量，從而減少后序處理時(shí)形成的氧化鋁夾雜物。 為保證磷含量滿(mǎn)足要求，轉(zhuǎn)爐采用雙渣法冶煉，吹煉前期熔池溫度較低時(shí)，將含有高磷的爐渣放掉，從而保證轉(zhuǎn)爐冶煉的成分要求。
轉(zhuǎn)爐冶煉后出鋼過(guò)程中進(jìn)行脫氧、合金化。 采用擋渣鏢擋渣，減少轉(zhuǎn)爐的下渣量，控制在不超過(guò)5 kg/t 鋼的水平。 在扒渣工位對(duì)鋼包頂渣進(jìn)行扒除，并加入新的渣料，從而減少高氧化性的鋼渣對(duì)鋼水的污染，并為 LF 精煉造還原渣創(chuàng)造條件。
1.3 LF 工藝
LF 精煉處理時(shí)采用適當(dāng)成分的鋼渣進(jìn)行精煉，通常有三個(gè)目的。 （1） 具有一定的脫硫能力，使軸承鋼中 A 類(lèi)夾雜物的數(shù)量控制在一定范圍內(nèi)；（2） 具有吸收脫氧產(chǎn)物 Al2O3 夾雜的能力，以便在攪拌精煉過(guò)程中最大限度地降低氧化物夾雜的數(shù)量；（3） 減少或消除含 CaO 的 D 類(lèi)夾雜物［1］。
采用酸性渣精煉時(shí)，第（1）、（2）目的不能完全實(shí)現(xiàn)；采用高堿度渣時(shí)，通常難以達(dá)到第（3）目的。
為了降低鋼中的氧含量和硫含量， 采用了高堿度、低熔點(diǎn)、流動(dòng)性好、吸附夾雜物能力強(qiáng)的精煉渣，精煉渣成分見(jiàn)表 2。在高堿度的條件下，可以達(dá)到降低渣中 SiO2 活度的目的， 鋼渣的堿度控制在≥3.0。 精煉時(shí)對(duì)鋼渣進(jìn)行充分還原，使?fàn)t渣中ω（TFe+MnO）≤1.0%，從而降低 FetO 的活度系數(shù)。
鋁在鋼中是強(qiáng)脫氧劑， 為了保證鋼中極低的氧含量，需要在鋼中保持一定量的酸溶鋁。 圖 1 為不同溫度下鋁氧平衡圖。
鋁氧平衡公式如下［4］：
根據(jù)式 1 及圖 1 可知，增加酸溶鋁含量，降低鋼液溫度均有利于降低鋼中的溶解氧含量。 但過(guò)高的鋁含量容易在連鑄時(shí)出現(xiàn)絮流現(xiàn)象，因此，將鋁含量控制在 0.01%~0.04%的范圍， 通過(guò)控制鋼渣的堿度、氧化性及鋼中的酸溶鋁含量，將鋼中的活度氧降至非常低的水平， 有利于實(shí)現(xiàn)鋼材全氧含量極低的目標(biāo)。
1.4 VD 工藝
采用深真空對(duì)鋼液進(jìn)行脫氣處理， 對(duì)鋼液中的氫、氧、氮進(jìn)行脫除，同時(shí)采用真空下吹氬攪拌，使鋼渣中的氧化性進(jìn)一步降低， 達(dá)到降低軸承鋼中氧含量的目的。 深真空時(shí)間不低于 15 min，并在破真空后進(jìn)行適當(dāng)?shù)能洿担?軟吹應(yīng)達(dá)到渣面微動(dòng)但不裸露鋼水。
1.5 連鑄工藝
軸承鋼經(jīng)精煉處理后，鋼中的氧含量已經(jīng)非常低，在連鑄時(shí)應(yīng)盡量防止在連鑄過(guò)程中出現(xiàn)二次氧化現(xiàn)象。全程采用保護(hù)澆鑄，在大包長(zhǎng)水口、中間包浸入式水口等連接處均采用氬氣保護(hù)。 降低過(guò)熱度有利于提高等軸晶率，同時(shí)避免鑄坯中碳的嚴(yán)重偏析，改善鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量。連鑄時(shí)控制鋼液的過(guò)熱度不超過(guò) 30 ℃，低過(guò)熱度與低拉速合理匹配， 盡可能減少在澆鑄過(guò)程中鋼液的溫降速度，加強(qiáng)鋼包和中間包的烘烤，加入合適的覆蓋劑以及采取紅包出鋼等措施， 確保中間包溫度波動(dòng)小，控制連鑄過(guò)程液面波動(dòng)在±5 mm 以?xún)?nèi)，拉速保持恒定，避免出現(xiàn)卷渣現(xiàn)象。
2 工藝效果
2.1 鋼中氧、氮、硫、磷等元素的變化規(guī)律
統(tǒng)計(jì)上述各工序鋼中氧、氮、硫、磷等元素的變化規(guī)律，結(jié)果分別見(jiàn)圖 2~圖 5。
（1） 氧含量的變化
各工序鋼水平均氧含量的變化見(jiàn)圖 2。
從圖 2 中可以看出， 鋼水中的平均氧含量整體呈下降趨勢(shì)， 前期下降較快， 后期速度逐漸下降，說(shuō)明鋼中的小顆粒夾雜物去除比較困難，成品鋼材中的全氧含量平均達(dá)到 0.000 72%，實(shí)際最低可以達(dá)到 0.000 42%的水平。
（2） 氮含量的變化
各工序鋼水平均氮含量的變化見(jiàn)圖 3。 LF 精煉處理過(guò)程中，鋼水中的氮含量由 LF 搬入的平均0.002 2%增加到平均 0.006 3%， 鋼液增氮比較明顯。 經(jīng) VD 真空處理后，鋼中的氮含量又重新降至平均 0.003 4%的水平， 中間包鋼水的氮含量平均為 0.003 8%,從破空到中間包平均增加 0.000 4%，由此判斷長(zhǎng)水口的保護(hù)澆鑄效果比較理想。
（3） 硫含量的變化
各工序鋼水中平均硫含量的變化見(jiàn)圖 4。 LF精煉深脫硫處理后， 鋼水中的硫含量平均達(dá)到0.001 2%的水平，以后基本保持穩(wěn)定，說(shuō)明采用高堿度渣并充分脫氧后，脫除鋼中的硫比較容易。
（4） 磷含量的變化
圖 5 為各工序鋼水平均磷 含量的變化情況。 從圖 5 中可以看出，鋼水中的磷含量由平均0.008 5%增加到 0.009 8%， 去除加入合金帶來(lái)的磷，由鋼渣造成的回磷量已經(jīng)很低，說(shuō)明只要在轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)將磷含量控制得比較低， 后期操作中磷含量的變化不大。
2.2 鋼材中夾雜物的檢驗(yàn)
對(duì)軋制后的棒材進(jìn)行取樣檢驗(yàn)， 測(cè)定鋼中夾雜物的級(jí)別，結(jié)果見(jiàn)表3。 由表 3 可見(jiàn)，鋼中夾雜物充分滿(mǎn)足 GB/T 10561-2005 的標(biāo)準(zhǔn)要求。
通過(guò)上述生產(chǎn)工藝冶煉的軸承鋼已累計(jì)向用戶(hù)交貨 8 000 多噸， 用戶(hù)反映質(zhì)量穩(wěn)定， 使用良好，說(shuō)明采用該工藝能夠滿(mǎn)足軸承鋼的質(zhì)量要求。
3 結(jié)論
（1） 鞍鋼冶煉 GCr15 軸承鋼的生產(chǎn)工藝流程為： 鐵水預(yù)處理→100 t 轉(zhuǎn)爐冶煉→LF 精煉→VD真空處理→280 mm×380 mm 方坯連鑄。
（2） 轉(zhuǎn)爐保證出鋼碳含量≥0.50%；LF 精煉采用 堿 度 ≥3.0，ω （TFe +MnO） ≤1.0% 的 爐 渣 ；VD深真空時(shí)間不低 于 15 min，并在破真空后進(jìn)行適當(dāng)?shù)能洿?；連鑄過(guò)熱度不超過(guò) 30 ℃，控制液面波 動(dòng)±5 mm 以 內(nèi) ，保 持 恒 拉 速 ，避 免 出 現(xiàn) 卷 渣現(xiàn)象。
（3） 采取上述工藝生產(chǎn)的 GCr15 軸承鋼已累計(jì)交貨 8 000 多噸，質(zhì)量穩(wěn)定，使用效果好。
參考文獻(xiàn)
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［3］ 吳巍, 吳偉，劉瀏，等. 轉(zhuǎn)爐冶煉軸承鋼 GCr15 的生產(chǎn)工藝研究［J］. 鋼鐵，2006（6）（S）：183-185.
［4］ 魏壽 昆. 冶金過(guò)程熱力學(xué)［M］. 上 海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1980.