鞍鋼轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)GCr15軸承鋼工藝實(shí)踐
2020-01-22 李廣幫，魏崇一，常桂華，曹東
（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、控制鋼水過熱度不超過30℃、減少澆鑄過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→100t轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→VD真空處理→280mm×380mm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0.0020%。
1.2轉(zhuǎn)爐工藝
GCr15軸承鋼的化學(xué)成分見表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5kg/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L(zhǎng)F精煉造還原渣創(chuàng)造條件。
1.3LF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，以便在攪拌精煉過程中限度地降低氧化物夾雜的數(shù)量；（3）減少或消除含CaO的D類夾雜物［1］。
采用酸性渣精煉時(shí)，第（1）、（2）目的不能實(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)。
1.4VD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15min，并在破真空后進(jìn)行適當(dāng)?shù)能洿?，軟吹?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)控制鋼液的過熱度不超過30℃，低過熱度與低拉速合理匹配，盡可能減少在澆鑄過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，控制連鑄過程液面波動(dòng)在±5mm以內(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)果分別見圖2~圖5。
?。?）氧含量的變化
各工序鋼水平均氧含量的變化見圖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0.00072%，實(shí)際可以達(dá)到0.00042%的水平。
?。?）氮含量的變化
各工序鋼水平均氮含量的變化見圖3。LF精煉處理過程中，鋼水中的氮含量由LF搬入的平均0.0022%增加到平均0.0063%，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0.0034%的水平，中間包鋼水的氮含量平均為0.0038%，從破空到中間包平均增加0.0004%，由此判斷長(zhǎng)水口的保護(hù)澆鑄效果比較理想。
?。?）硫含量的變化
各工序鋼水中平均硫含量的變化見圖4。LF精煉深脫硫處理后，鋼水中的硫含量平均達(dá)到0.0012%的水平，以后基本保持穩(wěn)定，說明采用高堿度渣并充分脫氧后，脫除鋼中的硫比較容易。
?。?）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0.0085%增加到0.0098%，去除加入合金帶來的磷，由鋼渣造成的回磷量已經(jīng)很低，說明只要在轉(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)果見表3。由表3可見，鋼中夾雜物充分滿足GB/T10561-2005的標(biāo)準(zhǔn)要求。
通過上述生產(chǎn)工藝冶煉的軸承鋼已累計(jì)向用戶交貨8000多噸，用戶反映質(zhì)量穩(wěn)定，使用良好，說明采用該工藝能夠滿足軸承鋼的質(zhì)量要求。
3 結(jié)論
?。?）鞍鋼冶煉GCr15軸承鋼的生產(chǎn)工藝流程為：鐵水預(yù)處理→100t轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→VD真空處理→280mm×380mm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15min，并在破真空后進(jìn)行適當(dāng)?shù)能洿?；連鑄過熱度不超過30℃，控制液面波動(dòng)±5mm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8000多噸，質(zhì)量穩(wěn)定，使用效果好。
參考文獻(xiàn)
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（來源：鞍鋼技術(shù)）
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