轴承钢GCr15的脱氧工艺优化与分析

　　摘要：分析了电炉一精炼过程中氧、氮含量的变化及炉渣成分变化。减少铝线喂人量，降低炉渣碱度、控制渣中A1₂O₃含量可有效减少D类夹杂物的生成。保证弱搅拌时间，促进夹杂物的上浮，可有效地去除D类夹杂物。

　　关键词：轴承钢；氧含量；D类夹杂物；碱度

　　轴承钢主要用于制造轴承的滚珠和滚圈，它具有很高的硬度、强度和耐磨性。由于轴承在工作时受力的接触面积很小，同时受高速度的反复不断变化的应力，所以对轴承钢的质量要求比较高。钢的纯净度和耐用寿命有着很密切的关系，因此对钢中气体和夹杂物的含量要求很严。一般广泛应用的轴承钢为GCrl5。南京钢铁联合有限公司(以下简称南钢)轴承钢GCrl5棒线材已生产了2年，实物质量取得了明显提高，钢中氧质量分数基本上能控制在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，对LF、VD工序专门取过程钢样和渣样，做O、N气体分析和渣样分析，然后做脱氧工艺优化试验，取得了显著效果。

　　1  氧、氦和夹杂物分析

　　O、N数据见表1，LF吊桶样叫([O])=(8～13)×10^-6 ，ω(N])=(48～54)×10^-6，VD吊桶样ω([O)=(9～14)×10^-6，ω([N])=(32~40)×10^-6，VD过程ω(O])下降14 ×10^-6。可见，原冶炼工艺中的钢液脱氧任务主要在LF完成，VD主要作用是脱氮，脱氧效果并不明显。个别炉号[O]上升，这是由于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)。

　　2　精炼渣成分分析

　　表2为8炉渣样的分析数据。VD过程中渣中ω(CaO)平均上升0．16％，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ω(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5．53，VD后平均R₂高达12．58。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ω(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过程叫(S)上升0．05％，说明VD过程钢水在进一步脱硫。

　　3　脱氧工艺分析

　　3．1脱氧剂的分析

　　GCrl5脱氧元素主要是Si和Al，出钢时喂A1线进行钢液的脱氧，精炼开始和结束时喂Al丝脱氧，使钢中氧含量进一步下降。运用吹氩搅拌，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0．1m³时，常压下的吹Ar脱气率可达70％，当真空度达50．66kPa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。

　　3．2渣系成分分析

　　在采用铝脱氧的情况下，脱氧夹杂物主要是Al₂O₃基夹杂，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-SiO₂-Al₂O₃渣系中的低熔点产物。在CaO-SiO₂一Al₂O₃三元系夹杂物中，具有良好变形能力的夹杂物组分分布在钙斜长石(CaO・Al₂O₃・2 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相成分在15％～20％。轴承钢GCrl5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ω(Al₂O₃)=18％～20％，铝质调渣剂成分为ω(Al₂O₃)≥75％，造成精炼渣中初始Al₂O₃就很高，LF未期ω(Al₂O₃)达31．2％，VD结束后ω(Al₂O₃)达34．14％，整个精炼过程中ω(Al₂O₃)均在30％以上，这不利于炉渣吸附Al₂O₃夹杂。若减少改性渣和铝质调渣剂的加入量，降低造渣料中的Al₂O₃，保证真空下ω(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1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ω(Ca)一般不超过20×10^-6，塑性夹杂物占夹杂物总量的比例可达90％以上。

　　3．3搅拌工艺分析

　　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15～25 min。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。对于上VD的钢种，由于其出钢量比普通钢种少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问短，净化效果Z佳，还不致于出现卷渣现象，避免钢水与空气接触。为促使夹杂物的分离，炉渣粘度要迁当高一些，避免渣与钢混合，以防止二次氧化。 

　　4　脱氧工艺优化试验

　　根据以上生产数据分析，对GCrl5脱氧工艺进行优化试验。

　　4．1  试验内容

　　(1)降低精炼渣碱度，R₂从5．0～7．0降至2．0～3．0；

　　(2)造渣剂由改性渣加铝质调渣剂改为石灰加萤石，降低精炼渣起始Al₂O₃浓度；

　　(3)减少Al线喂人量，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67 Pa，真空下处理时间达15～20 min。

　　4．2  VD精炼渣样成分与成品分析

　　表3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ω(Al₂O₃)控制在20％以下。炉渣ω(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ω([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。

　　5　结  论

　　(1)调整造渣料的配比，减少造渣剂所带入的A1₂O₃，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A1₂O₃夹杂的生成量；

　　(3)降低炉渣碱度和钢中[Als]，LF渣碱度保持R₂=2．5～3．0，VD渣碱度保持R₂=3．0―3．5，控制钢液的含钙量，从而控制球状夹杂物韵生成条件；

　　(4)优化搅拌工艺，保证弱搅拌时间和合适的吹氩流量，可加强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。