轴承钢点状夹杂物成因及消除机理的探讨
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52
1135
1135 518 ×
103
718 × 103
Cr 1150
52 116 × 10 - 2 01686 11029
7313
24
P
S
Ca
Al
H
O
Fe
0102
31 315 × 10 - 4
0101
32 1166 ×
10 - 4
010Biblioteka Baidu2
40 217 × 10 - 5
0103
28 519 × 10 - 4
[ Ca ] + 1 /2O2 → (CaO )
[A l ] + 3 /4O2 → (A lO115 )
k ·φ α · = X (Ca)
( Ca)
/ ( Ca)
[Ca ]
pν(Ca) /4 O2
lgKp = 37 790 / T - 81457
lgKp = 37 197 / T - 712
Kp1873 = 51025·1011
第 5卷第 4期 2006年 12月
材 料 与 冶 金 学 报 Journal of M aterials and M etallurgy
Vol15 No14 Dec. 2006
轴承钢点状夹杂物成因及消除机理的探讨
徐世铮 , 马晓禾 , 赵卫东
(东北大学 材料与冶金学院 , 沈阳 110004)
能对生成点状夹杂物机理有一个理论说法. 使得 去除点状夹杂物的精炼工艺效果不佳. 因此 ,本文 从热力学角度来分析点状夹杂物在精炼过程的成 因 ,并由此制订出相应的合理精炼工艺.
1 在精炼轴承钢过程中 , [ C a ]在生 成点状夹杂物的作用
多年精炼轴承钢实践得知 ,在强还原条件下 ,
渣中 CaO 被还原进入钢液 [ Ca ]. 为从热力学角度
[ Ca ] + C l2 →CaC l2 ( g) K1873 = 3184·1016
[A l ] + 3 /2C l2 →A lC l3 ( g) K1873 = 6139·109
[ Si ] + 2C l4 →SiC l4 ( g) K1873 = 3133 ×105
[M n ] + C l2 →M nC l2 ( g) K1873 = 1105·106
Forma tion of globular inclusion s in bear ing steel and the ir rem ova l m echan ism
XU Shi2zheng, MA Xiao2he, ZHAO W ei2dong
( School of Materials and Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110004, China)
VAD、LF - VD 精炼轴承钢过程中实施. 为考虑首 次工业性实验简便可行而选用 SL钢包喷粉. 312 氯进入钢液的方式
采用卤化物 - 氧化物合成粉剂 [ 3 ] (其成分见 表 4) ,用氩气做载体 ,经 SL 喷粉罐 - 喷枪 ,喷入 钢包.
表 4 合成粉剂成分 Ta b le 4 Com po s itio n o f com po und pow de r %
[ C ] + 2C l2 →CC l4 ( g) K1873 = 1146·106
[ H ] + 1 /2C l2 →HC l ( g) K1873 = 3170·105
[ Fe ] + C l2 →FeC l2 ( g) K1873 = 6171·103 将初始氯分压 pCi l定为 310 ×104 Pa 情况下 , 平衡各分压计算值如表 3:
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 4期 徐世铮等 : 轴承钢点状夹杂物成因及消除机理的探讨
251
计算出 :φ(A l) = 21331;φ(Ca) = 21410.
·10 - 6 %
pO2 = 2128·10 - 10 Pa, [O ] = 0100012%
表 1 GC r 15 S Mi n钢成分及相关数据
Ta b le 1 Com po s itio n a nd re la te d da ta o f GC r15 S Mi n s te e l
(3) =5
质量分数 / % 相对原子质量
摩尔分数
f[ i] a[ i] p3i / Pa
pi / Pa
C
Si
Mn
1100
12 4145 ×
10 - 2
0150
28 917 × 10 - 3
1100
55 917 × 10 - 3
11366
11336 116 × 10 - 7
212 × 10 - 7
1174 0187 6102 × 10 - 1
Abstract: The formation of globular inclusions in bearing steel influences seriously the fatigue strength of the steel. In the part half of a century, metallurgists have made a lot of studies on the removal of the globular inclusion in bearing steel in the p rocess of refining. This paper pointed out that the main origination of the inclusion is from the reduction of calcium from slag. The refining p rocess for the removal of [ Ca ] is theoretically illustrated. Key words: bearing steel; globular inclusion
计算 ,给出轴承钢成分及炉渣成分相关数据 ,列于
表 1,表 2.
计算炉渣组元活度是采用全电子系炉渣理论
完成计算的 [ 2 ] .
计算渣中各元素原子活度系数
φ i
:
k
∑ φ i
=
X e-εij/R T - 1 j
(1)
j=1
式中 , k—渣中组元数 ;εij —置换能 , kJ.
收稿日期 : 2006 205 208. 作者简介 : 徐世铮 (1937 - ) , 男 , 黑龙江哈尔滨人 , 苏联技术科学博士 , 东北大学教授.
2
表 2 精炼轴承钢炉渣成分及相关数据 Ta b le 2 Com po s itio n o f s la g a nd re la te d da ta
SiO2 17144 01069
4
M gO
14181 01088
2
A l2O3 20129 01094
3
FeO
0176 01003
2
M nO
摘 要 : 轴承钢点状夹杂物严重影响钢的疲劳寿命. 半个世纪以来 , 冶金工作者研究在精炼过程中 如何消除轴承钢点状夹杂物. 通过研究首次指出 , 精炼过程由渣中还原进入钢液中的钙是生成点状 夹杂物的主要原因 ; 并且从理论上分析用氯去除钢液中钙的工艺原理. 关键词 : 轴承钢 ; 点状夹杂物 中图分类号 : TF 76214 文献标识码 : A 文章编号 : 167126620 (2006) 0420250203
轴承钢是制造金属轴承的原料. 检验轴承钢 质量的主要项目是接触疲劳强度和冲击韧性 ,对 其影响最大的是钢中 [ O ]、[ H ]以及夹杂物的种 类和数量 、尺寸 、分布 ,其中氧化物夹杂 A l2 O3 和 点状夹杂物 ———m CaO ·nA l2 O3 对钢的疲劳强度 危害最大 [ 1 ] . 在轴承钢轧制过程 ,点状夹杂物沿 着轧制轴向 ,使钢材产生裂纹. 在轴承实验过程 , 这些裂纹导致零件破损.
上述分析得出 ,要降低 [ Ca ] ,一是降低渣中 (CaO )的量 ,也就是降低炉渣碱度 ,但不能完全去 除点状夹杂 ;另一种办法就是去除 [ Ca ].
2 氯化法去除钢液中的钙
采用氩气做载体 ,向钢液内吹入氩氯混合气 体. 当气泡上升至钢液表面 ,气泡与钢液相处于平 衡状态 ,此时气泡内的总压力为 110 ×105 Pa. 气 泡内各组分的分压间关系为 :
0124 01001
2
CaF2 315 01021
S 013 01002
O 01552
由 1 873 K降至 1 773 K,氧分压由 21281 · 10 - 10 Pa 降 至 612 ·10 - 12 Pa. 则 w [ Ca ]由 5 · 10 - 6 %降至 211 ·10 - 6 %. 得出钢液降温 100 ℃ 时 ,钢中钙由于脱氧能力的提高 , 58%的 [ Ca ]将 与 [O ]反应生成 CaO. 其将在钢液内残留的刚玉 或外来夹杂物这些现成表面上析出 ,形成 m CaO ·nA l2O3. 随钢液温度降低还有反应 [ H ] →1 /2 {H2 }也将在上述现成表面上析出 ,而强化了液态 点状夹杂物聚集长大.
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
252
材 料 与 冶 金 学 报 第 5卷
表 3 氯化产物平衡分压值
010005 01003
1
16
1134 × 1101 ×
10 - 4
10 - 4
95193 56
0191
11299 11399 1125
1
010026 01042 010006
1
1186 × 2161 ×
105
102
26
418 ×
102
11
26
质量分数 / % 摩尔分数 X i
ν i
CaO
42178 01192
·φ α · kA l = X (A l)
/ (A l)
[A l]
pνA l/4 O2
(2)
K1873 = 4157·1012 计 算 得 出 : a[Ca] = 2 · 10 - 6 , [ Ca ]
p3 /4 O2
φ = X (A l) (A l)
/α[A l] ·kA l
= 11044·10 - 11
112
4·10 - 4
119·10 - 6
411·10 - 9
110·10 - 9
217·10 - 19
由上表可见 ,钢液中各元素氯化次序为 : Ca → H → M n → Fe → A l → Cr → Si 钙是优先氯化的元素 ,采用氯化去除是可
行的.
3 精炼工艺参数的确定
311 加氯方式的选择 氯化脱除 钢液 中钙 的 工 艺 , 可 在 RH、DH、
对于钢中点状夹杂物的成因 ,有许多学说 ,诸 如在出 钢 过 程 炉 渣 混 入 钢 液 、炉 渣 中 ( FeO ) 、 [O ]、[ H ]及炉渣碱度过高等.
半个多世纪以来 ,为消除轴承钢点状夹杂物 研究采用合成渣洗 ,电炉电石渣 ———白渣同炉渣 洗 ,出钢前加大插铝量 ,电炉钢液钢包吹氩 ,钢包 钢液真空吹氩 , RH , DH 精炼轴承钢 , VAD 精炼轴 承钢 , ASEA - SKF 精炼轴承钢 , LF - VD 精炼轴 承钢 ,钢包喷 Ca - Si粉 ,钢包喷 A l - Si粉. 由于未
Ta b le 3 Equ ilib rium p a rtia l p re s su re s o f ch lo ride p ro duc ts
Pa
pC l2
pCaC l2
pHC l
pM nCl2
pFeC l2
pA lCl3
pC rC l2
pSiC l4
219·10 - 10
219 ·104
∑ ∑ pMeCl +
pMe + pCl2 + pA r = 110 ×105 Pa
(4) 因为氩不参与反应 ,初始气泡中 pCi l2 = 110 ×105
- pA r , Pa. 喷入钢液的氩氯气泡上浮达钢液表面时 ,气
泡内 将 含 有 C l2 、Ca、CaCl2 、A l、A lC l3、C r、C rC l3 、 M n、M nC l2 、Si、SiC l4 、C、CC l4 、H2 、HC l、Fe、FeC l2. 钢液中各元素与氯反应为 :
1135
1135 518 ×
103
718 × 103
Cr 1150
52 116 × 10 - 2 01686 11029
7313
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Ca
Al
H
O
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0102
31 315 × 10 - 4
0101
32 1166 ×
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010Biblioteka Baidu2
40 217 × 10 - 5
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28 519 × 10 - 4
[ Ca ] + 1 /2O2 → (CaO )
[A l ] + 3 /4O2 → (A lO115 )
k ·φ α · = X (Ca)
( Ca)
/ ( Ca)
[Ca ]
pν(Ca) /4 O2
lgKp = 37 790 / T - 81457
lgKp = 37 197 / T - 712
Kp1873 = 51025·1011
第 5卷第 4期 2006年 12月
材 料 与 冶 金 学 报 Journal of M aterials and M etallurgy
Vol15 No14 Dec. 2006
轴承钢点状夹杂物成因及消除机理的探讨
徐世铮 , 马晓禾 , 赵卫东
(东北大学 材料与冶金学院 , 沈阳 110004)
能对生成点状夹杂物机理有一个理论说法. 使得 去除点状夹杂物的精炼工艺效果不佳. 因此 ,本文 从热力学角度来分析点状夹杂物在精炼过程的成 因 ,并由此制订出相应的合理精炼工艺.
1 在精炼轴承钢过程中 , [ C a ]在生 成点状夹杂物的作用
多年精炼轴承钢实践得知 ,在强还原条件下 ,
渣中 CaO 被还原进入钢液 [ Ca ]. 为从热力学角度
[ Ca ] + C l2 →CaC l2 ( g) K1873 = 3184·1016
[A l ] + 3 /2C l2 →A lC l3 ( g) K1873 = 6139·109
[ Si ] + 2C l4 →SiC l4 ( g) K1873 = 3133 ×105
[M n ] + C l2 →M nC l2 ( g) K1873 = 1105·106
Forma tion of globular inclusion s in bear ing steel and the ir rem ova l m echan ism
XU Shi2zheng, MA Xiao2he, ZHAO W ei2dong
( School of Materials and Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110004, China)
VAD、LF - VD 精炼轴承钢过程中实施. 为考虑首 次工业性实验简便可行而选用 SL钢包喷粉. 312 氯进入钢液的方式
采用卤化物 - 氧化物合成粉剂 [ 3 ] (其成分见 表 4) ,用氩气做载体 ,经 SL 喷粉罐 - 喷枪 ,喷入 钢包.
表 4 合成粉剂成分 Ta b le 4 Com po s itio n o f com po und pow de r %
[ C ] + 2C l2 →CC l4 ( g) K1873 = 1146·106
[ H ] + 1 /2C l2 →HC l ( g) K1873 = 3170·105
[ Fe ] + C l2 →FeC l2 ( g) K1873 = 6171·103 将初始氯分压 pCi l定为 310 ×104 Pa 情况下 , 平衡各分压计算值如表 3:
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 4期 徐世铮等 : 轴承钢点状夹杂物成因及消除机理的探讨
251
计算出 :φ(A l) = 21331;φ(Ca) = 21410.
·10 - 6 %
pO2 = 2128·10 - 10 Pa, [O ] = 0100012%
表 1 GC r 15 S Mi n钢成分及相关数据
Ta b le 1 Com po s itio n a nd re la te d da ta o f GC r15 S Mi n s te e l
(3) =5
质量分数 / % 相对原子质量
摩尔分数
f[ i] a[ i] p3i / Pa
pi / Pa
C
Si
Mn
1100
12 4145 ×
10 - 2
0150
28 917 × 10 - 3
1100
55 917 × 10 - 3
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11336 116 × 10 - 7
212 × 10 - 7
1174 0187 6102 × 10 - 1
Abstract: The formation of globular inclusions in bearing steel influences seriously the fatigue strength of the steel. In the part half of a century, metallurgists have made a lot of studies on the removal of the globular inclusion in bearing steel in the p rocess of refining. This paper pointed out that the main origination of the inclusion is from the reduction of calcium from slag. The refining p rocess for the removal of [ Ca ] is theoretically illustrated. Key words: bearing steel; globular inclusion
计算 ,给出轴承钢成分及炉渣成分相关数据 ,列于
表 1,表 2.
计算炉渣组元活度是采用全电子系炉渣理论
完成计算的 [ 2 ] .
计算渣中各元素原子活度系数
φ i
:
k
∑ φ i
=
X e-εij/R T - 1 j
(1)
j=1
式中 , k—渣中组元数 ;εij —置换能 , kJ.
收稿日期 : 2006 205 208. 作者简介 : 徐世铮 (1937 - ) , 男 , 黑龙江哈尔滨人 , 苏联技术科学博士 , 东北大学教授.
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表 2 精炼轴承钢炉渣成分及相关数据 Ta b le 2 Com po s itio n o f s la g a nd re la te d da ta
SiO2 17144 01069
4
M gO
14181 01088
2
A l2O3 20129 01094
3
FeO
0176 01003
2
M nO
摘 要 : 轴承钢点状夹杂物严重影响钢的疲劳寿命. 半个世纪以来 , 冶金工作者研究在精炼过程中 如何消除轴承钢点状夹杂物. 通过研究首次指出 , 精炼过程由渣中还原进入钢液中的钙是生成点状 夹杂物的主要原因 ; 并且从理论上分析用氯去除钢液中钙的工艺原理. 关键词 : 轴承钢 ; 点状夹杂物 中图分类号 : TF 76214 文献标识码 : A 文章编号 : 167126620 (2006) 0420250203
轴承钢是制造金属轴承的原料. 检验轴承钢 质量的主要项目是接触疲劳强度和冲击韧性 ,对 其影响最大的是钢中 [ O ]、[ H ]以及夹杂物的种 类和数量 、尺寸 、分布 ,其中氧化物夹杂 A l2 O3 和 点状夹杂物 ———m CaO ·nA l2 O3 对钢的疲劳强度 危害最大 [ 1 ] . 在轴承钢轧制过程 ,点状夹杂物沿 着轧制轴向 ,使钢材产生裂纹. 在轴承实验过程 , 这些裂纹导致零件破损.
上述分析得出 ,要降低 [ Ca ] ,一是降低渣中 (CaO )的量 ,也就是降低炉渣碱度 ,但不能完全去 除点状夹杂 ;另一种办法就是去除 [ Ca ].
2 氯化法去除钢液中的钙
采用氩气做载体 ,向钢液内吹入氩氯混合气 体. 当气泡上升至钢液表面 ,气泡与钢液相处于平 衡状态 ,此时气泡内的总压力为 110 ×105 Pa. 气 泡内各组分的分压间关系为 :
0124 01001
2
CaF2 315 01021
S 013 01002
O 01552
由 1 873 K降至 1 773 K,氧分压由 21281 · 10 - 10 Pa 降 至 612 ·10 - 12 Pa. 则 w [ Ca ]由 5 · 10 - 6 %降至 211 ·10 - 6 %. 得出钢液降温 100 ℃ 时 ,钢中钙由于脱氧能力的提高 , 58%的 [ Ca ]将 与 [O ]反应生成 CaO. 其将在钢液内残留的刚玉 或外来夹杂物这些现成表面上析出 ,形成 m CaO ·nA l2O3. 随钢液温度降低还有反应 [ H ] →1 /2 {H2 }也将在上述现成表面上析出 ,而强化了液态 点状夹杂物聚集长大.
© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
252
材 料 与 冶 金 学 报 第 5卷
表 3 氯化产物平衡分压值
010005 01003
1
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1134 × 1101 ×
10 - 4
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95193 56
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11299 11399 1125
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010026 01042 010006
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1186 × 2161 ×
105
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质量分数 / % 摩尔分数 X i
ν i
CaO
42178 01192
·φ α · kA l = X (A l)
/ (A l)
[A l]
pνA l/4 O2
(2)
K1873 = 4157·1012 计 算 得 出 : a[Ca] = 2 · 10 - 6 , [ Ca ]
p3 /4 O2
φ = X (A l) (A l)
/α[A l] ·kA l
= 11044·10 - 11
112
4·10 - 4
119·10 - 6
411·10 - 9
110·10 - 9
217·10 - 19
由上表可见 ,钢液中各元素氯化次序为 : Ca → H → M n → Fe → A l → Cr → Si 钙是优先氯化的元素 ,采用氯化去除是可
行的.
3 精炼工艺参数的确定
311 加氯方式的选择 氯化脱除 钢液 中钙 的 工 艺 , 可 在 RH、DH、
对于钢中点状夹杂物的成因 ,有许多学说 ,诸 如在出 钢 过 程 炉 渣 混 入 钢 液 、炉 渣 中 ( FeO ) 、 [O ]、[ H ]及炉渣碱度过高等.
半个多世纪以来 ,为消除轴承钢点状夹杂物 研究采用合成渣洗 ,电炉电石渣 ———白渣同炉渣 洗 ,出钢前加大插铝量 ,电炉钢液钢包吹氩 ,钢包 钢液真空吹氩 , RH , DH 精炼轴承钢 , VAD 精炼轴 承钢 , ASEA - SKF 精炼轴承钢 , LF - VD 精炼轴 承钢 ,钢包喷 Ca - Si粉 ,钢包喷 A l - Si粉. 由于未
Ta b le 3 Equ ilib rium p a rtia l p re s su re s o f ch lo ride p ro duc ts
Pa
pC l2
pCaC l2
pHC l
pM nCl2
pFeC l2
pA lCl3
pC rC l2
pSiC l4
219·10 - 10
219 ·104
∑ ∑ pMeCl +
pMe + pCl2 + pA r = 110 ×105 Pa
(4) 因为氩不参与反应 ,初始气泡中 pCi l2 = 110 ×105
- pA r , Pa. 喷入钢液的氩氯气泡上浮达钢液表面时 ,气
泡内 将 含 有 C l2 、Ca、CaCl2 、A l、A lC l3、C r、C rC l3 、 M n、M nC l2 、Si、SiC l4 、C、CC l4 、H2 、HC l、Fe、FeC l2. 钢液中各元素与氯反应为 :