轴承钢氧含量的影响因素及控制

影响GCr15轴承钢氧含量的因素及控制方法
摘要：本文以抚钢的生产实践为依据，分别讨论了从原料入炉到浇注成锭整个冶炼过程中影响GCr15轴承钢氧含量的主要因素，并提出了相应的控制方法，使轴承钢[O]≤11×10-6，平均氧含量达8.19×10-6。

关键词：轴承钢氧含量影响因素控制方法
1 前言
随着我国现代工业和科学技术的迅速发展，对轴承的需求量日益增加，也对其质量和性能提出了更高的要求。

目前，妨碍轴承寿命进一步提高的关键问题，仍然是钢材的纯净度和均匀性。

从纯净度出发，降低钢中的氧含量，减少夹杂物的数量，轴承钢质量将显著提高。

日本轴承钢生产工艺就是着眼于减少钢中夹杂物的数量，降低氧含量的典型代表。

日本山阳特钢公司高碳铬轴承钢氧含量已降到5.4ppm，甚至降到了3-4ppm，使轴承钢质量保持着很高的声誉。

抚钢1994年开始在UHP-LF-VD-IC生产线上生产轴承钢，与原来的EAF-VHD工艺相比，氧含量明显下降（如图1所示）。

本文将着重讨论现冶炼工艺下，影响轴承钢氧含量的主要因素，并提出相应的控制措施，以控制轴承钢氧含量平均在8.19ppm 以下。

图1 抚顺基地轴承钢[O]平均值的变化
2 工艺设备及工艺流程
2.1超高功率电炉
德国福克斯制造，公称容量50t，炉壁、炉盖管式水冷，长弧泡沫渣、留渣操作，出钢时炉中留钢、留渣、钢水彻底脱Ti和P，出钢过程中钢包合金化，加铝、冲碳粉脱氧及造渣，电炉的整个冶炼时间约为70分钟。

2.2钢包精炼炉（LF炉）
公称容量60t，钢包耐火材料为镁碳质，钢包偏中心位置透气砖吹氩，钢液处理温度1500-1570℃，CaO-SiO2-Al2O3高碱度渣系脱硫脱氧，Al沉淀脱氧及复合脱氧剂（碳化硅、铝粒、碳粉）扩散脱氧，控制酸溶铝含量，处理时间约为70分钟。

2.3真空脱气炉（VD炉）
在钢包入罐前，进行扒渣处理，控制渣厚度在80mm左右，自由空间大于800mm，抽真空过程中调整钢包氩气流量和压力，并在≤100Pa下保持15-20分钟，破真空后加入大包覆盖剂进行软吹处理，VD处理时间约60分钟。

2.4铸锭（IC）
控制钢液镇静时间、注温注速、引流量及注余量和氩气保护。

3 氧含量的影响因素
3.1电炉出钢氧含量
为了提高电炉效率，缩短冶炼时间，抚钢采用了北京科技大学研究设计的炉壁氧枪，但是该氧枪的使用会造成电炉终点碳的控制发生困难，有时碳含量在0.06%左右，这就造成了钢中氧含量增高，导致LF脱氧负担加重，形成的脱氧产物Al2O3很难完全排除钢液，而滞留在钢中。

3.2钢包合金化
电炉偏心底无渣出钢，可降低渣中原始氧含量，采用C粉、Si、Mn、Al联合脱氧，降低脱氧产物的活度，从而提高了脱氧元素的脱氧能力；利用C粉脱氧生成的CO气体强烈搅拌钢液，有利于夹杂物的上浮去除；控制Si加入量，从而减少了渣中不稳定氧化物SiO2的含量。

同时，保证加入的合金料能够将化学成分调至规格下限，充分发挥合金的脱氧作用及尽量减少LF的调料量，提高钢液的洁净度。

3.3LF精炼脱氧
（1）沉淀脱氧：LF到位Al脱氧。

若使[O]≤(15~20)×10-6，只用硅、锰脱氧已不能满足要求，如在[Si]=0.03%，T=1550℃时，平衡氧含量为64.5×10-6，因此必须使用更强的脱氧剂，如在[Al]=0.01%，T=1600℃时，平衡氧含量为8.1×10-6[1]。

（2）扩散脱氧：沉淀脱氧和扩散脱氧都要经过炉渣，根据钢渣氧的分配原理，炉渣中氧含量低，钢中氧含量也低，电炉出钢后，渣中含有大量氧化物，且由于钢包加料多，钢水温度下降很快，此时加入复合脱氧剂，利用其中的强脱氧元素Ca、Al、Si等迅速脱氧，同时，利用反应放热迅速融化炉渣、脱硫及升温，缩短高温钢水在钢包中的停留时间，减少钢包耐火材料对钢水的污染。

在炉渣还原性较好的LF炉中后期，加入SiC粉，既可保持炉渣的还原性，又可利用生成的CO还原气体，减少在电弧加热时因钢水裸露在大气下严重增氧。

3.4LF精炼渣系
我公司使用的渣系含有MgO 、CaO 、SiO2、Al2O3等多种成分（见表1），保证炉渣具有低的熔点和良好的流动性。

如LF渣、VD炉渣熔点分别为1470℃和1440℃左右。

另外，在LF出钢前加入一定量的硅石，适当降低炉渣碱度，提高渣子的流动性，能够更好的吸附钢中的夹杂物，渣中MgO还具有保护包壁耐火材料的作用，同时也减少了耐火材料对钢液的污染。

本渣系含有一定量的Al2O3，其与钢中的脱氧产物界面张力小。

因此，对夹杂物具有较好的吸附作用。

本渣系CaO、MgO含量较高，而SiO2含量较低，还原能力较强。

另外，炉渣中不稳定氧化物∑（FeO+MnO）的高低，决定着炉渣氧化性的大小，并且钢渣之间服从[O%]=a(FeO)/L的分配定律，渣中∑（FeO+MnO）的含量越高，炉渣向钢液供氧的能力也越强。

同时，炉渣中（FeO）能降低钢-渣间的界面张力，不利于夹杂物的上浮。

因此，最大限度地降低渣中∑（FeO+MnO）的含量，是降低轴承钢氧含量的一个重要途径[2]。

表1 精炼渣系组成及碱度
工序 MgO SiO2CaO Al2O3MnO FeO R LF 6-8 12-17 48-55 15-25 0.06-0.1 0.3-1.2 3.5-4 VD 6-8 15-22 45-52 13-22 0.05-0.080.4-0.9 2.5-3.5
3.5温度制度
提高电炉出钢温度。

由于电炉出钢是加入大量合金料融化吸热，生成的气体从钢中逸出也带走大量的热，使钢水温降很大，不利于后部精炼。

因此，提高电炉出钢温度是必要的。

提高精炼前期温度。

高温有利于成渣、脱氧、脱硫及合金化，前期采用大功率供电升温，而后期采用小功率保温，从而减少了后期大功率供电时，电极穿透渣层与钢水接触增碳、吸气和增氧。

3.6 VD真空碳脱氧
真空碳脱氧的产物CO气体不留在钢中，且在真空条件下脱氧更完全，如在100Pa、1600℃时，[C]=1.00%，平衡氧含量为0.0239×10-6[3]，而实际上钢中氧含量远远高于此理论计算值，原因主要是真空平衡时间长及钢包耐火材料增氧，因此，真空下吹氩搅拌强度对氧含量有很大影响。

如果我们认为吹氩搅拌时，起搅拌作用的是氩气泡上浮过程中由于钢液静压力不断变小而做的膨胀功和氩气泡浮力所做功两部分的话，则吹氩搅拌的比搅拌功率为：
ε=（0.0285Q·T/G）×lg（P1/P2）[1]w/t
式中：ε-比搅拌功率，w/t
Q-吹氩量，NL/min
T-钢液温度，K
G-钢液重量，t
-钢液内部喷口处的压力，Pa
P
1
P
-钢液面的气相压力（真空度），Pa
2
据文献[1]介绍：搅拌功控制在(70~110) ×103 J/t时氧含量最低，考虑到我公司钢包容量较小，并结合钢液实际搅拌情况，本工艺搅拌功控制在(60~90) ×103 J/t。

3.7软吹
经过VD处理后的钢液，由于钢液的剧烈沸腾，形成钢渣混冲的良好脱硫、脱氧动力学条件，但是钢渣混冲也会使部分渣子或反应生成的脱氧、脱硫产物滞留在钢液中，这时就需要给其一个充分的上浮时间，并且给以一定的外力促使夹杂物上浮排出钢液。

目前，这种外力主要通过吹氩搅拌来提供，实践表明搅拌能的大小将影响夹杂物的上浮排出效果。

3.8铸锭
控制好钢水镇静时间、温度、注前流钢量、注速、注余量及保护渣和发热剂，有利于夹杂物的上浮、降氧，同时控制浇注钢流高度，可减轻二次氧化、增氧。

另外，对于有残铝要求的轴承钢，在浇注过程中极易被二次氧化成氧化物残留在钢中，增加夹杂物数量，影响轴承钢质量。

目前，瑞典SKF公司铝含量为0.025%~0.04%，日本山阳公司为0.011%~0.022%，上述两公司都有保护浇注系统。

我公司也早已经意识到浇注过程中的钢液二次氧化问题，氩气保护浇注装置目前已使用到第二代，取得了一定效果。

4 影响因素的控制
4.1尽量提高电炉出钢碳，保证C≥0.15%，并在出钢前3-5分钟向炉中喷入
200-300kg碳粉，以降低钢液的氧化程度。

4.2钢包合金化一定要保证钢液与合金料、碳粉的混冲效果，对钢液进行一定程度的脱氧，同时尽量保证LF到位时，C、Mn、Si、Cr进入规格下限或低于下限0.05%，以减少LF调料量，提高钢液洁净度。

4.3LF到位按0.08%喂入铝线进行前期深脱氧，并在渣面上加入适量的碳化硅和铝粒进行扩散脱氧，使渣子尽快变白，保持白渣时间≥30分钟。

4.4精炼前期采用3.5-4.5的高碱度渣系进行脱硫、脱氧，而在精炼后期通过加入硅石，降低炉渣碱度和熔点，提高其吸附夹杂物的能力。

4.5LF出钢温度一般控制在1550-1570℃，以保证足够的软吹时间和合适的浇注温度。

4.6控制VD炉的真空度≤100Pa，保持时间在15-20分钟。

同时，控制好抽真空过程中的氩气流量和搅拌功，以利于脱氧反应和脱氧产物的充分上浮。

4.7破真空后，保证氩气软吹时间≥20分钟，并以不裸露钢液面为宜。

4.8控制浇注温度为1490-1505℃，浇注速度（以3t锭为例）：本体时间≥250秒，填充时间≥200秒，浇注过程中采用氩气保护浇注。

参考文献：
1. 徐曾启. 炉外精炼. 北京：冶金工业出版社, 1998.15
2. 白林, 等. 精炼GCr15钢氧含量的影响因素及控制. 四川冶金, 1997, (4)：24-25
3. 张鉴. 炉外精炼理论与实践. 北京：冶金工业出版社, 1993.661。