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,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。 我國軸承鋼生產(chǎn)目前仍以電爐流程為主,而日本住友、 德國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→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)。
1.4 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±5 mm 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。
(1) 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, 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 0.000 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0.002 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/T 10561-2005 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 8 000 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
(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)能洿担贿B鑄過熱度不超過 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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