高潔凈度軸承鋼GCr15的生產(chǎn)實踐

2022-12-22

王前　韓倫杰

（鋼鐵研究總院華東分院，江蘇淮安 223001）

摘　要：對某特鋼EAF-LF-VD-CC流程的生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行研究，通過采取提高電爐出鋼碳、精煉高堿度爐渣、VD爐真空脫氣、連鑄保護(hù)澆鑄、鋼水過熱度控制、軋鋼加熱工藝、緩冷工藝控制等措施后，實現(xiàn)了高潔凈GCr15軸承鋼的穩(wěn)定生產(chǎn)。鋼中氧含量穩(wěn)定控制在2~7×10^-6之間，鋼中[H]<1×10^-6，鋼中[N]<50×10^-6，鋼中Ti元素含量<30×10^-6，鋼中非金屬夾雜物控制也達(dá)到高潔凈度軸承鋼的質(zhì)量要求，為國內(nèi)同類電爐工藝生產(chǎn)高品質(zhì)軸承鋼提供了寶貴經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：高潔凈；GCr15軸承鋼；氧含量；非金屬夾雜物

1　引言

軸承鋼主要用于制造各種不同環(huán)境中工作的各類滾動軸承套圈和滾動體，套圈與滾動體之間呈點和線接觸，承受著集中交變載荷，對疲勞強(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[1]。目前使用Z廣泛的仍是以GCr15為代表的高碳鉻軸承鋼，衡量軸承鋼質(zhì)量的主要標(biāo)準(zhǔn)是其疲勞壽命的高低，軸承疲勞壽命除與其結(jié)構(gòu)和負(fù)載有關(guān)外，在很大程度上取決于所用鋼材質(zhì)量的好壞[2]。而鋼材質(zhì)量的好壞又涉及到冶煉、鑄造和熱處理的各個方面，其中與冶煉有關(guān)主要是鋼中夾雜物的組成和分布狀態(tài)。鋼的潔凈度和耐用壽命有著很密切的關(guān)系，因此對鋼中氣體和夾雜物的含量要求很嚴(yán)。

某特鋼公司采用EBT電爐-LF爐精煉-VD真空處理-連鑄流程生產(chǎn)高潔凈度軸承鋼，為控制鋼中全氧含量、氣體含量和夾雜物級別，在電爐終點控制、LF精煉工藝、真空處理和連鑄保護(hù)澆鑄等工藝進(jìn)行了研究和探索，生產(chǎn)的軸承鋼在潔凈度方面取得顯著成效，本文主要介紹某特鋼公司生產(chǎn)高潔凈度軸承鋼GCr15的生產(chǎn)實踐情況。

2　主要技術(shù)要求

2.1化學(xué)成分

生產(chǎn)高潔凈度軸承鋼化學(xué)成分如表1所示。

2.2氣體含量和低倍組織

在連鑄坯或鋼材上取樣分析，要求氧含量≤12×10^-6。鋼材試樣經(jīng)酸浸后，應(yīng)無縮孔、裂紋、皮下氣泡、白點、過燒裂紋及有害夾雜物。低倍組織和高倍（夾雜物級別，脫碳層奧氏體晶粒度）檢驗均按GB/T18254-2016評定，合格級別符合表2規(guī)定。

2.3工藝流程

軸承鋼的生產(chǎn)工藝流程為：電爐àLF精煉àVD真空處理à160×225mm²連鑄坯à入坑緩冷—軋材—精整—檢驗—入庫。主要工藝參數(shù)見表3和表4。

3　高潔凈軸承鋼生產(chǎn)實踐

3.1電爐終點[C]含量控制

生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果表明：電爐終點[C]·[O]=0.0027～0.0035。高潔凈軸承鋼生產(chǎn)時要求電爐終點[C]≥0.08%，生產(chǎn)實踐中電爐出鋼[C]一般控制在0.08~0.22%之間，鋼中氧含量波動在122.7~437.5×10^-6。出鋼碳高，鋼水氧含量相對較低，則脫氧劑加入量將減少，產(chǎn)生夾雜物總量也將減少，有利于控制鋼水潔凈度。因此在電爐冶煉軸承鋼過程中，將[C]控制在0.08%以上，減少鋁脫氧時大量Al2O3夾雜物的生成，脫氧用的鋁在添加完增碳劑后再加入，其加入量根據(jù)碳含量確定，減少脫氧初期Al2O3夾雜物的生成量。

3.2 LF精煉工藝

LF精煉過程通過控制鋼渣的堿度、氧化性及鋼中的酸溶鋁含量，以降低鋼中氧含量。將軸承鋼爐渣堿度控制在合理的范圍內(nèi)可降低鋼中氧含量、有利于脫硫，但過高的爐渣堿度又會增加D類夾雜物含量，通過試驗對比不同廠家的精煉渣，Z終確定了高堿度、低熔點、流動性好、吸附夾雜物能力強(qiáng)的高堿度精煉渣，并在LF精煉工位將精煉渣的堿度控制4~8，LF精煉過程終渣成分見表5。

同時，根據(jù)進(jìn)站鋼水成分實行一次補(bǔ)鋁，嚴(yán)禁二次補(bǔ)鋁，控制成品酸溶鋁目標(biāo)值為0.015%；?包到工位后首先進(jìn)行擴(kuò)散脫氧，并根據(jù)渣況補(bǔ)加適量石灰或螢石，控制終渣中ω（FeO+MnO）≤1.0%。

LF精煉前期大電流埋弧操作，保證爐渣發(fā)泡效果好，使得鋼水溫度和爐渣溫度能夠迅速提升，有利于脫氧脫硫反應(yīng)的進(jìn)行和夾雜物的去除，送電時控制氬氣流量400~600 L/min；根據(jù)一次樣鋼水成分補(bǔ)加合金及配碳，然后保證鋼液不裸露，控制氬氣流量300~400 L/min，取LF工位第二次樣后保持白渣操作。根據(jù)LF工位第二次樣鋼水成分，進(jìn)行鋼水成分微調(diào)，以滿足鋼水窄成分的控制要求，有利于鋼種性能的穩(wěn)定。

3.3 VD真空處理工藝

采用深真空對鋼液進(jìn)行脫氣處理，對鋼液中的氮、氫進(jìn)行脫除，同時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)到降低軸承鋼中低氣體含量的目的。深真空（＜67Pa）時間不低于15 min，進(jìn)行軟吹（≥15min），軟吹應(yīng)達(dá)到渣面微動但不裸露鋼水。

3.4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，澆鑄時采用保護(hù)澆鑄，在大包長水口連接處采用氬氣保護(hù)，中間包采用整體浸入式水口，以防止二次氧化。同時控制過熱度不超過30℃，低過熱度與拉速合理匹配，結(jié)晶器電磁攪拌與末端電磁攪拌充分利用，提高了等軸晶率，同時避免鑄坯中碳的嚴(yán)重偏析，改善鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量。以及全部采取紅包周轉(zhuǎn)等措施，確保中間包溫度波動小，控制連鑄過程液面波動在±3mm以內(nèi)，拉速保持恒定，杜絕卷渣現(xiàn)象。鋼坯全部坑式緩冷，嚴(yán)格控制降溫速率和出坑溫度。

3.5鋼坯成分偏析控制

軸承鋼中由于碳含量較高，極易形成碳的宏觀偏析。通過摸索Z優(yōu)的工藝參數(shù)來控制軸承鋼的凝固結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到控制宏觀碳偏析大小的目的。通過對不同拉速、不同電攪參數(shù)試驗，在拉速為1.0m/min，采用方案二電攪參數(shù)，生產(chǎn)每爐進(jìn)行碳偏析的檢驗，碳偏析指數(shù)均小于1.10。詳見表6。

3.6軋制工藝

為達(dá)到緩慢升溫，鋼坯內(nèi)外溫度均勻，碳化物液析充分?jǐn)U散的目的，制定了相應(yīng)的加熱工藝，根據(jù)各段溫度的實際控制制定了小時生產(chǎn)條數(shù)，規(guī)定了鋼坯高溫擴(kuò)散時間不小于80分鐘。

控制進(jìn)入初軋機(jī)溫度1150~1200℃，軋前認(rèn)真檢查軋輥、導(dǎo)位、輥道等，避免損傷軋件表面。軋制過程中，密切注意各道次料型情況，防止出現(xiàn)劃傷、折疊、耳子等缺陷?？刂栖堉乒?jié)奏，保證終軋溫度900~950℃，軋后鋼材采取緩冷方式。

為了避免成品在后期冷卻過程中出現(xiàn)白點和端部開裂以及控制液析網(wǎng)狀，要求鋸切溫度＞620℃，入坑溫度≥400℃，出坑溫度≤150℃，緩冷時間不小于36h 。并根據(jù)北方地區(qū)季節(jié)變換的特點，對廠房、冷床四周、緩冷區(qū)域制定相應(yīng)的生產(chǎn)控制要點，以保證緩冷效果。

4　工藝效果

4.1鋼中氧、氮、硫、磷等元素的變化規(guī)律

統(tǒng)計電爐出鋼、LF進(jìn)站、LF出站、中間包工序鋼中鋁、磷、硫、氧、氫、氮等元素的變化規(guī)律，結(jié)果分別見圖2和圖3。

4.1.1氧、氮、氫含量的變化

各工序鋼水平均氧、氮、氫含量的變化見圖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，LF精煉處理過程前期下降快，后續(xù)處理下降緩慢，成品鋼材中的全氧含量平均達(dá)到4.2PPM，Z高值為6.5PPM，Z低可以達(dá)到2.3PPM。鋼中的氮含量在精煉和連鑄上升，在VD處理時略有下降。氫含量結(jié)晶器內(nèi)平均值1.7PPM。鋼材中氮含量平均值為38PPM。

4.1.2磷、硫、鋁含量的變化。

各工序鋼水平均磷、硫、鋁含量的變化見圖3。

從圖3中可以看出，鋼水中的磷含量由平均0.0010%增長到0.0015%，去除加入合金帶來的磷，由鋼渣造成的回磷量非常低，后期操作中磷含量的變化不大。LF精煉深脫硫處理后，鋼水中的硫含量平均達(dá)到0.005%的水平，以后基本保持穩(wěn)定，說明采用高堿度精煉渣脫硫效果良好。鋼水中的酸溶鋁含量前期下降較快，后期速度逐漸下降至目標(biāo)值0.012%，說明一次配鋁的成功，避免精煉過程二次補(bǔ)鋁，減少二次污染。

4.2鋼材低倍組織檢驗

鋼材低倍評級見表7，低倍組織形貌見圖4，檢驗結(jié)果符合GB/T 18254-2016國家標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)質(zhì)鋼的技術(shù)要求。