軸承鋼用精煉渣冶金性能分析
1前言
高質量的軸承鋼要求高的純凈度和組織均勻即雜質元素和非金屬夾雜少碳化物細小且分布均勻精煉渣具有脫氧脫硫去夾雜的作用其性質直接影響LF精煉過程的冶金效果當堿性還原渣同鋼液密切接觸時鋼液中實際的氧硫的數(shù)值大于同渣平衡的氧硫的數(shù)值使鋼液中的氧和硫向渣中擴散精煉渣中CaOAl2O3等成分能夠與SiAlMn等的脫氧產物結合成低熔點的化合物從而降低脫氧產物的活度強化脫氧反應由于精煉渣均由氧化物組成氧化物之間的界面張力小易于結合成低熔點化合物而鋼液與脫氧產物間的界面張力大于渣和脫氧產物之間的界面張力精煉渣可以吸收脫氧產物使脫氧產物容易從鋼液中排除此外精煉渣融化后形成泡沫渣渣層覆蓋鋼液可有效防止氣體吸入且有利于埋弧操作減輕電弧對鋼包內襯和鋼包蓋的損害提高熱效率因此研究精煉渣成分變化及其對鋼潔凈度的影響對LF精煉作用的充分發(fā)揮具有重要意義
要對軸承鋼中夾雜物進行控制首先要對鋼中夾雜物的種類形貌進行定性分析根據(jù)精煉工藝可知鋼中可能存在A類硫化物夾雜B類氧化鋁夾雜C類鋁酸鈣復合夾雜物以及鎂鋁尖晶石和氮化鈦夾雜等由于全程采用沉淀脫氧工藝爐渣對脫氧產物（主要是氧化鋁）的吸附作用尤為重要通過氬氣弱攪拌等手段可改善夾雜物上浮的動力學條件但是如果熔渣本身吸收夾雜物的性能不好使得夾雜物不能從鋼水中徹底分離會惡化軸承鋼的機械性能因此精煉渣的組成性質直接影響軸承鋼的使用性能本研究系統(tǒng)地討論精煉渣成渣工藝和組成對成渣過程的影響作用規(guī)律并對精煉渣的堿度和脫硫效果進行系統(tǒng)探討獲得能夠有效去除鋼中硫和氧化物夾渣的精煉渣系
2生產工藝對精煉成渣的影響
2.1精煉渣組成
傳統(tǒng)的軸承鋼精煉渣系主要是以CaO-Al2O3和CaO-SiO2-Al2O3的高堿度精煉渣系為主由CaO-Al2O3二元相圖可知渣中存在低熔點的化合物12CaO7Al2O3可通過調節(jié)精煉渣中Al2O3含量降低熔渣的熔點改善合成渣精煉的動力學條件SiO2屬于酸性氧化物不利于精煉渣脫硫但SiO2對熔渣的泡沫化性能有較大的影響由CaO-Al2O3二元系和CaO-SiO2-Al2O3三元系表面張力圖可知SiO2屬表面活性物質其含量增加可降低表面張力促進發(fā)泡增加渣膜的彈性和強度
2.2生產工藝對渣成分的影響
生產軸承鋼GCr15精煉過程采用三元精煉渣系分別采取LD+LF+CC和LD+LF+VD+CC兩種工藝生產本研究以精煉渣系中的3種主要成分為研究對象探討其在精煉過程中的變化規(guī)律圖1是不同成渣工藝路線從煉鋼出鋼到精煉結束過程中渣樣成分變化規(guī)律圖2是不同成渣工藝路線精煉過程二元堿度的變化規(guī)律
從兩種工藝路線來看成渣的過程基本一致主要分為兩個階段
第1階段從轉爐出鋼到精煉站之前轉爐冶煉采用高拉補吹操作終點渣的堿度控制在3~3.5左右出鋼時采用擋渣塞擋渣出鋼出鋼過程加入脫氧劑脫氧和合金化并在爐后加入二元合成渣進行渣洗以防止回磷由于二元渣的加入渣中CaO含量略有增加轉爐吹煉過程中未用含鋁氧化物化渣出鋼渣的Al2O3含量不高煉鋼結束用鋁鎮(zhèn)定渣中的Al2O3有所增加利用硅鐵錳鐵進行合金化渣中的SiO2含量有所提高
第2階段為鋼包精煉爐造渣過程此過程中加入了合成渣埋弧渣以及渣脫氧劑鋁和電石在此過程中渣中SiO2和Al2O3的含量會有明顯的降低一方面在精煉過程中加入的脫氧劑鋁會將渣中的SiO2還原鋼水會有不同程度的增硅現(xiàn)象另一方面主要是精煉過程中加入渣料稀釋了渣中SiO2和Al2O3的濃度
造渣過程前10min內形成白渣精煉結束后控制終渣堿度為4.5~5.0高堿度流動性好氧化性低的鋼渣利于鋼渣界面反應最大程度去除鋼中的氧并使鋼中氧化物夾雜上浮被精煉渣所吸收提高鋼水的純凈度
軸承鋼從轉爐出鋼到精煉結束的成渣路線如圖1所示由圖1可知CaO在此過程含量基本維持不變SiO2的含量是減少的這是由于鋼水中有較多的酸溶鋁的緣故而渣中Al2O3含量是略有增加的一方面隨著鋼包處理時間的延長大顆粒夾雜物有充足的時間上浮另一方面精煉結束后對鋼水進行弱攪拌使細小的夾雜物能相互碰撞長大上浮后被精煉渣所吸附最后對鋼水進行鈣處理使Al2O3系夾雜物得到變性有效避免堵水口情況的發(fā)生保證生產的穩(wěn)定順行
2.3精煉過程堿度的變化規(guī)律
精煉渣應具有吸收脫氧產物Al2O3夾雜的能力以便在鋼液進行吹氬攪拌過程中最大限度地降低氧化物夾雜的數(shù)量以日本山陽工藝為代表的高堿度（R=4.5）渣系精煉軸承鋼硫以及Al2O3夾雜含量都降到了很低的程度
軸承鋼精煉過程堿度的變化以二元堿度為例LD+LF+CC工藝到達精煉站的堿度在3左右精煉造渣過程堿度上升很快精煉結束后的堿度維持在4~5之間而LD+LF+VD+CC工藝精煉過程的堿度能達到6~7的水平經真空脫氣后二元堿度略有下降最后基本也在4左右
3精煉渣脫硫效果
合成渣配合埋弧渣一起使用造渣過程埋弧效果好大大提高了LF爐的熱效率造渣10min后基本形成了w（FeO+MnO）＜1%的渣系且堿度較高滿足了脫硫的熱力學條件獲得了良好的脫硫效果從表2可以看出在平均噸鋼用量為9.31kg合成渣和2.79kg埋弧渣的條件下脫硫率達到80%左右尤其在造渣開始的10min內脫硫效果明顯脫硫率達75%左右
注S1S2S3S4分別表示轉爐出鋼時精煉前精煉10min后及精煉完成時的硫含量η12η14分別表示出鋼到精煉前及出鋼到精煉完成的脫硫率
4軸承鋼中的氧含量
氧含量是衡量軸承鋼質量水平的一個重要指標對于鋁脫氧的軸承鋼而言要求鋼液中的溶解氧含量＜2×10-6因此去除鋼液中氧化物夾雜物就顯得尤為重要
軸承鋼中的全氧包括溶解氧和夾雜物中的氧故從兩方面來討論氧的去除一方面鋼液中氧通過擴散進入精煉渣因此要保證鋼渣氧化性低只有鋼渣之間具有一定的氧勢差鋼中的氧才能不斷地向渣中擴散精煉渣中的氧主要以FeO和MnO的形式存在在軸承鋼精煉過程的不同時期取渣樣采用化學分析法分析各組分含量FeO和MnO兩者之和變化規(guī)律如圖3所示結果表明在造渣過程中由于脫氧劑的加入渣中氧急劇下降還原渣形成后渣中氧穩(wěn)定在1%左右圖3不同生產工藝精煉渣中FeO+MnO含量
另一方面通過以上工藝可知精煉過程盡早形成流動性較好的高堿度白渣吸收鋼液中的非金屬夾雜物（主要是Al2O3）并且在生產過程中盡量保證精煉后期有足夠的吹氬去除非金屬夾雜物的操作時間以使軸承鋼軋材上的全氧含量較低提高軸承鋼的抗疲勞壽命
經過此改進工藝冶煉后的軸承鋼鋼材上全氧含量均＜12×10-6最低的全氧含量為5×10-6完全能滿足軸承鋼的生產要求
5結論
5.1根據(jù)精煉設備條件制定符合軸承鋼生產的兩種精煉工藝路線（LD+LF+CC和LD+LF+VD+CC）精煉過程選用CaO-SiO2-Al2O3三元精煉渣系并給出了精煉渣系的組成范圍在精煉過程中各組分的變化規(guī)律是CaO含量基本維持不變SiO2的含量略有減少而Al2O3含量稍有增加采用LD-LF-CC和LD-LF-VD-CC工藝均能生產出合格的產品
5.2精煉過程中堿度逐漸升高精煉結束后終渣堿度維持在4.5~5.0在噸鋼用量9.31kg合成渣和2.79kg埋弧渣的條件下精煉渣脫硫率達到80%5.3CaO-SiO2-Al2O3精煉渣系能夠較好地去除鋼中的游離氧及氧化物夾雜鋼材中的全氧含量低于12×10-6
