聶勇強 王碩明 張進紅 張彩軍

(河北理工大學(xué))

軸承鋼連鑄坯非金屬夾雜物的行為研究

聶勇強 王碩明 張進紅 張彩軍

(河北理工大學(xué))

針對某特鋼企業(yè)鐵水預(yù)脫硫—BOF—LF—VD—CC軸承鋼生產(chǎn)流程進行了非金屬夾雜物行為的系統(tǒng)研究,取得的研究數(shù)據(jù)為轉(zhuǎn)爐流程軸承鋼生產(chǎn)提供了基礎(chǔ)資料和依據(jù)。研究表明:鑄坯內(nèi) T[O]平均為12×10-6,顯微夾雜總體積率為0.41‰,鑄坯中顯微夾雜,主要分為硅鈣酸鹽夾雜、硅鋁酸鹽夾雜、Al2O3夾雜三類;鑄坯中大型夾雜物主要有三類復(fù)合夾雜物,分別為 SiO2-CaO-MnS-Al2O3夾雜、SiO2夾雜、SiO2-Al2O3-CaO-MnO夾雜。

軸承鋼 非金屬夾雜物 大型夾雜物 顯微夾雜物

0 引言

某特鋼企業(yè)軸承鋼生產(chǎn)已有了較大的規(guī)模,且產(chǎn)品具有很高的市場競爭力;但是2007年該公司生產(chǎn)的軸承鋼經(jīng)超聲探傷 (UT)合格率相對偏低,質(zhì)量異議時有發(fā)生,而鋼中非金屬夾雜物的類型、數(shù)量、尺寸及分布對軸承鋼力學(xué)性能和使用性能影響很大[1-5],時常成為超聲探傷不合的主要原因,是影響某該公司產(chǎn)品一次合格率位居第一位的缺陷。為此,針對上述問題進行研究,為轉(zhuǎn)爐流程生產(chǎn)軸承鋼提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 生產(chǎn)流程及試驗條件

1.1 生產(chǎn)流程

某特鋼企業(yè)轉(zhuǎn)爐煉鋼廠軸承鋼生產(chǎn)工藝流程如圖1、圖2所示。

1.2 試樣選取

以第一爐開澆時段及換鋼包時中間包液面波動時段澆注的鑄坯為非穩(wěn)態(tài)條件澆注,以正常澆注過程中澆注的鑄坯為穩(wěn)態(tài)澆注,取樣為一個150mm×150mm×15mm薄坯。在鋼包渣中加入示蹤元素Ba,在中間包覆蓋劑中加入示蹤元素 La,在中間包打結(jié)料中加入示蹤元素 Ce,并利用結(jié)晶器保護渣中含有的Na和 K元素進行夾雜物來源分析。

圖1 軸承鋼生產(chǎn)工藝流程

圖2 軸承鋼生產(chǎn)精煉工藝流程

2 試驗結(jié)果分析

2.1 各工序鋼中 T[O]的變化

鋼中的氧幾乎全部以氧化物夾雜形態(tài)存在,在一定程度上,鋼中的總氧量 T[O]代表了氧化物夾雜的數(shù)量,其值的大小經(jīng)常作為鋼潔凈度非常有效的評價指標。由于顆粒較大的夾雜物比顆粒較小的夾雜物更容易被去除,因此鋼中夾雜物尺寸隨 T[O]含量降低而減少。本次試驗各工序鋼中 T[O]平均值的變化如圖3所示。

圖3 各工序鋼中 T[O]平均值的變化

由圖3可知:

1)LF處理前后各爐次 T[O]變化:由 LF1和LF2對比可知,LF精煉前 T[O]平均值為15×10-6,精煉后平均值為13 ×10-6。LF處理后比處理前 T[O]含量平均減少2×10-6。LF精煉過程中氧含量降低13.3%。因 LF3的取樣是在添加合金料后進行,鋼中氧含量平均增加了4.5×10-6,平均增氧34.6%。

2)VD處理前后各爐次 T[O]變化:VD處理前T[O]平均值為17.5 ×10 ,處理后 T[O]平均為15.5×10-6,VD處理后 T[O]含量減少了2×10-6,VD處理過程中 T[O]平均降低11.4%。

3)鋼水注入中間包前后各爐次 T[O]的變化:入中包前 T[O]的平均值為15.5 ×10-6,出中包后T[O]的平均值為17.5 ×10-6,中包前后 [O]平均增加了2×10-6,中包前后 T[O]平均增加了12.9%。說明從鋼包到中間包保護澆注的密封性不好,存在少量二次氧化現(xiàn)象。

4)鋼水注入結(jié)晶器前后各爐次 T[O]的變化:入結(jié)晶器前 T[O]的平均值為17.5 ×10-6,鋼材 T[O]的平均值為12 ×10-6,入結(jié)晶器前后 T[O]平均減少了5.5×10-6,入結(jié)晶器前后 T[O]平均減少了31.4%。

2.2 顯微夾雜的形貌、組成與粒徑分布

通過金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡分析,鑄坯中檢測出三類顯微夾雜,大體分類為:硅鈣酸鹽夾雜、硅鋁酸鹽夾雜、Al2O3夾雜。其典型形貌和能譜分析結(jié)果見表1、如圖1所示。

表1 鑄坯中顯微夾雜物能譜分析結(jié)果wt%

圖4 顯微夾雜物形貌圖

統(tǒng)計表明:顯微夾雜總體積分數(shù)為0.41‰(由內(nèi)弧至外弧平均計算值),鑄坯中顯微夾雜粒徑較小,0～5μm的夾雜占85%以上,5μm～10μm則占約13%,而大于10μm的夾雜則很少不足2%。各類夾雜占顯微夾雜總量分別為:硅鈣酸鹽夾雜33.2%,硅鋁酸鹽夾雜35.3%,Al2O3夾雜32.5%。其中硅鈣酸鹽夾雜和硅鋁酸鹽夾雜化學(xué)成分上比較接近,兩者區(qū)別主要在于 Ca質(zhì)量分數(shù)的差異及示蹤元素種類的區(qū)別。Al2O3夾雜含 Al較高,Al2O3屬于脆性夾雜物,對軸承鋼的質(zhì)量影響很大,其含量越高軸承鋼的疲勞壽命越低,如需進一步提高軸承鋼的質(zhì)量水平,應(yīng)在鋁脫氧的同時采用鈣處理以減少鋼中Al2O3含量。顯微夾雜成分復(fù)雜且?guī)缀跞亢聚櫾?La和 Na、K,說明其主要是脫氧產(chǎn)物與中間包液面二次氧化產(chǎn)物吸附集聚而形成的復(fù)合物;其次是結(jié)晶器液面對鋼液的污染;鋼包液面影響較小。

2.3 鑄坯中大型夾雜物的形貌,組成與粒徑分布

利用大樣電解法分析鑄坯中 >50μm的大型夾雜物,檢測到鑄坯中大型夾雜物主要有三類復(fù)合夾雜物,分別為 SiO2-CaO-MnS-Al2O3夾雜、S iO2夾雜、SiO2-Al2O3-CaO-MnO夾雜。其典型形貌和能譜分析結(jié)果見表2、如圖5所示。

在穩(wěn)態(tài)澆注條件下,鑄坯中大型夾雜物質(zhì)量分數(shù)為35.15 mg/10 kg,非穩(wěn)態(tài)澆鑄鑄坯內(nèi)大型非金屬夾雜物的平均含量為70.32 mg/10 kg。統(tǒng)計表明:在穩(wěn)態(tài)澆注條件鑄坯內(nèi)的非金屬夾雜物粒度小,其中 <50μm的占45%、50μm～100μm的占53%、其它粒度的約占2%。在大型夾雜物中,SiO2-CaO-MnS-Al2O3夾雜占51%,SiO2夾雜占14%,SiO2-Al2O3-CaOMnO夾雜占35%。SiO2-CaO-MnS-Al2O3復(fù)合夾雜的能譜圖結(jié)果表明,該類夾雜主要來源于結(jié)晶器卷渣和鋼包渣卷渣,并與脫氧產(chǎn)物吸附聚集,形成復(fù)合夾雜。在檢測中發(fā)現(xiàn)的示蹤元素 Ba和 Na、K,也說明了鋼包渣和結(jié)晶器保護渣對鋼水的污染。SiO2夾雜含有少量的其它雜質(zhì),如 Al2O3、MnO、MgO等,分析認為該類夾雜來源于脫氧產(chǎn)物,在檢測中發(fā)現(xiàn)了示蹤元素 Na、K,說明 SiO2夾雜是由脫氧產(chǎn)物與卷入鋼水的結(jié)晶器保護渣相互碰撞聚集形成的。SiO2-Al2O3-CaO-MnO復(fù)合夾雜成分復(fù)雜,分析認為是由結(jié)晶器卷渣造成的,在檢測中發(fā)現(xiàn)示蹤元素 Na、K說明結(jié)晶器保護渣都參與了非金屬夾雜物的形成。

表2 鑄坯中大型夾雜物能譜分析結(jié)果wt%

圖5 大型夾雜物形貌圖

3 結(jié)論

1)通過LF爐處理的鋼水全氧含量平均達到13×10-6,鋼液潔凈度較高,滿足了連鑄的要求。鑄坯中全氧含量為12×10-6,達到較高的潔凈水平。

2)顯微夾雜主要是多元素復(fù)合脫氧產(chǎn)物與中間包液面二次氧化產(chǎn)物吸附集聚形成的復(fù)合物,其次是結(jié)晶器液面對鋼液的污染。另外,提高中間包覆蓋劑、結(jié)晶器保護渣對鋼液面的保護能力對減少鋼中的夾雜物尤為重要。

3)減少中間包液面卷渣尤其是減少結(jié)晶器液面卷渣,就可以有效的減少鋼中大型夾雜物的含量。

[1]楊建虹.軸承鋼潔凈度對軸承疲勞壽命的影響[J].軸承,2001(5):28-30.

[2]王洪利.轉(zhuǎn)爐流程軸承鋼連鑄坯非金屬夾雜物行為研究[D],唐山:河北理工大學(xué)碩士論文,2005.5

[3]王碩明.轉(zhuǎn)爐流程軸承鋼中非金屬夾雜行為的研究[D].東北大學(xué)博士論文2006.02.

[4]高揚,劉永長.我國軸承鋼線材的專業(yè)化生產(chǎn)[J].特殊鋼.2001,22(4):27-29.

[5]付云峰,徐德祥,陸佰亮.國內(nèi)軸承鋼的生產(chǎn)現(xiàn)狀及發(fā)展[J].特殊鋼,2002,23(6):30-32.

BEHAVIOR RESEARCH OF NON-METALL IC INCLUSIONS OF CASTING SLAB IN BEARING STEEL OF BOF

Nie Yongqiang Wang Shuoming Zhang Jinhong Zhang Caijun
(Hebei Polytechnic University)

In order to improve bearing steel’s quality,the experiments were carried based on Shi gang Steel product processofmolten steelpre-desulfurization-BOF-LF-VD-CC,non-metallic inclusions’behavior is studied in this paper,and basic information and proof are provided by the studied data for the converter process of bearing steel production.Research shows:the average of T[O]is12 ×10-6,the volume ratio ofmicro inclusions is0.41‰.Micro inclusions almost have three kinds:Silicon-Calcium inclusions,Silicon-Aluminous inclusions,Al2O3inclusions;the macro inclusion is main to have three typesof compound admixture,respectively is the type of SiO2-CaO-MnS-Al2O3,the type of SiO2,the type of SiO2-Al2O3-CaO-MnO.

bearing steel non-metallic inclusions macro inclusions micro inclusions

2010—3—8