徐傳兵　周同軍　李悅

(寶鋼特鋼有限公司)

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電爐冶煉軸承鋼的工藝優(yōu)化及分析

徐傳兵周同軍李悅

(寶鋼特鋼有限公司)

高品質(zhì)軸承鋼的冶煉工藝主要以EAF-LF-VD-IC冶煉工藝為主，其中電爐冶煉工藝對(duì)氧含量與夾雜物的控制尤為重要。主要研究了電爐冶煉工藝對(duì)高品質(zhì)軸承鋼冶金質(zhì)量的影響，并分析了不同電爐終點(diǎn)[C]控制、電爐留鋼量、以及LF到站時(shí)的Al、C、Si成分對(duì)成品氧含量的關(guān)系。研究表明：在電爐生產(chǎn)過(guò)程中，終點(diǎn)[C]含量≥0.07%，出鋼時(shí)電爐留鋼10%～15%，并確保LF到站時(shí)分析的Al、C、Si成分適當(dāng)，可取得良好的冶金質(zhì)量效果。

電爐軸承鋼氧含量夾雜物

0　引言

軸承是重要的基礎(chǔ)機(jī)械零件，在各行業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛，其質(zhì)量直接決定了其所裝備的機(jī)械設(shè)備可靠性、精度的高低、性能的好壞以及使用壽命的長(zhǎng)短，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，軸承的工作環(huán)境也越來(lái)越惡劣，對(duì)于軸承的要求也越來(lái)越高[1]。如何提高軸承鋼鋼液質(zhì)量一直是冶金工作者的重點(diǎn)研究方向，而影響軸承鋼鋼液質(zhì)量的主要因素是軸承鋼氧含量和夾雜物控制。要有效降低軸承鋼氧含量并穩(wěn)步提升夾雜物控制級(jí)別，就必須從電爐出鋼開(kāi)始進(jìn)行相關(guān)改進(jìn)及優(yōu)化。近年來(lái)，在軸承鋼鋼液質(zhì)量控制方面，電爐冶煉對(duì)軸承鋼冶金質(zhì)量的影響的相關(guān)研究相對(duì)較少，因此本文將結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，從電爐冶煉方面著手進(jìn)行深入研究，以便優(yōu)化改進(jìn)生產(chǎn)工藝，提升鋼液質(zhì)量。

1　產(chǎn)品技術(shù)要求及工藝流程

1.1產(chǎn)品技術(shù)要求

表1所示為軸承鋼GCr15的材質(zhì)成分要求，為尋求更優(yōu)異的軸承鋼使用性能，在冶煉生產(chǎn)中需要更低含量的氧、鈦等成分，以及更窄的成分范圍才能滿足此要求。

軸承鋼材料成分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1　軸承鋼材料成分標(biāo)準(zhǔn)　/%

1.2工藝流程

目前，模鑄材軸承鋼的冶煉工藝流程為：40 t電爐-LF-VD-IC。

氧含量和夾雜物控制水平作為軸承鋼冶金質(zhì)量控制的重要指標(biāo)，在追求更低氧含量與更高夾雜物控制水平的平衡時(shí)，諸多鋼企都從精煉操作方面著手來(lái)展開(kāi)相關(guān)研究，對(duì)電爐冶煉的影響情況研究相對(duì)較少，而在電爐出鋼畢，LF爐取樣分析成分及渣樣時(shí)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)以下問(wèn)題：

1)LF(到站)成分分析，發(fā)現(xiàn)鋼液中主要元素C、Si、Al波動(dòng)范圍大；

2)LF渣樣分析，發(fā)現(xiàn)精煉渣中(FeO)+(MnO)% 含量≥1.0%的比例高達(dá)15%，反映出鋼過(guò)程中有下渣情況發(fā)生；

為此，筆者主要從以上兩個(gè)主要問(wèn)題出發(fā)，通過(guò)研究電爐冶煉對(duì)軸承鋼氧含量與夾雜物的影響，提出合理的控制方法，提升軸承鋼的質(zhì)量控制水平。

2　影響因素分析及討論

2.1電爐終點(diǎn)控制對(duì)質(zhì)量的影響

電爐冶煉試驗(yàn)方案及結(jié)果見(jiàn)表2。

表2　電爐冶煉試驗(yàn)方案及結(jié)果

表2所示為電爐冶煉不同終點(diǎn)[C]、留鋼量及LF的到站成分與成品氧含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系分析結(jié)果。根據(jù)三組試驗(yàn)方案以及對(duì)應(yīng)的軸承鋼成品氧含量試驗(yàn)結(jié)果，通過(guò)對(duì)比成品的氧含量來(lái)優(yōu)選出一組控制水平相對(duì)較好的方法。方案1中電爐終點(diǎn)[C]較低、電爐留鋼量偏少，而且LF到站中C、Si、Al含量均較低，造成鋼液中原始氧含量偏高，后道檢測(cè)氧含量平均為10×10-6以上；方案2中雖然電爐終點(diǎn)[C]、LF到站時(shí)的[C]含量相對(duì)方案1均有所提升，可反映出電爐出鋼氧活度降低明顯，而且通過(guò)LF到站時(shí)的Si、Al含量相對(duì)方案1較高即可反映方案2的脫氧強(qiáng)度要優(yōu)于方案1；但經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)案2的氧含量仍然較高，未有明顯改進(jìn)，其中氧含量平均為9×10-6；在方案3中，通過(guò)進(jìn)一步提高電爐終點(diǎn)[C]、LF到站時(shí)的[C]含量，進(jìn)一步提高脫氧強(qiáng)度，來(lái)有效降低電爐出鋼氧活度以及鋼液中的原始氧含量。經(jīng)檢測(cè)分析，方案3中氧含量平均為7.5×10-6，相對(duì)其他方案均有明顯的提升效果。

選用方案3進(jìn)行實(shí)際操作，即：軸承鋼冶煉過(guò)程中，將含高(FeO)氧化渣從爐門流出，并盡量減少出鋼過(guò)程氧化渣流入鋼包(通過(guò)適當(dāng)增加裝入量，并根據(jù)合格量、余鋼量倒推出鋼量，能有效的使電爐出鋼鋼液盡可能少下渣)。電爐氧化期吹氧結(jié)束，控制終點(diǎn)[C]≥0.07%，并控制精煉爐爐渣分析(FeO)+(MnO) ≤0.50%，出鋼過(guò)程中配入的C、Si、Al按LF到站成分進(jìn)行控制。

2.2終點(diǎn)[C]含量控制分析

目前國(guó)外的許多鋼鐵企業(yè)十分重視電爐出鋼的質(zhì)量控制和入爐原料的質(zhì)量管理，嚴(yán)格做到電爐出鋼終點(diǎn)[C]的穩(wěn)定控制。在保證脫磷的前提下，適當(dāng)提高電爐出鋼終點(diǎn)[C]，可減少脫氧劑的用量，進(jìn)而能夠減少氧化物夾雜的生成總量。

鋼液中碳和氧反應(yīng)式為：

[C]+[O]=CO(g)lgKc=1168/T+2.07

(1)

電爐出鋼終點(diǎn)[C]與鋼液中[O]的平衡數(shù)值見(jiàn)表3。

表3 　[C]-[O]第3期平衡數(shù)值

從表3可以明顯地看出，電爐出鋼[C]含量過(guò)低，勢(shì)必造成鋼中的氧活度大大增加，脫氧劑用量也隨之增加。同時(shí)也造成殘留在鋼中的脫氧產(chǎn)物增加，還會(huì)提高生產(chǎn)成本。實(shí)際電爐生產(chǎn)過(guò)程中碳、氧是達(dá)不到平衡的[2]。一般情況下，電爐出鋼時(shí)終點(diǎn)氧比平衡氧高出1.15～1.25倍。當(dāng)采用30%生鐵冶煉時(shí)，電爐工位做好低溫脫磷前提下，出鋼的終點(diǎn)[C]控制到0.07%以上，可大幅度降低鋼中原始氧含量，進(jìn)而減少脫氧產(chǎn)物的生成量。

2.3出鋼渣中(FeO)控制分析

一般鋼廠出鋼按留鋼10%～15%操作，盡量避免電爐渣進(jìn)入鋼包[3]。電爐冶煉軸承鋼時(shí)，電爐渣中的(FeO)含量一般為20%～30%，氧化性相對(duì)較強(qiáng)，當(dāng)電爐渣隨鋼液流進(jìn)入鋼包開(kāi)始LF爐精煉時(shí)，渣中的(FeO)會(huì)不斷的向鋼液中供氧(如式(2)～式(4)所示)，進(jìn)而不斷的增加鋼液中的氧化物夾雜總量。另外，由于電爐渣中含有一定量的有害元素P，在精煉過(guò)程中會(huì)進(jìn)入至鋼液中，從而導(dǎo)致鋼液中的有害元素含量增加，影響成品的使用性能。

FetO→tFe+[O]ΔGFetO=116100-48.4 T

(2)

由化學(xué)平衡可知：

(3)

由于是鋼液可以認(rèn)為aFeO=1，則有：

lga[O]=16063.6/T+2.538+L=lgaFeO

(4)

爐渣(FeO)%和氧活度關(guān)系如圖1所示。

圖1爐渣(FeO)%和氧活度關(guān)系圖

從圖1可以看出，當(dāng)渣中(FeO)含量不斷增加時(shí)，鋼液中氧活度首先會(huì)急劇上升，之后上升趨勢(shì)有所減緩，特別是(FeO)含量由0%增加至3%時(shí)，氧活度呈直線上升趨勢(shì)。

精煉渣中(FeO)+(MnO)含量與鋼中總氧含量關(guān)系如圖2[4]所示。

圖2 　渣中(FeO)+(MnO)含量與總氧含量關(guān)系圖[4]

從圖2可以看出，鋼液中總氧量會(huì)隨著精煉渣中(FeO)+(MnO)含量的增加而不斷增加，當(dāng)渣中(FeO)+(MnO)含量控制在1%以內(nèi)時(shí)，總氧量相對(duì)較低。綜合來(lái)看，在電爐出鋼操作中，嚴(yán)禁電爐下渣是最優(yōu)的措施，但考慮到電爐出鋼操作過(guò)程中很難分辨是否有下渣情況，因此均以精煉渣中(FeO)+(MnO)%≤0.5%以內(nèi)來(lái)控制。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施過(guò)程中，精煉渣中(FeO)+(MnO)%含量分布如圖3所示。從圖3可以看出，控制水平相對(duì)比較穩(wěn)定。

2.4出鋼脫氧的控制分析

鋁是軸承鋼冶煉時(shí)的終脫氧劑，由于鋁脫氧能力強(qiáng)，鋁的氧化物容易上浮。鋼中保留一定含量的鋁，可使氧含量保持在較低的范圍[5]。因此需重點(diǎn)控制鋁的加入方式、加入時(shí)間，并保證脫氧產(chǎn)物有足夠的上浮時(shí)間。出鋼過(guò)程加鋁量應(yīng)根據(jù)LF到站時(shí)的鋁成分來(lái)控制，合適的LF到站鋁成分不僅能保證出鋼過(guò)程脫氧效果良好，而且會(huì)減少脫氧產(chǎn)物Al2O3的產(chǎn)生量。鋁錠的加入時(shí)間一般在出鋼時(shí)隨鋼液流加入鋼包中，以便鋁錠能與鋼液充分接觸并完全反應(yīng)，有效提升鋁錠的脫氧效果。綜上所述，主要從以下三個(gè)方面對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化：

圖3精煉爐爐渣分析(FeO)+(MnO)%分布圖

1) 出鋼終點(diǎn)碳控制在0.07%以上；

2) 電爐留鋼10%～15%；

3) 確保合適的LF到站分析的鋁、碳和硅成分。

3　實(shí)施效果

1)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施改進(jìn)，40 t電爐產(chǎn)線模鑄軸承鋼氧含量由電爐工藝改進(jìn)前的平均氧含量10×10-6降至7.5×10-6，平均氧含量≤10×10-6的比例由80.93%提高至97.12%，模鑄軸承鋼產(chǎn)品質(zhì)量大幅度提高。電爐工藝改進(jìn)前后氧含量數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4　電爐工藝改進(jìn)前后氧含量數(shù)據(jù)對(duì)比

2)改進(jìn)后40 t電爐產(chǎn)線模鑄軸承鋼夾雜物評(píng)級(jí)情況良好，夾雜物B類、D類夾雜物評(píng)級(jí)得到了改善。模鑄軸承鋼夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果見(jiàn)表5。

4　結(jié)論

1)電爐出鋼終點(diǎn)[C]控制在0.07%以上，能有效減少鋼液中的原始氧含量；鋼液中原始氧含量降低后，出鋼過(guò)程脫氧劑用量也相應(yīng)減少，從而產(chǎn)生夾雜物的幾率也相應(yīng)減少；

2)通過(guò)電爐留鋼10%～15%操作，盡量減少出鋼過(guò)程

表5　模鑄軸承鋼夾雜物評(píng)級(jí)表

氧化渣流入鋼包是確保模鑄軸承鋼質(zhì)量的關(guān)鍵；

3)合適的LF到站分析的鋁成分不僅保證出鋼過(guò)程脫氧效果良好，而且保證減少了脫氧產(chǎn)物Al2O3的產(chǎn)生量；同樣，LF到站分析的碳和硅成分也可反映出鋼過(guò)程的脫氧效果。

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PROCESS OPTIMIZATION AND ANALYSIS OF THE EAF STEEL MAKING WITH BEARING STEEL

Xu ChuanbingZhou TongjunLi Yue

(Baosteel Special Steel Co., Ltd)

The main steel making process of high level bearing steel is EAF-LF-VD-IC, in which the EAF operation process is very important for the controlling of oxygen content and inclusions. It is mainly researched the influence of EAF operation process with high level bearing steel's quality in this paper, and analysis the relationship between the final oxygen content and the different tapping carbon content, the amount of remaining molten steel in EAF, and the content of Al, C, Si in LF when the ladle is arriving. The research shows that the tapping carbon content is more than 0.07%, the amount of remaining molten steel is between 10% and 15%, and ensure a suitable content with Al, C, Si in LF, and it can obtain a good metallurgy quality effect.

EAFbearing steeloxygen contentinclusions

聯(lián)系人：徐傳兵，工程師，上海市(200940)，寶鋼特鋼有限公司煉鋼廠;2016—4—21