超纯轴承钢的精炼工艺

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本文讲的超纯轴承钢,是指ω (S)、ω(Ti)和ω (O)分别达到0.003%、0.0012% 和0.0007% 以下的ω (C)1.0%-ω(Cr )1.5%轴承钢(以下简称SF GCr15)。

为了满足国际轴承行业对轴承钢的超纯化要求,宝钢股份有限公司特殊钢分公司致力于SF GCr15的工艺研究。经过数年的研究和探索,SF GCr15工艺流程及其技术基本成熟,而且SF GCR15的钛含量和氧含量的控制技术专利已获得授权 。

1、SF GCr15的超纯性

与常见的轴承钢的纯洁度相比，SFGCr15的超纯性主要体现在：①钢中ω (S )、ω (Ti )分别不大于0.003%、0.0012%；② 钢材中的ω (O )不大于0.0007%；③钢中非金属夹杂物级别以最严重视场为判定准则,即在1炉钢的6块(或6根)具有代表性的钢坯或钢材(棒)上所取的金相试样上,只要有一个金相试样上的夹杂物颗粒数或尺寸超标,则该炉钢被判不合格。

国际顶尖轴承厂家之所以对SFGCr15有如此高的超纯要求,其原因如下。

(1)对含0.018%与0.004%的ω (S)的轴承钢的偏析程度比较表明：低硫含量的柱状和轴向区域中的偏析程度明显较低。钢中硫化物和碳化物分布的平均尺寸在凝固过程中随硫含量的增加而增加,故纵向偏析增加。为了改善轴承钢的碳化物,必须尽可能降低硫含量。

(2)钢中Ti (C,N )夹杂物具有很高的脆性,并呈棱角几何形状,因而在钢基体中极易造成应力集中而诱导疲劳裂纹。随钛含量增高,碳氮化钛颗粒数不仅大大增多,而且级别也明显增高,导致疲劳寿命降低。钢中ω (Ti)从0.004%降到0.002%,能使轴承寿命提高约2倍。钢中ω (Ti )在0.0015%以下,可显著改善轴承运转过程中的噪音。钢中ω (Ti )控制在0.0012%以下,则轴承可达到噪音在0.3Hz 以下的静音运转效果。

(3)钢中非金属夹杂物,尤其氧化物夹杂是轴承钢中最具危害性的,对疲劳破坏有显著影响。氧化物夹杂尺寸越大,引起的应力集中也越严重。

无论D类氧化夹杂还是B类物夹杂,在钢中的生成均离不开钢中的氧。氧含量越高,不仅造成氧化物夹杂数量增多,而且使氧化物夹杂尺寸增大、偏析严重、级别增高,因而加剧疲劳寿命的危害。精炼钢ω (O)为0.001%的疲劳寿命是精炼钢ω (O)为0.004%的10倍；精炼钢ω (O)为0.0005%的疲劳寿命是精炼钢ω (O)为0.004%的30倍,并且与真空电弧重熔和电渣重熔的精炼钢的疲劳寿命相当；精炼钢的ω (O)的最终目标为0.0003%。

2、SF GCr15的精炼工艺及其质量

2.1　SF GCr15的工艺流程

开发成功的SF GCr15钢的精炼工艺流程为：100t 直流电炉初炼(EBT 出钢)→100t 钢包炉精炼→100t 真空炉脱气→3.7t 钢锭浇铸。

2.2　直流电炉冶炼工艺因素对SF GCr15 的硫含量、钛含量的影响

2.2.1　供氧强度

在直流电炉熔炼过程中,向钢液供氧,达到20～50m3/t ,可使钢中的ω (Ti )降至0.0005%以下,甚至0.0002%～0.0003%。这为精炼钢液的低钛化和低钛铁合金使用量的减少创造了十分有利的条件。

2.2.2　直流电炉出钢挡渣

直流电炉钢液出钢时,如果直流电炉内的氧化渣进入精炼钢包,那么该炉钢液的最终ω (Ti )一般不可能控制在0.001%以下,而且造成精炼的脱氧和脱硫任务繁重。因此,在直流电炉出钢过程中,必须十分强调直流电炉的100%挡渣出钢。

2.2.3　炉渣渣系

在直流电炉的熔化期和氧化期,采用高氧化性的渣系(ω (FeO)≥15%)可将钢液中的ω(P)降至0.008%以下,同时使钢液中的硫含量有一定下降。

2.2.4　直流电炉出钢钢液的氧活度

直流电炉出钢钢液的氧活度高,意味着在钢包精炼过程中,必须加入相对多的脱氧剂。而过多的脱氧剂(尤其是轴承钢的主要脱氧剂铝)则在使钢液中的氧活度迅速下降的同时,形成大量的脱氧产物,导致钢包精炼时间延长,钢中钛含量极易超出控制范围。直流电炉出钢钢液氧活度低,容易造成直流电炉的工艺操作被动。因此,把直流电炉出钢钢液氧活度控制在0.05%～0.10%。

2.2.5　直流电炉熔炼过程中SF GCr15的硫含量和钛含量的变化实例

经过直流电炉的熔炼,SF GCr15钢液的ω (S)和ω(Ti)在直流电炉出钢前可分别达到0.0025%和0.0003%。

2.3 工艺因素对SFGCr15的硫含量、钛含量、氧含量和钢中非金属夹杂物的影响

2.3.1　精炼渣系和脱氧剂

在钢包炉精炼过程中,采用高碱度渣系进行脱硫,其主要组分为CaO 、Al2O3、SiO2 和MgO ,其质量分数分别为40%～60%、15%～30%、8%、5%～15%。

采用铝和硅进行钢液脱氧和炉渣脱氧。如果精炼前期将钢中的w (Al )控制在0.03%～0.05%,则可使钢中氧活度降到0.0003%以下。这对于控制钢中钛含量也十分有利。

对流动性良好的高碱度渣进行适当的渣面脱氧,可将炉渣中的ω (FeO )保持在1%以下,从而保证炉渣始终有较强的脱氧和吸附钢中非金属夹杂物的能力。这对于保证SF GCr15 的ω (O)控制在0.0006%以下具有关键作用。

2.3.2　钢液温度和精炼时间

热力学计算可得：①随着温度的上升,轴承钢中的锰、碳、硅、钛、铝、铬元素,除了碳之外,均趋于不稳定；②在一定的温度条件下,钢中的铝有可能还原炉渣或耐火材料或铁合金中的二氧化钛。因此,钢液温度控制不当,十分不利于钢中钛含量和氧含量的控制。

钢液温度在1560～1600 ℃,可使钢液和炉渣均匀化和相互之间充分反应。同时,随着钢包底部的氩气气泡的不断沸腾上升,钢中的脱氧反应产物不断吸附上浮,从而不断降低钢中氧含量。

精炼时间一般应控制在40min 之内。如果时间大于40min ,钢包耐火材料的表层被钢液长期冲刷而剥落进入钢液,导致进入钢液的耐火表层中的氧化物和钛化物被钢中的铝还原,使钢中ω (Ti)超过0.0015%。

2.3.3　底吹氩压力

底吹氩压力控制在0.2～0.3MPa 。底吹氩压力过大,造成钢渣反应过分强烈和钢液对钢包耐火材料冲刷严重,导致炉渣或耐火材料中的氧化物和钛化物进入钢液而使钢中钛含量和氧活度增加。底吹氩压力过小,使钢液温度和成分以及钢渣反应都不均匀和充分,钢液的脱氧及其产物也不能充分上浮。合适的底吹氩压力制度是：精炼前期以较大的氩气压力；精炼后期以较小的氩气压力。这一方面可使SF GCr15的钛含量在精炼过程中基本稳定,同时可使SF GCr15的硫含量和氧活度不断下降。

2.3.4　精炼钢包耐火材料及其状态

可采用二氧化钛含量比较低的国产精炼钢包耐火材料。如果使用其它钢包耐火材料,则可因其耐火材料中的二氧化钛的含量高,导致钢液中钛含量增高。钢包使用前应完全清理。精炼钢包内表面有任何冷钢或残渣,都导致钢液中钛含量增高。

2.3.5　铁合金种类

要使SF GCr15的钛含量较低,选用较纯洁的铁合金是比较有效的途径之一。对SF GCr15 的铬、锰、硅成分所涉及的铁合金,应控制其钛含量。

2.3.6　真空脱气

真空度一般应在140Pa 以下。如果真空度达不到140Pa ,钢中的ω (H)不能降至0.0001%以下。真空时间一般应在20～35 min 。如果真空时间小于20min ,钢液脱氧产物无法充分上浮到炉渣中去,钢中氧活度不可能达到0.0002%以下；如果真空时间大于35min ,钢包耐火材料的表层被钢液长期冲刷而剥落进入钢液,十分不利于钢中钛含量的控制。

在真空前期,精炼钢包底吹氩压力一般不大于0.2MPa ；在真空后期,底吹氩压力在0.1MPa 以下。这种制度可使钢液和炉渣充分均匀化和反应,钢中的脱氧产物充分上浮。

真空脱气之后合适的软吹氩搅拌时间及其流量对于SF GCr15的钢中非金属夹杂物含量控制是十分重要的,其确定原则是：在保证钢液不被暴露在空气中和确保钢液有合适的浇铸温度的前提下,底吹氩时间应尽可能延长,氩气流量应尽量大。

2.3.7　钢液浇铸

钢液浇铸速度一般控制为3.5～4.5t/min 。浇铸速度过快,使钢液对浇铸系统的耐火材料的冲刷严重而污染钢液,导致钢中氧含量和钛含量增加。浇铸速度太慢,使浇铸时间延长,导致钢液二次氧化程度增加,不利于控制钢中氧含量。

为了不使钢液在浇铸过程中与空气接触,开发了模铸氩气保护系统(简称I APS )。I APS 可使轴承钢平均氧含量进一步下降,如图1所示。

2.3.8　控制实例

10炉SF GCr15在钢包精炼-真空脱气-钢液浇铸过程中的硫含量控制实例如图2所示。10炉SFGCr15在钢包精炼-真空脱气-钢液浇铸过程中的钛含量控制实例如图3所示。

2.4　SFGCr15的残余元素和有害元素含量以及非金属夹杂物评级水平

典型的SF GCr15钢材中残余元素和有害元素含量水平如表1所示。典型的SF GCr15钢中氧含量和非金属夹杂物评级水平如表2所示。

由表1和表2可知,SF GCr15的ω (S)、ω (Ti)和ω(O )分别达到0.003%、0.0012%和0.0007%以下,钢中非金属夹杂物含量也处于比较理想的水平。

3、结论

(1)国际顶尖轴承厂家对轴承钢的超纯要求是ω (S )、ω (Ti )和ω(O )分别达到0.003%、0.0012%和0.0007%以下；钢中非金属夹杂物级别以最严重视场为判定准则。

(2)影响超纯轴承钢的硫含量、钛含量、氧含量和钢中非金属夹杂物的工艺因素主要有：供氧强度、氧化炉渣中的氧化铁含量、出钢挡渣、出钢钢液的氧活度、精炼渣系和脱氧剂、钢液温度和精炼时间、底吹氩压力、精炼钢包耐火材料及其状态、铁合金、真空吹氩制度、软吹氩搅拌制度、钢液浇铸速度及其保护系统。

(3)超纯轴承钢的专用工艺流程及其技术已基本成熟,并具有自主知识产权。

作者：文/宝钢股份有限公司特殊钢分公司●虞明全