轴承钢用精炼渣冶金性能分析
1前言
高质量的轴承钢要求高的纯净度和组织均匀即杂质元素和非金属夹杂少碳化物细小且分布均匀精炼渣具有脱氧脱硫去夹杂的作用其性质直接影响LF精炼过程的冶金效果当碱性还原渣同钢液密切接触时钢液中实际的氧硫的数值大于同渣平衡的氧硫的数值使钢液中的氧和硫向渣中扩散精炼渣中CaOAl2O3等成分能够与SiAlMn等的脱氧产物结合成低熔点的化合物从而降低脱氧产物的活度强化脱氧反应由于精炼渣均由氧化物组成氧化物之间的界面张力小易于结合成低熔点化合物而钢液与脱氧产物间的界面张力大于渣和脱氧产物之间的界面张力精炼渣可以吸收脱氧产物使脱氧产物容易从钢液中排除此外精炼渣融化后形成泡沫渣渣层覆盖钢液可有效防止气体吸入且有利于埋弧操作减轻电弧对钢包内衬和钢包盖的损害提高热效率因此研究精炼渣成分变化及其对钢洁净度的影响对LF精炼作用的充分发挥具有重要意义
要对轴承钢中夹杂物进行控制首先要对钢中夹杂物的种类形貌进行定性分析根据精炼工艺可知钢中可能存在A类硫化物夹杂B类氧化铝夹杂C类铝酸钙复合夹杂物以及镁铝尖晶石和氮化钛夹杂等由于全程采用沉淀脱氧工艺炉渣对脱氧产物（主要是氧化铝）的吸附作用尤为重要通过氩气弱搅拌等手段可改善夹杂物上浮的动力学条件但是如果熔渣本身吸收夹杂物的性能不好使得夹杂物不能从钢水中彻底分离会恶化轴承钢的机械性能因此精炼渣的组成性质直接影响轴承钢的使用性能本研究系统地讨论精炼渣成渣工艺和组成对成渣过程的影响作用规律并对精炼渣的碱度和脱硫效果进行系统探讨获得能够有效去除钢中硫和氧化物夹渣的精炼渣系
2生产工艺对精炼成渣的影响
2.1精炼渣组成
传统的轴承钢精炼渣系主要是以CaO-Al2O3和CaO-SiO2-Al2O3的高碱度精炼渣系为主由CaO-Al2O3二元相图可知渣中存在低熔点的化合物12CaO7Al2O3可通过调节精炼渣中Al2O3含量降低熔渣的熔点改善合成渣精炼的动力学条件SiO2属于酸性氧化物不利于精炼渣脱硫但SiO2对熔渣的泡沫化性能有较大的影响由CaO-Al2O3二元系和CaO-SiO2-Al2O3三元系表面张力图可知SiO2属表面活性物质其含量增加可降低表面张力促进发泡增加渣膜的弹性和强度
2.2生产工艺对渣成分的影响
生产轴承钢GCr15精炼过程采用三元精炼渣系分别采取LD+LF+CC和LD+LF+VD+CC两种工艺生产本研究以精炼渣系中的3种主要成分为研究对象探讨其在精炼过程中的变化规律图1是不同成渣工艺路线从炼钢出钢到精炼结束过程中渣样成分变化规律图2是不同成渣工艺路线精炼过程二元碱度的变化规律
从两种工艺路线来看成渣的过程基本一致主要分为两个阶段
第1阶段从转炉出钢到精炼站之前转炉冶炼采用高拉补吹操作终点渣的碱度控制在3~3.5左右出钢时采用挡渣塞挡渣出钢出钢过程加入脱氧剂脱氧和合金化并在炉后加入二元合成渣进行渣洗以防止回磷由于二元渣的加入渣中CaO含量略有增加转炉吹炼过程中未用含铝氧化物化渣出钢渣的Al2O3含量不高炼钢结束用铝镇定渣中的Al2O3有所增加利用硅铁锰铁进行合金化渣中的SiO2含量有所提高
第2阶段为钢包精炼炉造渣过程此过程中加入了合成渣埋弧渣以及渣脱氧剂铝和电石在此过程中渣中SiO2和Al2O3的含量会有明显的降低一方面在精炼过程中加入的脱氧剂铝会将渣中的SiO2还原钢水会有不同程度的增硅现象另一方面主要是精炼过程中加入渣料稀释了渣中SiO2和Al2O3的浓度
造渣过程前10min内形成白渣精炼结束后控制终渣碱度为4.5~5.0高碱度流动性好氧化性低的钢渣利于钢渣界面反应最大程度去除钢中的氧并使钢中氧化物夹杂上浮被精炼渣所吸收提高钢水的纯净度
轴承钢从转炉出钢到精炼结束的成渣路线如图1所示由图1可知CaO在此过程含量基本维持不变SiO2的含量是减少的这是由于钢水中有较多的酸溶铝的缘故而渣中Al2O3含量是略有增加的一方面随着钢包处理时间的延长大颗粒夹杂物有充足的时间上浮另一方面精炼结束后对钢水进行弱搅拌使细小的夹杂物能相互碰撞长大上浮后被精炼渣所吸附最后对钢水进行钙处理使Al2O3系夹杂物得到变性有效避免堵水口情况的发生保证生产的稳定顺行
2.3精炼过程碱度的变化规律
精炼渣应具有吸收脱氧产物Al2O3夹杂的能力以便在钢液进行吹氩搅拌过程中最大限度地降低氧化物夹杂的数量以日本山阳工艺为代表的高碱度（R=4.5）渣系精炼轴承钢硫以及Al2O3夹杂含量都降到了很低的程度
轴承钢精炼过程碱度的变化以二元碱度为例LD+LF+CC工艺到达精炼站的碱度在3左右精炼造渣过程碱度上升很快精炼结束后的碱度维持在4~5之间而LD+LF+VD+CC工艺精炼过程的碱度能达到6~7的水平经真空脱气后二元碱度略有下降最后基本也在4左右
3精炼渣脱硫效果
合成渣配合埋弧渣一起使用造渣过程埋弧效果好大大提高了LF炉的热效率造渣10min后基本形成了w（FeO+MnO）＜1%的渣系且碱度较高满足了脱硫的热力学条件获得了良好的脱硫效果从表2可以看出在平均吨钢用量为9.31kg合成渣和2.79kg埋弧渣的条件下脱硫率达到80%左右尤其在造渣开始的10min内脱硫效果明显脱硫率达75%左右
注S1S2S3S4分别表示转炉出钢时精炼前精炼10min后及精炼完成时的硫含量η12η14分别表示出钢到精炼前及出钢到精炼完成的脱硫率
4轴承钢中的氧含量
氧含量是衡量轴承钢质量水平的一个重要指标对于铝脱氧的轴承钢而言要求钢液中的溶解氧含量＜2×10-6因此去除钢液中氧化物夹杂物就显得尤为重要
轴承钢中的全氧包括溶解氧和夹杂物中的氧故从两方面来讨论氧的去除一方面钢液中氧通过扩散进入精炼渣因此要保证钢渣氧化性低只有钢渣之间具有一定的氧势差钢中的氧才能不断地向渣中扩散精炼渣中的氧主要以FeO和MnO的形式存在在轴承钢精炼过程的不同时期取渣样采用化学分析法分析各组分含量FeO和MnO两者之和变化规律如图3所示结果表明在造渣过程中由于脱氧剂的加入渣中氧急剧下降还原渣形成后渣中氧稳定在1%左右图3不同生产工艺精炼渣中FeO+MnO含量
另一方面通过以上工艺可知精炼过程尽早形成流动性较好的高碱度白渣吸收钢液中的非金属夹杂物（主要是Al2O3）并且在生产过程中尽量保证精炼后期有足够的吹氩去除非金属夹杂物的操作时间以使轴承钢轧材上的全氧含量较低提高轴承钢的抗疲劳寿命
经过此改进工艺冶炼后的轴承钢钢材上全氧含量均＜12×10-6最低的全氧含量为5×10-6完全能满足轴承钢的生产要求
5结论
5.1根据精炼设备条件制定符合轴承钢生产的两种精炼工艺路线（LD+LF+CC和LD+LF+VD+CC）精炼过程选用CaO-SiO2-Al2O3三元精炼渣系并给出了精炼渣系的组成范围在精炼过程中各组分的变化规律是CaO含量基本维持不变SiO2的含量略有减少而Al2O3含量稍有增加采用LD-LF-CC和LD-LF-VD-CC工艺均能生产出合格的产品
5.2精炼过程中碱度逐渐升高精炼结束后终渣碱度维持在4.5~5.0在吨钢用量9.31kg合成渣和2.79kg埋弧渣的条件下精炼渣脱硫率达到80%5.3CaO-SiO2-Al2O3精炼渣系能够较好地去除钢中的游离氧及氧化物夹杂钢材中的全氧含量低于12×10-6
