AOD-LF-VD-CC工艺生产轴承钢洁净度的研究
2014-09-13马忠存
李 彬， 马忠存
(北满特殊钢有限责任公司， 黑龙江 齐齐哈尔 161041)
轴承钢具有高可靠性、高疲劳寿命、高刚度，是对洁净度、质量要求严格且应用广泛的钢种，洁净度影响着轴承钢的强度、塑性、韧性等性能，是影响其寿命的重要因素之一，降低钢中非金属夹杂物、有害气体元素是提高洁净度的出发点，为此，针对某厂AOD-LF-VD-CC工艺生产轴承钢的洁净度进行了系统研究，为优化生产工艺，冶炼高质量轴承钢提供必要的理论依据。
1 试验方案
为了全面了解整个生产过程中各工序钢水洁净度的变化，进行了现场生产试验，在LF—VD—CCM—成品过程中取3炉分别取提桶样，将提桶样加工成气体棒、钢屑，并取一定渣样。气体棒加工规格为Φ5×25mm，共计17个，用来分析氧含量和氮含量；未氧化的钢屑取样20g分别为CCM1、CCM2、CCM3；炉渣样分别为VD1-1、VD3-1、LF3-1，金相样由自动磨样机制样，利用扫描电镜Feature功能，选取100个视场，在放大1000倍的情况下扫描观测夹杂物特征，分析了夹杂物的平均粒径大小变化和夹杂物数量的变化。试样选取具体工序位置如表1所示。
表1 系统取样方案
2 试验结果和分析
2.1 各工序氧含量分析
在一定程度上，钢中的总氧T[O]代表了氧化物夹杂的数量，其值的大小经常作为钢洁净度非常有效的评价指标。在固体状态下，钢中的氧几乎全部以氧化物夹杂形态存在，钢中T[O]含量的高低代表了存在于钢中的氧化物夹杂的多少。由于颗粒较大的夹杂物比颗粒较小的夹杂物更容易被去除，因而钢中夹杂物尺寸将随T[O]含量降低而减少。试验各工序钢中T[O]平均值的变化如表2、图1所示：
表2 各工序钢中氧含量
图1 各工序钢中氧含量
从表2和图1中可以看出，12543炉在喂铝前全氧含量37ppm，喂铝后氧含量降到13ppm，脱氧率为65%左右，经过VD处理后氧含量降至11ppm，中间包氧含量平均值也在10ppm，脱氧效果基本上达到要求。12541和12544炉全氧LF处理前后分别为10ppm、17ppm和10ppm、14ppm，VD出站进一步降低到6ppm和12ppm，材上为8ppm和10pmm。同时可以认为LF一次样的全氧较低则经VD处理后到材上的氧也较低，因而为控制轴承钢中的全氧，LF把前期渣做透、做白对后期全氧的控制是有利的，用过量的铝对钢液进行沉淀脱氧，再用氩气搅拌使夹杂物上浮至渣钢界面被熔渣吸收；VD处理过程中，为保证脱气采用强搅拌将渣面吹开，使钢液直接暴露在真空下，并将部分熔渣卷入钢液以增加渣钢接触界面，如果这部分渣不能从金属液中排出则会增加钢液总氧量。为此，VD后期应有一定的弱搅拌时间(也可在钢包吊出VD工位后镇静)；防止二次氧化；提高耐火材料质量及操作水平，尽量减少因耐火材料带入的外来夹杂及中间包覆盖渣和连铸保护渣卷入钢液。
2.2 各工序氮含量分析
钢中钛、氮含量与氮化钛夹杂有一定的关系，即随着钛、氮含量的提高，钢中氮化钛夹杂增加。氮化钛是一种硬而脆的夹杂物，它对钢的疲劳寿命特别有害。各工序过程中氮含量如下表3和图2所示。
表3 各工序钢中氮含量
图2 各工序钢中氮含量
从表3和图2可以看出12543炉喂铝前氮含量在46ppm，待喂铝后，氮含量增加至62ppm，氮含量增加了约34.7%，这可能与以下因素有关：喂铝线时液面裸露以及电极电离作用使钢液增氮进入。VD工艺后氮含量有所下降但不明显，到中间包之后氮含量显著提升，达到80ppm左右，增氮率近46%，这说明从大包到中间包之间注流被卷入空气，造成氮含量急剧上升。12542和12544炉在LF精炼后均出现了增氮，LF1样到出站分别增加了4ppm和12ppm，VD真空处理后分别降低到47ppm和52ppm，脱氮率分别达14.5%和21.1%，但是在浇注过程中均出现了增氮现象，分别为11ppm和21ppm，说明保护浇注系统存在一定的问题。为此，真空精炼过程要适当提高氩气搅拌功率，强化脱氮动力学条件；连铸过程中要保证全程保护浇注，避免钢液与大气直接接触吸氮。
2.3 各工序工序夹杂物平均粒径以及数量分布的变化分析
夹杂物对钢性能的影响取决于夹杂物的数量、粒径大小等因素，各工序夹杂物平均粒径、数量、大于13μm的数量如表4、图3所示。
表4 各工序夹杂物平均粒径、数量、大于13μm的数量
图3 各工序夹杂物平均粒径、数量、大于13μm的数量
从图中可以发现，LF处理前夹杂物数量较多且粒径较大，LF处理后夹杂物数量明显减少且粒径变小。由此可见，LF炉外精炼对改变夹杂物的数量和大小是至关重要的；在VD破空后，钢水中的夹杂物数量和粒径均出现了上升，说明由于真空的大气量搅拌，在去除气体的同时，造成了钢水的污染，同时结合Als的大幅度降低，Al的二次氧化也造成夹杂物含量的上升，为此在VD精炼过程中应采取一定的措施(比如：在真空度较低下，开始搅拌；搅拌适当控制底吹气量等)减少VD中钢水的污染，同时强化软吹效果；对比大于13μm夹杂物数量都是在VD破空后和连铸中包达到最大值，到了材样后降到最低值，第二炉比第一炉的材样中夹杂物数量低，并且两炉中夹杂物数量变化规律也基本上接近。
3 结论
(1)棒材上全氧含量为8～10ppm，脱氧效果基本上达到要求，氮含量为50～80ppm左右，LF、浇铸过程中发生不同程度地增氮，有待改善保护浇注系统。
(2)VD破空后，钢水中的夹杂物数量和粒径均增加，应适当提高氩气搅拌功率，强化软吹效果；连铸过程中要保证全程保护浇注，避免钢液与大气直接接触吸气，减少VD中钢水的污染。
