大功率风电机组用轴承钢中非金属夹杂物特征及来源分析

李　阳，蔡金林，薛正良，肖爱平，徐尚呈，刘月云

(1.武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，湖北 武汉,430081；2.大冶特殊钢股份有限公司研究院，湖北 黄石,435001)

大功率风电机组用轴承钢中非金属夹杂物特征及来源分析

李阳1，蔡金林1，薛正良1，肖爱平2，徐尚呈2，刘月云2

(1.武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室，湖北 武汉,430081；2.大冶特殊钢股份有限公司研究院，湖北 黄石,435001)

摘要：采用非水溶液电解法萃取大功率风电机组用轴承钢轧材中的非金属夹杂物，结合SEM和EDS分析，对夹杂物的形貌、尺寸、成分及类型进行表征，并分析其可能来源。结果表明，该风电轴承钢轧材中非金属夹杂物主要包括Al-Ca-Si-Mg系氧化物和Al-Ca-Si-Mg系硫化物两大类；在钢中T[O]含量仅为0.0007%时，仍存在以SiO2为主的Al-Ca-Si-Mg系大型夹杂物。

关键词：风电机组；轴承钢；非水溶液电解；非金属夹杂物；Al-Ca-Si-Mg系；大型夹杂物

近年来，我国风电行业发展迅速，风电机组功率与容量不断增大[1-2]。轴承作为风电设备的核心零部件，其使用环境恶劣，维修拆装成本高，因而对所用材料的强度、冲击韧性、接触疲劳寿命等性能要求十分严格[3]。目前，我国单座装机容量在5 MW以上的风电机组用大型轴承还完全依赖于进口[4]。因此，冶炼符合使用标准的高品质轴承钢，已成为实现风电轴承国产化的关键因素之一。

研究表明，原料钢中存在的非金属夹杂物与轴承零件接触疲劳裂纹的萌生与扩展密切相关[5-6]，且可能造成风电轴承使用过程中表面不平整等缺陷[7]，进而影响轴承使用寿命。尽管冶炼过程中，对钢水中含氧量的控制十分严格，但轴承钢轧材中仍可能存在影响产品质量的大型夹杂物，且夹杂物的种类与性质尚不明确。为此，本文采用非水溶液电解法萃取出某大功率风电机组用轴承钢轧材中的非金属夹杂物，结合SEM与EDS分析，对夹杂物形貌、尺寸、组成及类型进行表征，并探究其可能来源，以期为冶炼高品质轴承钢过程中的夹杂物控制提供理论依据。

1试验

1.1生产工艺流程

为避免将初炼炉中氧化性渣带入钢包，电炉出钢时采用留钢留渣的操作。出钢过程随钢流依次加入1600 kg高碳铬铁、350 kg中碳锰铁、150 kg硅铁、200 kg钼铁、70 kg铝锭进行脱氧与合金化，钢包中加入700 kg精炼合成渣(化学成分见表2)和350 kg活性石灰进行造渣，加入量根据实际情况进行复核调整。钢水进入LF炉精炼时，加入一定量精炼合成渣与活性石灰石(比例为2∶1)进行脱氧造白渣，后通电升温、化渣，温度控制在1550～1580 ℃，RH真空精炼时间不低于35 min，软吹氩时间不低于25 min(67 Pa以下)。LF精炼钢水全过程保护浇注，下水口-钵口采用氩封保护，浇铸温度控制为1490～1505 ℃。

表1　风电轴承钢轧材的化学成分(wB/%)

表2　精炼合成渣的化学成分(wB/%)

1.2取样及分析方法

电解完毕后，使用无水乙醇对阳极泥进行分批淘洗，后通过离心分离的方法提取出阳极泥中的夹杂物，将萃取得到的夹杂物单层放置在一抛光的平面上，采用Nova400Nano型扫描电子显微镜(SEM)和能谱分析仪(EDS)分析其形貌、尺寸及物相组成。

2结果与分析

经非水溶液电解萃取后，所得轴承钢轧材试样中非金属夹杂物的形貌如图1所示。由图1可见，视场中分布着大量不同尺寸的不规则块状、团簇状以及少量球状夹杂物；部分夹杂物表面较为致密，带有明显棱角，而部分夹杂物表面较为疏松，可能是一些絮状物或其他夹杂附着在基体夹杂物表面；夹杂物尺寸大多介于10～100 μm之间，但还存在少量尺寸大于100 μm的大型夹杂物。结合EDS分析可知，电解萃取得轴承钢轧材中的非金属夹杂物主要包括Al-Ca-Si-Mg系氧化物和Al-Ca-Si-Mg系硫化物两大类。

(a)视场1(b) 视场2

图1轴承钢轧材中非金属夹杂物的形貌

Fig.1 Morphologies of inclusions in rolled products of bearing steel

2.1Al-Ca-Si-Mg系氧化物夹杂形貌特征与类型

轴承钢轧材中典型Al-Ca-Si-Mg系氧化物夹杂的SEM照片和EDS图谱如图2所示。由图2可见，轧材中典型的Al-Ca-Si-Mg系氧化物夹杂有：①SiO2类夹杂物，呈带棱角的不规则块状，表面较为光滑，尺寸介于30～500 μm之间，主要是Si的脱氧产物在上浮过程中不断聚集长大形成的；②Al2O3-SiO2系硅铝酸盐夹杂，含少量MgO或碱金属氧化物(如K2O)，呈球状或者多边形状，表面较为粗糙，尺寸介于15～80 μm之间，这类夹杂为Si和Al同时脱氧的产物，而碱金属氧化物则来自于结晶器保护渣；③Al2O3-CaO-MgO-SiO2系夹杂，呈不规则块状，尺寸分布在25～180 μm之间，从成分上判断可能是Si脱氧产物吸收了部分精炼渣后形成的夹杂；④CaO-SiO2系夹杂，CaO含量达86.33%，同时含少量TiO2，呈块状，尺寸约为40 μm，这可能是出钢时加入钢包的造渣材料(活性石灰)的微粉粒被卷入钢水中所致；⑤CaO-MgO系夹杂，CaO和MgO的含量分别为56.63%和43.37%，呈多边形块状，尺寸约为50 μm，从成分上判断可能为白云石分解的产物，主要来自于炉衬；⑥CaO-MgO-SiO2-P2O5系夹杂，含一定量的K2O和CuO，尺寸处于25～80 μm间，该类夹杂物呈致密球状，表明其熔点低于钢水温度，可能来自于浇铸阶段；⑦CaO夹杂物，尺寸约为45 μm，呈正方体形状，可能来自于精炼阶段加入的石灰石。

此外，该轴承钢轧材中还含有一定量的Al2O3-CaO-SiO2、CaO-MgO-SiO2和Al2O3-MgO-SiO2等硅铝酸盐、钙铝酸盐系非金属夹杂物。

(a) SiO2夹杂物(b) Al2O3-SiO2+MgO夹杂(c) Al2O3-SiO2+K2O夹杂

(d) Al2O3-CaO-MgO-SiO2夹杂(e) CaO-SiO2+TiO2夹杂(f) CaO-MgO夹杂

(g)CaO-MgO-SiO2-P2O5+K2O, CuO夹杂(h) CaO夹杂物

图2典型Al-Ca-Si-Mg系氧化物夹杂的SEM照片和EDS图谱

Fig.2 SEM images and EDS spectra of typical Al-Ca-Si-Mg system oxide inclusions

2.2Al-Ca-Si-Mg系硫化物夹杂形貌特征与类型

轴承钢轧材中典型Al-Ca-Si-Mg系硫化物夹杂的SEM照片和EDS图谱如图3所示。由图3可见，轧材中典型Al-Ca-Si-Mg系硫化物夹杂主要为CaS-MnS-CuS系夹杂物，呈球状，表面较为粗糙，尺寸介于20～50 μm之间。其中，图3(a)为硅铝酸盐与硫化物的复合夹杂，该类复合夹杂是以钢液中硫容量较大的渣相为载体，在钢水凝固过程中硫以CaS的形式饱和析出，而其中的MnS则是在固液两相区以上述夹杂为核心复合析出的；在如图3(b)所示的硫化物夹杂中，CaS夹杂在钢液精炼过程中已形成，而MnS和CuS则在钢液凝固过程的固液两相区以CaS为核心相继析出。

(a) Al2O3-CaO-SiO2+CaS-CuS-MnS系夹杂(b)CaS-MnS-CuS系夹杂

图3典型Al-Ca-Si-Mg系硫化物夹杂的SEM照片及EDS能谱

Fig.3 SEM images and EDS spectra of typical Al-Ca-Si-Mg system sulfide inclusions

2.3大型夹杂物的形貌特征与类型

轴承钢轧材中典型大型夹杂物的SEM照片和EDS图谱如图4所示。由图4可见，所得大型夹杂物尺寸分布于170～500 μm范围内，形貌呈带棱角的不规则块状，表面较为光滑。其中，图2(a)为SiO2类复合夹杂物，SiO2含量高达80%，同时含有少量的CaO、Al2O3、MgO以及碱金属氧化物；图2(b)为SiO2-Al2O3-CaO系夹杂，SiO2、Al2O3和CaO含量分别为42.70%、18.20%和39.10%，这与精炼渣的化学组成十分相似，因此可判断该类夹杂物可能是精炼渣的卷入所产生的。

(a) SiO2系夹杂(b) SiO2-Al2O3-CaO系夹杂

图4大型夹杂物的SEM照片及EDS图谱

Fig.4 SEM images and EDS spectra of macro inclusions

3讨论

3.1Al-Ca-Mg-Si系夹杂的成分及形成原因分析

图5为轴承钢轧材试样中Al-Ca-Mg-Si系氧化物夹杂的成分三元相图。由图5可见，Al-Ca-Mg-Si系夹杂主要为含SiO2高的复合夹杂，而不是含Al2O3高的夹杂。原因可能是该轴承钢在LF精炼过程中，脱氧较为充分，T[O]含量很低，仅为0.0007%，而Al脱氧产物Al2O3与钢水的接触角(144°)大于Si脱氧产物SiO2与钢水的接触角(115°)[10]，使得出钢过程中析出的大型Al脱氧产物更容易在精炼过程中上浮去除，而小颗粒Al脱氧产物也更易通过碰撞联结成大颗粒簇状夹杂而上浮去除；随着精炼工艺的推进，钢液中T[O]含量逐渐下降，残留在钢液中的大型Al脱氧产物逐渐减少，相对而言，Si脱氧产物比Al脱氧产物更容易被钢水润湿，也没有发现过由小颗粒Si脱氧产物聚集成的大颗粒簇状夹杂存在，因而Si脱氧产物较难从钢液中去除。

图5　Al-Ca-Mg-Si系氧化物夹杂的成分(wB/%)

Fig.5 Chemical compositions of Al-Ca-Si-Mg system oxide inclusions in rolled products of bearing steel

3.2夹杂物评级

根据GB/T10561—2005，对该轴承钢中的非金属夹杂物进行评级，结果如表3所示。由表3可见，从B类夹杂细系0.5级、D类夹杂粗系0.5级和Ds类1级来看，轴承钢轧材试样中存在9 μm以下的Al2O3颗粒、8～13 μm的单颗粒夹杂及19 μm大型球状颗粒。然而，实际电解萃取出的夹杂物颗粒尺寸则远远大于金相评级所观察到的夹杂物尺寸。这些大型夹杂物尽管数量不多，但在钢中几乎呈随机分布，当其出现于工件表面或皮下时，会直接影响该工件的使用性能，导致其疲劳极限大幅降低。

表3　轴承钢轧材中非金属夹杂物的评级

3.3去除大型夹杂物的有效途径

针对目前的风电轴承钢生产工艺，为降低大型Si脱氧产物夹杂的数量，在出钢过程中可采用先加碳，后依次加入金属铝、硅铁的工序对钢水进行合金化处理。当钢水含碳量达到1%左右时，与碳平衡的钢水溶解氧含量小于0.005%，此时再加铝深度脱氧析出的Al脱氧产物也相对较少。当钢液溶解氧含量降至10-6时，再加硅铁则不再会从钢液中析出Si脱氧产物。因此，为减少轴承钢轧材中的大型夹杂物，可将钢液脱氧合金化工艺优化为：先加增碳剂(中碳锰铁、高碳铬铁等)，后加铝锭深脱氧，最后加硅铁和钼铁进行合金化。此外，LF精炼过程中可适当控制吹氩强度，避免精炼渣卷入钢液中形成大型夹杂，且钢水浇铸过程中尽量稳定浇注速度，避免保护渣卷入钢液。

4结论

(1)经非水溶液电解萃取后，大功率风电机组用轴承钢轧材中非金属夹杂物主要包括Al-Ca-Si-Mg系氧化物和Al-Ca-Si-Mg系硫化物两大类。

(2)在钢中T[O]含量小于0.0007%情况下，该轴承钢轧材中仍存在以SiO2为主的Al-Ca-Mg-Si系大型夹杂物。

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[责任编辑董贞]

Characteristics and origins of non-metallic inclusions in bearing steel used for high-power wind turbines

LiYang1,CaiJinlin1,XueZhengliang1,XiaoAiping2,XuShangchen2,LiuYueyun2

(1. Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education,Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China； 2. Research Institute,Daye Special Steel Co.,Ltd., Huangshi 435001, China)

Abstract:Nonaqueous solution electrolysis method was employed to extract the non-metallic inclusions in the rolled products of bearing steel used for high-power wind turbines. By means of SEM and EDS, the mophology, size, composition and type of the extracted inclusions were characterized and the possible sources of those inclusions were analyzed accordingly. The results show that non-metallic inclusions in this bearing steel are mainly composed of Al-Ca-Si-Mg system oxides and Al-Ca-Si-Mg system sulfides. Even though the T[O] content in the rolled metal is only 0.0007%, there still exists a certain amount of SiO2-rich Al-Ca-Si-Mg system macro inclusions.

Key words：wind turbine; bearing steel; nonaqueous solution electrolysis; non-metallic inclusion; Al-Ca-Si-Mg system; macro inclusion

收稿日期：2015-09-30

基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2012AA03A504).

作者简介：李阳(1988-)，女，武汉科技大学讲师，博士．E-mail: liyang@wust.edu.cn

中图分类号：TF7

文献标志码：A

文章编号：1674-3644(2016)01-0030-06