电炉冶炼低钛轴承钢工艺实践

2018-05-25叶飞来贺云鸿

山西冶金 2018年1期

叶飞来，贺云鸿

（山东钢铁特钢事业部，山东莱芜 241104）

在轴承钢的冶炼过程中，钢水中[Ti]与[N]会生成TiN，这是一种具有规则外形的硬而脆的夹杂物，对轴承的疲劳寿命危害较大。有资料表明，当轴承钢中钛质量分数超过30×10-6时，其疲劳寿命明显开始下降[1]。目前国内及国际的一些厂家对轴承钢中钛的控制水平已经较高，对提高轴承的疲劳寿命起到重要作用，表1为部分知名轴承钢生产企业的钛控制水平。

表1 轴承钢中钛的质量分数 10-6

最近推行的GBT/18254—2016标准版GCr15轴承钢对Ti的含量与原标准相比，有明确的上限要求，目的是减少钢中TiN夹杂物对疲劳寿命的影响。因此轴承钢生产厂家必须把钢水中Ti的控制作为一项重要任务。控制轴承钢中TiN生成的方法是减少钢水中N和Ti的含量，目前电炉的原料主要以铁水为主，料源、工艺条件相对稳定，钢水中氮的含量波动不大，降低TiN含量的主要工作是降低钢水中钛的含量。特钢事业部50 t电炉生产的旧标准GCr15轴承钢对钛没有技术要求，所以生产钢中钛质量分数一般在都大于0.005 0%以上。因此，生产低钛轴承钢需要对生产工艺进行适当调整。

1 钢水中钛的含量变化分析

工艺流程：50 t EAF+60 t LF+60 t VD+CC。

对于旧版标准的轴承钢钛含量不作要求，因此在冶炼过程中对于钛的含量不做控制，统计分析79炉次钛在不同的冶炼阶段的变化，分为电炉熔清成分、终点成分、合金化后的成分、精炼一次样、精炼二次样、VD后成品样6个阶段，其钛含量取平均值作图1。

图1 钛含量在GCr15轴承钢冶炼过程中的变化

从79炉的数据分析，电炉终点样钛的质量分数为8.12×10-6,但是加入合金、早渣料以后，钛的含量急剧上升，这是因为合金和造渣料中的钛溶解到钢水中，随着精炼进一步的深度脱氧，炉渣中的钛被还原到钢水中去，主要的变化是在电炉出钢合金化到精炼深脱氧以后。

钛作为一种金属元素，在冶炼过程中是由外来原料带入的。主要是炼钢原料中废钢、铁水和在精炼过程中的合金和辅助材料中的含钛物质带入的，目前电炉的铁水含钛量（质量分数）在0.04%～0.08%之间，废钢中钛的质量分数大于0.020%，但是可以在电炉氧化气氛中去除大部分。在LF精炼过程中，合金及辅助材料带入的，在LF精炼过程中，因为处于还原气氛中，炉渣中的钛会还原到钢水中去，是上升趋势，到精炼出钢后达到最高值。关于VD过程中钛的变化是在真空处理过程中，含量较高的钛会与炉渣及钢水中的氧发生反应，损耗一部分，此过程中的钛变化可以不考虑。

2 低钛轴承钢的冶炼工艺改进

在冶炼一般钢种时，为降低钢中的溶解氧含量，采用的是高终点碳出钢。50 t电炉原料结构为70%的铁水和30%的废钢，钢铁料中钛的质量分数在0.04%～0.06%之间。因此在冶炼过程中必须将钢铁料中的Ti去除掉，因为钛极易与氧发生反应，因此可以在电炉氧化期将其去除，在氧化性条件下，钢中存在以下反应：

根据东北大学战东平[2]作图指出，当钢液中w[O]＞23.5×10-5时，w[Ti]≤1.0×10-5，而且钢液氧含量低于3.0×10-5时，随着氧含量的降低，钢液中Ti含量急剧增加。所以要保证钛在钢中通过氧化去除，钢液中的残余氧大于3.0×10-5是必要的[3]。由此可见，脱钛应在钢中含有较高氧的冶炼中进行，因此电炉要想脱除钢液中的钛，终点碳控制不易过高，但是考虑到终点碳与溶解氧的关系，过低的终点碳会使钢水中的溶解氧增高，脱氧过程中会产生过多的夹杂物，因此终碳控制在0.10%～0.40%之间即可。在实际操作中，增加炉内氧化气氛，增加炉渣中氧化铁的含量，适当增加渣量，使钢水中钛氧化掉，进入炉渣中通过炉门放掉。经过部分炉次实践分析，电炉出钢前钛的含量完全可以降低到0.001 0%以下，在实验的7个炉次中，最高0.000 5%，平均值3.28×10-6，完全达到目标（见图2）。

图2 钢水中碳与钛含量的关系

3 电炉合金化后钛的变化

电炉终点成分控制符合要求后进行出钢操作，电炉采用偏心底无渣出钢，不考虑电炉氧化渣对钛的影响。电炉在出钢过程中同时要向钢包中加入合金、铝块、造渣料进行脱氧并合金化，这些原料会带入钛。其中一部分钛直接进入钢水中，一部分与钢水中的氧发生反应，生成（TiO2）进入炉渣中。表2为部分原料的钛含量。

表2 部分原料中钛的质量分数 %

电炉出钢前的终点钛的质量分数为0.000 3%～0.000 5%，电炉合金化以后取样分析，分析钢水中的钛增加幅度，对7个炉次包中样进行分析，钢水中钛的平均质量分数为0.001 6%，平均增幅为0.001 2%。以此证明电炉出钢后加入的原材料是钛增加的主要因素。

4 LF精炼过程中钛的影响因素分析

4.1 脱氧过程对钛的影响

LF精炼的功能是对钢水进行脱氧，随着脱氧深度的进行，炉渣的钛还原到钢水中去，主要是向钢水中加入的铝与钛发生还原反应，将炉渣中（TiO2）中钛还原到钢水中，其化学反应式为：

钛的还原数量多少，一方面取决于炉渣中（TiO2）的多少，另一方面取决于炉渣的还原深度。炉渣中钛的还原数量多少与钢水中的酸溶铝的含量多少有关系。

战东平[2]等人认为，随着钢中酸溶铝含量的增加，钢中钛含量明显增加，这说明由于钢水铝含量的提高可增强渣中脱氧能力，导致渣中（TiO2）被还原能力大幅度提高。通过冶炼过程的数据分析，结果与上述观点相符。因此在实际操作过程中，从控制钢中钛含量的目标出发，应在保证钢水充分脱氧的前提下尽可能降低钢中铝含量。

对一些VD处理后的钢水定氧分析，当钢水中的酸溶铝大于0.015%时，即可以将溶解氧降低到0.000 3%以下，可以保证钢材氧含量符合要求。综合平衡，既要保证氧含量不超标，又要抑制渣中钛的还原，将钢水中的酸溶铝质量分数控在0.015%～0.030%之间即可。

4.2 炉渣成分及其他材料对钛的影响

从化学方程式可以看出，（TiO2）浓度越高，反应越有利于向正向方向进行。为减少钛向钢水中的传输，需要降低渣中（TiO2）浓度，因此精炼需要大渣量来稀释原料带入的（TiO2）浓度，从经验得出，增加石灰的加入量是有必要的。

在精炼过程中加入的脱氧辅助材料也是增加钢水中钛升高的重要原因之一。在实际生产中发现，部分产地的SiC脱氧剂含钛较高，为避免SiC脱氧剂在冶炼过程中增钛，改为CaC2和碳粉进行脱氧。对实验炉次进行分析，改用低钛的脱氧材料取得较好效果。

钢包耐材对钛的含量也有一定影响。生产低钛轴承钢时，不得使用含钛钢种的钢包。经过统计分析，使用生产过20CrMnTi钢种的钢包再生产轴承钢时，钛的含量（质量分数）增加0.000 2%。在精炼周期上不易过长，由于钢包耐材中含有部分钛化物，如果精炼时间过长，长时间的供电反复升温，就会导致耐火材料侵蚀和冲刷加剧，有可能导致耐材中的钛化物进入钢液，实际LF精炼时间控制在40～50 min即可，精炼出钢温度控制在1 580～1 590℃之间。

4.3 碱度的影响

TiO2在强碱性渣中呈酸性，在保证脱氧的前提下，保持精炼渣较低的碱度，有利于抑制TiO的还原。吴伟[4]等人指出，R＜6是保证钢水中w[Ti]＜30×10-6条件之一。在实际操作中，为降低炉渣碱度，优化电炉合金化的顺序，由原工艺的钢芯铝预脱氧改为使用碳粉和硅锰合金脱氧，增加渣中的SiO2含量，以降低炉渣碱度，同时带来的好处是，大量的碳粉脱氧以后，产生的CO气泡对夹杂物的去除提供了动力，铝的加入时间延后在精炼炉渣变白以后。电炉出钢合金化工艺改进以后，炉渣的碱度有所降低，能够控制在4～6之间，炉渣熔点低，流动性良好，表3为轴承钢的精炼渣成分。

表3 GCr15轴承钢精炼渣系成分和碱度

5 VD脱气过程中钛的变化

VD真空脱气过程也是一个脱氧的过程，在真空过程中钢渣混充，钢水中较高的铝会与渣中残余的（TiO2）的进一步反应，为降低渣中钛的还原，钢水进VD处理之前，将炉渣扒掉2/3，使炉渣中总的TiO2含量降低，该法实施后，检验VD处理后的钢水中钛含量与处理之前没有明显的变化，该流程的钛的增幅可以忽略不计。

6 工艺优化后低钛的变化分析

工艺优化后，对实验7个炉次的轴承钢钛含量变化分6个阶段进行分析，整个冶炼过程中钛的增加幅度是受控的，钢水中钛的增加阶段主要在电炉出钢到精炼完毕以后，此工序是控制钛含量的关键控制点。此工艺改进是有效的，轴承钢中钛含量明显下降，达到预期效果，该工艺对与电炉冶炼低钛轴承钢具有指导意义。图3为工艺优化后不同阶段钛含量的变化。