轴承钢Ds类夹杂物影响因素分析及控制实践

豆乃远，李辉成，王立涛

（中天钢铁集团有限公司三炼钢,江苏 常州 213011）

引 言

轴承是重要的机械基础件，在大多数机械产品和工程结构中应用十分广泛[1]。轴承钢中的非金属夹杂物，破坏了金属的连续性，由于Ds类夹杂物的膨胀系数与钢基体不同，在轴承工作过程中所产生的交变应力的作用下，易引起应力集中，成为疲劳裂纹源，降低轴承的疲劳寿命。此外，夹杂物与钢形成较弱的结合界面，易产生不变形张力，导致孔洞的形成，进而影响轴承的质量和性能，最终会对设备的安全性能及稳定性能造成影响[2-6]。

国内外文献对Ds类非金属夹杂物研究很多，本文结合国内某特钢厂轴承钢在EAF→LF→VD→CC生产过程中出现Ds类夹杂物超标的情况，对Ds类夹杂物形成机理及影响因素

进行了研究分析，借助于扫描电镜、电子探针对夹杂物的成分分析结果，提出了轴承钢Ds类夹杂物控制措施，为改善轴承钢Ds类夹杂物提供了现场实践经验。

1 轴承钢Ds类夹杂物分析

由连铸方坯轧制后轴承钢棒材，制备成电镜样在金相显微镜下，其取样方式和位置：平行于钢材的纵轴，位于钢材外表面到中心的中间位置，面积约为200 mm2（20 mm×10 mm）。进行日常检验分析，采用扫描电镜和能谱分析Ds类夹杂物的形貌和成分组成。大致可分为几种：独立钙铝酸盐夹杂物、独立MgO·Al2O3夹杂物、（Ca，Mg，Si，Al）xOy复合夹杂物、外面包有硫化物的复合夹杂物，并且单独存在的钙铝酸盐比较少，而复合夹杂物、镁铝尖晶石相对较多，夹杂物典型形貌如图1，2所示。其中，图1为轴承钢复合类Ds夹杂物微观形貌，图1中5个谱图的化学成分如表1所示；图2为轴承钢镁铝尖晶石类Ds夹杂物微观形貌及谱图的化学成分。

表1 轴承钢复合类Ds夹杂物中5个谱图的化学成分

图3给出了对轴承钢棒材的超标夹杂物的成分分布图。从图3可以看出，夹杂物类型主要表现为低熔点的钙铝酸盐，其在相图中也是落在了液态低熔点区域，这类夹杂不易上浮，同时80%左右的夹杂物包含少量尖晶石。镁铝尖晶石（熔点：2135℃）首先形成夹杂物的核心，钙铝酸盐（熔点：1455～1875℃）包裹镁铝尖晶石，最外层为CaS。

2 轴承钢Ds类夹杂物形成机理

轴承钢对钢中的氧含量要求较高，生产过程中通常采用加入铝块和喂入铝线等方式进行深脱氧，钢中的氧很容易与铝反应生成Al2O3夹杂物。其中，铝脱氧平衡的热力学公式[7]如下所示：

由于电炉炉后及精炼所加渣料石灰及合金中含有一定量的Ca元素，钢包砖中含有一定量的Mg元素，钢液中的Al与渣或钢包砖发生冶金反应而使钢液中带入Ca和Mg元素，钢液中Ca和Mg的含量直接影响到其对Al2O3的改性效果。当钢成分一定时，根据Al，Mg脱氧反应及铝镁尖晶石生成的热力学数据，如下所示[8]：

在T=1873 K，w（O）=0.0008% 时，热力学计算得到Mg改性Al2O3夹杂物生成铝镁尖晶石的临界w（Mg）=0.00001%。而计算形成MgO夹杂物需要的w（Mg）=0.00027%。可见要生成MgO需要的镁含量远高于其改性Al2O3夹杂物所需要的含量，故钢液中的Mg主要用于改性Al2O3，夹杂物中也没有观察到单独MgO夹杂物。由于轴承钢铝高且不进行钙处理，钢中存在Al2O3夹杂物，在T=1873 K，轴承钢中w（Al）=0.02%～0.05%时，只要有微量Mg的存在，就有可能生成MgO·Al2O3夹杂物，而钢包砌筑使用镁碳砖、中间包使用镁质挡墙及涂抹料等都会导致钢中微量Mg的存在，因此，大部分夹杂物检测到了MgO·Al2O3尖晶石。

钙可以与硫直接反应形成CaS，还会与氧反应形成氧化物夹杂。钢中少量的Ca会变性Al2O3夹杂物，与SiO2碰撞结合生成液态复合夹杂物，不易在钢水中上浮。

3 轴承钢Ds类夹杂物影响因素及控制

3.1 钢中钙含量影响及控制

轴承钢采用铝脱氧，钢中Al2O3夹杂较多，渣料及合金中都存在钙元素，钢中存在的钙元素会导致钙铝酸盐类Ds夹杂物增加，钙元素含量较高的炉次出现Ds类夹杂物超标的几率较高。改进措施：严格控制钢中的 Ca含量，w（Ca）≤2×10-6。

3.2 钢包的影响及控制

图4给出了对轴承钢使用不同类别的钢包对精炼终渣中氧化镁含量的影响。根据图4可以得知，钢包的情况对精炼渣渣系的影响很大，且Ds类夹杂物中含有镁铝尖晶石成分，因此，需要对钢包使用进行管控。

改进措施：轴承钢（尤其是高标）生产只允许使用热周转包，不得使用新包、热停包、小修包、中修包，包括前三次。

3.3 精炼造渣工艺影响及控制

图5给出了对轴承钢不同生产时期的精炼终渣相图。其中，原工艺炉渣为2020年3月之前的炉渣。Ds夹杂物超标几率较高的月份为2020年3月和2020年5月，从图5可以看出，精炼炉渣组元发生变化，二元碱度明显降低，三元碱度明显升高，渣中Al2O3含量降低，炉渣变黏。

改进措施：优化轴承钢炉后出钢渣料，提高出钢铝块的加入量，提高炉渣碱度和渣中的Al2O3含量，进而提高炉渣的流动性及吸附夹杂物的效果。

3.4 原辅料的影响及控制

轴承钢所用渣料为石灰和护炉剂，护炉剂的成分变化如图6所示：CaO含量波动大，且平均含量较高，同时Al2O3含量有所降低，因此，原辅料成分不稳定，精炼造渣不稳定，对Ds类夹杂物控制不利。改进措施：缩小护炉剂成分波动范围，同时根据各批号护炉剂成分，适当调整加入量，得到目标精炼终渣碱度：R=5～7。

3.5 钢中氧含量、VD真空铝损影响及控制

轴承钢氧含量升高时夹杂物超标的几率偏高。改进措施：精炼脱氧采用铝线深脱氧，用部分铝粒代替碳化硅进行渣面脱氧，降低钢水的氧含量，做好中包保护浇铸。

VD铝损大小是保持可浇性及渣中Al2O3含量的重要因素，铝损过大，钢渣反应过于剧烈，钢渣乳化严重，同时渣中Al2O3含量增加，增加夹杂物超标的风险；VD铝损过小，钢渣混冲效果较弱，渣中Al2O3变性不足，会堵塞水口造成结瘤现象。改进措施：严格控制VD铝损为50%～70%。

3.6 钢包下渣影响及控制

轴承钢夹杂物检验中发现存在精炼渣成分，为大包浇铸末期乳化的精炼渣进入中包后未充分上浮进入钢中导致的。改进措施：大包留钢渣3～5 t，利用好钢包下渣检测系统及钢包称重系统，杜绝大包下渣，提高轴承钢的纯净度。

4 结 论

（1）扫描电镜分析，轴承钢Ds夹杂物形貌可分为：独立钙铝酸盐夹杂物、独立MgO·Al2O3夹杂物、（Ca，Mg，Al，Si）xOy复合夹杂物、外面包有硫化物的复合夹杂物，单独存在的钙铝酸盐比较少，而复合态夹杂物、镁铝尖晶石相对较多。

（2）热力学计算表明，在T=1873 K，轴承钢中w（Al）=0.02%～0.05%时，只要有微量镁的存在，就有可能生成MgO·Al2O3夹杂物，因此，大部分检测到了MgO·Al2O3夹杂物的存在；为减少复合类夹杂物，应严格控制钢中的钙含量。

（3）Ds夹杂物超标几率较高的月份，精炼炉渣组元发生变化，二元碱度明显降低，三元碱度明显升高，渣中Al2O3含量降低，炉渣变黏，应确保合适的精炼渣组元。

（4）采用热周转钢包及关注轴承钢原辅料成分的变化，可以提高精炼终渣的稳定性，提高炉渣吸附夹杂物的效果。

（5）Ds夹杂超标几率较高的月份，轴承钢氧含量明显升高，因此，降低轴承钢氧含量有利于降低Ds夹杂物超标的几率；钢包留钢渣3～4 t有利于提高纯净度。