超低钛轴承钢的生产实践

安 强

（华菱湘潭钢铁有限公司，湖南 湘潭 411101）

钛在轴承钢中主要以氮化钛或碳化钛夹杂的形式存在，这种氮化钛或者碳化钛夹杂稳定性好、硬度高，呈棱角状分布，但对轴承的疲劳寿命极为不利，还会严重影响滚珠和轴套成品的抛光性能[1-2]。国内某钢厂为了生产出满足国标GB/T 18254—2016 高碳铬轴承钢要求的特级优质轴承钢，且要保证钢中w（Ti）≤0.0015%，因此进行降钛冶炼生产实践。

1 轴承钢GCr15 钢中w（Ti）控制现状

国内某钢厂轴承钢冶炼工艺流程：铁水→140 t氧气顶底复吹转炉冶炼→挡渣出钢、脱氧合金化→捞渣→140 tLF 炉精炼→140 tVD 炉真空脱气→立弯式矩形坯连铸（坯型为350 mm×430 mm）。

未采取降钛措施前，轴承钢GCr15 中包平均w（Ti）达到27×10-6，高于国标GB/T 18254—2016高碳铬轴承钢特级优质轴承钢要求。炼钢冶炼过程轴承钢中w（Ti）变化如图1 所示。

图1 冶炼过程轴承钢中w（Ti）变化

从图1 可以看出，转炉终点平均w（Ti）为10×10-6左右。从转炉终点到进LF 过程的w（Ti）增幅最大，大约为11×10-6左右，一部分由硅系、锰系和铬系合金中的钛在脱氧合金化过程直接进入钢水，另一部分由出钢过程转炉渣进入钢包，渣中[TiO2]被铝系脱氧剂还原后，通过渣钢之间的传质进入钢水，这是控制钢中w（Ti）关键环节之一。从进LF 到出LF过程w（Ti）增加约为5×10-6左右，一部分是原辅材料中的钛进入钢水，另一部分为钢包顶渣中[TiO2]被还原成[Ti]，通过渣钢之间传质进入钢水，这是控制钢中w（Ti）的另一重要环节。从VD 到中包过程，钢水w（Ti）变化较小。

2 改进措施

针对上述冶炼过程中不同阶段的钢中w（Ti）变化情况，重点从控制铁水w（Ti）、转炉冶炼、出钢过程弱脱氧、出钢下渣量、出钢后扒渣和LF 脱氧造渣等几个环节采取措施。

2.1 转炉双渣法冶炼

铁水w（Ti）高不仅会造成转炉终点钢水中w（Ti）高，也会造成渣中w（TiO2）高，转炉终点钢水w（Ti）与铁水w（Ti）呈正相关，即铁水w（Ti）低，转炉终点w（Ti）也低。各高炉铁水w（Ti）情况如下页图2 所示，由图2 可知，2 号高炉铁水平均w（Ti）最低，为3.8×10-4，冶炼轴承钢时选2 号高炉含平均w（Ti）为3.8×10-4左右低钛铁水，并采用双渣法冶炼。由于钛元素比较活泼，容易被氧化，通过双渣法，可进一步稀释转炉渣中磷和钛氧化物含量，降低钢水因下渣导致回磷和回钛对钢水质量的影响，从而有效降低转炉终渣中w（Ti）。

图2 各高炉铁水w（Ti）

2.2 选择较强氧化性转炉终点

铁水和废钢中的[Ti]与[O]反应生成[TiO2]进入顶渣中，转炉冶炼过程熔池中[Ti]与[O]平衡关系如图3所示[3]，从图3 可知，通过选择较强氧化性钢水，使得钢水中[Ti]最大限度的发生氧化反应生成[TiO2]，通过渣钢之间传质进入渣中，同时通过底吹氩搅拌来改善钢渣之间传质，可得到转炉终点较低的w（Ti）的钢水。

图3 1 873 K 时转炉熔池内钢液[Ti]、[O]平衡关系

2.3 出钢过程采用弱脱氧

出钢过程加入铝系、硅系、锰系和铬系等合金进行脱氧合金化，由各元素的脱氧能力Al>Ti>Si>Mn可知，铝元素脱氧能较高，过量Al 与渣中[TiO2]发生还原反应生成[Ti]而进入钢水中，因此转炉出钢过程只加硅系、锰系和铬系合金进行弱脱氧合金化，不加铝系强脱氧合金，可减少钢水中w（Ti）。

2.4 采用双挡渣出钢和扒渣工艺

由于铁水w（Ti）较高，导致转炉顶渣w（Ti）较高，因此需要严格控制出钢过程的下渣量，采用滑板挡渣和挡渣球挡渣双挡渣法出钢，减少了出钢过程的下渣量。另外可在出钢过程钢水中加入石灰渣洗，稠化钢包顶渣，这样既有利于钢水脱氧，又便于扒渣操作，出完钢后进行扒渣操作，可扒掉90%钢包顶渣，减少了钢包顶渣量，从而减少了渣中[TiO2]的总量，进而减少了渣中[TiO2]被还原进入钢水中w（Ti）。LF 钢包顶渣成分如表1 所示，A 试样为未扒渣炉LF钢包顶渣成分，B 试样为扒渣炉LF 钢包顶渣成分，A试样渣中w（TiO2）是B 试样w（TiO2）的3 倍，故出钢后进行扒渣操作，可进一步降低钢中的w（Ti）。

表1 LF 钢包顶渣成分 %

2.5 选择低钛合金和LF 低钛辅料造渣

由于普通硅、锰、铬合金和精炼合成渣中w（Ti）普遍偏高，直接会导致钢水中w（Ti）增高，严重影响钢水纯净度，合金化增w（Ti）应引起重视。w（Ti）要求极低，一切影响w（Ti）的因素都很重要，合金中Ti 都将进入钢液引起钢液w（Ti）的增加，不同合金w（Ti）情况如表2 所示。由表2 可知，普通硅铁、锰铁和铬铁中w（Ti）是低钛硅铁、锰铁和铬铁中w（Ti）的3.5倍以上，尤其是铬系合金，由于轴承钢GCr15 中w（Cr）达到1.50%左右，需要加入大量的铬铁进行增铬，因此选用选择低钛硅系、锰系和铬系合金进行脱氧合金化及LF 成分微调。

表2 不同原辅材料w（Ti） %

LF 造渣采用低钛精炼合成渣进行脱氧造渣，不同精炼合成渣钢包顶渣成分如表3 所示。其中，1 号和2 号试样选用低钛精炼合成渣造渣，3 号和4 号为普通精炼合成渣造渣的钢包顶渣成分。由表3 可知，选用低钛精炼合成渣造渣的钢包顶渣w（TiO2）较普通精炼合成渣造渣顶渣的w（TiO2）低了0.34%，通过选择低钛精炼合成渣造渣可有效减少钢水中w（Ti）的增加。

表3 不同精炼合成渣钢包顶渣成分 %

2.6 选择低钛大罐

出钢前选择前罐钢水w（Ti）≤3×10-6所用的大罐，出钢前对大罐内部和罐沿的残钢和残渣进行清理，以减少残钢和残渣对钢水污染。

3 实施效果

采用上述措施后，国内某钢厂试生产1 个浇次10 炉，优化后的轴承钢冶炼过程w（Ti）变化情况如下页图4 所示。由图4 可知，转炉终点w（Ti）控制在4×10-6～8×10-6，进LF 的w（Ti）控制在10×10-6～14×10-6，LF 冶炼过程w（Ti）增量控制在1×10-6～4×10-6，进而可控制中包w（Ti）≤15×10-6，其中有7 炉钢中包w（Ti）≤15×10-6，满足国标GB/T 18254—2016 高碳铬轴承钢的特级优质钢w（Ti）的要求，命中率达70%。

图4 优化后7 炉轴承钢冶炼过程w（Ti）变化情况

4 结论

通过选择低钛铁水、转炉采用双渣法冶炼、转炉终点较强氧化性控制、出钢过程采用弱脱氧、采用双挡渣工艺及扒渣工艺、选择低钛原辅材料和大罐，可以生产出w（Ti）≤15×10-6的特级优质轴承钢，同时通过降低钢中w（Ti），减少了对轴承钢疲劳寿命的影响，延长了轴承钢使用年限。