轴承钢RH真空精炼降低夹杂物的生产实践

2024-03-20代文如翟明磊魏鑫燕刘政鹏

山东冶金 2024年1期

代文如，翟明磊，魏鑫燕，张琦，3，刘政鹏

（1 青岛特殊钢铁有限公司，山东青岛 266409；2 潍坊特钢集团有限公司，山东潍坊 261201；3齐鲁工业大学，山东济南 250000）

1 前言

轴承钢是重要的冶金产品，世界公认轴承钢的冶炼水平代表着一个国家的冶金水平，也被称为是“特钢之王”[1］。被广泛应用于机械制造、铁道运输、汽车制造、国防工业等领域，因此，对轴承钢的性能要求也越来越高。在生产过程中，如何有效地去除夹杂物，提高轴承钢的纯净度成为制约其质量提升的关键因素。轴承钢中的夹杂物控制一直是轴承钢生产过程中重点指标，控制轴承钢中的大颗粒球状夹杂物即Ds类更是轴承钢夹杂物控制的重中之重。研究表明，镁铝尖金石是Ds 夹杂物形成的关键，Ds夹杂尺寸越大，其疲劳寿命越低[1］。

2 轴承钢大颗粒夹杂物的形成和影响

2.1 轴承钢大颗粒夹杂物的来源

轴承钢中夹杂物主要包括钙铝酸盐、尖晶石、硫化物夹杂和TiN等，夹杂物主要通过影响钢材的疲劳寿命和韧性进而影响设备的安全和稳定性能。在生产中，要想有效地减少杂质，就需要了解夹杂物的类型和源头，以达到控制夹杂物的目的。通过查阅相关资料，在日本神户钢厂的资料中发现钢中含CaO系大型夹杂物有70%来自钢渣，国内一些试验也证明BaO 夹杂物在精炼过程中不断增多，RH后才有所减少。轴承钢中大型夹杂物主要分为A（硫化物）类、B（氧化物）类粗系和Ds（单颗粒夹杂物）类，其中B（氧化物）类粗系约占82%，是主要的大型夹杂物[2］。转炉出钢过程加入铝锭进行脱氧，随后在LF精炼过程中使用铝粒脱氧大氩气不断搅拌，钢中的铝还原精炼渣中的MgO，导致钢中镁含量增加，钢中的镁进一步与铝的脱氧产物Al2O3或钢液中的铝发生氧化反应生成镁铝尖金石。此外，在转炉出钢合金化过程中和LF精炼过程中后期补加合金，加入的合金中杂质元素被带入钢中，导致精炼炉出钢夹杂物数量多且以镁铝尖金石和钙铝酸盐类为主。

2.2 大颗粒夹杂物对轴承钢性能的影响

镁铝尖金石为八面体晶型结构，熔点高达2 135 ℃，在连铸浇注温度下呈固态，容易聚集在塞棒及水口内[2］。一方面不断聚集的夹杂物会导致钢水在浇注过程中堵塞水口，影响钢水的浇注性，造成水口结瘤；另一方面在连铸拉钢浇注过程中受到冲刷的作用下，进入钢液中，在铸坯中形成夹杂物，对钢种质量造成影响。

大颗粒夹杂物对轴承钢的力学性能具有明显的影响，大颗粒夹杂物会导致轴承钢的强度和韧性下降，由于大颗粒夹杂物的存在，轴承钢的晶界强度和断裂韧性都会受到影响，从而使得轴承钢的抗拉强度和冲击韧性下降。此外，大颗粒夹杂物还会导致轴承钢的硬度不均匀分布，从而影响轴承钢的使用寿命和可靠性。大颗粒夹杂物还会影响轴承钢的热处理性能，在热处理过程中，大颗粒夹杂物会成为晶界和位错的核心，导致晶粒长大不均匀，从而使得轴承钢的组织和性能出现不均匀的现象。此外，大颗粒夹杂物还会降低轴承钢的回火硬化效果，从而使得轴承钢的硬度下降，影响其使用寿命。

因此，在连铸浇注之前将钢液中镁铝尖金石和其他夹杂物去除或者使其变性是RH真空处理阶段的主要任务。实验研究表明，RH 真空处理可以有效去除钢液中的夹杂物，在RH真空处理过程中，通过底吹氩气，循环过程发生碰撞、夹杂物聚集后上浮去除，RH 真空处理工艺去除夹杂物的关键是促进夹杂物碰撞长大后上浮去除，Al2O3类夹杂物存在明显的碰撞、聚集和长大倾向并易形成群状大尺寸夹杂物的特性被广泛接受和认可[3］。

3 轴承钢生产过程

3.1 轴承钢生产工艺设计

轴承钢质量的好坏程度取决于冶炼水平，钢中氧的含量及钢种的成分严重偏析和钢液中所掺杂的夹杂物数量及分布都是影响轴承钢质量的重要冶金因素。不同类型的夹杂物对轴承钢寿命影响也不同，钢液中夹杂物的大小和掺杂的夹杂物在钢中的位置也会对轴承钢的寿命产生一定的影响。如果钢中氧含量较少甚至特别低＜5×10-6时，那么轴承钢寿命也会提高100 倍。夹杂物类型大多数是由钢液中金属元素的氧化物所构成，而且钢中的氧含量大多数全部由这些金属氧化物所提供。因此，衡量轴承钢质量近年来主要把氧含量作为最重要指标。

3.2 转炉生产工艺

优化转炉生产工艺，选择合适的铁水废钢比，严格控制入炉钢铁料、合金料及造渣材料的钛含量和降低转炉出钢过程中的下渣量是冶炼特殊钢、优质钢的重要因素。

钢水质量直接影响钢材的性能，在转炉出钢过程中，减少转炉出钢过程的下渣量是提高钢水质量的一个重要环节。从出钢开始直至出钢结束，都存在一定的涡流作用，不可避免将转炉内的钢渣带入到钢包内，不仅污染钢水，还将造成钢中Ti 含量升高。转炉出钢下渣给钢水质量带来很多危害，如：增加钢水的回硫、回磷量，影响钢坯质量；增加炉后铁合金的消耗；增加钢中夹杂物；影响钢包等耐材的寿命；增加后续精炼工序的处理时间和合成渣的用量。因此为了实现出钢少渣、无渣等，利用各种挡渣技术和设备，通过有效的挡渣操作不仅减少夹杂物，防止回磷、回硫，而且有利于提高钢水的纯净度，稳定精炼渣系，同时还起到降Ti作用[4］，为精炼工序创造有利条件。

3.3 精炼生产工艺

不管是转炉炼钢流程还是电弧炉炼钢流程，最主要是的生产过程都离不开最关键的工序——炉外精炼，其冶炼过程主要包含的设备有LF精炼炉、VD精炼炉和RH精炼炉，这样可以使轴承钢的质量得到所需要的结果。利用渣反应强化钢水铝脱氧，虽然可以有效降低钢中氧含量，但仍会出现夹杂物且会对钢材的危害加重。针对发现的这些不利后果，主要从以下几个方面优化了炉外精炼工艺：降低炉渣碱度及Al2O3的含量，达到降低炉渣还原势的目的；降低精炼时钢水中的铝含量，从而降低钢水还原势；提供真空精炼条件，从而减少大型夹杂物的产生量。通过一些数据的统计，新工艺的RH脱氧效率比传统工艺提高了近两倍，夹杂物的量也有明显减少[5］。

强化精炼渣。控制合适的精炼渣组分，有利于控制钢液中夹杂物。据统计，我国绝大多数厂生产轴承钢都采用较高碱度的渣系，提高炉渣碱度有利于钢液脱氧，精炼渣碱度控制在3～4，有利于精炼过程中的脱氧、脱硫效果，同时保证炉渣具有良好的流动性，同时该渣系吸附Al2O3类氧化物夹杂能力也较强；一般炉渣的氧化性FeO+MnO≤0.50%，有利于降低钢中的溶解氧和全氧含量[5］。

高碱度精炼渣中CaO含量越高导致活度大，而SiO2含量较低、活度也较低，导致CaO 与其他夹杂物反应生成，减少了Al2O3夹杂物的生成，进而可提高钢水的洁净度，实现低氧洁净轴承钢生产。通过对国内外轴承钢生产工艺的参考及自身生产工艺的总结，最终确定了生产高纯净度、低氧轴承钢的生产工艺及所需的高铝系高碱度精炼渣。转炉出钢过程加入铝锭进行强脱氧，减少钢中SiO2生成的同时提高渣中的Al2O3量，保证高碱度设计渣系的实现。

4 轴承钢真空精炼过程

4.1 真空处理工艺概述

真空精炼是一种常见的冶金工艺，在真空精炼过程中，通过在高温下对金属材料进行脱气、脱硫和脱氮等处理，提高材料的纯度和质量，达到除去钢液中的夹杂物和杂质的目的，能够有效地促进钢液中大颗粒夹杂物的浮升和脱离，从而提高钢液的纯度和均匀度。通过底吹氩气工艺，可以有效地使轴承钢中大颗粒夹杂物上浮，提高钢水的质量，从而提高轴承钢的力学性能和耐磨性能，改善轴承钢的组织结构；提高钢材的强度和韧性，使轴承钢的晶粒尺寸显著减小，从而提高钢材的机械性能和疲劳性能。表1 为SKF 公司轴承钢生产过程氧含量变化[6］。

表1 SKF公司钢包精炼过程中氧含量的变化×10-6

4.2 轴承钢真空处理技术

冶炼轴承钢多采用VD 或RH 真空处理工艺，由于VD 脱气过程中钢水、钢渣强烈混合容易使得钢中夹杂物数量增加，因此在使用VD 生产轴承钢时必须按照控制底吹氩流量，处理后需要经过长时间的软吹促进钢中夹杂物上浮。本文主要研究RH真空处理工艺，通过系统取样，研究轴承钢生产过程中各工序夹杂物的变化规律。

RH 真空处理过程搅拌强烈，显微夹杂物利于上浮去除，大颗粒夹杂物尺寸减小，RH真空处理结束后不仅钢中夹杂物数量大大减少，而且夹杂物的尺寸也逐渐细小，小尺寸夹杂物的比例有所增加。经过研究试验，RH 真空处理前期钢中的夹杂物数量相对较多，由于底吹氩气动力学搅拌，夹杂物容易上浮并去除；随着真空处理时间的延长，夹杂物数量不断变少，夹杂物相对不易去除，去除氢、氧含量的能力也不断下降，故处理结束后需要延长软吹时间促使钢中夹杂物上浮[7］。

4.2.1 轴承钢真空处理对钢中氧含量的影响

通过试验得到RH真空处理时间与钢液中氧含量变化：由10、15、20、25 min依次增加时间，氧含量由平均0.002 0%降低至平均约0.000 55%。结果表明，RH真空处理过程可以显著降低轴承钢氧含量，且前15 min左右下降较快，15～25 min全氧含量呈下降趋势，但下降速度缓慢。

4.2.2 轴承钢真空处理对钢中夹杂物的影响

RH 真空处理时间10、15、20、25 min 试验不同脱气时间对夹杂物数量的变化，底吹氩流量由60、80、100、120 m3/h依次增加，在试验的RH吹氩流量范围内，增加吹氩流量有利于加快大颗粒类夹杂物的去除速度。前10 min 与初始相比夹杂物数量下降27.8个/mm2，真空处理25 min后夹杂物数量下降44.8 个/mm2。增加RH 的吹氩流量，可以提高循环流量，加强搅拌，延长真空处理时间提高夹杂物的去除效果。

钢液中的T[O］包括了钢液中溶解氧和渣样中的氧两部分，RH真空处理过程中，钢液中的溶解氧由处理过程中去除，RH真空处理过程中搅拌强烈，夹杂物容易碰撞长大，利于上浮去除。而且真空处理结束夹杂物数量大大减少，夹杂物尺寸也相对变小。因此提高RH 真空处理效果，应当适当延长真空处理时间20～25 min，在温降允许的条件下增加底吹流量至80～120 m3/h，可以有效地促进夹杂物上浮，提高钢液的纯净度，对轴承钢夹杂物的去除效果显著。