軸承鋼連鑄坯非金屬夾雜物的行為研究

聶勇強 王碩明 張進紅 張彩軍

(河北理工大學)

軸承鋼連鑄坯非金屬夾雜物的行為研究

聶勇強 王碩明 張進紅 張彩軍

(河北理工大學)

針對某特鋼企業鐵水預脫硫—BOF—LF—VD—CC軸承鋼生產流程進行了非金屬夾雜物行為的系統研究,取得的研究數據為轉爐流程軸承鋼生產提供了基礎資料和依據。研究表明:鑄坯內 T[O]平均為12×10-6,顯微夾雜總體積率為0.41‰,鑄坯中顯微夾雜,主要分為硅鈣酸鹽夾雜、硅鋁酸鹽夾雜、Al2O3夾雜三類;鑄坯中大型夾雜物主要有三類復合夾雜物,分別為 SiO2-CaO-MnS-Al2O3夾雜、SiO2夾雜、SiO2-Al2O3-CaO-MnO夾雜。

軸承鋼 非金屬夾雜物 大型夾雜物 顯微夾雜物

0 引言

某特鋼企業軸承鋼生產已有了較大的規模,且產品具有很高的市場競爭力;但是2007年該公司生產的軸承鋼經超聲探傷 (UT)合格率相對偏低,質量異議時有發生,而鋼中非金屬夾雜物的類型、數量、尺寸及分布對軸承鋼力學性能和使用性能影響很大[1-5],時常成為超聲探傷不合的主要原因,是影響某該公司產品一次合格率位居第一位的缺陷。為此,針對上述問題進行研究,為轉爐流程生產軸承鋼提供基礎數據。

1 生產流程及試驗條件

1.1 生產流程

某特鋼企業轉爐煉鋼廠軸承鋼生產工藝流程如圖1、圖2所示。

1.2 試樣選取

以第一爐開澆時段及換鋼包時中間包液面波動時段澆注的鑄坯為非穩態條件澆注,以正常澆注過程中澆注的鑄坯為穩態澆注,取樣為一個150mm×150mm×15mm薄坯。在鋼包渣中加入示蹤元素Ba,在中間包覆蓋劑中加入示蹤元素 La,在中間包打結料中加入示蹤元素 Ce,并利用結晶器保護渣中含有的Na和 K元素進行夾雜物來源分析。

圖1 軸承鋼生產工藝流程

圖2 軸承鋼生產精煉工藝流程

2 試驗結果分析

2.1 各工序鋼中 T[O]的變化

鋼中的氧幾乎全部以氧化物夾雜形態存在,在一定程度上,鋼中的總氧量 T[O]代表了氧化物夾雜的數量,其值的大小經常作為鋼潔凈度非常有效的評價指標。由于顆粒較大的夾雜物比顆粒較小的夾雜物更容易被去除,因此鋼中夾雜物尺寸隨 T[O]含量降低而減少。本次試驗各工序鋼中 T[O]平均值的變化如圖3所示。

圖3 各工序鋼中 T[O]平均值的變化

由圖3可知:

1)LF處理前后各爐次 T[O]變化:由 LF1和LF2對比可知,LF精煉前 T[O]平均值為15×10-6,精煉后平均值為13 ×10-6。LF處理后比處理前 T[O]含量平均減少2×10-6。LF精煉過程中氧含量降低13.3%。因 LF3的取樣是在添加合金料后進行,鋼中氧含量平均增加了4.5×10-6,平均增氧34.6%。

2)VD處理前后各爐次 T[O]變化:VD處理前T[O]平均值為17.5 ×10 ,處理后 T[O]平均為15.5×10-6,VD處理后 T[O]含量減少了2×10-6,VD處理過程中 T[O]平均降低11.4%。

3)鋼水注入中間包前后各爐次 T[O]的變化:入中包前 T[O]的平均值為15.5 ×10-6,出中包后T[O]的平均值為17.5 ×10-6,中包前后 [O]平均增加了2×10-6,中包前后 T[O]平均增加了12.9%。說明從鋼包到中間包保護澆注的密封性不好,存在少量二次氧化現象。

4)鋼水注入結晶器前后各爐次 T[O]的變化:入結晶器前 T[O]的平均值為17.5 ×10-6,鋼材 T[O]的平均值為12 ×10-6,入結晶器前后 T[O]平均減少了5.5×10-6,入結晶器前后 T[O]平均減少了31.4%。

2.2 顯微夾雜的形貌、組成與粒徑分布

通過金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡分析,鑄坯中檢測出三類顯微夾雜,大體分類為:硅鈣酸鹽夾雜、硅鋁酸鹽夾雜、Al2O3夾雜。其典型形貌和能譜分析結果見表1、如圖1所示。

表1 鑄坯中顯微夾雜物能譜分析結果wt%

圖4 顯微夾雜物形貌圖

統計表明:顯微夾雜總體積分數為0.41‰(由內弧至外弧平均計算值),鑄坯中顯微夾雜粒徑較小,0～5μm的夾雜占85%以上,5μm～10μm則占約13%,而大于10μm的夾雜則很少不足2%。各類夾雜占顯微夾雜總量分別為:硅鈣酸鹽夾雜33.2%,硅鋁酸鹽夾雜35.3%,Al2O3夾雜32.5%。其中硅鈣酸鹽夾雜和硅鋁酸鹽夾雜化學成分上比較接近,兩者區別主要在于 Ca質量分數的差異及示蹤元素種類的區別。Al2O3夾雜含 Al較高,Al2O3屬于脆性夾雜物,對軸承鋼的質量影響很大,其含量越高軸承鋼的疲勞壽命越低,如需進一步提高軸承鋼的質量水平,應在鋁脫氧的同時采用鈣處理以減少鋼中Al2O3含量。顯微夾雜成分復雜且幾乎全部含示蹤元素 La和 Na、K,說明其主要是脫氧產物與中間包液面二次氧化產物吸附集聚而形成的復合物;其次是結晶器液面對鋼液的污染;鋼包液面影響較小。

2.3 鑄坯中大型夾雜物的形貌,組成與粒徑分布

利用大樣電解法分析鑄坯中 >50μm的大型夾雜物,檢測到鑄坯中大型夾雜物主要有三類復合夾雜物,分別為 SiO2-CaO-MnS-Al2O3夾雜、S iO2夾雜、SiO2-Al2O3-CaO-MnO夾雜。其典型形貌和能譜分析結果見表2、如圖5所示。

在穩態澆注條件下,鑄坯中大型夾雜物質量分數為35.15 mg/10 kg,非穩態澆鑄鑄坯內大型非金屬夾雜物的平均含量為70.32 mg/10 kg。統計表明:在穩態澆注條件鑄坯內的非金屬夾雜物粒度小,其中 <50μm的占45%、50μm～100μm的占53%、其它粒度的約占2%。在大型夾雜物中,SiO2-CaO-MnS-Al2O3夾雜占51%,SiO2夾雜占14%,SiO2-Al2O3-CaOMnO夾雜占35%。SiO2-CaO-MnS-Al2O3復合夾雜的能譜圖結果表明,該類夾雜主要來源于結晶器卷渣和鋼包渣卷渣,并與脫氧產物吸附聚集,形成復合夾雜。在檢測中發現的示蹤元素 Ba和 Na、K,也說明了鋼包渣和結晶器保護渣對鋼水的污染。SiO2夾雜含有少量的其它雜質,如 Al2O3、MnO、MgO等,分析認為該類夾雜來源于脫氧產物,在檢測中發現了示蹤元素 Na、K,說明 SiO2夾雜是由脫氧產物與卷入鋼水的結晶器保護渣相互碰撞聚集形成的。SiO2-Al2O3-CaO-MnO復合夾雜成分復雜,分析認為是由結晶器卷渣造成的,在檢測中發現示蹤元素 Na、K說明結晶器保護渣都參與了非金屬夾雜物的形成。

表2 鑄坯中大型夾雜物能譜分析結果wt%

圖5 大型夾雜物形貌圖

3 結論

1)通過LF爐處理的鋼水全氧含量平均達到13×10-6,鋼液潔凈度較高,滿足了連鑄的要求。鑄坯中全氧含量為12×10-6,達到較高的潔凈水平。

2)顯微夾雜主要是多元素復合脫氧產物與中間包液面二次氧化產物吸附集聚形成的復合物,其次是結晶器液面對鋼液的污染。另外,提高中間包覆蓋劑、結晶器保護渣對鋼液面的保護能力對減少鋼中的夾雜物尤為重要。

3)減少中間包液面卷渣尤其是減少結晶器液面卷渣,就可以有效的減少鋼中大型夾雜物的含量。

[1]楊建虹.軸承鋼潔凈度對軸承疲勞壽命的影響[J].軸承,2001(5):28-30.

[2]王洪利.轉爐流程軸承鋼連鑄坯非金屬夾雜物行為研究[D],唐山:河北理工大學碩士論文,2005.5

[3]王碩明.轉爐流程軸承鋼中非金屬夾雜行為的研究[D].東北大學博士論文2006.02.

[4]高揚,劉永長.我國軸承鋼線材的專業化生產[J].特殊鋼.2001,22(4):27-29.

[5]付云峰,徐德祥,陸佰亮.國內軸承鋼的生產現狀及發展[J].特殊鋼,2002,23(6):30-32.

BEHAVIOR RESEARCH OF NON-METALL IC INCLUSIONS OF CASTING SLAB IN BEARING STEEL OF BOF

Nie Yongqiang Wang Shuoming Zhang Jinhong Zhang Caijun
(Hebei Polytechnic University)

In order to improve bearing steel’s quality,the experiments were carried based on Shi gang Steel product processofmolten steelpre-desulfurization-BOF-LF-VD-CC,non-metallic inclusions’behavior is studied in this paper,and basic information and proof are provided by the studied data for the converter process of bearing steel production.Research shows:the average of T[O]is12 ×10-6,the volume ratio ofmicro inclusions is0.41‰.Micro inclusions almost have three kinds:Silicon-Calcium inclusions,Silicon-Aluminous inclusions,Al2O3inclusions;the macro inclusion is main to have three typesof compound admixture,respectively is the type of SiO2-CaO-MnS-Al2O3,the type of SiO2,the type of SiO2-Al2O3-CaO-MnO.

bearing steel non-metallic inclusions macro inclusions micro inclusions

2010—3—8