AOD-LF-VD-CC工藝生產軸承鋼潔凈度的研究

李 彬， 馬忠存

(北滿特殊鋼有限責任公司， 黑龍江 齊齊哈爾 161041)

軸承鋼具有高可靠性、高疲勞壽命、高剛度，是對潔凈度、質量要求嚴格且應用廣泛的鋼種，潔凈度影響著軸承鋼的強度、塑性、韌性等性能，是影響其壽命的重要因素之一，降低鋼中非金屬夾雜物、有害氣體元素是提高潔凈度的出發點，為此，針對某廠AOD-LF-VD-CC工藝生產軸承鋼的潔凈度進行了系統研究，為優化生產工藝，冶煉高質量軸承鋼提供必要的理論依據。

1 試驗方案

為了全面了解整個生產過程中各工序鋼水潔凈度的變化，進行了現場生產試驗，在LF—VD—CCM—成品過程中取3爐分別取提桶樣，將提桶樣加工成氣體棒、鋼屑，并取一定渣樣。氣體棒加工規格為Φ5×25mm，共計17個，用來分析氧含量和氮含量；未氧化的鋼屑取樣20g分別為CCM1、CCM2、CCM3；爐渣樣分別為VD1-1、VD3-1、LF3-1，金相樣由自動磨樣機制樣，利用掃描電鏡Feature功能，選取100個視場，在放大1000倍的情況下掃描觀測夾雜物特征，分析了夾雜物的平均粒徑大小變化和夾雜物數量的變化。試樣選取具體工序位置如表1所示。

表1 系統取樣方案

2 試驗結果和分析

2.1 各工序氧含量分析

在一定程度上，鋼中的總氧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。在固體狀態下，鋼中的氧幾乎全部以氧化物夾雜形態存在，鋼中T[O]含量的高低代表了存在于鋼中的氧化物夾雜的多少。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，因而鋼中夾雜物尺寸將隨T[O]含量降低而減少。試驗各工序鋼中T[O]平均值的變化如表2、圖1所示：

表2 各工序鋼中氧含量

圖1 各工序鋼中氧含量

從表2和圖1中可以看出，12543爐在喂鋁前全氧含量37ppm，喂鋁后氧含量降到13ppm，脫氧率為65%左右，經過VD處理后氧含量降至11ppm，中間包氧含量平均值也在10ppm，脫氧效果基本上達到要求。12541和12544爐全氧LF處理前后分別為10ppm、17ppm和10ppm、14ppm，VD出站進一步降低到6ppm和12ppm，材上為8ppm和10pmm。同時可以認為LF一次樣的全氧較低則經VD處理后到材上的氧也較低，因而為控制軸承鋼中的全氧，LF把前期渣做透、做白對后期全氧的控制是有利的，用過量的鋁對鋼液進行沉淀脫氧，再用氬氣攪拌使夾雜物上浮至渣鋼界面被熔渣吸收；VD處理過程中，為保證脫氣采用強攪拌將渣面吹開，使鋼液直接暴露在真空下，并將部分熔渣卷入鋼液以增加渣鋼接觸界面，如果這部分渣不能從金屬液中排出則會增加鋼液總氧量。為此，VD后期應有一定的弱攪拌時間(也可在鋼包吊出VD工位后鎮靜)；防止二次氧化；提高耐火材料質量及操作水平，盡量減少因耐火材料帶入的外來夾雜及中間包覆蓋渣和連鑄保護渣卷入鋼液。

2.2 各工序氮含量分析

鋼中鈦、氮含量與氮化鈦夾雜有一定的關系，即隨著鈦、氮含量的提高，鋼中氮化鈦夾雜增加。氮化鈦是一種硬而脆的夾雜物，它對鋼的疲勞壽命特別有害。各工序過程中氮含量如下表3和圖2所示。

表3 各工序鋼中氮含量

圖2 各工序鋼中氮含量

從表3和圖2可以看出12543爐喂鋁前氮含量在46ppm，待喂鋁后，氮含量增加至62ppm，氮含量增加了約34.7%，這可能與以下因素有關：喂鋁線時液面裸露以及電極電離作用使鋼液增氮進入。VD工藝后氮含量有所下降但不明顯，到中間包之后氮含量顯著提升，達到80ppm左右，增氮率近46%，這說明從大包到中間包之間注流被卷入空氣，造成氮含量急劇上升。12542和12544爐在LF精煉后均出現了增氮，LF1樣到出站分別增加了4ppm和12ppm，VD真空處理后分別降低到47ppm和52ppm，脫氮率分別達14.5%和21.1%，但是在澆注過程中均出現了增氮現象，分別為11ppm和21ppm，說明保護澆注系統存在一定的問題。為此，真空精煉過程要適當提高氬氣攪拌功率，強化脫氮動力學條件；連鑄過程中要保證全程保護澆注，避免鋼液與大氣直接接觸吸氮。

2.3 各工序工序夾雜物平均粒徑以及數量分布的變化分析

夾雜物對鋼性能的影響取決于夾雜物的數量、粒徑大小等因素，各工序夾雜物平均粒徑、數量、大于13μm的數量如表4、圖3所示。

表4 各工序夾雜物平均粒徑、數量、大于13μm的數量

圖3 各工序夾雜物平均粒徑、數量、大于13μm的數量

從圖中可以發現，LF處理前夾雜物數量較多且粒徑較大，LF處理后夾雜物數量明顯減少且粒徑變小。由此可見，LF爐外精煉對改變夾雜物的數量和大小是至關重要的；在VD破空后，鋼水中的夾雜物數量和粒徑均出現了上升，說明由于真空的大氣量攪拌，在去除氣體的同時，造成了鋼水的污染，同時結合Als的大幅度降低，Al的二次氧化也造成夾雜物含量的上升，為此在VD精煉過程中應采取一定的措施(比如：在真空度較低下，開始攪拌；攪拌適當控制底吹氣量等)減少VD中鋼水的污染，同時強化軟吹效果；對比大于13μm夾雜物數量都是在VD破空后和連鑄中包達到最大值，到了材樣后降到最低值，第二爐比第一爐的材樣中夾雜物數量低，并且兩爐中夾雜物數量變化規律也基本上接近。

3 結論

(1)棒材上全氧含量為8～10ppm，脫氧效果基本上達到要求，氮含量為50～80ppm左右，LF、澆鑄過程中發生不同程度地增氮，有待改善保護澆注系統。

(2)VD破空后，鋼水中的夾雜物數量和粒徑均增加，應適當提高氬氣攪拌功率，強化軟吹效果；連鑄過程中要保證全程保護澆注，避免鋼液與大氣直接接觸吸氣，減少VD中鋼水的污染。