電爐冶煉低鈦軸承鋼工藝實踐

葉飛來， 賀云鴻

（山東鋼鐵特鋼事業(yè)部， 山東 萊蕪 241104）

在軸承鋼的冶煉過程中，鋼水中[Ti]與[N]會生成TiN，這是一種具有規(guī)則外形的硬而脆的夾雜物，對軸承的疲勞壽命危害較大。有資料表明，當軸承鋼中鈦質量分數(shù)超過30×10-6時，其疲勞壽命明顯開始下降[1]。目前國內及國際的一些廠家對軸承鋼中鈦的控制水平已經(jīng)較高，對提高軸承的疲勞壽命起到重要作用，表1為部分知名軸承鋼生產(chǎn)企業(yè)的鈦控制水平。

表1 軸承鋼中鈦的質量分數(shù) 10-6

最近推行的GBT/18254—2016標準版GCr15軸承鋼對Ti的含量與原標準相比，有明確的上限要求，目的是減少鋼中TiN夾雜物對疲勞壽命的影響。因此軸承鋼生產(chǎn)廠家必須把鋼水中Ti的控制作為一項重要任務。控制軸承鋼中TiN生成的方法是減少鋼水中N和Ti的含量，目前電爐的原料主要以鐵水為主，料源、工藝條件相對穩(wěn)定，鋼水中氮的含量波動不大，降低TiN含量的主要工作是降低鋼水中鈦的含量。特鋼事業(yè)部50 t電爐生產(chǎn)的舊標準GCr15軸承鋼對鈦沒有技術要求，所以生產(chǎn)鋼中鈦質量分數(shù)一般在都大于0.005 0%以上。因此，生產(chǎn)低鈦軸承鋼需要對生產(chǎn)工藝進行適當調整。

1 鋼水中鈦的含量變化分析

工藝流程：50 t EAF+60 t LF+60 t VD+CC。

對于舊版標準的軸承鋼鈦含量不作要求，因此在冶煉過程中對于鈦的含量不做控制，統(tǒng)計分析79爐次鈦在不同的冶煉階段的變化，分為電爐熔清成分、終點成分、合金化后的成分、精煉一次樣、精煉二次樣、VD后成品樣6個階段，其鈦含量取平均值作圖1。

圖1 鈦含量在GCr15軸承鋼冶煉過程中的變化

從79爐的數(shù)據(jù)分析，電爐終點樣鈦的質量分數(shù)為8.12×10-6,但是加入合金、早渣料以后，鈦的含量急劇上升，這是因為合金和造渣料中的鈦溶解到鋼水中，隨著精煉進一步的深度脫氧，爐渣中的鈦被還原到鋼水中去，主要的變化是在電爐出鋼合金化到精煉深脫氧以后。

鈦作為一種金屬元素，在冶煉過程中是由外來原料帶入的。主要是煉鋼原料中廢鋼、鐵水和在精煉過程中的合金和輔助材料中的含鈦物質帶入的，目前電爐的鐵水含鈦量（質量分數(shù)）在0.04%～0.08%之間，廢鋼中鈦的質量分數(shù)大于0.020%，但是可以在電爐氧化氣氛中去除大部分。在LF精煉過程中，合金及輔助材料帶入的，在LF精煉過程中，因為處于還原氣氛中，爐渣中的鈦會還原到鋼水中去，是上升趨勢，到精煉出鋼后達到最高值。關于VD過程中鈦的變化是在真空處理過程中，含量較高的鈦會與爐渣及鋼水中的氧發(fā)生反應，損耗一部分，此過程中的鈦變化可以不考慮。

2 低鈦軸承鋼的冶煉工藝改進

在冶煉一般鋼種時，為降低鋼中的溶解氧含量，采用的是高終點碳出鋼。50 t電爐原料結構為70%的鐵水和30%的廢鋼，鋼鐵料中鈦的質量分數(shù)在0.04%～0.06%之間。因此在冶煉過程中必須將鋼鐵料中的Ti去除掉，因為鈦極易與氧發(fā)生反應，因此可以在電爐氧化期將其去除，在氧化性條件下，鋼中存在以下反應：

根據(jù)東北大學戰(zhàn)東平[2]作圖指出，當鋼液中w[O]＞23.5×10-5時，w[Ti]≤1.0×10-5，而且鋼液氧含量低于3.0×10-5時，隨著氧含量的降低，鋼液中Ti含量急劇增加。所以要保證鈦在鋼中通過氧化去除，鋼液中的殘余氧大于3.0×10-5是必要的[3]。由此可見，脫鈦應在鋼中含有較高氧的冶煉中進行，因此電爐要想脫除鋼液中的鈦，終點碳控制不易過高，但是考慮到終點碳與溶解氧的關系，過低的終點碳會使鋼水中的溶解氧增高，脫氧過程中會產(chǎn)生過多的夾雜物，因此終碳控制在0.10%～0.40%之間即可。在實際操作中，增加爐內氧化氣氛，增加爐渣中氧化鐵的含量，適當增加渣量，使鋼水中鈦氧化掉，進入爐渣中通過爐門放掉。經(jīng)過部分爐次實踐分析，電爐出鋼前鈦的含量完全可以降低到0.001 0%以下，在實驗的7個爐次中，最高0.000 5%，平均值3.28×10-6，完全達到目標（見圖2）。

圖2 鋼水中碳與鈦含量的關系

3 電爐合金化后鈦的變化

電爐終點成分控制符合要求后進行出鋼操作，電爐采用偏心底無渣出鋼，不考慮電爐氧化渣對鈦的影響。電爐在出鋼過程中同時要向鋼包中加入合金、鋁塊、造渣料進行脫氧并合金化，這些原料會帶入鈦。其中一部分鈦直接進入鋼水中，一部分與鋼水中的氧發(fā)生反應，生成（TiO2）進入爐渣中。表2為部分原料的鈦含量。

表2 部分原料中鈦的質量分數(shù) %

電爐出鋼前的終點鈦的質量分數(shù)為0.000 3%～0.000 5%，電爐合金化以后取樣分析，分析鋼水中的鈦增加幅度，對7個爐次包中樣進行分析，鋼水中鈦的平均質量分數(shù)為0.001 6%，平均增幅為0.001 2%。以此證明電爐出鋼后加入的原材料是鈦增加的主要因素。

4 LF精煉過程中鈦的影響因素分析

4.1 脫氧過程對鈦的影響

LF精煉的功能是對鋼水進行脫氧，隨著脫氧深度的進行，爐渣的鈦還原到鋼水中去，主要是向鋼水中加入的鋁與鈦發(fā)生還原反應，將爐渣中（TiO2）中鈦還原到鋼水中，其化學反應式為：

鈦的還原數(shù)量多少，一方面取決于爐渣中（TiO2）的多少，另一方面取決于爐渣的還原深度。爐渣中鈦的還原數(shù)量多少與鋼水中的酸溶鋁的含量多少有關系。

戰(zhàn)東平[2]等人認為，隨著鋼中酸溶鋁含量的增加，鋼中鈦含量明顯增加，這說明由于鋼水鋁含量的提高可增強渣中脫氧能力，導致渣中（TiO2）被還原能力大幅度提高。通過冶煉過程的數(shù)據(jù)分析，結果與上述觀點相符。因此在實際操作過程中，從控制鋼中鈦含量的目標出發(fā)，應在保證鋼水充分脫氧的前提下盡可能降低鋼中鋁含量。

對一些VD處理后的鋼水定氧分析，當鋼水中的酸溶鋁大于0.015%時，即可以將溶解氧降低到0.000 3%以下，可以保證鋼材氧含量符合要求。綜合平衡，既要保證氧含量不超標，又要抑制渣中鈦的還原，將鋼水中的酸溶鋁質量分數(shù)控在0.015%～0.030%之間即可。

4.2 爐渣成分及其他材料對鈦的影響

從化學方程式可以看出，（TiO2）濃度越高，反應越有利于向正向方向進行。為減少鈦向鋼水中的傳輸，需要降低渣中（TiO2）濃度，因此精煉需要大渣量來稀釋原料帶入的（TiO2）濃度，從經(jīng)驗得出，增加石灰的加入量是有必要的。

在精煉過程中加入的脫氧輔助材料也是增加鋼水中鈦升高的重要原因之一。在實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，部分產(chǎn)地的SiC脫氧劑含鈦較高，為避免SiC脫氧劑在冶煉過程中增鈦，改為CaC2和碳粉進行脫氧。對實驗爐次進行分析，改用低鈦的脫氧材料取得較好效果。

鋼包耐材對鈦的含量也有一定影響。生產(chǎn)低鈦軸承鋼時，不得使用含鈦鋼種的鋼包。經(jīng)過統(tǒng)計分析，使用生產(chǎn)過20CrMnTi鋼種的鋼包再生產(chǎn)軸承鋼時，鈦的含量（質量分數(shù)）增加0.000 2%。在精煉周期上不易過長，由于鋼包耐材中含有部分鈦化物，如果精煉時間過長，長時間的供電反復升溫，就會導致耐火材料侵蝕和沖刷加劇，有可能導致耐材中的鈦化物進入鋼液，實際LF精煉時間控制在40～50 min即可，精煉出鋼溫度控制在1 580～1 590℃之間。

4.3 堿度的影響

TiO2在強堿性渣中呈酸性，在保證脫氧的前提下，保持精煉渣較低的堿度，有利于抑制TiO的還原。吳偉[4]等人指出，R＜6是保證鋼水中w[Ti]＜30×10-6條件之一。在實際操作中，為降低爐渣堿度，優(yōu)化電爐合金化的順序，由原工藝的鋼芯鋁預脫氧改為使用碳粉和硅錳合金脫氧，增加渣中的SiO2含量，以降低爐渣堿度，同時帶來的好處是，大量的碳粉脫氧以后，產(chǎn)生的CO氣泡對夾雜物的去除提供了動力，鋁的加入時間延后在精煉爐渣變白以后。電爐出鋼合金化工藝改進以后，爐渣的堿度有所降低，能夠控制在4～6之間，爐渣熔點低，流動性良好，表3為軸承鋼的精煉渣成分。

表3 GCr15軸承鋼精煉渣系成分和堿度

5 VD脫氣過程中鈦的變化

VD真空脫氣過程也是一個脫氧的過程，在真空過程中鋼渣混充，鋼水中較高的鋁會與渣中殘余的（TiO2）的進一步反應，為降低渣中鈦的還原，鋼水進VD處理之前，將爐渣扒掉2/3，使爐渣中總的TiO2含量降低，該法實施后，檢驗VD處理后的鋼水中鈦含量與處理之前沒有明顯的變化，該流程的鈦的增幅可以忽略不計。

6 工藝優(yōu)化后低鈦的變化分析

工藝優(yōu)化后，對實驗7個爐次的軸承鋼鈦含量變化分6個階段進行分析，整個冶煉過程中鈦的增加幅度是受控的，鋼水中鈦的增加階段主要在電爐出鋼到精煉完畢以后，此工序是控制鈦含量的關鍵控制點。此工藝改進是有效的，軸承鋼中鈦含量明顯下降，達到預期效果，該工藝對與電爐冶煉低鈦軸承鋼具有指導意義。圖3為工藝優(yōu)化后不同階段鈦含量的變化。

圖3 鈦含量在GCr15軸承鋼冶煉過程中的變化

7 結論

1）鐵水、廢鋼等原料帶入的鈦完全可以在電爐冶煉期間氧化去除。

2）電爐冶煉低鈦軸承鋼過程中有害元素鈦的含量主要是在精煉工序中增加合金、造渣料、脫氧輔助材料等帶入的，使用含鈦較低的原材料是鈦含量控制的關鍵。

3）隨著精煉脫氧的進行，鋼中氧含量較低時，鋼水中鈦含量升高。

4）影響鋼中精煉過程中鈦含量的主要因素是鋼中酸溶鋁含量、爐渣堿度、爐渣量。控制鋼液中的酸溶鋁含量，保證較低的爐渣堿度，適當增加精煉渣量，有利于抑制鈦的氧化物的還原。

[1]鐘順思，王昌生.軸承鋼[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

[2]戰(zhàn)東平，姜周華，龔偉，等.軸承鋼中氮化鈦的生成與控制[J].過程工程學報，2009（S1）:239.

[3]高偉，繆新德，成國光，等.軸承鋼中TiN夾雜物控制工藝及理論研究[J].安徽工業(yè)大學學報，2005，22（4）：687.

[4]吳偉，劉瀏，劉悅，等.轉爐冶煉軸承鋼鋼中鈦的熱力學行為的研究[C]//中國鋼鐵年會論文集.北京：冶金工業(yè)出版社，2005.