連澆爐數(shù)對(duì)軸承鋼非金屬夾雜物的影響

逯志方，李艷霞 ，董 慶 ，趙昊乾，鄭佳星，李家楊

(1.邢臺(tái)鋼鐵有限責(zé)任公司，河北 邢臺(tái) 054027；2.河北省線材工程技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 邢臺(tái) 054027)

隨著煉鋼工藝技術(shù)的發(fā)展及耐火材料品質(zhì)壽命的提升，鋼水連澆爐數(shù)不斷增加，生產(chǎn)成本逐步降低。連澆爐數(shù)對(duì)鋼材的質(zhì)量尤其是鋼中非金屬夾雜物的含量有較大的影響[1-10]。彭其春等研究了澆次內(nèi)不同澆鑄階段低碳鋼連鑄板坯及高強(qiáng)鋼鑄坯的潔凈度[1-2]，發(fā)現(xiàn)澆次末期因中間包、結(jié)晶器卷渣等因素造成鋼水夾雜物含量多，唐德池等對(duì)IF鋼不同澆注階段潔凈度進(jìn)行研究[3]，得出同樣的結(jié)論，殷雪等研究了低碳鋁鎮(zhèn)靜鋼中間包澆注過(guò)程夾雜物的行為[4]，發(fā)現(xiàn)每爐鋼包開(kāi)澆時(shí)與澆注末期，鋼中全氧含量高于澆注中期的全氧含量。瑞典Hagfors Uddeholm Tooling公司的技術(shù)人員研究了鋼包使用次數(shù)對(duì)鋼水中非金屬夾雜物形成的影響[5]，發(fā)現(xiàn)鋼包使用18次以上時(shí)，鋼中夾雜物總數(shù)增加明顯。

很多學(xué)者對(duì)軸承鋼中大型夾雜物來(lái)源進(jìn)行了研究[6-10]，分別發(fā)現(xiàn)鋼中大型夾雜物主要來(lái)源于精煉渣、引流砂及水口結(jié)瘤物等。目前尚未有學(xué)者詳細(xì)研究長(zhǎng)時(shí)間澆鑄下連澆爐數(shù)對(duì)軸承鋼中非金屬夾雜物的影響，本文結(jié)合軸承鋼生產(chǎn)實(shí)際情況，選擇一個(gè)澆鑄性能良好的長(zhǎng)澆次(共澆鑄29爐鋼水)，確認(rèn)連鑄工序中間包、塞棒等耐材使用正常，水口內(nèi)壁光滑無(wú)附著物，采用掃描電鏡、極值分析等方法詳細(xì)研究了連澆爐數(shù)對(duì)軸承鋼中非金屬夾雜物的影響。

1 試驗(yàn)工藝及研究方法

1.1 試驗(yàn)工藝

煉鋼工序采用BOF→LF→RH→CC工藝生產(chǎn)高碳鉻軸承鋼連鑄坯，試驗(yàn)澆次鋼水主要成分控制如表1所示，連鑄坯采用二火成材工藝生產(chǎn)Φ5.5～26 mm的盤條。選取澆注性能良好的一個(gè)長(zhǎng)澆次(連澆29爐，澆注完水口內(nèi)壁光滑，無(wú)明顯的夾雜物附著層)，對(duì)鋼中的氣體成分、非金屬夾雜物等技術(shù)指標(biāo)控制情況進(jìn)行詳細(xì)研究。

表1 軸承鋼成分 %

1.2 研究方法

1)氧氮分析

對(duì)試驗(yàn)澆次內(nèi)每爐鋼坯生產(chǎn)的熱軋盤條取樣，加工成Φ5 mm的試樣，采用美國(guó)LECOTCH600氧氮?dú)渎?lián)合測(cè)定儀分析檢測(cè)試樣的全氧、全氮含量。

2)非金屬夾雜物

采用FEI Explorer 4 金屬分析儀對(duì)澆次內(nèi)第4爐、第6爐、第25爐、第29爐連鑄坯生產(chǎn)的熱軋盤條的非金屬夾雜物進(jìn)行自動(dòng)掃描檢測(cè)，詳細(xì)分析檢測(cè)尺寸在3 μm(Dmax)以上的氧化物夾雜的尺寸、形貌、成分等信息。對(duì)自動(dòng)掃描檢測(cè)到的每個(gè)夾雜物進(jìn)行人工確認(rèn)，以排除制樣檢測(cè)過(guò)程中拋光粉、灰塵等污染物對(duì)分析結(jié)果的影響。

采用ASTM E2283-08[11]標(biāo)準(zhǔn)方法對(duì)第6爐、第28爐連鑄坯生產(chǎn)的熱軋盤條的大顆粒夾雜物尺寸進(jìn)行了極值分析預(yù)測(cè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 各爐次T.O與T.N含量變化

試驗(yàn)澆次內(nèi)各爐次T.O及T.N含量控制變化如圖1所示，T.O含量控制波動(dòng)范圍為(4.0～8.0)×10-6，平均為5.5×10-6，T.N含量控制波動(dòng)范圍為(20～35.5)×10-6，平均為26.5×10-6，總體上各爐次T.O及T.N含量控制處于較好的控制水平。鋼中T.O及T.N含量隨連澆爐數(shù)的增加沒(méi)有明顯的變化，且各爐次T.O含量與T.N含量變化沒(méi)有明顯的規(guī)律性，這可能與連鑄工序保護(hù)澆注效果較好有關(guān)。第15爐鋼中T.N含量35.5×10-6，明顯高于其他爐次，T.O含量4.5×10-6，處于較好的控制水平，經(jīng)分析調(diào)研氮含量偏高主要受出鋼時(shí)間及LF精煉時(shí)間較長(zhǎng)影響。第23爐次T.O含量為8.0×10-6，控制偏高，可能與該爐次連鑄工序燒眼開(kāi)澆造成鋼水二次氧化有關(guān)。

圖1 澆次內(nèi)各爐次T.O及T.N控制變化

2.2 非金屬夾雜物成分、尺寸及形貌

考慮到軸承鋼中非金屬夾雜物控制特點(diǎn)及研究需要，重點(diǎn)研究了CaO-Al2O3-MgO系非金屬夾雜物的成分及尺寸控制變化情況，試驗(yàn)澆次內(nèi)部分爐次非金屬夾雜物控制如圖2所示。隨著連澆爐數(shù)的增加，夾雜物中CaO含量有升高的趨勢(shì)，夾雜物尺寸無(wú)明顯的變化規(guī)律，總體上隨著分析檢測(cè)面積的增加，非金屬夾雜物數(shù)量、尺寸及成分波動(dòng)均增加。

圖2 鋼中非金屬夾雜物成分與尺寸控制

對(duì)檢測(cè)試樣中尺寸>9 μm的非金屬夾雜物(第25爐試樣)進(jìn)行詳細(xì)分析，夾雜物成分、形貌如圖3所示。尺寸最大的為MgO-Al2O3夾雜物(Ds1.0級(jí)，最大尺寸為25 μm)，其次為MgO-Al2O3與CaO-Al2O3系復(fù)合夾雜，CaO-Al2O3與CaS系復(fù)合夾雜。單一的較大尺寸MgO-Al2O3夾雜物可能為L(zhǎng)F精煉初期或大包澆注過(guò)程生成的，MgO-Al2O3與CaO-Al2O3系復(fù)合夾雜可能為精煉過(guò)程中小尺寸的MgO-Al2O3夾雜物與較大尺寸的CaO-Al2O3夾雜物碰撞生成的，CaO-Al2O3與CaS系復(fù)合夾雜主要為凝固過(guò)程中CaS夾雜物在CaO-Al2O3夾雜物周圍析出長(zhǎng)大形成的。結(jié)合夾雜物尺寸及成分信息，這些較大尺寸的夾雜物為內(nèi)生夾雜物，與連澆爐數(shù)的提升沒(méi)有關(guān)系。

圖3 鋼中典型大尺寸夾雜物形貌及成分

2.3 非金屬夾雜物指數(shù)

由于各爐次生成的熱軋盤條尺寸不同，不同爐次分析的非金屬夾雜物試樣的面積不同，為減少分析偏差，對(duì)不同爐次試樣的夾雜物控制指數(shù)進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖4所示，其中數(shù)量指數(shù)為夾雜物數(shù)量與檢測(cè)面積的比值，面積指數(shù)為夾雜物面積與檢測(cè)面積的比值。從圖4中可以看出，隨連澆爐數(shù)的增加，夾雜物數(shù)量指數(shù)沒(méi)有明顯的變化規(guī)律，但夾雜物面積指數(shù)呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)。

圖4 非金屬夾雜物指數(shù)控制

2.4 大尺寸夾雜物極值統(tǒng)計(jì)分析

考慮到試驗(yàn)澆次非金屬夾雜物分析檢測(cè)的爐數(shù)少且檢測(cè)面積較小，為更有效的評(píng)估連澆爐數(shù)對(duì)非金屬夾雜物尤其是大顆粒夾雜物的影響，采用ASTM E2283-08標(biāo)準(zhǔn)方法分別對(duì)第4爐、第28爐連鑄坯生產(chǎn)的熱軋盤條(直徑分別為18 mm與17 mm，規(guī)格相近)的大顆粒夾雜物尺寸進(jìn)行了極值統(tǒng)計(jì)分析。每爐生產(chǎn)的盤條在任意6盤上分別取1根試樣，檢測(cè)試樣橫截面上的球狀或近球狀非金屬夾雜物的最大尺寸，每個(gè)試樣分別檢測(cè)4次，每次拋磨量>30 μm，每爐盤條共計(jì)24個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)，大顆粒夾雜物極值統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，第6爐鋼材在預(yù)測(cè)面積為254 500 mm2條件下(逆程周期為1 000 T)，預(yù)測(cè)的最大尺寸非金屬夾雜物為29.89 μm，第28爐鋼材在預(yù)測(cè)面積為226 980 mm2條件下，預(yù)測(cè)的最大尺寸非金屬夾雜物為38.39 μm(Ds2.0級(jí))，隨著連澆爐數(shù)的增加，鋼材中最大尺寸非金屬夾雜物尺寸變大，但夾雜物尺寸控制能夠滿足軸承鋼國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18254—2016中優(yōu)質(zhì)軸承鋼Ds夾雜物級(jí)別要求。

圖5 大顆粒夾雜物極值統(tǒng)計(jì)分析

2.5 結(jié)果討論

在非金屬夾雜物電鏡自動(dòng)檢測(cè)與極值統(tǒng)計(jì)分析中，均未發(fā)現(xiàn)大尺寸外來(lái)夾雜物，理論上隨著澆次內(nèi)連澆爐數(shù)的增加，鋼包狀況，中間包覆蓋劑、結(jié)晶器保護(hù)渣等性能變化，會(huì)對(duì)鋼水中內(nèi)生夾雜物的上浮、去除產(chǎn)生不利影響，此外，引流砂、中包耐材、塞棒耐材等性能惡化，還會(huì)造成外來(lái)夾雜物進(jìn)入鋼水風(fēng)險(xiǎn)的增加，同時(shí)若水口內(nèi)壁附有結(jié)瘤物，隨著連澆爐數(shù)的增加，極易進(jìn)入鋼水中形成超大型夾雜物，從而降低鋼材的疲勞性能。

3 結(jié) 論

(1)鋼中T.O及T.N含量隨連澆爐數(shù)的增加沒(méi)有明顯的變化，且各爐次T.O含量與T.N含量變化沒(méi)有明顯的相關(guān)性。

(2)隨著連澆爐數(shù)的增加，夾雜物中CaO含量有升高的趨勢(shì)，夾雜物尺寸及數(shù)量指數(shù)無(wú)明顯的變化規(guī)律，夾雜物面積指數(shù)呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)。隨著分析檢測(cè)面積的增加，非金屬夾雜物數(shù)量、尺寸及成分波動(dòng)均增加。

(3)檢測(cè)試樣中尺寸>9 μm的三類非金屬夾雜物分別為MgO-Al2O3夾雜物、MgO-Al2O3與CaO-Al2O3系復(fù)合夾雜以及CaO-Al2O3與CaS系復(fù)合夾雜。結(jié)合夾雜物尺寸及成分信息，這些較大尺寸的夾雜物為內(nèi)生夾雜物，與連澆爐數(shù)的提升沒(méi)有關(guān)系。

(4)極值統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，1 000 T逆程周期條件下，第6爐、第28爐鋼材預(yù)測(cè)的最大尺寸非金屬夾雜物分別為29.89 μm和38.39 μm，隨著連澆爐數(shù)的增加，鋼材中最大尺寸非金屬夾雜物尺寸變大，但夾雜物尺寸控制能夠滿足軸承鋼國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18254—2016中優(yōu)質(zhì)軸承鋼Ds夾雜物級(jí)別要求。