軸承鋼GCr15生產(chǎn)過程中鋁含量的優(yōu)化計(jì)算

郭發(fā)軍，時(shí)向濤，李永輝，崔建海，李祥才

（青島特殊鋼鐵有限公司，山東 青島 266000）

接觸疲勞中的表面剝落、凹坑等缺陷，這些破壞形式主要是夾雜物帶來的。而夾雜物的多少又與軸承鋼中的氧含量有密切關(guān)系。隨著氧含量的降低，軸承鋼的疲勞壽命大幅度提高［1］。軸承鋼是鋁脫氧鋼，鋁是極其活潑的元素，脫氧能力很強(qiáng)，在生產(chǎn)過程中也很容易被二次氧化，生成的一些新的夾雜物，從而對(duì)鋼的質(zhì)量帶來了很大影響。同時(shí)鋼中的［Al］和［O］的反應(yīng)平衡常數(shù)K隨著溫度的變化有很大的差異，所以研究從轉(zhuǎn)爐出鋼到澆注成鑄坯整個(gè)過程的［Al］含量變化及［Al］和［O］的反應(yīng)平衡常數(shù)K的變化，對(duì)控制GCr15軸承鋼中的氧含量有重要意義。

1 轉(zhuǎn)爐出鋼后脫氧劑鋁的加入量

1.1 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳氧溶度積

當(dāng)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)出鋼溫度在1 600 ℃、碳含量在0.10%以上、［Mn］含量為0.13%左右時(shí)，鐵水和廢鋼中的其他比較活潑的元素［Al］和［Si］基本上很小，鋼水中的［O］含量基本上由鋼水中的［C］來控制。碳氧反應(yīng)的化學(xué)方程式及吉布斯自由能如下：

根據(jù)吉布斯自由能計(jì)算出平衡常數(shù)和碳氧含量的關(guān)系如下：

GCr15 的轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)出鋼溫度一般在1 600～1 640 ℃，根據(jù)式（2）計(jì)算得出表1。

表1 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)不同溫度平衡態(tài)下對(duì)應(yīng)的碳氧濃度積

確定了碳氧積，根據(jù)出鋼碳含量計(jì)算鋼水中的氧含量。為了簡(jiǎn)化問題，取轉(zhuǎn)爐的出鋼溫度為1 620 ℃，在該溫度下，［C］［O］=0.002 50。但是實(shí)際上轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)的碳氧并不是一個(gè)完全的平衡狀態(tài)。實(shí)際操作中，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼水中的氧含量高于理論計(jì)算值，而且是碳含量越高，碳氧積偏差越大，用碳含量對(duì)碳氧積進(jìn)行修正，取碳氧積0.002 5+［C］/100，待數(shù)據(jù)較多時(shí)做進(jìn)一步更精確的修正，見表2。

表2 1 620 ℃下轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)不同［C］含量對(duì)應(yīng)的［O］ %

1.2 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)用鋁脫氧后的數(shù)據(jù)驗(yàn)證

轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)脫氧在實(shí)際操作中總是伴隨著一部分鋼渣流入鋼包中，根據(jù)青島特鋼的情況，每爐大約下渣400 kg 左右，渣中含（FeO）和（MnO）大約在10%～16%，這與終點(diǎn)的后吹和終點(diǎn)的［C］有關(guān)。出鋼結(jié)束、脫氧合金化完成后，渣中的含氧量（FeO）在1.8%左右。由于FeO 和MnO 的分子量幾乎相同，為簡(jiǎn)化起見，只用下式進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)上式，計(jì)算每爐因下渣消耗的脫氧劑鋁的含量，見表3。

表3 不同終點(diǎn)碳含量的鋼因下渣所消耗的脫氧劑鋁含量

為了驗(yàn)證上述計(jì)算的可靠性，隨機(jī)選取了5爐GCr15 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)和加鋁量以及鋼水中的鋁含量數(shù)據(jù)，每爐鋼出鋼量為110 t，經(jīng)計(jì)算如表4 所示。從表4的數(shù)據(jù)可以看出，個(gè)別爐次的計(jì)算值與實(shí)際用量之間存在著較大的差異，但標(biāo)準(zhǔn)差為計(jì)算值的5%左右，這個(gè)誤差在目前的實(shí)際生產(chǎn)中還是有很好的指導(dǎo)意義。在實(shí)際生產(chǎn)中，可能存在擋渣不理想的情況，個(gè)別爐次多下渣100 kg 是很正常的現(xiàn)象，這100 kg 的渣，就可多消耗3 kg 左右的鋁錠。如表4中的第5爐，實(shí)際比計(jì)算用量大5.05 kg，這比其他爐次多用了6～7 kg，很可能就是轉(zhuǎn)爐擋渣不理想，下渣量較多造成的。但由于目前還難以準(zhǔn)確計(jì)量下渣的重量，所以只能定性地對(duì)存在較大偏差的爐次進(jìn)行分析。

表4 脫氧劑實(shí)際用量與計(jì)算用量的統(tǒng)計(jì)比較

2 脫氧劑加入量與鋼水氧含量極小值的關(guān)系

2.1 氧含量存在極小值的判定

GCr15 在脫氧的時(shí)候，為了減少夾雜物、降低［O］，按照慣常思維，脫氧劑加入量越大，即某個(gè)溫度下鋼水中溶解的［Al］越多，氧含量越低，有一些脫氧元素在脫氧過程中存在一個(gè)合適的加入量，當(dāng)超過這個(gè)量時(shí)，鋼水中的氧含量不但不降低，反而會(huì)升高。用鋁脫氧時(shí)，就存在這個(gè)問題，GCr15 也不例外。由于轉(zhuǎn)爐出鋼溫度在1 600 ℃左右，所以就以1 600 ℃時(shí)為例，計(jì)算最合理的鋁含量。熱力學(xué)上對(duì)于如下反應(yīng)：

隨著脫氧劑加入量變大，存在一個(gè)［O］含量最小值的條件為［2］：氧含量隨鋁含量變化的函數(shù)的一階倒數(shù)等于零以及其二階倒數(shù)大于零時(shí)，存在一個(gè)氧含量的極小值，具體方程如下［2］：

從式（5）可推導(dǎo)出式（6），從式（7）推導(dǎo)出式（8）的具體推導(dǎo)過程此處省略，具體見參考文獻(xiàn)。

當(dāng)上述兩個(gè)條件同時(shí)成立時(shí)，才存在一個(gè)氧含量隨脫氧劑加入量變化的極小值。鋁脫氧的化學(xué)反應(yīng)式如下：

查熱力學(xué)數(shù)據(jù)表得到的Fe 液中元素的相互作用系數(shù)。

從式（10）和式（11）的計(jì)算結(jié)果看，兩個(gè)值都小于零，具備氧含量出現(xiàn)極小值的條件。

2.2 軸承鋼GCr15在1 600 ℃時(shí)最小氧含量的計(jì)算

GCr15 在轉(zhuǎn)爐出鋼，一直到進(jìn)入RH 之前溫度都在1 600 ℃左右，所以計(jì)算該溫度下的平衡氧含量是非常有意義的。在GCr15生產(chǎn)過程中，鋼水中的平衡氧含量是由［Al］來控制的，［Al］和［O］反應(yīng)的平衡常數(shù)隨溫度的變化很大，所以與［Al］相平衡的氧含量的變化是很大的。當(dāng)溫度為1 600 ℃時(shí)，［O］min=1.58×10-4。

從煉鋼常用數(shù)據(jù)手冊(cè)中［3］查到并引用的鐵液中［Al］和溫度對(duì)溶解氧影響的曲線。當(dāng)［Al］在0.8%左右時(shí)，鐵液中的溶解氧出現(xiàn)極小值大約在0.000 50%左右，隨著溫度的不同，出現(xiàn)極值點(diǎn)的鋁含量也是不同的。

從上述計(jì)算得知，當(dāng)軸承鋼GCr15中含鋁量為0.253 6%時(shí)，此時(shí)氧能取得極小值，為1.58×10-6。這個(gè)值與數(shù)據(jù)手冊(cè)中的數(shù)據(jù)有不同，可能是由于軸承鋼中考慮了［C］、［Si］、［Mn］、［Cr］等元素的影響，這些元素都有一定的脫氧功能，對(duì)氧和鋁的活度系數(shù)造成一定影響。在GCr15鋼液中，當(dāng)鋁含量超過此值時(shí)，鋼水中的［O］是上升的。所以GCr15 在轉(zhuǎn)爐出鋼的過程中，如果鋁含量超過0.253 6%，對(duì)脫氧及夾雜物是不利的。一般情況下，鋼中的鋁沒有這么高，所以在通常的情況下，在沒超過該值時(shí)，隨著鋁含量的增加，鋼水中的氧是減少的。

3 GCr15的鋁含量和氧含量的計(jì)算

3.1 在1 600 ℃的鋁含量和氧含量的計(jì)算

在軸承鋼GCr15 或三元系以上的鐵水中，當(dāng)?shù)陀? 600 ℃時(shí)，缺少元素間的相互作用系數(shù)的數(shù)據(jù)，所以只能近似地采用Fe-O-Al 系中鋁氧之間的相互作用系數(shù)進(jìn)行近似計(jì)算GCr15 中的平衡氧量。同時(shí)當(dāng)小于1 500 ℃時(shí)，鐵液的熱力學(xué)數(shù)據(jù)中，缺少了［Al］［O］反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能數(shù)據(jù)。但在1 500～2 000 ℃，鐵液中鋁氧反應(yīng)的吉布斯自由能基本上與開氏溫度成線性關(guān)系。而GCr15 的液相線溫度為1 452 ℃，為了初步推算軸承鋼在這個(gè)溫度下的自由氧，只能近似在1 500 ℃時(shí)借鑒這個(gè)公式。

1 600 ℃下，鋼水中2［Al］+3［O］=Al2O3的化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)：

把數(shù)據(jù)分別代入式（14）和式（15）得：

對(duì)式（12）兩邊取對(duì)數(shù)得式（16）：

整理得：

式（17）就是鋼中鋁含量和氧含量之間的關(guān)系，給定一個(gè)［Al］就能計(jì)算出相應(yīng)的［O］。

3.2 在1 500 ℃時(shí)GCr15的鋁含量和氧含量的計(jì)算

GCr15 生產(chǎn)中隨著溫度的降低，鋁氧的反應(yīng)平衡常數(shù)在減小，不考慮外部因素對(duì)鋁的氧化，鋼液內(nèi)部在溫度下降的過程中就有很多Al2O3析出，析出的Al2O3在軟吹或靜置的過程中會(huì)有一部分上浮。當(dāng)軟吹結(jié)束，鋼包吊到連鑄平臺(tái)進(jìn)行澆注的過程中，溫度在迅速下降，鋼水卻一直是流動(dòng)狀態(tài)，小的夾雜物，尤其是內(nèi)生的夾雜物，諸如析出的Al2O3是很難上浮的。析出細(xì)小的Al2O3的一部分會(huì)留在鋼液中，直到凝固。固態(tài)下鋼材含氧量的檢測(cè)中，就有一部分是這種析出未上浮的Al2O3，所以計(jì)算平臺(tái)鋼包在該溫度下的鋁氧平衡關(guān)系就非常關(guān)鍵。GCr15 在連鑄平臺(tái)鋼包中的溫度恰好是1 500 ℃，此時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能及標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)可以獲得，但缺少該溫度下的部分元素相互作用系數(shù)。根據(jù)其他元素間相互作用系數(shù)與溫度的關(guān)系，某兩種元素間相互作用系數(shù)在1 600 ℃下的數(shù)值，同時(shí)假設(shè)鐵液中元素相互作用系數(shù)的變化趨勢(shì)不變，推算出如下公式，該公式的準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，在此不做進(jìn)一步探討，用該公式計(jì)算出來的某個(gè)溫度T 下鐵液中的某兩個(gè)元素間的相互作用系數(shù)僅供大家參考。

式中：T為需要求值的溫度；為下鐵液中元素N對(duì)M的相互作用系數(shù)。

根據(jù)此公式得出1 773 K下鐵液中各元素的相互作用系數(shù)如表5所示。

表5 1 773 K下計(jì)算的鐵液中各元素的相互作用系數(shù)

根據(jù)式（13）、（14）、（15）、（17），軸承鋼的成分和表5中的數(shù)據(jù)，計(jì)算得表6數(shù)據(jù)。

表6 1 773 K時(shí)GCr15鋼液中酸溶鋁和溶解氧的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.3 關(guān)于GCr15氧含量和鋁含量的探討

以鋼中的酸溶鋁0.015%為例，在1 600 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的氧含量為11.8×10-6；當(dāng)溫度下降到1 500℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的氧含量為1.26×10-6。相同的酸溶鋁的情況下，氧的變化還是很大的。這些氧都以氧化物的形式析出于鋼液中，一部分在軟吹或靜置過程中上浮，另外一部分滯留在鋼水中，表現(xiàn)為夾雜物。生產(chǎn)中一定要重視鋼水溫度最高點(diǎn)的控制，盡量降低過程的鋼水的最高溫度。正常生產(chǎn)的軸承鋼中，在鋼材上取樣檢測(cè)的氧含量大部分在（5～9）×10-6，還是以鋁含量為0.015%為例，除去1 500 ℃時(shí)與鋁平衡的1.26×10-6的氧外，連鑄過程中大約還有0.002%的鋁被外界的氧所氧化，還有一部分是在1 500 ℃以上的溫度下鋼水中滯留的夾雜物，推測(cè)這些滯留的夾雜物大中含氧量約（3.74～7.74）×10-6，是沒有上浮的被氧化的鋁造成的夾雜物中所含的氧。

從脫氧的角度看，0.008%的鋁就能使鋼水中的自由氧變得很低，如果進(jìn)一步增加鋁的含量，與之平衡的氧含量下降有限，但隨著鋁含量的增加，由于保護(hù)澆注不好，被外界的氧氧化的鋁會(huì)大大增加，這一部分被外界氧氧化的鋁是鋼水夾雜物的重要來源，所以連鑄的保護(hù)澆注至關(guān)重要。從夾雜物和脫氧的角度看，把鋁含量控制在0.008%就足夠了，鋼水的純凈度也會(huì)變好。但是，很多鋼種加鋁的目的不單純是為了脫氧，還有一個(gè)重要的作用就是細(xì)化晶粒，使鋼變成本質(zhì)細(xì)晶粒鋼，在熱處理的過程中，晶粒不至于過度長(zhǎng)大，熱處理后的組織更加均勻細(xì)小，能大幅度提高鋼的綜合力學(xué)性能。鋁細(xì)化晶粒通過是凝固后溫度降低的過程中析出的細(xì)小的AlN 阻礙晶粒長(zhǎng)大完成的，當(dāng)AlN 的數(shù)量小于某個(gè)值時(shí)，細(xì)化晶粒的效果就會(huì)變差［3］。

根據(jù)煉鋼常用圖表數(shù)據(jù)手冊(cè)，要保證細(xì)化晶粒的最好效果，須使AlN 析出量大于0.009%，其中鋁占2/3，即0.006%，氮占1/3，即0.003%。正常轉(zhuǎn)爐加RH 真空精煉生產(chǎn)的鋼，鋼水中的［N］一般在（40～50）×10-6，電爐鋼的［N］一般在80×10-6左右，為保證有比較可靠的細(xì)化晶粒效果，AlN的含量最好控制在0.012%以上，這樣需要0.008%左右的鋁，同時(shí)還要有0.002%～0.003%的鋁用來與氧平衡，在連鑄過程中大約還要有0.002%左右的鋁被外界的氧氧化掉。從脫氧、夾雜物控制及細(xì)化晶粒的角度考慮，RH 精煉結(jié)束后的鋼水熔煉成分鋁含量的控制下限為0.012%，鋁是比較容易氧化的元素，不容易控制，把鋁控制在0.012%～0.018%是比較合理可行的工藝范圍。當(dāng)然這不包括滲碳鋼，某些滲碳鋼種，由于滲碳溫度較高，可達(dá)930 ℃，時(shí)間又比較長(zhǎng)，晶粒很容易長(zhǎng)大，造成混晶。這類鋼的［N］和［Al］需要更高的值，此處不做詳細(xì)討論。

4 結(jié)論

4.1 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳氧積按［C］［O］=0.002 5+［C］/100，同時(shí)考慮下渣的影響，計(jì)算的鋁錠加入量與實(shí)際加入量的平均相對(duì)誤差為1.24%。

4.2 轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)脫氧后的鋁含量不能超過0.25%，在此含量處存在氧含量的極小值為1.58×10-6。

4.3 GCr15 生產(chǎn)過程中的最高溫度點(diǎn)一定要控制好，這對(duì)軸承鋼的氧含量有比較大的影響。

4.4 GCr15 熔煉成分的鋁含量建議按0.012%～0.018%控制。