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高潔凈度軸承鋼GCr15的生產(chǎn)實踐

2022-12-22

王前 韓倫杰  

(鋼鐵研究總院華東分院,江蘇 淮安 223001)

摘 要:對某特鋼EAF-LF-VD-CC流程的生產(chǎn)技術進行研究,通過采取提高電爐出鋼碳、精煉高堿度爐渣、VD爐真空脫氣、連鑄保護澆鑄、鋼水過熱度控制、軋鋼加熱工藝、緩冷工藝控制等措施后,實現(xiàn)了高潔凈GCr15軸承鋼的穩(wěn)定生產(chǎn)。鋼中氧含量穩(wěn)定控制在2~7×10-6之間,鋼中[H]<1×10-6,鋼中[N]<50×10-6,鋼中Ti元素含量<30×10-6,鋼中非金屬夾雜物控制也達到高潔凈度軸承鋼的質(zhì)量要求,為國內(nèi)同類電爐工藝生產(chǎn)高品質(zhì)軸承鋼提供了寶貴經(jīng)驗。

關鍵詞:高潔凈;GCr15軸承鋼;氧含量;非金屬夾雜物

1 引言

軸承鋼主要用于制造各種不同環(huán)境中工作的各類滾動軸承套圈和滾動體,套圈與滾動體之間呈點和線接觸,承受著集中交變載荷,對疲勞強度、屈服強度、韌性、耐磨性、硬度及抗腐蝕能力均有很高的要求[1]。目前使用Z廣泛的仍是以GCr15為代表的高碳鉻軸承鋼,衡量軸承鋼質(zhì)量的主要標準是其疲勞壽命的高低,軸承疲勞壽命除與其結(jié)構(gòu)和負載有關外,在很大程度上取決于所用鋼材質(zhì)量的好壞[2]。而鋼材質(zhì)量的好壞又涉及到冶煉、鑄造和熱處理的各個方面,其中與冶煉有關主要是鋼中夾雜物的組成和分布狀態(tài)。鋼的潔凈度和耐用壽命有著很密切的關系,因此對鋼中氣體和夾雜物的含量要求很嚴。

某特鋼公司采用EBT電爐-LF爐精煉-VD真空處理-連鑄流程生產(chǎn)高潔凈度軸承鋼,為控制鋼中全氧含量、氣體含量和夾雜物級別,在電爐終點控制、LF精煉工藝、真空處理和連鑄保護澆鑄等工藝進行了研究和探索,生產(chǎn)的軸承鋼在潔凈度方面取得顯著成效,本文主要介紹某特鋼公司生產(chǎn)高潔凈度軸承鋼GCr15的生產(chǎn)實踐情況。

2 主要技術要求

2.1化學成分

生產(chǎn)高潔凈度軸承鋼化學成分如表1所示。

2.2氣體含量和低倍組織

在連鑄坯或鋼材上取樣分析,要求氧含量≤12×10-6。鋼材試樣經(jīng)酸浸后,應無縮孔、裂紋、皮下氣泡、白點、過燒裂紋及有害夾雜物。低倍組織和高倍(夾雜物級別,脫碳層奧氏體晶粒度)檢驗均按GB/T18254-2016評定,合格級別符合表2規(guī)定。

2.3工藝流程

軸承鋼的生產(chǎn)工藝流程為:電爐àLF精煉àVD真空處理à160×225mm2連鑄坯à入坑緩冷—軋材—精整—檢驗—入庫。主要工藝參數(shù)見表3和表4。

3 高潔凈軸承鋼生產(chǎn)實踐

3.1電爐終點[C]含量控制

生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果表明:電爐終點[C]·[O]=0.0027~0.0035。高潔凈軸承鋼生產(chǎn)時要求電爐終點[C]≥0.08%,生產(chǎn)實踐中電爐出鋼[C]一般控制在0.08~0.22%之間,鋼中氧含量波動在122.7~437.5×10-6。出鋼碳高,鋼水氧含量相對較低,則脫氧劑加入量將減少,產(chǎn)生夾雜物總量也將減少,有利于控制鋼水潔凈度。因此在電爐冶煉軸承鋼過程中,將[C]控制在0.08%以上,減少鋁脫氧時大量Al2O3夾雜物的生成,脫氧用的鋁在添加完增碳劑后再加入,其加入量根據(jù)碳含量確定,減少脫氧初期Al2O3夾雜物的生成量。

3.2 LF精煉工藝

LF精煉過程通過控制鋼渣的堿度、氧化性及鋼中的酸溶鋁含量,以降低鋼中氧含量。將軸承鋼爐渣堿度控制在合理的范圍內(nèi)可降低鋼中氧含量、有利于脫硫,但過高的爐渣堿度又會增加D類夾雜物含量,通過試驗對比不同廠家的精煉渣,Z終確定了高堿度、低熔點、流動性好、吸附夾雜物能力強的高堿度精煉渣,并在LF精煉工位將精煉渣的堿度控制4~8,LF精煉過程終渣成分見表5。

同時,根據(jù)進站鋼水成分實行一次補鋁,嚴禁二次補鋁,控制成品酸溶鋁目標值為0.015%;?包到工位后首先進行擴散脫氧,并根據(jù)渣況補加適量石灰或螢石,控制終渣中ω(FeO+MnO)≤1.0%。

LF精煉前期大電流埋弧操作,保證爐渣發(fā)泡效果好,使得鋼水溫度和爐渣溫度能夠迅速提升,有利于脫氧脫硫反應的進行和夾雜物的去除,送電時控制氬氣流量400~600 L/min;根據(jù)一次樣鋼水成分補加合金及配碳,然后保證鋼液不裸露,控制氬氣流量300~400 L/min,取LF工位第二次樣后保持白渣操作。根據(jù)LF工位第二次樣鋼水成分,進行鋼水成分微調(diào),以滿足鋼水窄成分的控制要求,有利于鋼種性能的穩(wěn)定。

3.3 VD真空處理工藝

采用深真空對鋼液進行脫氣處理,對鋼液中的氮、氫進行脫除,同時采用真空下吹氬攪拌使鋼渣中的氧化性進一步降低,達到降低軸承鋼中低氣體含量的目的。深真空(<67Pa)時間不低于15 min,進行軟吹(≥15min),軟吹應達到渣面微動但不裸露鋼水。

3.4連鑄工藝

軸承鋼經(jīng)精煉處理后,鋼中的氧含量已經(jīng)非常低,澆鑄時采用保護澆鑄,在大包長水口連接處采用氬氣保護,中間包采用整體浸入式水口,以防止二次氧化。同時控制過熱度不超過30℃,低過熱度與拉速合理匹配,結(jié)晶器電磁攪拌與末端電磁攪拌充分利用,提高了等軸晶率,同時避免鑄坯中碳的嚴重偏析,改善鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量。以及全部采取紅包周轉(zhuǎn)等措施, 確保中間包溫度波動小,控制連鑄過程液面波動在±3mm以內(nèi),拉速保持恒定,杜絕卷渣現(xiàn)象。鋼坯全部坑式緩冷,嚴格控制降溫速率和出坑溫度。

3.5鋼坯成分偏析控制

軸承鋼中由于碳含量較高,極易形成碳的宏觀偏析。通過摸索Z優(yōu)的工藝參數(shù)來控制軸承鋼的凝固結(jié)構(gòu),從而達到控制宏觀碳偏析大小的目的。通過對不同拉速、不同電攪參數(shù)試驗,在拉速為1.0m/min,采用方案二電攪參數(shù),生產(chǎn)每爐進行碳偏析的檢驗,碳偏析指數(shù)均小于1.10。詳見表6。

3.6軋制工藝

為達到緩慢升溫,鋼坯內(nèi)外溫度均勻,碳化物液析充分擴散的目的,制定了相應的加熱工藝,根據(jù)各段溫度的實際控制制定了小時生產(chǎn)條數(shù),規(guī)定了鋼坯高溫擴散時間不小于80分鐘。

控制進入初軋機溫度1150~1200℃,軋前認真檢查軋輥、導位、輥道等,避免損傷軋件表面。軋制過程中,密切注意各道次料型情況,防止出現(xiàn)劃傷、折疊、耳子等缺陷。控制軋制節(jié)奏,保證終軋溫度900~950℃,軋后鋼材采取緩冷方式。

為了避免成品在后期冷卻過程中出現(xiàn)白點和端部開裂以及控制液析網(wǎng)狀,要求鋸切溫度>620℃,入坑溫度≥400℃,出坑溫度≤150℃,緩冷時間不小于36h 。并根據(jù)北方地區(qū)季節(jié)變換的特點,對廠房、冷床四周、緩冷區(qū)域制定相應的生產(chǎn)控制要點,以保證緩冷效果。

4 工藝效果

4.1鋼中氧、氮、硫、磷等元素的變化規(guī)律

統(tǒng)計電爐出鋼、LF進站、LF出站、中間包工序鋼中鋁、磷、硫、氧、氫、氮等元素的變化規(guī)律,結(jié)果分別見圖2和圖3。

4.1.1氧、氮、氫含量的變化

各工序鋼水平均氧、氮、氫含量的變化見圖2。

從圖2中可以看出,鋼水中的平均氧含量整體呈下降趨勢,LF精煉處理過程前期下降快,后續(xù)處理下降緩慢,成品鋼材中的全氧含量平均達到4.2PPM,Z高值為6.5PPM,Z低可以達到2.3PPM。鋼中的氮含量在精煉和連鑄上升,在VD處理時略有下降。氫含量結(jié)晶器內(nèi)平均值1.7PPM。鋼材中氮含量平均值為38PPM。 

4.1.2磷、硫、鋁含量的變化。

各工序鋼水平均磷、硫、鋁含量的變化見圖3。

從圖3中可以看出,鋼水中的磷含量由平均0.0010%增長到0.0015%,去除加入合金帶來的磷,由鋼渣造成的回磷量非常低,后期操作中磷含量的變化不大。LF精煉深脫硫處理后,鋼水中的硫含量平均達到0.005%的水平,以后基本保持穩(wěn)定,說明采用高堿度精煉渣脫硫效果良好。鋼水中的酸溶鋁含量前期下降較快,后期速度逐漸下降至目標值0.012%,說明一次配鋁的成功,避免精煉過程二次補鋁,減少二次污染。

4.2鋼材低倍組織檢驗

鋼材低倍評級見表7,低倍組織形貌見圖4,檢驗結(jié)果符合GB/T 18254-2016國家標準的優(yōu)質(zhì)鋼的技術要求。

4.3鋼材非金屬夾雜物檢驗

鋼材非金屬夾雜物檢驗結(jié)果見表8,結(jié)果符合GB/T 18254-2016國?標準技術要求。

4.4頂鍛檢驗

按照YB/T5293-2014金屬材料頂鍛試驗方法進行熱頂鍛檢查,圓鋼表面完好,見圖5。

通過上述工藝生產(chǎn)的軸承鋼已向用戶交貨2000多噸,哈軸、襄軸和洛軸均反饋使用效果良好,說明采用該工藝能夠滿足軸承鋼的質(zhì)量要求。

5 結(jié)論

(1)電爐保證出鋼碳含量≥0.10%;LF精煉控制爐渣堿度5.0~8.0,ω(FeO+MnO)≤1.0%, 保證深真空時間,軟吹時間≥15min;中間包采用整體水口,強化大包保護澆注,可以將全氧含量控制在6PPM以下,同時能夠很好地對夾雜物進行控制。

(2)連鑄過熱度不超過30℃,保持恒溫恒拉速,合理控制結(jié)晶器電磁攪拌與末端電磁攪拌,將碳偏析控制在1.1以下。

(3)軋鋼精確控制加熱溫度、保溫時間和緩冷工藝,可以對碳化物液析進行有效控制。

參考文獻

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

[2]HOSOKI S. Production and technology of iron and steel in Japan during 1990[J]. ISIJ Inter-national, 1991, 31(4): 315-330.

[3]吳巍,吳偉,劉瀏,等.電爐冶煉軸承鋼GCr15 的生產(chǎn)工藝研究[J].鋼鐵,2006(6)(S):183-185.

(來源:冶金交流中心)