電爐冶煉低鈦軸承鋼工藝實(shí)踐

葉飛來(lái)， 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(guò)程中，鋼水中[Ti]與[N]會(huì)生成TiN，這是一種具有規(guī)則外形的硬而脆的夾雜物，對(duì)軸承的疲勞壽命危害較大。有資料表明，當(dāng)軸承鋼中鈦質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)30×10-6時(shí)，其疲勞壽命明顯開始下降[1]。目前國(guó)內(nèi)及國(guó)際的一些廠家對(duì)軸承鋼中鈦的控制水平已經(jīng)較高，對(duì)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(zhì)量分?jǐn)?shù) 10-6

最近推行的GBT/18254—2016標(biāo)準(zhǔn)版GCr15軸承鋼對(duì)Ti的含量與原標(biāo)準(zhǔn)相比，有明確的上限要求，目的是減少鋼中TiN夾雜物對(duì)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(xiàng)重要任務(wù)?？刂戚S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(duì)穩(wěn)定，鋼水中氮的含量波動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)GCr15軸承鋼對(duì)鈦沒(méi)有技術(shù)要求，所以生產(chǎn)鋼中鈦質(zhì)量分?jǐn)?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(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行適當(dāng)調(diào)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(duì)于舊版標(biāo)準(zhǔn)的軸承鋼鈦含量不作要求，因此在冶煉過(guò)程中對(duì)于鈦的含量不做控制，統(tǒng)計(jì)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(diǎn)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(gè)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(guò)程中的變化

從79爐的數(shù)據(jù)分析，電爐終點(diǎn)樣鈦的質(zhì)量分?jǐn)?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?yàn)楹辖鸷驮煸现械拟伻芙獾戒撍?，隨著精煉進(jìn)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?zhàn)鳛橐环N金屬元素，在冶煉過(guò)程中是由外來(lái)原料帶入的。主要是煉鋼原料中廢鋼、鐵水和在精煉過(guò)程中的合金和輔助材料中的含鈦物質(zhì)帶入的，目前電爐的鐵水含鈦量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）在0.04%～0.08%之間，廢鋼中鈦的質(zhì)量分?jǐn)?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(guò)程中，合金及輔助材料帶入的，在LF精煉過(guò)程中，因?yàn)樘幱谶€原氣氛中，爐渣中的鈦會(huì)還原到鋼水中去，是上升趨勢(shì)，到精煉出鋼后達(dá)到最高值。關(guān)于VD過(guò)程中鈦的變化是在真空處理過(guò)程中，含量較高的鈦會(huì)與爐渣及鋼水中的氧發(fā)生反應(yīng)，損耗一部分，此過(guò)程中的鈦?zhàn)兓梢圆豢紤]。

2 低鈦軸承鋼的冶煉工藝改進(jìn)

在冶煉一般鋼種時(shí)，為降低鋼中的溶解氧含量，采用的是高終點(diǎn)碳出鋼。50 t電爐原料結(jié)構(gòu)為70%的鐵水和30%的廢鋼，鋼鐵料中鈦的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.04%～0.06%之間。因此在冶煉過(guò)程中必須將鋼鐵料中的Ti去除掉，因?yàn)殁仒O易與氧發(fā)生反應(yīng)，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(yīng)：

根據(jù)東北大學(xué)戰(zhàn)東平[2]作圖指出，當(dāng)鋼液中w[O]＞23.5×10-5時(shí)，w[Ti]≤1.0×10-5，而且鋼液氧含量低于3.0×10-5時(shí)，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(guò)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(yīng)在鋼中含有較高氧的冶煉中進(jìn)行，因此電爐要想脫除鋼液中的鈦，終點(diǎn)碳控制不易過(guò)高，但是考慮到終點(diǎn)碳與溶解氧的關(guān)系，過(guò)低的終點(diǎn)碳會(huì)使鋼水中的溶解氧增高，脫氧過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的夾雜物，因此終碳控制在0.10%～0.40%之間即可。在實(shí)際操作中，增加爐內(nèi)氧化氣氛，增加爐渣中氧化鐵的含量，適當(dāng)增加渣量，使鋼水中鈦氧化掉，進(jìn)入爐渣中通過(guò)爐門放掉。經(jīng)過(guò)部分爐次實(shí)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(shí)驗(yàn)的7個(gè)爐次中，最高0.000 5%，平均值3.28×10-6，完全達(dá)到目標(biāo)（見圖2）。

圖2 鋼水中碳與鈦含量的關(guān)系

3 電爐合金化后鈦的變化

電爐終點(diǎn)成分控制符合要求后進(jìn)行出鋼操作，電爐采用偏心底無(wú)渣出鋼，不考慮電爐氧化渣對(duì)鈦的影響。電爐在出鋼過(guò)程中同時(shí)要向鋼包中加入合金、鋁塊、造渣料進(jìn)行脫氧并合金化，這些原料會(huì)帶入鈦。其中一部分鈦直接進(jìn)入鋼水中，一部分與鋼水中的氧發(fā)生反應(yīng)，生成（TiO2）進(jìn)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(zhì)量分?jǐn)?shù) %

電爐出鋼前的終點(diǎn)鈦的質(zhì)量分?jǐn)?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(duì)7個(gè)爐次包中樣進(jìn)行分析，鋼水中鈦的平均質(zhì)量分?jǐn)?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(guò)程中鈦的影響因素分析

4.1 脫氧過(guò)程對(duì)鈦的影響

LF精煉的功能是對(duì)鋼水進(jìn)行脫氧，隨著脫氧深度的進(jìn)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(yīng)，將爐渣中（TiO2）中鈦還原到鋼水中，其化學(xué)反應(yīng)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(guān)系。

戰(zhàn)東平[2]等人認(rèn)為，隨著鋼中酸溶鋁含量的增加，鋼中鈦含量明顯增加，這說(shuō)明由于鋼水鋁含量的提高可增強(qiáng)渣中脫氧能力，導(dǎo)致渣中（TiO2）被還原能力大幅度提高。通過(guò)冶煉過(guò)程的數(shù)據(jù)分析，結(jié)果與上述觀點(diǎn)相符。因此在實(shí)際操作過(guò)程中，從控制鋼中鈦含量的目標(biāo)出發(fā)，應(yīng)在保證鋼水充分脫氧的前提下盡可能降低鋼中鋁含量。

對(duì)一些VD處理后的鋼水定氧分析，當(dāng)鋼水中的酸溶鋁大于0.015%時(shí)，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(biāo)，又要抑制渣中鈦的還原，將鋼水中的酸溶鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)控在0.015%～0.030%之間即可。

4.2 爐渣成分及其他材料對(duì)鈦的影響

從化學(xué)方程式可以看出，（TiO2）濃度越高，反應(yīng)越有利于向正向方向進(jìn)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(lái)稀釋原料帶入的（TiO2）濃度，從經(jīng)驗(yàn)得出，增加石灰的加入量是有必要的。

在精煉過(guò)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(shí)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(guò)程中增鈦，改為CaC2和碳粉進(jìn)行脫氧。對(duì)實(shí)驗(yàn)爐次進(jìn)行分析，改用低鈦的脫氧材料取得較好效果。

鋼包耐材對(duì)鈦的含量也有一定影響。生產(chǎn)低鈦軸承鋼時(shí)，不得使用含鈦鋼種的鋼包。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，使用生產(chǎn)過(guò)20CrMnTi鋼種的鋼包再生產(chǎn)軸承鋼時(shí)，鈦的含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）增加0.000 2%。在精煉周期上不易過(guò)長(zhǎng)，由于鋼包耐材中含有部分鈦化物，如果精煉時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，長(zhǎng)時(shí)間的供電反復(fù)升溫，就會(huì)導(dǎo)致耐火材料侵蝕和沖刷加劇，有可能導(dǎo)致耐材中的鈦化物進(jìn)入鋼液，實(shí)際LF精煉時(shí)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(qiáng)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(shí)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(yù)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(shí)帶來(lái)的好處是，大量的碳粉脫氧以后，產(chǎn)生的CO氣泡對(duì)夾雜物的去除提供了動(dòng)力，鋁的加入時(shí)間延后在精煉爐渣變白以后。電爐出鋼合金化工藝改進(jìn)以后，爐渣的堿度有所降低，能夠控制在4～6之間，爐渣熔點(diǎn)低，流動(dòng)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(guò)程中鈦的變化

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

6 工藝優(yōu)化后低鈦的變化分析

工藝優(yōu)化后，對(duì)實(shí)驗(yàn)7個(gè)爐次的軸承鋼鈦含量變化分6個(gè)階段進(jìn)行分析，整個(gè)冶煉過(guò)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(guān)鍵控制點(diǎn)。此工藝改進(jìn)是有效的，軸承鋼中鈦含量明顯下降，達(dá)到預(yù)期效果，該工藝對(duì)與電爐冶煉低鈦軸承鋼具有指導(dǎo)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(guò)程中的變化

7 結(jié)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(guò)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(guān)鍵。

3）隨著精煉脫氧的進(jìn)行，鋼中氧含量較低時(shí)，鋼水中鈦含量升高。

4）影響鋼中精煉過(guò)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?？刂其撘褐械乃崛茕X含量，保證較低的爐渣堿度，適當(dāng)增加精煉渣量，有利于抑制鈦的氧化物的還原。

[1]鐘順?biāo)迹醪?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(guò)程工程學(xué)報(bào)，2009（S1）:239.

[3]高偉，繆新德，成國(guó)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(xué)學(xué)報(bào)，2005，22（4）：687.

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