付鹏冲¹李文双^1,2　朱林林¹

（1.山东西王特钢有限公司，山东滨州 256200；2.北京科技大学，北京 100083）

　　摘　要：通过控制夹杂物来源、优化预脱氧制度、使用高碱度精炼渣系、夹杂物变性控制、优化软吹工艺以及严格保护浇注等措施，西王特钢实现了超低氧轴承钢的冶炼。T［O］≤8×10^-6，B类夹杂物粗系0～0.5级，细系0～1.0级，D类夹杂物粗系0～0.5级，细系0～0.5级。
　　关键词：轴承钢；夹杂物；精炼；氧含量

　　1　前言
　　轴承钢是专门用于制造轴承套圈和滚动体的特殊钢^[1]，轴承钢中的非金属夹杂物破坏了机体的连续性，在轴承工作过程中产生的交变应力作用下，易引起应力集中，成为疲劳源，影响轴承的疲劳寿命。Al₂O₃夹杂物（B类）、点状不变型夹杂物（D类、Ds类）对轴承的疲劳失效影响Z为严重。这些非金属夹杂物以氧化物为主，因此常将钢中的氧作为衡量钢纯净度的指标。从这个意义上来说控制钢中的氧含量与控制夹杂物密切相关。

　　西王特钢轴承冶炼流程为：80t超高功率电弧炉（铁水热装率＞70%）—80tLF精炼—90tVD真空炉—五机五流圆坯连铸机—缓冷入坑—大棒轧制。连铸坯断面Φ310mm、Φ500mm，采用结晶器液面自动控制、GCr15轴承钢专用保护渣、结晶器电磁搅拌M-EMS、末端电磁搅拌F-EMS等技术。
　　2　轴承钢全氧和夹杂物分析
　　西王特钢前期冶炼轴承钢T[O]控制基本能够满足GB/T18254要求，即T[O]≤12×10^-6，但是平均值在（10～11）×10^-6，普遍偏高，而且夹杂物控制不尽理想，尤其体现在B类、D类、Ds类超标明显，单个夹杂物尺寸过大，B类夹杂物评级粗系0.5～2.0级，细系0.5～2.5级（国标要求粗系≤1.0级，细系≤2.0级），D类夹杂物粗系0.5～1.5级，细系0.5～1.5级（国标要求粗系≤1.0级，细系≤1.0级）。夹杂物的典型金相形貌如图1所示。

　　根据以上实际情况，西王特钢开展了超低氧含量GCr15轴承钢夹杂物控制研究，通过采取一系列措施，产品的全氧含量和洁净度都得到了显著提升。

　　3　工艺控制措施
　　3.1控制夹杂物来源
　　B类氧化铝夹杂物主要来自Al脱氧产物，常聚集成团簇状，轧制过程中沿轧制方向排列成点状或者串状，属脆性夹杂，对轴承钢的疲劳寿命有害。B类夹杂物评级高主要原因是钢中氧化铝过多，并且在精炼过程中来不及上浮残留钢中所致，另外钢中氧化铝含量高对连铸浇注性能有不利影响。因此在轴承钢冶炼时应致力于减少氧化铝的产生和强化其在钢中的上浮去除。
　　D类、Ds夹杂物多是复合夹杂物，是钢液中各种氧化物复合结果，多伴有氧化铝、氧化钙等，此类夹杂物呈球状，轧制过程中不变形容易造成应力集中形成裂纹源，降低轴承使用寿命。由于在冶炼过程中各种渣料都含有CaO，所以D类夹杂物产生是在所难免的，只有通过精炼过程使其充分上浮并由顶渣吸收，并保持后期冶炼和浇注的稳定，避免钢液过大波动使夹杂物再次进入钢液^[2]。

　　合理的出钢氧位，尽量减少氧化渣进入钢包，切断电炉后氧的来源。电炉出钢碳含量决定了钢中初始溶解氧含量。为减少脱氧产物的生成量，应通过控制电炉出钢碳含量来降低钢中初始氧含量。出钢温度1600～1650℃，电炉终点碳含量0.2%～0.4%，严格出钢程序，坚持留钢10%～15%，力争出钢带渣＜0.5kg/t。

　　目前初炼炉出钢后扒渣技术已经得到应用，此项技术的运用能够比较理想地控制出钢后氧化渣的问题，能够从源头控制钢中的O，扒掉脱氧后的氧化渣，钢包进入精炼重新造新渣，大大减轻了精炼炉的脱O和脱S压力，钢液的纯净度也得到了改善。
　　3.2优化预脱氧制度
　　脱氧合金种类、加入方式和加入时间决定了钢中夹杂物的种类、尺寸和数量。严格控制铝锭加入时机，保证出钢1/4开始一次性加入，严格执行工艺文件规定的加入量，保证铝的收得率和脱氧效率，保证到精炼酸溶铝[Als]含量0.04%～0.06%，精炼过程尽量不再补铝，保证成品中酸溶铝[Als]含量0.1%～0.15%。在保证脱氧效率的条件下，不必控制过高的铝含量，铝含量高一是会产生大量B类夹杂，二是[Al]会和渣中（CaO）反应生产D类夹杂物。
　　3.3优化精炼渣系
　　目前，西王特钢轴承钢精炼渣系碱度不稳定，小到3、4，大到超过10，仔细研究精炼渣成分会发现，渣系中CaO和Al²O³相对稳定，但是SiO₂波动较大，也就直接影响了精炼渣的二元碱度。理论与实践^[3-8]都证明轴承钢精炼可以选用高碱度渣系，可以提高脱硫效率、降低氧含量。但是精炼渣的碱度也不能过大，如果碱度过大，如＞6时，精炼渣熔点变高（轴承钢液相线温度1450℃，属于熔点比较低的钢种），成渣慢，炉渣流动性变差，钢中易出现D类点状夹杂，也会影响脱氧和脱硫效果。因此，不宜采用过高碱度精炼渣。实践表明，精炼渣碱度（CaO/SiO₂）即R值控制在3.5＜R＜5.0；CaO/Al₂O₃即A值控制在1.7＜A＜2.2，能够完成脱硫、去氧和吸收夹杂物的任务。为了保证轴承钢脱氧效果，要求精炼渣中w（FeO）≤0.5%，w（MnO）≤0.5%。
　　脱氧精炼渣因为含有部分金属铝成分，能够保证精炼过程中铝含量的稳定，使得后期精炼不必再补充铝线，同时可以减轻前期脱氧铝的加入量，保证吨钢加入2kg/t脱氧精炼渣。
　　3.4优化喂线工艺
　　钢液中的大颗粒夹杂容易上浮，但是细小夹杂物含量增加，使钢液的可浇性变差，容易造成钢液在浇注过程中水口结瘤。进VD真空脱气之前，根据钢液中酸溶铝含量向钢液中喂入一定量的Ba-Si线进行变性处理，形成低溶点铝钡酸盐，将Al₂O₃类夹杂物转化为钡铝硅酸盐类夹杂物（mBaO·nAl₂O₃·xSiO₂），来改变钢液的流动性，提高钢液的可浇性，减少连铸时中间包水口、结晶器浸入式水口结瘤，避免烧氧操作造成的二次氧污染。
　　喂线工艺关键两点，第1保证喂线速度＞5m/s，提高收得率；第2保证喂线长度200～300m，使夹杂物变性充分。
　　3.5优化软吹工艺
　　钢水进行浇注以前，一个重要的工艺操作就是对钢水进行软吹处理。钢水在VD处理过程中的大强度氩气搅拌，会使钢水剧烈翻腾，氩气的气泡直径较大并且在钢中停留时间短，对夹杂物的裹挟上浮作用效果不好。此外，钢中夹杂物在上浮到钢渣界面时容易被重新卷入钢水中，甚至可能发生卷渣。因此在VD结束以后进行吹氩软吹处理以保证夹杂物的Z终上浮是非常必要的。
　　弱搅拌处理是小流量的吹氩方式，氩气搅拌的强度很低，仅使渣面微动，不裸露钢水。钢中氩气泡呈均匀细小分散的稳定气泡流，这种小气泡要比大气泡俘获夹杂物的概率高。因此，以小流量吹氩，并且适当延长处理时间（根据钢水的降温情况）也是去除夹杂，降低钢水全氧含量的有效手段之一。但延长软吹时间是一把双刃剑，软吹时间过长对生产节奏有影响，同时对钢包耐材侵蚀加剧。在目前控制夹杂物上浮暂无太好的办法的情况下，按照工艺要求和工况实际，保证软吹时间不低于15min。
　　3.6优化连铸工艺
　　连铸是去除夹杂物的Z后一道关口。钢水行程是由钢包经长水口至中间包，然后经浸入式水口至结晶器的过程。在钢水整个行程中，应该采取严格的控制措施防止钢水的吸气、二次氧化，并为夹杂物的Z后去除创造条件。这在工艺操作中主要体现在中间包冶金及空气的隔绝措施上。优化中间包耐火材料性能，优化中间包结构，应用轴承钢专用中间包后，对夹杂物的控制水平得到了一定的改善，在此基础上进一步优化中间包结构，延长钢水停留时间，促进夹杂物在中包内的上浮和吸附。
　　连铸过程中，实施全过程无氧化保护浇注，是防止钢液二次氧化的有效措施。提高大包自开率，尽量减少烧氧，保证中包覆盖剂、结晶器保护渣的质量，应用整体式内装水口，减少浇注过程中吸气，尤其是空气中的氧，避免连铸过程中生成Al₂O₃。
　　4　实际生产效果
　　严格执行以上措施后，西王特钢冶炼的轴承钢平均全氧含量T[O]≤8×10^-6，B类夹杂物粗系0～0.5级，细系0～1.0级，D类夹杂物粗系0～0.5级，细系0～0.5级，Ds类0级，不论是全氧含量还是钢材洁净度较之以前有了大幅度提高，为冶炼更高纯净度的特钢打下了坚实基础。
　　轴承钢氧含量和夹杂物控制需要综合考虑冶炼、浇注全流程中的各项工艺，每一个工艺步骤都十分重要；控制初始夹杂物的形成能够有效地降低轴承钢全氧含量和改善钢材洁净度；选取高碱度精炼渣、合理的软吹时间，以及连铸过程全程保护浇注对提高轴承钢洁净度十分必要。