1、軸承鋼和簾線鋼冶煉精煉渣系研究軸承鋼和簾線鋼冶煉精煉渣系研究一、軸承鋼1、軸承鋼相關背景軸承用鋼包括高碳鉻軸承鋼、滲碳軸承鋼、高溫軸承鋼、不銹軸承鋼及特殊工況條件下應用的特種軸承鋼等。其中尤以高碳鉻軸承鋼生產量為最多。含C 1O、Cr 15的高碳鉻軸承鋼是軸承鋼的代表品種。自本世紀初問世以來，已有近100年的歷史，從它誕生至今，化學元素的古最幾乎沒有變化，但其疲勞壽命卻有成倍甚至成幾十倍的提高，原因主要就在于近些年冶金工藝的現代化、爐外精煉技術的普遍采用，使得軸承材料的純凈度不斷提高。在合金鋼領域內，軸承鋼是檢驗項目最多、質量要求最嚴、生產難度最大的鋼種之一。衡量軸承鋼的冶金質量，一般從三個方

2、面著眼， 是純凈度，即鋼中夾雜物的含量；二是碳化物不均勻性；三是鋼材的尺寸精度、表向裂紋和脫碳1。2、軸承鋼精煉渣處理 精煉渣處理鋼液是應用最廣泛的精煉手段之一，幾乎所有的精煉設備工藝都會采用精煉渣處理鋼液。在鋼液的精煉過程中，精煉渣一方面吸收上浮的夾雜物從而減少夾雜物總量，另一方面由于精煉渣-鋼-夾雜物三者之間的互相影響精煉渣還有夾雜物改質的作用。 根據不同的方法精煉渣有很多種分類，但一般都是依據二元堿度將精煉渣分為高堿度精煉渣和低堿度精煉渣。在軸承鋼的冶煉中，由于對質量的不同需求和初煉鋼水狀況的不同形成了高堿度渣精煉和低堿度渣精煉兩種工藝路線2。 2.1、高堿度渣精煉工藝高堿度渣精煉工藝即

3、控制精煉渣中堿度R4.0，總鐵含量1.0%。這種精煉工藝的精煉渣系有很強的脫硫能力，能夠生產超低硫系列的軸承鋼。而且具有很高的脫氧能力，能夠吸附大量Al2O3夾雜物，因此在軸承鋼中幾乎就沒有氧化物夾雜物。但是精煉渣中Ca0含量高，加上精煉普遍采用鋁作為脫氧劑，因此極易被鋁還原生成球形夾雜物對軸承鋼的質量危害很大。因此，在采用高堿度精煉渣精煉軸承鋼時，要嚴格控制鋁脫氧劑的用量，最大程度地避免球形夾雜物的形成。 （1）日本各軸承鋼生產廠家大都采用高堿度渣精煉，其中以山陽特殊制鋼公司取得的效果最為矚目，硫質量分數降到0.002%-0.003%，全氧質量分數達到平均5.4 10-6，個別爐次甚至達到了

4、3 10-6。山陽公司采用高堿度渣精煉工藝將鋼液中的全氧質量分數降到了極低的程度，鋼中B類夾雜物幾乎不存在了，但是D類夾雜物的數量卻較多，平均達到了0.9級。 （2）萊鋼公司3為了降低鋼中全氧質量分數，提高GCrI 5鋼質量，在LF精煉過程中采用了堿度45的高堿度精煉渣，取得了良好的效果，全氧質量分數由平均11 10-6降到7.910-6。 應該注意到，高堿度精煉渣雖然在脫硫和降低全氧質量分數上取得了很好的效果，但卻增加了鋼中的球狀不變形夾雜物。在軸承鋼的冶煉中，選擇一種適當成分的精煉渣，主要達到三個目的:(1)一定的脫硫能力，使軸承鋼中的A類夾雜物控制在一定范圍；(2)吸收Al2O3夾雜物的

5、能力，以最大限度地降低氧化物夾雜數量；(3)減少或消除含Ca0的D類夾雜物。高堿度精煉渣雖然很好地達到了前兩個目的，但卻導致了球狀夾雜物出現率升高，沒能達到第三個目的。為了獲得優良的綜合效果，近些年國內的科研院所和高校以及主要的軸承鋼生產廠家在精煉渣方面做了大量地研究工作。2.2低堿度渣精煉工藝 低堿度渣精煉工藝是控制渣中堿度R 1.2，總鐵含量1.0%。這種精煉工藝的精煉渣渣系雖然能夠消除含Ca0的D類球形夾雜物，也能夠對Al2O3夾雜物有一定的吸附能力。但是軸承鋼中的氧含量是處在一個相對較高的水平，不利于脫硫反應，雖然能改變軸承鋼中夾雜物的形態，大幅度提高塑性夾雜物的比例，但是夾雜物的數量

6、并沒有因此減少。（1）大冶鋼廠采用低堿度渣一吹氫精煉工藝，取得了良好的效果。生產實踐證實，在這種低堿度渣下精煉，進入鋼液中的鈣質量分數一般不會超過2010-6，不足以形成低熔點的球狀鈣鋁酸鹽夾雜物4、5、6。 （2）本鋼采用低堿度的Ca0-Al2O3渣系進行頂渣處理，脫硫率達50%-70%，脫氧50%,同時消除了含Ca0的D類夾雜物7。 （3）ASEA-SKF鋼包爐精煉軸承鋼時采用中性渣(w(Ca0): w(Al2O3): w(SiO2)=1: 1: 1).它既能有效地吸收夾雜物，又不會侵蝕包壁。用該渣系精煉的軸承鋼，硫質量分數平均在0.020%，鋼中不存在G, D兩類夾雜物，B類夾雜物的數量

7、也很少。（4）北滿特鋼先后采用兩種(低堿度、高堿度)精煉渣生產,文獻8分析了兩種渣系對軸承鋼的氧及夾雜物含量的影響。研究表明：軸承鋼GCr15精煉渣的堿度從2.5提高到56,渣中Al2O3保持在18%22%,，高堿度渣脫硫能力比低堿度渣提高30%50%, 而渣中MgO低2%5%, 高堿度渣對鋼包的侵蝕速度降低; 改進后渣系冶煉的軸承鋼中氧、B、D類夾雜物含量明顯降低, 硫、A類夾雜物含量略有下降, 達到SKF標準。采用低硅質造渣材料, 進一步降低渣中SiO2的含量, 提高渣中Al2O3的含量, 提高渣的堿度, 降低軸承鋼的氧和夾雜物含量。2.3新型軸承鋼精煉渣的研究 在精煉渣中加入少量Na20

8、 ( O增加到0.3%-0.4%)時，精煉渣的硫容量是原來的3倍多。由此可見，Na20能大大提高精煉渣的脫硫能力9。相關文獻10認為在高堿度爐渣中，Na20對爐渣的硫容量有十分明顯的影響;在低堿度爐渣中，Na20對爐渣的硫容量影響不大。由為Na20在1600 0C下不穩定，所以其在精煉渣中的影響需要進一步探索研究. 為了提高脫硫效果，同時消除鋼中點狀不定形夾雜物。對精煉渣進行改質處理也是優化精煉渣的一種比較可行的手段11。本溪鋼鐵廠經過對LF精煉渣的改質處理生產出了的低硫含量的鋼。目前，開發具有低熔化溫度、高硫容量的精煉渣成為精煉渣優化的新趨勢。北京科技大學對在精煉渣添加Ba0進行了研究認為:

9、當精煉渣中的Ba0添加量到達50%時，其硫容量為只加入Ca0時的兩倍12。另外，無氟精煉渣也是新型精煉渣的一種，由于無氟精煉渣中沒有CaF2，能夠減輕侵蝕鋼包的包襯和減少對環境的污染，也同樣很受歡迎。3、我國軸承鋼生產發現的主要問題是13： (1)鋼材表面缺陷:材料裂紋、折疊裂紋、麻點(坑)、夾渣、異金屬夾雜、表面脫碳、發紋。 (2)鋼材低倍缺陷:縮孔(管)殘余、翻皮、疏松、氣泡、偏析、白點、顯微孔隙、內裂。 (3)非金屬夾雜物:點狀夾雜物、塑性硅酸鹽夾雜物。 (4)碳化物不均勻:碳化物帶狀、液析、網狀;退火組織不均勻。 這些缺陷都嚴重影響軸承的壽命和可靠性。從對軸承生產企業軸承鋼進廠檢驗和在

10、使用中發現的問題的調查研究情況來看，國產軸承鋼缺陷出現頻率最高的依次是:材料表面裂紋、縮孔、碳化物液析、碳化物網狀、內裂、表面脫碳、碳化物帶狀、退火組織不合格。4、通過與國外先進軸承鋼生產工藝對比可知，國內外生產工藝的特點如下14、15：(1)為提高鋼液潔凈度和精煉效果，國外電爐采用無渣出鋼技術，轉爐初煉在鋼包中進行真空除渣或爐后扒渣，以降低磷質量分數和防止氧化渣進入精煉爐，而我國軸承鋼冶煉大多數只采用電爐偏心底出鋼技術； (2)國外軸承鋼精煉在采用LF精煉基礎上，進行RH真空脫氣處理，在提高潔凈度的基礎上特別注意夾雜物的控制，而國內大多數只有LF+VD精煉，但從脫氮、脫氫效果分析，VD效果遠

11、不如RH； (3)國內鑄坯斷面、連鑄機弧半徑仍與國外先進企業有一定差距，國外有先進的連鑄工藝和完善的精整熱處理裝備； (4)國外先進軸承鋼生產廠家如山陽、神戶、大同等公司采用多級電磁攪拌改善鑄坯質量;而國內大多數只有結晶器電磁攪拌，只有個別廠家配有末端電磁攪拌； (5)為解決高質量軸承鋼的偏析問題，國外采用輕壓下、大直徑輥強壓下和連續鍛壓等液相高壓下技術，而國內采用輕壓下很少； (6)國外大量使用轉爐流程生產軸承鋼，國內則絕大部分軸承鋼為電爐流程生產。 綜上，雖然我國的軸承鋼冶煉水平較過去取得了一些進步，但是與國外高水平軸承鋼廠商相比，仍然有著不小的差距。冶煉水平和裝備水平的差距導致了與國際先

12、進水平相比，我國軸承鋼產品的實物質量仍然有一定的差距，我國軸承鋼純凈度、碳化物均勻性、鋼材尺寸精度和表面質量和品種結構上均落后于國外先進水平.二、簾線鋼1、簾線鋼相關背景簾線鋼是輪胎子午線增強骨架的主要用鋼，由于公路運輸的發展，特別是高速公路的發展，乘用車的高速化，運輸車輛的高速、重載和大型化，對配套用鋼絲子午胎提出了十分嚴格的要求,同時由于簾線用盤條(也555 mm)需拉拔成直徑為015038 mm的細絲，隨后經過高速雙捻機合股成繩，整個過程中斷絲率小于1次100 km。因此對于線材組織及成分的均勻性、純凈度以及綜合質量有著極為嚴格的要求，尤其是對夾雜物的類型和形態。2、簾線鋼的質量要求簾線

13、鋼是一種對于強度和性能有著極高要求的優質鋼種，在其生產的過程中也有著許多特別的、相對嚴格的要求，對于拉拔出的非常細的鋼絲產品要進行絞合成股，并且在這些過程中幾乎不允許出現鋼絲斷裂的情況。因此，在生產過程中，對于鋼中的化學成分，夾雜物以及連鑄坯表面和內在質量都有著如下的要求： (1）化學成分 簾線鋼對于化學成分的要求必須是均勻的，碳、錳、硅含量波動不能太大，對于硫、磷以及其他微量元素也有著嚴格的要求，簾線鋼化學成分的控制要求. (2)夾雜物控制 夾雜物的控制是控制簾線鋼產品性能的關鍵。在簾線鋼的研發中，對于斷面出現的夾雜物進行分析，發現引起拉拔斷絲的夾雜物主要是以Al2O3為主的高硬度脆性夾雜物

14、。Al2O3的來源主要分為從鋼水中脫氧產生和耐火材料帶入兩種情況。第一種情況，可以通過調整爐渣成分，從而有效的調整夾雜物成分使之成為延伸性很高的塑性夾雜物，使之無害化;第二種情況，可以選取最佳的耐火材料來減少其來源，從而降低源于耐火材料夾雜的斷絲。(3)中心偏析簾線鋼對于碳的中心偏析有著一定的要求，一般要求碳中心偏析指數95%; 脫碳層:0.1 Omm;晶粒度:8-10級.3精煉渣成分和夾渣層控制研究發現，夾雜物是造成拉拔合股過程中斷絲的主要原因之一。簾線鋼中主要存在MnOSiO2-Al2O3系和CaOSiO2一Al2O3系類夾雜物，前者為脫氧產物，后者為經過精煉渣反應后生成的夾雜物。通過控制

15、鋼中夾雜物的類型、數量、尺寸、分布可以有效的改善鋼的潔凈度，提高簾線鋼的強度及韌引。簾線鋼中硬而脆的夾雜物對鋼的危害很大，如Al2O3夾雜，會造成鋼絲拉拔過程中發生斷裂，是鋼加工使用過程中的主要裂紋源，嚴重影響著鋼的使用壽命，因此在簾線鋼的生產過程中，要盡量避免生成這類脆而硬的夾雜物，控制夾雜物塑性化.(1)控制夾雜物的成分需要通過控制w、w來實現。不同科學工作者通過熱力學計算和生產實踐提出了w的控制范圍，為控制夾雜物的變形能力提供了依據。在簾線鋼生產中，一般通過造低堿度、低氧化性渣來控制夾雜物成分.王勇等人16利用共存理論計算了-SiO2-Al2O3六元渣系組元的作用濃度，對渣鋼之間的氧化還

16、原反應進行了分析，研究表明：一、精煉過程中w受w、（）聯合控制。w與精煉渣中Al2O3含量以及溫度成正比，與SiO2、含量成反比。二、堿度對含量有一定的影響，堿度越高，含量越高。為了控制w，應選用低堿度、低Al2O3含量的精煉渣。如果精煉渣堿度控制在0.9，Al2O3含量控制在以下，則可以將w控制在610-6以下。三、含量越高，含量越低。從控制w的角度看，適當提高含量有利于降低w。(2)G Bernard 對夾雜物的變形能力與溫度的關系進行了分析研究, 提出在CaO-SiO2-Al2O3 三元系夾雜物中, 鈣斜長(CaO 2SiO2Al2O3)與磷石英和假硅灰石(CaO SiO2)相鄰的周邊低

17、熔點區有良好的變形能力17。該三元系塑性夾雜物的成分范圍大致為w(CaO) :20 % 45 %, w(SiO2) :40 % 70 %, w(Al2O3) :10 % 25 %.即夾雜物中CaO 與SiO2的比值(w(CaO) /w(SiO2) )在0 .5 1.0 之間,w(Al2O3)在10 % 25 %。(3)趙爍18等人在實驗室條件下, 采用高溫鉬絲爐對用45 鋼和重軌鋼熔煉成的簾線鋼進行脫氧和渣鋼平衡試驗, 研究了精煉渣組分對夾雜物形態的影響。研究表明：1)在低堿度條件下, 通過Si 、Mn 脫氧和調整精煉渣中Al2O3 含量來控制鋼液中的Als 和T O 是可行的, 能夠使夾雜物

18、處于塑性區域。2)夾雜物中的Al2O3含量基本是隨著鋼中酸溶鋁的增加而增加。為控制夾雜物中Al2O3 含量處于塑性變形區域, 鋼中酸溶鋁最好低于6 10-6 。通過試驗結果可得, 鋼液中A ls 可由精煉渣堿度來控制。當精煉渣堿度在0.8 1.2 時, Al2O3質量分數控制在10 %以內, 可以使鋼液中的Als 低于6 10-6。3)通過熱力學計算得到, 為形成塑性的CaO-SiO2-Al2O3系非金屬夾雜物, 夾雜物堿度在0.5 1.5 時, 與之對應的鋼液鋁質量分數為0.000 1 %0.0008 %。4)夾雜物中Al2O3 含量隨精煉渣中Al2O3 含量的增加而增加。而且隨精煉渣堿度的增大, 夾雜物Al2O3 含量隨精煉渣Al2O3含量增加而增加的幅度變大。從較易生成塑性夾雜物的角度考慮, 精煉渣堿度應控制在0.8 1.0 。(4)張國興等人19針對高碳簾線鋼對夾雜物的特殊要求, 通過Facstage軟件計算了熔渣各組元的活度,探討了精煉渣的組成。結果表明, 精煉過程中鋼中的Al 含量應當控制在0.5 x 10-6一3 x 10-6 以下,合適的精煉渣組成應當為: 堿度( R= w( CaO)/ w (SiO2) ) =0.7-1.35，w(Al2