轴承钢用精炼渣冶金性能分析
轴承钢的冶炼质量基本要求
轴承钢的冶炼质量基本要求本文源于：滚动轴承的使用寿命和可靠性很大程度上与轴承用钢的冶炼质量有着密切的关系。
由于轴承钢所具有的特性，对冶炼质量的要求比一般工业用钢要严格得多，如钢的化学成分、纯洁度、组织和均匀性等。
一、严格的化学成分要求一般轴承用钢主要是高碳铬轴承钢，即含碳量1％左右，加入1．5％左右的铬，并含有少量的锰、硅元素的过共析钢。
铬可以改善热处理性能、提高淬透性、组织均匀性、回火稳定性，又可以提高钢的防锈性能和磨削性能。
但当铬含量超过1．65％时，淬火后会增加钢中残余奥氏体，降低硬度和尺寸稳定性，增加碳化物的不均匀性，降低钢的冲击韧性和疲劳强度。
为此，高碳铬轴承钢中的含铬量一般控制在1，65％以下。
只有严格控制轴承钢中的化学成分，才能通过热处理工序获得满足轴承性能的组织和硬度。
二、高精度的尺寸要求滚动轴承用钢要求钢材尺寸精度较高，这是因为大部分轴承零件都要经过压力成型。
为了节省材料和提高劳动生产率，绝大部分轴承套圈都是经过锻造成型，钢球是经过冷镦或热轧成型，小尺寸的滚子也是经过冷镦成型。
如果钢材的尺寸精度不高，就无法精确地计算下料尺寸和重量，而不能保证轴承零件的产品质量，也容易造成设备和模具的损坏。
三、特别严格的纯洁度要求钢的纯洁度是指钢中所含非金属夹杂物的多少，纯洁度越高，钢中的非金属夹杂物越少。
轴承钢中的氧化物、硅酸盐等有害夹杂物是导致轴承早期疲劳剥落、显著降低轴承寿命的主要原因。
特别是脆性夹杂物危害最大，由于在加工过程中容易从金属基体上剥落下来，严重影响轴承零件精加工后的表面质量。
因此，为了提高轴承的使用寿命和可靠性，必须降低轴承钢中夹杂物的含量。
四、严格的低倍组织和显微(高倍)组织要求轴承钢的低倍组织是指一般疏松、中心疏松和扁析，显微(高倍)组织包括钢的退火组织、碳化物网状、带状和液析等。
碳化物液析硬而脆，它的危害性与脆性夹杂物相同。
网状碳化物降低钢的冲击韧性，并使之组织不均匀，在淬火时容易变形与开裂。
转炉生产GCr15轴承钢的纯净度分析
本钢采用转炉、精炼（LF+RH）、矩形坯连铸的工艺生产GCr15轴承钢。
在各炼钢工序阶段取样检测非金属夹杂物在数量、形态、成分上的变化，分析GCr15轴承钢的纯净度。
现在日本住友、德国TYSSEN和日本川崎制铁公司先后开发了应用铁水经转炉冶炼GCr15轴承钢的生产工艺，并配合LF钢包精练和RH真空处理工艺提高钢水的纯净度生产GCr15轴承钢。
本钢拥有优良的矿产资源，各种有害杂质都很低，为生产精品钢材提供了保证。
本钢在2005年在炼钢厂新建一台四流矩形坯连铸机，现已经成功试生产了GCr15轴承钢。
为了解GCr15轴承钢在冶炼的各个阶段的纯净度，分别在转炉、LF精炼后、RH真空处理后、中包、连铸坯取样，分析非金属夹杂物的状态。
1.GCr15轴承钢的冶炼工艺工艺路线：铁水预处理→转炉冶炼→LF钢包精练→RH真空循环脱气→矩形坯连铸。
2.GCr15轴承钢冶炼过程钢材纯净度分析2.1转炉冶炼后非金属夹杂物状态转炉冶炼后，在钢水中取样分析非金属夹杂物的状态：分布比较集中，存在较多的大尺寸簇群状非金属夹杂物，少数大尺寸块状非金属夹杂物。
簇群状成分是Al2O3-SiO2，块状夹杂物成分是CaO-Al2O3。
转炉冶炼采用全铁装入及单渣冶炼法，出钢过程中加入石灰、精炼渣对钢包顶渣进行改质处理。
通过夹杂物的检测，非金属夹杂物的尺寸都比较大，处理得不是十分完善。
2.2LF钢包精炼后非金属夹杂物状态LF钢包精炼后，在钢水中取样分析非金属夹杂物的状态：分散分布，少量簇群状非金属夹杂物，个别大尺寸球状非金属夹杂物。
簇群状成分是CaO-Al2O3，球状夹杂物成分是CaO-Al2O3-MgO，其中的Zr元素是从取样器中带来的。
根据定氧值应用造“白渣”工艺调节，精炼后夹杂物有变化，簇群状非金属夹杂物尺寸明显减小，但是由于脱氧产物和炉渣作用生成的复合非金属夹杂物尺寸较大。
精炼过程的夹杂物控制需要提高。
2.3RH真空循环脱气后非金属夹杂物状态RH真空循环脱气后，在钢水中取样分析非金属夹杂物的状态：分散分布，主要以小尺寸非金属夹杂物为主，极个别较大尺寸块状非金属夹杂物。
采用电渣重熔工艺冶炼高质量轴承钢
降低。因此, 我们认为金属熔池的浮升不是夹杂 物被去除的主要过程, 但元素在金属熔池中氧化 生成的夹杂物, 特别是其中的硅酸盐类大颗粒夹 杂物主要是靠金属熔池的浮升来去除。
表 2 结晶速度对夹杂物的评级的影响 T ab le 2 Crystallization rate inf luence on
evaluatin g the inc lu sion grade
!大型铸锻件 ∀ HEAVY CA ST ING AND FORG ING
N o. 3 M ay 2009
表 3 不同渣系下原始电极和 重熔金属的夹杂物评级分析
Tab le 3 O r iginal e lec trode at d ifferen t slag quotiety and the eva luation ana lysis of re m elting m e tal
为此我们进行了试验。首先对熔化电极末端
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!大型铸锻件 ∀ HEAVY CAST ING AND FORG ING
进行了研究。按试验条件 ( 1) 进行冶炼, 通入氩 气保护, 然后突然停电, 将电极迅速提出渣面。用 阳极切割机自中心沿纵向切开电极熔化末端, 用 oberhoffer试剂腐蚀显 示出熔化部分的铸 态结晶 区, 划出熔化和未熔化区分界线, 对全部视场中的 非金属夹杂物进行分析。用比 20 mm 的自耗电 极放大 20倍的相纸将全部非金属夹杂物记录下 来, 计算出熔化区、未熔化区单位面积的夹杂物面 积, 及单位面积夹杂数, 其结果见表 1、图 1。
K ey word s: e lectro slag re m e lting; bea ring stee;l inclusion; m e lting
谈轴承钢及其冶金质量检验
滚 动轴 承 的 Ｔ作条 件极 为复 是 目前 轴承 钢生产 中的两 个并行
标准 。
钢 Ｇ ｒ５ 高 碳 铬 轴 承 钢 Ｇ ｒ５ 杂 ，承 受 着 各种 高 的 交 变 应 力 ， Ｃ ｌ。 Ｃ ｌ 如拉 力 、压力 、剪 力和摩擦 力等 。
高 ，钢 锭浇 铸 及冷却 时 容易 产生 适 应 大批 量 、高 效率 、高质 量 生 开坯前 应 进行 高温 保温 或扩 散退 定 性 ，防止轴 承在 长期 存放 或使 根 据 轴 承 的特 殊 使 用 要 求 ．
此 要求 轴承 钢有 高 而均匀 的硬 碳 和铬 的偏 析 ，所 以轴 承钢 钢锭 产 的需 要 ； 具有 良好 的尺寸稳 要 度 和耐 磨 性 以及 高 的弹性 极 限 ； 另 外 ．对 轴承 钢 的化学 成 分的 均 火 ； 承钢 的导热 性差 ，在 加热 用 中因尺寸变化 而降低精度 轴 匀性 、非 金属 夹杂 物 的含量 和分 时要 防止 炸 裂 ； 承钢 在加热 过 轴
材 料 简喻
该 轴 承谰 及萁冶金质 量裣
Ｉｔ ｄ ｃ ｆ ｅ ｒ ｇＳｅ ｌ ｕ ｌｙａ ｄＭ ｅ ｎｒ ｕ ｅ ａｉ ｔｅ Ｑ ａｉ ｎ ｏ ｏＢ ｎ ｔ
供 稿 ｌ 忠 Ｎｚ ＡＮＧ ｈ ｎ — ｎ 杨 ／ Ｙ Ｚ ｏ ｇｍｉ
轴 承钢 是用 来制 造滚 珠 、滚 轴 承 钢的 材料特 性 主要 表现 在 以 腐蚀性 能 ； 要有 良好 的］ 艺性 能 ， ： 柱 和轴 承套 圈 的钢种 。轴 承在 ］ － 作时 承受 着极大的压力和摩擦 力 ， 下方 面 ：由于轴 承钢 的 含碳量 较 如 成 型 、切 削 、磨 削 等性 能 ，以
精炼渣系对钢中夹杂物的影响
精炼渣系对钢中夹杂物的影响摘要：本文分析了轴承钢冶炼过程中夹杂物控制存在的问题；轴承钢中最有害的夹杂物是大尺寸的以脱氧产物Ａl２Ｏ３为核心的复合氧化物或氧硫氮复合物。
合理控制初炼炉终点碳含量、选择合适的脱氧剂提高脱氧能力或使夹杂物变性、优化精炼渣成分提高其吸收夹杂物的能力、优化熔炼工艺减少大尺寸夹杂物并改善其在钢中的分布是当前降低轴承钢中氧化物夹杂的措施。
关键词：电渣重熔；精炼渣；曲轴钢一、轴承钢夹杂物控制存在的问题在控制好钢中主要合金元素化学成分的情况下，轴承钢的冶炼质量主要受钢液洁净度和铸态钢组织的控制。
为此，需要优化轴承钢的精炼工艺以降低钢中杂质元素的含量、减小夹杂物尺寸、控制夹杂物的形状、改善夹杂物在钢中的分布；同时，通过改进铸造工艺制度来提高铸坯质量。
目前，国内轴承钢夹杂物及铸坯质量控制存在的主要问题表现在如下。
1、钢液洁净度水平不高。
对轴承钢而言，钢中的氧含量一般要求低于10×10－4％（质量分数，下同），最大夹杂物尺寸低于15μｍ［1］。
和国际先进水平相比，国内轴承钢中的杂质元素含量及夹杂物级别都存在一定差距，如日本神户钢铁公司轴承钢氧含量控制在4×10－4％，而大冶特钢的高品质轴承钢氧含量在6.5×10－4％～6.7×10－4％。
2、精炼、浇铸工艺有待进一步优化。
我国轴承钢生产先进企业在熔炼设备与瑞典、日本等国家先进企业的差距较小，但熔炼及浇铸工艺需要进一步改善。
如日本先进企业已采用彻底除去电炉渣、ＬＦ双透气砖底吹搅拌、ＲＨ环流管扩径等措施。
高碳铬轴承钢中的碳含量较高，在采用连铸生产时容易产生碳元素偏析。
兴澄特钢采用100ｔＥＡＦ初炼＋100ｔＬＦ（钢包炉）精炼＋100ｔＶＤ脱气＋（300ｍｍ×340ｍｍ）ＣＣ（边铸）工艺生产轴承钢，经结晶器电磁搅拌之后，连铸坯碳偏析指数小于1.14；连铸过程中相关的轻压下、分段电磁搅拌技术在国内应用很少，国外则多采用这些辅助装置来改善铸坯的均匀性。
精炼渣组分对轴承钢钢液组分的影响
第45卷 第4期华北理工大学学报(自然科学版)V o l .45 N o .42023年10月J o u r n a l o fN o r t hC h i n aU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y (N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n )O c t .2023收稿日期:2023-03-17 修回日期:2023-09-27基金项目:高等学校科学技术研究项目重点项目(Z D 2019001),唐山市重点研发计划项(19140255F )㊂ 第一作者:白少勋,男,硕士研究生㊂E -m a i l :b a i s h a o x u n 98@163.c o m.通讯作者:曾亚南,男,博士,副教授㊂研究方向:炼钢新技术㊂E -m a i l :z e n g ya n a n n @126.c o m. D O I :10.3969/j.i s s n .2095-2716.2023.04.015文章编号:2095-2716(2023)04-0114-07精炼渣组分对轴承钢钢液组分的影响白少勋,曾亚南,宁鑫,唐国章(华北理工大学冶金与能源学院,河北唐山063210)关键词:G C r 15轴承钢;F a c t S a ge ;精炼渣;钢液组分;热力学摘 要:以G C r 15轴承钢为研究对象,设计了C a O -M g O -S i O 2-A l 2O 3-F e O 五元渣系,采用了F a c t S a g e 软件的E qu i l i b 板块,研究了不同精炼渣组分对钢液中钙镁铝氧元素含量的影响规律㊂其中钢液中钙镁铝氧元素含量变化范围为2.59*10-4%ɤ[C a ]ɤ4.53*10-4%㊁6.33*10-4%ɤ[M g ]ɤ10.35*10-4%,3.48*10-2%ɤ[A l ]ɤ7.93*10-2%㊁5.40*10-4%ɤ[O ]ɤ6.21*10-4%㊂通过分析可知,精炼渣中碱度对钢液组分的影响最大,且主要影响钙镁氧元素的含量;其中随着碱度的增加,钢液中钙镁元素含量逐渐增加,分别由2.59p p m 增加到4.53p pm ㊁6.33p p m 增加到10.35p p m ㊂精炼渣中M g O 含量对钢液组分影响次之,渣中A l 2O 3含量以及F e O 含量对钢液组分影响最小㊂中图分类号:T G 142.1+3 文献标识码:A引言G C r 15轴承钢作为当代洁净钢的代表钢种之一,主要用于航空发动机轴承㊁大型薄板轧机设备用轴承㊁风力发电装备用轴承等方面,在钢生产中占据重要地位[1]㊂随着社会的发展,对其质量要求越来越高,然而钢中的非金属夹杂物严重降低了轴承钢的疲劳寿命,影响其钢质量[2-4]㊂研究结果表明,轴承钢的疲劳寿命基本取决于夹杂物的含量,且含量越高,疲劳寿命越低[5]㊂由于夹杂物的组成与钢液的组分息息相关,D E N G [6]等人研究炉渣碱度对渣组分作用的浓度的影响规律,发现随着碱度的增加,渣中氧化铝和二氧化硅的作用浓度不断降低,氧化镁的作用浓度先增加后降低,钢中氧含量不断降低㊂张倩[7]等人的研究结果表明,随着精炼渣碱度的增加,钢液中钙镁元素含量逐渐增加;姜周华[8]等人的研究结果显示,精炼渣碱度使得钢中全氧含量降低,且精炼渣组分直接影响着夹杂物的平均组分㊂付国强[9]等人模拟了四元渣系的渣金反应,发现精炼渣的碱度对钢液组分的影响相对较大㊂孙伟[10]等人的研究结果表明,当轴承钢中铝含量在0.025%时,只要钢中的镁含量高于0.63p p m ,就可以达到对氧化铝改性的作用;J o oH yu nP A R K [11]等人表示当钢液中的钙元素含量高于2p p m 时,就可以影响尖晶石夹杂的稳定,使其由固态夹杂改性为液态夹杂㊂该研究根据实验室的坩埚大小的实际情况,设计了合适C a O -M g O -S i O 2-A l 2O 3-F e O 五元渣系以及钢渣配比,运用F a c t S a g e 软件,研究了不同精炼渣组分对钢液中钙镁铝氧元素含量的影响规律,为计算精炼渣组分对轴承钢中夹杂物生成的热力学行为提供准确的理论指导㊂1试验1.1 试验材料试验采用某厂的G C r 15轴承钢料,具体组分如表1所示;精炼渣系为五元渣系,通过彭波[12,13,14]等人对精炼渣冶金性能的研究,并根据实验室的坩埚情况,确定五元渣系C a O -M g O -S i O 2-A l 2O 3-F e O 的组分如表2所示,且精炼渣均由纯化学试剂配制而成㊂试验所用原料:G C r 15轴承钢1600g ,渣量40g ,铝粒2.46g(钢渣总量的0.15%)㊂表1 G C r 15轴承钢成分表/%元素CS iM nPSC rA l成分0.910.170.330.010.0011.450.027表2 精炼渣组分项目碱度M g O /%A l 2O 3/%F e O /%范围3~75~922~300.4~1.2参考值57260.8步长1120.21.2 模拟方案运用F a c t S a g e 软件的E qu i l i b 板块,选取数据库为F a c t P S ㊁F T o x i d 和F S s t e l ,采用控制变量的方法,对1600ħ不同精炼渣组分下的渣金反应进行模拟计算,研究精炼渣碱度㊁M g O 含量㊁A l 2O 3含量以及Fe O 含量对轴承钢中[C a ]㊁[M g]㊁[A l ]㊁[O ]成分的影响规律㊂2结果与分析图1 精炼渣碱度对钢液组分的影响511 第4期 白少勋,等:精炼渣组分对轴承钢钢液组分的影响611华北理工大学学报(自然科学版)第45卷2.1精炼渣碱度对钢液组分的影响在研究碱度对钢液组分含量影响时,确定精炼渣中w(A l2O3)=26%,w(M g O)=7%,w(F e O)=0.8%,碱度变化范围为3~7,步长为1㊂通过控制变量法,运用F a c t S a g e软件模拟1600ħ的渣金反应,计算结果如图(1)所示㊂由图1(a)发现,随着精炼渣碱度由3增加7,钢液中的[C a]含量逐渐增加,由2.59p p m增加到4.53p p m,且在碱度大于5时,变化逐渐趋于平缓㊂这是由于随着碱度的增加,渣中氧化钙的活度逐渐增加,导致[C a]含量也随之逐渐增加;由图1(b)发现,随着精炼渣碱度由3增加到7,钢液中[M g]含量逐渐增加,由6.33p p m增加到10.35p p m,通过计算可以发现碱度的增加使得渣中氧化镁的活度增加,进而使得钢液中镁元素含量也逐渐增加;由图1(c)发现,随着精炼渣碱度的增加,a(A l2O3)活度增加,使得钢液中[A l]含量逐渐增加㊂由图1(d)发现,可随着精炼渣碱度由3增加到7,钢中的氧含量呈现出先增加后逐渐降低的趋势㊂其中在碱度由3增加到4,氧含量处于增加阶段,氧含量由5.4p p m增加到6.21p p m;这是由于在钢中氧含量相对较低时,精炼渣会向钢液中供氧以保持反应平衡,所以氧含量略微升高;碱度由4增加到7时,氧含量处于降低阶段,氧含量由6.21p p m降低到6.12p p m;这是由于精炼渣碱度的增加使得A l2O3活度降低,促进A l-O反应向生成A l2O3的方向进行,使得氧含量逐渐降低㊂综上可以看出,随着碱度由3增加到7,钢液中C a㊁M g㊁O元素变化较明显,而铝元素含量变化相对较小㊂2.2精炼渣中M g O含量对钢液组分的影响在研究精炼渣中氧化镁含量对钢液组分含量影响时,确定精炼渣中R=5,w(A l2O3)=26%,w(F e O)= 0.8%,w(M g O)%变化范围为5%~9%,步长为1%㊂通过控制变量法,运用F a c t S a g e软件模拟1600ħ的渣金反应,计算结果如图(2)所示㊂图2精炼渣中M g O含量对钢液组分的影响由图2(a)可知,随着精炼渣中氧化镁含量由5%增加到9%,渣中氧化钙的活度降低,使得钢液中的[C a ]含量逐渐降低,由4.55p p m 降低到4.51p pm ,其中在精炼渣中氧化镁含量大于5%时,钢液中钙元素含量变化不明显㊂由图2(b )可知,随着精炼渣中氧化镁含量的增加,钢液中的镁元素含量逐渐增加后趋于平缓,其中在氧化镁由5%增加到8%时,镁含量处于增加阶段,由7.57p p m 增加到9.66p p m ;这是由于渣中氧化镁含量的增加,使得氧化镁活度增加,使得钢液中镁元素含量逐渐增加;氧化镁含量由8%增加到9%时,钢液中镁元素含量虽然呈现出增加趋势,但是变化不大,这主要是由于钢中镁元素含量达到饱和状态所致㊂由图2(c )可知,随着精炼渣中氧化镁含量由5%增加到9%,钢液中铝元素含量呈现出逐渐增加的趋势,其中氧化镁含量由5%增加到6%,钢液中铝元素含量变化不大;在氧化镁含量由6%增加到9%时,钢液中铝元素含量变化较明显㊂由图2(d )可知,随着氧化镁含量的增加,钢中的氧含量呈现出逐渐增加后趋于平缓的趋势㊂其中在氧化镁含量由5%增加到7%时,钢液中氧含量呈现出逐渐增加的趋势,且变化较明显,其含量由5.44p p m 增加到6.20p p m ;在氧化镁含量大于7%时,氧含量变化不明显,大约在6.2p p m 左右㊂综上所述可以看出,随着精炼渣中氧化镁含量5%增加到9%,钢液中镁元素含量变化较明显,钢液中钙铝氧元素含量变化相对较小㊂2.3 精炼渣中A l 2O 3含量对钢液组分的影响在研究精炼渣中氧化铝含量对钢液组分含量影响时,确定精炼渣中R=5,w (M gO )=7%,w (F e O )=0.8%,w (A l 2O 3)%变化范围为22%~30%,步长为2%㊂通过控制变量法,运用F a c t S a g e 软件模拟1600ħ的渣金反应,计算结果如图(3)所示㊂图3 精炼渣中A l 2O 3含量对钢液组分的影响711 第4期 白少勋,等:精炼渣组分对轴承钢钢液组分的影响811华北理工大学学报(自然科学版)第45卷由图3(a)可以发现,随着氧化铝含量的增加,钢液中钙元素含量逐渐降低;其中氧化铝含量由22%增加到28%,钢液中钙元素含量变化不明显;在氧化铝含量大于28%时,钢液中钙元素含量下降比较明显,由4. 51p p m降低到4.09p p m;这是由于钢液中镁元素会抑制钙铝酸盐夹杂的生成,在氧化铝含量大于28%时,钢中镁元素含量降低,促进了钙铝酸盐的生成,使得钢液中钙元素含量逐渐降低且变化明显㊂由图3(b)可知,随着氧化铝含量逐渐增加,钢液中镁元素含量呈现出先逐渐增加后降低的趋势;其中在氧化铝含量由22%增加到28%时,钢液中镁元素变化不明显;在氧化铝含量大于28%时,这是由于随着氧化铝增加,氧化镁的活度逐渐降低,使得镁含量有所降低,且变化不明显,由9.73p p m降低到9.38p p m;由图3(c)可以发现,随着氧化铝含量由22%增加到30%,氧化铝的活度逐渐增加,导致钢液中铝元素含量逐渐升高㊂由图3 (d)可以发现,随着氧化铝含量的增加,钢中氧含量逐渐降低,但是变化不明显㊂这是由于随着氧化铝含量的增加,钢中铝含量活度增加,使得A l-O反应向氧含量低的方向进行,所以氧含量降低;综上所示,随着氧化铝含量由22%增加到30%,钢液中铝元素含量变化相对较大,钙镁氧元素含量变化相对不明显㊂2.4精炼渣中F e O含量对钢液组分的影响在研究精炼渣中氧化亚铁含量对钢液组分含量影响时,确定精炼渣中R=5,w(M g O)=7%,w(A l2O3) =26%,w(F e O)%变化范围为0.4%~1.2%,步长为0.2%㊂通过控制变量法,运用F a c t S a g e软件模拟1 600ħ的渣金反应,计算结果如图(4)所示㊂图4精炼渣中F e O含量对钢液组分的影响由图4(a)发现随着精炼渣中F e O含量由0.4%增加到1.2%,钢中钙元素含量逐渐降低,但是变化不明显,大约在4.51p p m左右;这是由于随着精炼渣中F e O对钢液由㊁有供氧作用,使得钢液中的钙元素与氧结合造成钙元素含量降低㊂由图4(b )发现随着精炼渣中F e O 含量由0.4%增加到1.2%,钢中镁元素含量逐渐降低,但是变化不明显,由9.66p p m 降低到9.60p p m ;这是由于随着精炼渣中F e O 对钢液有供氧作用,使得钢液中的镁元素与氧结合造成镁元素含量降低㊂由图4(c )发现随着精炼渣中F e O 含量由0.4%增加到1.2%,钢中铝元素含量逐渐降低,但是变化不明显;这是由于随着精炼渣中F e O 对钢液有供氧作用,使得钢液中的铝元素与氧结合造成铝元素含量降低㊂由图4(d )发现随着精炼渣中F e O 含量由0.4%增加到1.2%,钢中氧元素含量逐渐增加,但是变化不明显;虽然精炼中F e O 对钢液有供氧作用,但是由于钙镁铝元素与氧元素的结合,使得钢中氧元素含量增加不明显㊂3结论(1)元素含量变化范围如下:2.59*10-4%ɤ[C a ]ɤ4.53*10-4%㊁6.33*10-4%ɤ[M g]ɤ10.35*10-4%㊁3.48*10-2%ɤ[A l ]ɤ7.93*10-2%㊁5.40*10-4%ɤ[O ]ɤ6.21*10-4%㊂(2)精炼渣碱度对钢液组分影响最大,且主要影响钢液中钙㊁镁㊁氧元素含量;且随着碱度的增加,钢中的钙镁元素含量逐渐增加,氧元素先增加后逐渐降低㊂(3)精炼渣中氧化镁含量对钢液组分影响次之;精炼渣中氧化铝以及氧化亚铁含量对钢液组分影响最小㊂参考文献:[1] 李昭昆,雷建中,徐海峰,等.国内外轴承钢的现状与发展趋势[J ].钢铁研究学报,2016,28(03):1-12.[2] 吕子宇,顾超,包燕平.轴承钢中不同成分钙铝酸盐类夹杂物对疲劳性能的影响[J ].现代交通与冶金材料,2022,2(03):36-40+50.[3] 肖微.基于非铝脱氧的G C r 15轴承钢关键工艺与夹杂物控制研究[D ].北京:北京科技大学,2022.[4] 顾超,王仲亮,肖微,等.高疲劳寿命轴承钢洁净度现状及研究进展[J ].工程科学学报,2021,43(03):299-310.[5] 徐迎铁,陈兆平,杨宝权.轴承钢D s 类大颗粒夹杂物研究[J ].炼钢,2016,32(04):49-53.[6] D E N GZ h i -y i n ,Z HU M i a o -y o n g ,Z H O N GB a o -j u n ,e t .a l .E f f e c t o f B a s i c i t y o nD e o x i d a t i o nC a p a b i l i t y o f R e f i n i n g S l a g[J ].J o u r n a l o f I r o n a n dS t e e l .2013,20(2):21-26.[7] 精炼过程点状夹杂物的形成与控制[D ].西安:西安建筑科技大学,2015.[8] 姜周华,李阳,姜茂发等.精炼渣成分对钢中夹杂物影响的实验研究[C ]//中国金属学会.中国金属学会2003中国钢铁年会论文集(3).冶金工业出版社,2003:248-252.[9] 付国强,曾亚南,李俊国,等.G C r 15轴承钢精炼渣与钢液组分间平衡热力学研究[J ].上海金属,2017,39(04):80-84.[10] 孙伟,王静松,曹立军,等.镁处理对轴承钢中夹杂物变性的热力学分析[J ].炼钢,2010,26(06):41-43+48.[11] P a r k ,J o oH y u n ,H i d e k a z uT o d o r o k i ."C o n t r o l o fM g O ㊃A l 2O 3sp i n e l i n c l u s i o n s i ns t a i n l e s s s t e e l s .[J ]I S I J i n t e r n a t i o n a l ,2010,50(10):1333-1346.[12] 彭波,刘丽丽,温瀚.轴承钢用精炼渣冶金性能分析[J ].山东冶金,2013,35(02):38-40.[13] 高瑞林.L F 炉精炼用渣冶金性能研究[J ].价值工程,2010,29(18):227.[14] 邓志银,朱苗勇,钟保军,等.不同碱度精炼渣的冶金性能[J ].东北大学学报(自然科学版),2012,33(04):555-558.911 第4期 白少勋,等:精炼渣组分对轴承钢钢液组分的影响021华北理工大学学报(自然科学版)第45卷E f f e c t o fR e f i n i n g S l a g C o m p o s i t i o no nS t e e l C o m p o s i t i o no fB e a r i n g S t e e lB A I S h a o-x u n,Z E N G Y a-n a n,N I N G X i n,T A N G G u o-z h a n g(C o l l e g e o fM e t a l l u r g y a n dE n e r g y,N o r t hC h i n aU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,T a n g s h a nH e b e i063210,C h i n a) K e y w o r d s:G C r15b e a r i n g s t e e l;F a c t S a g e;r e f i n i n g s l a g;c o m p o s i t i o no f s t e e l;t h e r m o d y n a m i c sA b s t r a c t:T a k i n g G C r15b e a r i n g s t e e l a s t h e r e s e a r c ho b j e c t,t h e f i v e c o m p o n e n t s l a g s y s t e mo f C a O-M g O-S i O2-A l2O3-F e O w a s d e s i g n e d,a n d t h eE q u i l i b p l a t e o f F a c t S a g e s o f t w a r ew a s u s e d t o s t u d y t h e i n f l u e n c e o f d i f f e r e n tr e f i n i n g s l a g c o m p o n e n t so nt h ec o n t e n to fc a l c i u m,m a g n e s i u m,a l u m i n u m a n do x y g e ni n m o l t e n s t e e l.T h e v a r i a t i o n r a n g e o f c a l c i u m m a g n e s i u ma l u m i n u mo x i d e c o n t e n t i nm o l t e n s t e e l i s2.59* 10-4%ɤ[C a]ɤ4.53*10-4%,6.33*10-4%ɤ[M g]ɤ10.35*10-4%,3.48*10-2%ɤ[A l]ɤ7. 93*10-2%,5.40*10-4%ɤ[O]ɤ6.21*10-4%.T h e r e s u l t s h o w s t h a t t h e a l k a l i n i t y o f r e f i n i n g s l a g h a s t h e g r e a t e s t i n f l u e n c e o n t h e c o m p o s i t i o no fm o l t e ns t e e l,a n d m a i n l y a f f e c t s t h e c o n t e n t o f c a l c i u m, m a g n e s i u ma n d o x y g e n e l e m e n t s;W i t h t h e i n c r e a s e o f a l k a l i n i t y,t h e c o n t e n t o f c a l c i u ma n dm a g n e s i u mi n m o l t e n s t e e l i n c r e a s e s g r a d u a l l y f r o m2.59p p mt o4.53p p ma n d6.33p p mt o10.35p p mr e s p e c t i v e l y.T h e c o n t e n t o fM g Oi n r e f i n i n g s l a g h a s t h e s e c o n d e f f e c t o n t h e c o m p o s i t i o n o fm o l t e n s t e e l,w h i l e t h e c o n t e n t o fA l2O3a n dF e Oi n r e f i n i n g s l a g h a s t h e l e a s t e f f e c t o n t h e c o m p o s i t i o no fm o l t e n s t e e l.。
轴承钢,氧含量,电渣熔炼
轴承钢,氧含量,电渣熔炼轴承钢是一种重要的特种钢材，广泛应用于机械装备和工业领域。
它具有高强度、耐磨性、耐高温等优点，在各个行业都扮演着重要的角色。
而在轴承钢的生产过程中，氧含量是一个关键的指标，而电渣熔炼技术是降低氧含量的有效方法。
轴承钢中的氧含量对其性能有着重要的影响。
高氧含量会使钢材中的氧化物增多，降低钢材的韧性和强度，进而降低轴承钢的使用寿命。
因此，控制氧含量是确保轴承钢质量的关键步骤。
其中，电弧熔炼技术是目前广泛应用于轴承钢生产中的一种重要方法。
电弧熔炼是利用电弧的高温和强热效应，将金属材料融化并分离出杂质的过程。
在电弧熔炼中，通过调整电流和电压的参数，可以使电弧的温度、强度和位置得到控制，从而实现钢材中氧含量的降低。
在电弧熔炼的过程中，熔体中的氧化物会受到电弧的作用而还原，并随着电弧的温度升高被气体从熔体中扫除，从而达到降低氧含量的目的。
电弧熔炼技术在轴承钢生产中有着广泛的应用。
通过电弧熔炼技术，可以精确控制熔池温度和保持时间，从而实现对氧含量的精确控制。
此外，电弧熔炼技术还具有融化速度快、操作简便、能耗低等优点，为轴承钢的生产提供了便利。
因此，电弧熔炼技术被广泛应用于轴承钢生产中，成为降低氧含量的重要方法。
然而，在使用电弧熔炼技术时需要注意一些问题。
首先，要合理选择电弧熔炼设备，确保电弧的强度和温度能够满足轴承钢生产的要求。
其次，要合理控制电弧的参数，包括电流、电压和电弧位置等，从而实现对氧含量的精确调控。
最后，要加强对电弧熔炼技术的操作培训和质量控制，提高操作人员的技术素质和质量意识，确保轴承钢生产的质量。
综上所述，轴承钢中的氧含量是影响其质量和性能的关键因素，而电弧熔炼技术是降低氧含量的重要方法。
通过合理选择设备、控制参数和加强操作培训，可以有效地利用电弧熔炼技术来生产高质量的轴承钢。
在未来的轴承钢生产中，我们应进一步研究和发展电弧熔炼技术，提升其效率和可控性，为轴承钢的生产提供更好的技术支持。
轴承钢夹杂物控制及成因分析
•搅拌时间与夹杂物数目及粒度分布
0.06
钢中夹杂物控制
夹 杂 物 数 目 （ mm 2 ）
0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0 2.8-5.6 5.6-11.2 11.222.4 ＞22.4 长搅拌时间 短搅拌时间
夹杂物粒度( μ m)
图12
气体搅拌时间与夹杂物 数量及粒度分布的影响
[Ti]含量控制
出钢过程下渣量中Ti的还原： 出钢过程主要加入Al、C、Si、Mn、Cr。
[Ti]含量控制
在出钢温度下，只有 Al能还原渣中的Ti。 即出钢过程如果用 Al脱氧，则下渣中 的（TiO2） 能被Al 还原进入钢液。
图1 氧化物标准生成自由能随温度的变化
[Ti]含量控制
LF精炼过程（TiO2） 的还原 铝还原（TiO2）的反应： 4[Al]+3（TiO2）=3[Ti]+2（Al2O3） （2） 在1800oC高温下，碳还原TiO2的反应： （TiO2）+[C]=（TiO）+CO （3） （TiO2）+[C]=[TiC]+CO （4） 在＞1850oC高温下，碳还原TiO2的反应： 2[C]+（TiO2）=[Ti]+2CO （5） 上述反应表明：如果在低温下，能先除去初炼炉的下渣 量，再用Al、C进行脱氧还原，就能减少（TiO2） 的 还原。
钢中夹杂物控制
浇注工艺参数控制 提高浇注系统用耐火材料的质量档次， 提高中包抗侵蚀、抗冲刷的能力，减少 外来夹杂物。 严格按工艺要求砌筑浇注系统，保证浇 注系统清洁、充分烘烤、干燥并保持至 浇注。
钢中夹杂物控制
浇注工艺参数控制 采用氩封保护浇注，防止二次氧化形成 大颗粒族状Al2O3夹杂物。
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轴承钢用精炼渣冶金性能分析
1、前言
（壹佰钢铁网推荐）高质量的轴承钢要求高的纯净度和组织均匀，即杂质元素和非金属夹杂少，碳化物细小且分布均匀。
精炼渣具有脱氧、脱硫、去夹杂的作用，其性质直接影响LF精炼过程的冶金效果。
当碱性还原渣同钢液密切接触时，钢液中实际的氧、硫的数值大于同渣平衡的氧、硫的数值，使钢液中的氧和硫向渣中扩散；精炼渣中CaO、Al2O3等成分能够与Si、Al、Mn等的脱氧产物结合成低熔点的化合物，从而降低脱氧产物的活度，强化脱氧反应；由于精炼渣均由氧化物组成，氧化物之间的界面张力小，易于结合成低熔点化合物，而钢液与脱氧产物间的界面张力大于渣和脱氧产物之间的界面张力，精炼渣可以吸收脱氧产物，使脱氧产物容易从钢液中排除。
此外，精炼渣融化后形成泡沫渣，渣层覆盖钢液，可有效防止气体吸入，且有利于埋弧操作，减轻电弧对钢包内衬和钢包盖的损害，提高热效率。
因此，研究精炼渣成分变化及其对钢洁净度的影响，对LF精炼作用的充分发挥具有重要意义。
要对轴承钢中夹杂物进行控制，首先要对钢中夹杂物的种类、形貌进行定性分析。
根据精炼工艺可知：钢中可能存在A类硫化物夹杂、B类氧化铝夹杂、C类铝酸钙复合夹杂物以及镁铝尖晶石和氮化钛夹杂等。
由于全程采用沉淀脱氧工艺，炉渣对脱氧产物（主要是氧化铝）的吸附作用尤为重要，通过氩气弱搅拌等手段可改善夹杂物上浮的动力学条件，但是如果熔渣本身吸收夹杂物的性能不好，使得夹杂物不能从钢水中彻底分离，会恶化轴承钢的机械性能。
因此，精炼渣的组成、性质直接影响轴承钢的使用性能。
本研究系统地讨论精炼渣成渣工艺和组成对成渣过程的影响作用规律，并对精炼渣的碱度和脱硫效果进行系统探讨，获得能够有效去除钢中硫和氧化物夹渣的精炼渣系。
2、生产工艺对精炼成渣的影响
2.1、精炼渣组成
传统的轴承钢精炼渣系主要是以CaO-Al2O3和CaO-SiO2-Al2O3的高碱度精炼渣系为主。
由CaO-Al2O3二元相图可知：渣中存在低熔点的化合物12CaO·7Al2O3，可通过调节精炼渣中Al2O3含量降低熔渣的熔点，改善合成渣精炼的动力学条件。
SiO2属于酸性氧化物，不利于精炼渣脱硫，但SiO2对熔渣的泡沫化性能有较大的影响。
由CaO-Al2O3二元系和CaO-SiO2-Al2O3三元系表面张力图可知，SiO2属表面活性物质，其含量增加可降低表面张力，促进发泡，增加渣膜的弹性和强度。
在轴承钢GCr15的试制过程中，精炼渣的组成如表1所示。
2.2、生产工艺对渣成分的影响
生产轴承钢GCr15精炼过程采用三元精炼渣系，分别采取LD+LF+CC和LD+LF+VD+CC两种工艺生产。
本研究以精炼渣系中的3种主要成分为研究对象，探讨其在精炼过程中的变化规律。
图1是不同成渣工艺路线从炼钢出钢到精炼结束过程中渣样成分变化规律。
图2是不同成渣工艺路线精炼过程二元碱度的变化规律。
从两种工艺路线来看，成渣的过程基本一致。
主要分为两个阶段：
第1阶段从转炉出钢到精炼站之前，转炉冶炼采用高拉补吹操作，终点渣的碱度控制在3~3.5左右。
出钢时采用挡渣塞挡渣出钢，出钢过程加入脱氧剂脱氧和合金化，并在炉后加入二元合成渣进行渣洗，以防止回磷。
由于二元渣的加入，渣中CaO含量略有增加；转炉吹炼过程中未用含铝氧化物化渣，出钢渣的Al2O3含量不高；炼钢结束用铝镇定，渣中的Al2O3有所增加；利用硅铁锰铁进行合金化，渣中的SiO2含量有所提高。
第2阶段为钢包精炼炉造渣过程，此过程中加入了合成渣、埋弧渣以及渣脱氧剂铝和电石。
在此过程中，渣中SiO2和Al2O3的含量会有明显的降低。
一方面在精炼过程中加入的脱氧剂铝会将渣中的SiO2还原，钢水会有不同程度的增硅现象；另一方面，主要是精炼过程中加入渣料，稀释了渣中SiO2和Al2O3的浓度。
造渣过程前10min内形成白渣，精炼结束后控制终渣碱度为4.5~5.0。
高碱度、流动性好、氧化性低的钢渣，利于钢渣界面反应，最大程度去除钢中的氧，并使钢中氧化物夹杂上浮，被精炼渣所吸收，提高钢水的纯净度。
轴承钢从转炉出钢到精炼结束的成渣路线如图1所示。
由图1可知：CaO在此过程含量基本维持不变；SiO2的含量是减少的，这是由于钢水中有较多的酸溶铝的缘故；而渣中Al2O3含量是略有增加的，一方面随着钢包处理时间的延长，大颗粒夹杂物有充足的时间上浮，另一方面精炼结束后对钢水进行弱搅拌，使细小的夹杂物能相互碰撞长大，上浮后被精炼渣所吸附，最后对钢水进行钙处理，使Al2O3系夹杂物得到变性，有效避免堵水口情况的发生，保证生产的稳定顺行。
2.3、精炼过程碱度的变化规律
精炼渣应具有吸收脱氧产物Al2O3夹杂的能力，以便在钢液进行吹氩搅拌过程中最大限度地降低氧化物夹杂的数量。
以日本山阳工艺为代表的高碱度（R=4.5）渣系精炼轴承钢，硫以及Al2O3夹杂含量都降到了很低的程度。
轴承钢精炼过程碱度的变化见图2，以二元碱度为例，由图2可知：LD+LF+CC工艺，到达精炼站的碱度在3左右，精炼造渣过程碱度上升很快，精炼结束后的碱度维持在4~5之间；而LD+LF+VD+CC工艺精炼过程的碱度能达到6~7的水平，经真空脱气后，二元碱度略有下降，最后基本也在4左右。
3、精炼渣脱硫效果
合成渣配合埋弧渣一起使用，造渣过程埋弧效果好，大大提高了LF炉的热效率，造渣10min后，基本形成了w（FeO+MnO）＜1%的渣系，且碱度较高，满足了脱硫的热力学条件，获得了良好的脱硫效果（见表2）。
从表2可以看出：在平均吨钢用量为9.31kg 合成渣和2.79kg埋弧渣的条件下，脱硫率达到80%左右，尤其在造渣开始的10min内，脱硫效果明显，脱硫率达75%左右。
注：S1、S2、S3、S4分别表示转炉出钢时、精炼前、精炼10min后及精炼完成时的硫含量；η12、η14分别表示出钢到精炼前及出钢到精炼完成的脱硫率。
4、轴承钢中的氧含量
氧含量是衡量轴承钢质量水平的一个重要指标，对于铝脱氧的轴承钢而言，要求钢液中的溶解氧含量＜2×10-6。
因此，去除钢液中氧化物夹杂物就显得尤为重要。
轴承钢中的全氧包括溶解氧和夹杂物中的氧，故从两方面来讨论氧的去除。
一方面，钢液中氧通过扩散进入精炼渣，因此要保证钢渣氧化性低，只有钢渣之间具有一定的氧势差，钢中的氧才能不断地向渣中扩散。
精炼渣中的氧主要以FeO和MnO的形式存在，在轴承钢精炼过程的不同时期，取渣样，采用化学分析法分析各组分含量，FeO和MnO两者之和变化规律如图3所示。
结果表明：在造渣过程中，由于脱氧剂的加入，渣中氧急剧下降，还原渣形成后，渣中氧稳定在1%左右。
图3：不同生产工艺精炼渣中FeO+MnO含量另一方面，通过以上工艺可知：精炼过程尽早形成流动性较好的高碱度白渣，吸收钢液中的非金属夹杂物（主要是Al2O3），并且在生产过程中，尽量保证精炼后期有足够的吹氩去除非金属夹杂物的操作时间，以使轴承钢轧材上的全氧含量较低，提高轴承钢的抗疲劳寿命。
经过此改进工艺冶炼后的轴承钢，钢材上全氧含量均＜12×10-6，最低的全氧含量为5×10-6，完全能满足轴承钢的生产要求。
5、结论
5.1、根据精炼设备条件，制定符合轴承钢生产的两种精炼工艺路线（LD+LF+CC 和LD+LF+VD+CC）；精炼过程选用CaO-SiO2-Al2O3三元精炼渣系，并给出了精炼渣系的
组成范围；在精炼过程中各组分的变化规律是，CaO含量基本维持不变，SiO2的含量略有减少，而Al2O3含量稍有增加；采用LD-LF-CC和LD-LF-VD-CC工艺均能生产出合格的产品。
5.2、精炼过程中，碱度逐渐升高，精炼结束后，终渣碱度维持在4.5~5.0；在吨钢用量9.31kg合成渣和2.79kg埋弧渣的条件下，精炼渣脱硫率达到80%。
5.3CaO-SiO2-Al2O3精炼渣系能够较好地去除钢中的游离氧及氧化物夹杂，钢材中的全氧含量低于12×10-6。
（注:该文中的图表请参见原创）（壹佰钢铁网推荐）。