轴承钢夹杂物控制及成因分析

轴承钢夹杂物控制
冶炼工艺流程
LF炉
偏心底出钢电炉

VD炉 连铸
轴承钢内在冶金质量
[Ti]含量 [O]含量 [N]含量 [H]含量 高倍夹杂物

[Ti]含量控制

初炼炉[Ti]的氧化：
[Ti]+2[O]= TiO2 （1） 1600oC下，[Ti%]×[O%]2=2.8×10-6 当终点[Ti]≤0.0008%时，钢液终点平衡 [O]≥0.0591%，此时，平衡[C]≤0.042%。
图9
夹杂物粒度分布（ μ m） 二次加 Al量对夹杂物数量及粒度分布影响
钢中夹杂物控制

真空脱气对夹杂物粒度分布的影响
夹杂物粒度分布（%）
40 30 20 10 0 1-2 2-3 3-4 4-5 5-6 6-7 7-8 8-9 9-10 真空脱气后 真空脱气前
真空处理后小尺寸 和大尺寸夹杂 物数量明显减 少，中间尺寸 夹杂物数量变 化不大。
夹杂物粒度（μm） 图10 真空脱气对夹杂物粒度分布的影响
钢中夹杂物控制
氩气泡对夹杂物的浮选作用
夹杂物与气泡的碰撞概率(%)
10 50um 1 夹杂物尺寸
20um
0.1 10um 5um
软吹氩流量越小，气 泡尺寸越小，夹杂 物去除效率越高。
0.01
0.001 1 2 3 4 5
气泡直径(×10－3m) 图11 氩气泡尺寸对夹杂物去除的影响
钢中夹杂物控制
0.020
钢液降温时产生的夹杂物(%)
0.03%Al 0.010 0.05%Al
在相同[C]时， 一次加Al 量越多， 其温降时 生成的夹 杂物越少。
0.10%Al
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
C%
图5 钢液温降时产生的夹杂物（二次夹杂物）
钢中夹杂物控制
图15 精炼渣组成对钢中残余铝含量和残余钙含量的影响 ——a[Al]×10-6； ┅a[Ca]×10-11
钢中夹杂物控制
符合高碱度、低熔点 的炉渣组成位于 55%CaO、40% Al2O3%、SiO2＜ 10%的附近区域内， 其熔点在1500oC左 右。选用该区域炉渣 成分较为合适。
图16 CaO- Al2O3-2SiO2相图
图2 1600oC下C—O反应平衡曲线
• 脱氧剂用量与夹杂物含量的关系
0.03 1600oC 1560oC 0.02 [O] %O
钢中夹杂物控制
在相同温度下，原始[O] 越高，降低至相同 [O]所需的Al用量越 多，其生成的夹杂物 也越多。 在相同原始[O]时，钢 液温度越低，降低至 相同[O]所需的Al用 量越少，其生成的夹 杂物也越少。
0.3
0.2 0.1
0
0 1 2 B=(N 3 +N 4 )/N 5 6
钢中夹杂物控制
当（Al2O3%）一定时， 随渣碱度的提高，aAl、 aCa随之提高；在提高 渣碱度的同时提高 （Al2O3%），则aAl随 之提高，而aCa降低。 因此，要降低[O]并减少 钢液中含Ca的点状夹杂 物，应当提高渣碱度并 增加（Al2O3%）。
0.01
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
加铝量(kg/t)
图3
加铝量对残留 [O]的影响
钢中夹杂物控制
脱氧夹杂物的变形能力 当[O]高时： 先用Al脱氧，后用Si、Mn脱氧，其复合夹 杂物变形能力低。 先用Si、Mn脱氧，后用Al脱氧，其复合夹 杂物变形能力高。 因此，应通过控制脱氧元素来控制脱氧夹 杂物的变形能力。
Total
100.000 100.000 0.19105
该夹杂物以O、Al为主，另外还含有少量的Mg、Ca等元素。 该夹杂物主要是Al氧化产物成分，分析是浇注过程二次氧化造成的。在浇 注过程注流表面铝含量和氧含量都很高的情况下极易生成大颗粒Al2O3簇群， 特别是浇注后期帽头充填阶段，散流补缩二次氧化更为严重，尤其是最后锭 盘钢液温度低导致钢液粘度增加，致使二次氧化生成的大颗粒Al2O3簇群在 钢液凝固过程难以排除。
实际钢中低倍蓝淬夹杂物成因分 析
第二种夹杂物扫描电镜分析照片： 以铝及以铝镁为主的氧化物（11741炉号， 485-1， ∮90mm ）
•
第二种夹杂物扫描电镜分析成分：
Element Intensity Weight% AT% K-Value Z A F ======================================== O 2.224 23.690 34.296 0.02594 0.95125 2.41459 1.00000 Mg 0.995 2.712 2.584 0.00596 0.99052 1.20861 0.95543 Al 25.830 73.388 62.999 0.15868 1.02139 1.13898 0.99998 Ca 0.029 0.210 0.121 0.00047 1.03047 1.08110 1.00000

钢中夹杂物控制
脱氧夹杂物控制 钢中脱氧夹杂物含量是由初炼炉终点[O]含 量决定的。 初炼炉终点[O]含量是由终点[C]含量控制 的。

钢中夹杂物控制
当[C] ≤0.042% 时，平衡[O]≥0.0591% ，但 实际[O]≥1200PPm； 当[C] ≥ 0.80% 时，平衡[O]≤0.0030% ，但 实际[O] ≤ 300PPm。 当出炼炉终点碳较低时，出钢过程先增碳可 降低[O]。
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。
钢中夹杂物控制

脱氧工艺 出钢初期使用电石、铝锰铁等符合脱氧 剂脱氧，LF初期利用钢水温度较低的时 机，一次大量喂铝脱氧。 使用电极粉脱氧或增碳，避免碳粉增碳 增钛。 真空前钢中硫含量≤0.006-0.008%，真空 保持时间≥15分钟，严禁真空后喂铝和喂 硅钙线。
解决问题应采取的技术措施
降低[Ti]含量 降低初炼炉终点[Ti]，需降低终点[C]。 出钢过程少下渣，需多留钢、使用前期 出钢口、快速回炉。 出钢后需先除渣。 除渣前不用Al脱氧。 使用低Ti合金铁和造渣材料。
钢中夹杂物控制
150 130 110
渣碱度对钢中氧含量的影响
［O］
1.2 1.0 0.8 0.6 0.4
［O］(ppm)
90 70 50
30
10
0.2
0 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
图13
碱度 硅为0.3%时钢中氧同渣碱度的平衡关系（1600oC）
aSiO2
钢中夹杂物控制
凝固过程产生的夹杂物 (%) 在相同[C]时，一次加 Al量越多，其凝固 过程产生的夹杂物 越少。
0.03%Al
0.001
0.05%Al
0.10%Al
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
C%
图6
凝固过程产生的夹杂物（三次夹杂物）
钢中夹杂物控制
一次加Al数量对夹杂物尺寸的影响 霍戈文公司的TIEKINK等的研究结果： 钢液自由氧含量高、一次加铝较多时， 生成大量大尺寸Al2O3族群； 大尺寸Al2O3族群由钢液上浮去除很快， 最后滞留在钢液中的主要是＜30μm的 Al2O3族群和较小的块状Al2O3夹杂物； 如向钢液多次分批加铝，或在钢液自由 氧降低、铝含量较高时，会生成较多块 状Al2O3夹杂物；
实际钢中低倍蓝脆夹杂物成因分析
2007年6月份起，分析了28炉次56个试样的 夹杂物，夹杂物主要分为两种，其典型 成分如下：
实际钢中低倍蓝淬夹杂物成因分析
第一种夹杂物扫描电镜分析照片： 以铝硅钙为主的氧化物（11568炉号 ， 485-1，150方）
第一种夹杂物扫描电镜分析成分： ================================================ Element Intensity Weight% AT% K-Value Z A F ================================================ O 10.527 45.606 60.870 0.13478 0.97343 2.77313 1.00000 Na 1.311 1.809 1.680 0.00744 1.03978 1.87950 0.99200 Al 17.098 17.614 13.940 0.10504 1.04607 1.29328 0.98886 Si 18.818 21.601 16.423 0.12499 1.01747 1.35825 0.99761 Cl 0.692 1.329 0.800 0.00836 1.07768 1.18656 0.99178 K 0.564 1.190 0.650 0.00827 1.07727 1.08388 0.98330 Ca 4.329 9.853 5.249 0.07045 1.05626 1.05695 0.99932 Mn 0.154 0.998 0.388 0.00652 1.20507 1.01315 1.00000 Total 100.000 100.000 0.46585 该夹杂物是以Si、Al、Ca为主的氧化物，还含有少量的Na、K、Mn等元 素，尺寸较大。 该夹杂物具有类似于保护渣的成分，初步分析是在钢锭模尾部半径较小 的情况，由于采用铺渣操作且保护渣加入量多，浇注前期注速控制过快发 生保护渣卷入造成的，并在凝固过程聚集长大形成了大颗粒塑性夹杂物。

[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。

[Ti]含量控制
VD精炼过程（TiO2） 的还原 在3000oC或真空中发生下列反应： （TiO2）+2[TiC]=3[Ti]+2CO （TiO）+[TiC]=2[Ti]+CO

（8） （9）
[Ti]含量控制
降低初炼炉终点[Ti]，需降低终点[C]。 出钢过程少下渣，需多留钢、使用前期 出钢口、快速回炉。 出钢后需先除渣。 除渣前不用Al脱氧。 使用低Ti合金铁和造渣材料。
图14 渣碱度B对渣中aFeO的影响
0.70%(FeO) 0.60%
要降低[O]， 应提高炉 渣的碱度。 但随炉渣 碱度的提 高，渣的 熔点提高， 渣流动性 降低、吸 附钢液中 夹杂物的 能力降低。
aFeO
1.0 0.9 0.8 0.7
0.6
0.5 0.4
0.50%
0.40% 0.30% 0.20%

钢中夹杂物控制
铝脱氧钢中Al2O3夹杂物类型
图7
族状Al2O3非金属夹杂
钢中夹杂物控制
图8
块状Al2O3非金属夹杂
钢中夹杂物控制
二次加Al数量与夹杂物数目及夹杂物粒度分布
0.08
夹杂物数目 （mm 2 ）
0.06 0.04 0.02 0 2.8-5.6 5.611.2 11.222.4 ＞22.4 二次加铝少 二次加铝多

钢中夹杂物控制

加铝量与脱氧产物数量的关系
脱氧时产生的夹杂物(%)
0.06 0.03%Al 0.05%Al
在相同[C]时，一次 加Al量越多其生 成的一次夹杂物 也越多，其排除 时间也越充分。
0.04
0.10%Al
0.02
0
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4
C%
图4 脱氧时产生的夹杂物（一次夹杂物）
•搅拌时间与夹杂物数目及粒度分布
0.06
Leabharlann Baidu
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