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轴承钢和帘线钢冶炼精炼渣系研究东北大学-冶金学院轴承钢和帘线钢冶炼精炼渣系研究一、轴承钢1、轴承钢相关背景轴承用钢包括高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、高温轴承钢、不锈轴承钢及特殊工况条件下应用的特种轴承钢等。其中尤以高碳铬轴承钢生产量为最多。含C1．O％、Cr1．5％的高碳铬轴承钢是轴承钢的代表品种。自本世纪初问世以来，已有近100年的历史，从它诞生至今，化学元素的古最几乎没有变化，但其疲劳寿命却有成倍甚至成几十倍的提高，原因主要就在于近些年冶金工艺的现代化、炉外精炼技术的普遍采用，使得轴承材料的纯净度不断提高。在合金钢领域内，轴承钢是检验项目最多、质量要求最严、生产难度最大的钢种之一。衡量轴承钢的冶金质量，一般从三个方面着眼，是纯净度，即钢中夹杂物的含量；二是碳化物不均匀性；三是钢材的尺寸精度、表向裂纹和脱碳。2、轴承钢精炼渣处理精炼渣处理钢液是应用最广泛的精炼手段之一，几乎所有的精炼设备工艺都会采用精炼渣处理钢液。在钢液的精炼过程中，精炼渣一方面吸收上浮的夹杂物从而减少夹杂物总量，另一方面由于精炼渣-钢-夹杂物三者之间的互相影响精炼渣还有夹杂物改质的作用。根据不同的方法精炼渣有很多种分类，但一般都是依据二元碱度将精炼渣分为高碱度精炼渣和低碱度精炼渣。在轴承钢的冶炼中，由于对质量的不同需求和初炼钢水状况的不同形成了高碱度渣精炼和低碱度渣精炼两种工艺路线2。2.1、高碱度渣精炼工艺高碱度渣精炼工艺即控制精炼渣中碱度R4.0，总铁含量≤1.0%。这种精炼工艺的精炼渣系有很强的脱硫能力，能够生产超低硫系列的轴承钢。而且具有很高的脱氧能力，能够吸附大量Al2O3夹杂物，因此在轴承钢中几乎就没有氧化物夹杂物。但是精炼渣中Ca0含量高，加上精炼普遍采用铝作为脱氧剂，因此极易被铝还原生成球形夹杂物对轴承钢的质量危害很大。因此，在采用高碱度精炼渣精炼轴承钢时，要严格控制铝脱氧剂的用量，最大程度地避免球形夹杂物的形成。（1）日本各轴承钢生产厂家大都采用高碱度渣精炼，其中以山阳特殊制钢公司取得的效果最为瞩目，硫质量分数降到0.002%-0.003%，全氧质量分数达到平均5.4×10−6，个别炉次甚至达到了3×10−6。山阳公司采用高碱度渣精炼工艺将钢液中的全氧质量分数降到了极低的程度，钢中B类夹杂物几乎不存在了，但是D类夹杂物的数量却较多，平均达到了0.9级。（2）莱钢公司3为了降低钢中全氧质量分数，提高GCrI5钢质量，在LF精炼过程中采用了碱度4～5的高碱度精炼渣，取得了良好的效果，全氧质量分数由平均11×10−6降到7.9×10−6。应该注意到，高碱度精炼渣虽然在脱硫和降低全氧质量分数上取得了很好的效果，但却增加了钢中的球状不变形夹杂物。在轴承钢的冶炼中，选择一种适当轴承钢和帘线钢冶炼精炼渣系研究东北大学-冶金学院成分的精炼渣，主要达到三个目的:(1)一定的脱硫能力，使轴承钢中的A类夹杂物控制在一定范围；(2)吸收Al2O3夹杂物的能力，以最大限度地降低氧化物夹杂数量；(3)减少或消除含Ca0的D类夹杂物。高碱度精炼渣虽然很好地达到了前两个目的，但却导致了球状夹杂物出现率升高，没能达到第三个目的。为了获得优良的综合效果，近些年国内的科研院所和高校以及主要的轴承钢生产厂家在精炼渣方面做了大量地研究工作。2.2低碱度渣精炼工艺低碱度渣精炼工艺是控制渣中碱度R≥1.2，总铁含量≤1.0%。这种精炼工艺的精炼渣渣系虽然能够消除含Ca0的D类球形夹杂物，也能够对Al2O3夹杂物有一定的吸附能力。但是轴承钢中的氧含量是处在一个相对较高的水平，不利于脱硫反应，虽然能改变轴承钢中夹杂物的形态，大幅度提高塑性夹杂物的比例，但是夹杂物的数量并没有因此减少。（1）大冶钢厂采用低碱度渣一吹氢精炼工艺，取得了良好的效果。生产实践证实，在这种低碱度渣下精炼，进入钢液中的钙质量分数一般不会超过20×10−6，不足以形成低熔点的球状钙铝酸盐夹杂物4、5、6。（2）本钢采用低碱度的Ca0-Al2O3渣系进行顶渣处理，脱硫率达50%-70%，脱氧50%,同时消除了含Ca0的D类夹杂物7。（3）ASEA-SKF钢包炉精炼轴承钢时采用中性渣(w(Ca0):w(Al2O3):w(SiO2)=1:1:1).它既能有效地吸收夹杂物，又不会侵蚀包壁。用该渣系精炼的轴承钢，硫质量分数平均在0.020%，钢中不存在G,D两类夹杂物，B类夹杂物的数量也很少。（4）北满特钢先后采用两种(低碱度、高碱度)精炼渣生产,文献[8]分析了两种渣系对轴承钢的氧及夹杂物含量的影响。研究表明：轴承钢GCr15精炼渣的碱度从2.5提高到5～6,渣中Al2O3保持在18%～22%,，高碱度渣脱硫能力比低碱度渣提高30%～50%,而渣中MgO低2%～5%,高碱度渣对钢包的侵蚀速度降低;改进后渣系冶炼的轴承钢中氧、B、D类夹杂物含量明显降低,硫、A类夹杂物含量略有下降,达到SKF标准。采用低硅质造渣材料,进一步降低渣中SiO2的含量,提高渣中Al2O3的含量,提高渣的碱度,降低轴承钢的氧和夹杂物含量。2.3新型轴承钢精炼渣的研究在精炼渣中加入少量Na20(O增加到0.3%-0.4%)时，精炼渣的硫容量是原来的3倍多。由此可见，Na20能大大提高精炼渣的脱硫能力9。相关文献0认为在高碱度炉渣中，Na20对炉渣的硫容量有十分明显的影响;在低碱度炉渣中，Na20对炉渣的硫容量影响不大。由为Na20在16000C下不稳定，所以其在精炼渣中的影响需要进一步探索研究.为了提高脱硫效果，同时消除钢中点状不定形夹杂物。对精炼渣进行改质处理也是优化精炼渣的一种比较可行的手段。本溪钢铁厂经过对LF精炼渣的改质处理生产出了的低硫含量的钢。目前，开发具有低熔化温度、高硫容量的精炼渣成为精炼渣优化的新趋势。北京科技大学对在精炼渣添加Ba0进行了研究认为:当精炼渣中的Ba0添加量到达50%时，其硫容量为只加入Ca0时的两倍2。另外，无氟精炼渣也是新型精炼渣的一种，由于轴承钢和帘线钢冶炼精炼渣系研究东北大学-冶金学院无氟精炼渣中没有CaF2，能够减轻侵蚀钢包的包衬和减少对环境的污染，也同样很受欢迎。3、我国轴承钢生产发现的主要问题是3：(1)钢材表面缺陷:材料裂纹、折叠裂纹、麻点(坑)、夹渣、异金属夹杂、表面脱碳、发纹。(2)钢材低倍缺陷:缩孔(管)残余、翻皮、疏松、气泡、偏析、白点、显微孔隙、内裂。(3)非金属夹杂物:点状夹杂物、塑性硅酸盐夹杂物。(4)碳化物不均匀:碳化物带状、液析、网状;退火组织不均匀。这些缺陷都严重影响轴承的寿命和可靠性。从对轴承生产企业轴承钢进厂检验和在使用中发现的问题的调查研究情况来看，国产轴承钢缺陷出现频率最高的依次是:材料表面裂纹、缩孔、碳化物液析、碳化物网状、内裂、表面脱碳、碳化物带状、退火组织不合格。4、通过与国外先进轴承钢生产工艺对比可知，国内外生产工艺的特点如下4、5：(1)为提高钢液洁净度和精炼效果，国外电炉采用无渣出钢技术，转炉初炼在钢包中进行真空除渣或炉后扒渣，以降低磷质量分数和防止氧化渣进入精炼炉，而我国轴承钢冶炼大多数只采用电炉偏心底出钢技术；(2)国外轴承钢精炼在采用LF精炼基础上，进行RH真空脱气处理，在提高洁净度的基础上特别注意夹杂物的控制，而国内大多数只有LF+VD精炼，但从脱氮、脱氢效果分析，VD效果远不如RH；(3)国内铸坯断面、连铸机弧半径仍与国外先进企业有一定差距，国外有先进的连铸工艺和完善的精整热处理装备；(4)国外先进轴承钢生产厂家如山阳、神户、大同等公司采用多级电磁搅拌改善铸坯质量;而国内大多数只有结晶器电磁搅拌，只有个别厂家配有末端电磁搅拌；(5)为解决高质量轴承钢的偏析问题，国外采用轻压下、大直径辊强压下和连续锻压等液相高压下技术，而国内采用轻压下很少；(6)国外大量使用转炉流程生产轴承钢，国内则绝大部分轴承钢为电炉流程生产。综上，虽然我国的轴承钢冶炼水平较过去取得了一些进步，但是与国外高水平轴承钢厂商相比，仍然有着不小的差距。冶炼水平和装备水平的差距导致了与国际先进水平相比，我国轴承钢产品的实物质量仍然有一定的差距，我国轴承钢纯净度、碳化物均匀性、钢材尺寸精度和表面质量和品种结构上均落后于国外先进水平.轴承钢和帘线钢冶炼精炼渣系研究东北大学-冶金学院二、帘线钢1、帘线钢相关背景帘线钢是轮胎子午线增强骨架的主要用钢，由于公路运输的发展，特别是高速公路的发展，乘用车的高速化，运输车辆的高速、重载和大型化，对配套用钢丝子午胎提出了十分严格的要求,同时由于帘线用盘条(也5～5．5mm)需拉拔成直径为0．15—0．38mm的细丝，随后经过高速双捻机合股成绳，整个过程中断丝率小于1次／100km。因此对于线材组织及成分的均匀性、纯净度以及综合质量有着极为严格的要求，尤其是对夹杂物的类型和形态。2、帘线钢的质量要求帘线钢是一种对于强度和性能有着极高要求的优质钢种，在其生产的过程中也有着许多特别的、相对严格的要求，对于拉拔出的非常细的钢丝产品要进行绞合成股，并且在这些过程中几乎不允许出现钢丝断裂的情况。因此，在生产过程中，对于钢中的化学成分，夹杂物以及连铸坯表面和内在质量都有着如下的要求：(1）化学成分帘线钢对于化学成分的要求必须是均匀的，碳、锰、硅含量波动不能太大，对于硫、磷以及其他微量元素也有着严格的要求，帘线钢化学成分的控制要求.(2)夹杂物控制夹杂物的控制是控制帘线钢产品性能的关键。在帘线钢的研发中，对于断面出现的夹杂物进行分析，发现引起拉拔断丝的夹杂物主要是以Al2O3为主的高硬度脆性夹杂物。Al2O3的来源主要分为从钢水中脱氧产生和耐火材料带入两种情况。第一种情况，可以通过调整炉渣成分，从而有效的调整夹杂物成分使之成为延伸性很高的塑性夹杂物，使之无害化;第二种情况，可以选取最佳的耐火材料来减少其来源，从而降低源于耐火材料夹杂的断丝。(3)中心偏析帘线钢对于碳的中心偏析有着一定的要求，一般要求碳中心偏析指数1很多在拉丝和扭转中发生的断裂都是由偏析造成的内部质量和性能不均匀引起。因此，在帘线钢进行连铸浇铸的过程中，对于钢水成分、温度、二冷参数等指标要采取相应的措施进行严格控制。(4)表面质量及内部缺陷帘线钢铸坯表面的质量要求有着严格的规定，表面不能够存在针眼、凹坑、结疤、微小夹杂物和裂纹，如有细小裂纹深度应小于0.3mm。铸坯内部不能有缩孔。(5)金相组织及晶粒度钢帘线对于力学性能和冷加工性能有着极高的要求，要想达到这些要求，必须满足整个线材的横截面的显微组织是均匀一致的索氏体组织。在截面出现不规则的晶粒组织、贝氏体等都会对后续加工产生负面影响。具体要求如下：金相组织:索氏体95%;脱碳层:0.1Omm;晶粒度:8-10级.3．精炼渣成分和夹渣层控制研究发现，夹杂物是造成拉拔合股过程中断丝的主要原因之一。帘线钢中主要存在MnO—SiO2-Al2O3系和CaO—SiO2一Al2O3系类夹杂物，前者为脱氧产物，后者为经过精炼渣反应后生成的夹杂物。通过控制钢中夹杂物的类型、数量、尺寸、分布可以有效的改善钢的洁净度，提高帘线钢的强度及韧引。帘线钢中硬而脆的夹杂物对钢的危害很大，如Al2O3夹杂，会造成钢丝拉拔过程中发生断裂，轴承钢和帘线钢冶炼精炼渣系研究东北大学-冶金学院是钢加工使用过程中的主要裂纹源，严重影响着钢的使用寿命，因此在帘线钢的生产过程中，要尽量避免生成这类脆而硬的夹杂物，控制夹杂物塑性化.(1)控制夹杂物的成分需要通过控制w［Ａｌ］、w［Ｏ］来实现。不同科学工作者通过热力学计算和生产实践提出了w［Ａｌ］的控制范围，为控制夹杂物的变形能力提供了依据。在帘线钢生产中，一般通过造低碱度、低氧化性渣来控制夹杂物成分.王勇等人6利用共存理论计算了ＣａＯ－ＭｇＯ－ＭｎＯ－ＦｅＯ−SiO2−Al2O3六元渣系组元的作用浓度，对渣－钢之间［Ａｌ］的氧化还原反应进行了分析，研究表明：一、ＬＦ精炼过程中w［Ａｌ］受w［Ｓｉ］、ｗ（ＦｅＯ）联合控制。w［Ａｌ］与精炼渣中Al2O3含量以及温度成正比，与SiO2、ＦｅＯ含量成反比。二、碱度对［Ａｌ］含量有一定的影响，碱度越高