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盧春光¹，張國磊²，成國光²，苗紅生¹，張旭¹

(1.西寧特殊鋼股份有限公司技術(shù)中心研發(fā)部， 青海 西寧 810005；2.北京科技大學鋼鐵冶金新技術(shù)國家重點實驗室，北京 100083)

01　摘要

以西寧特鋼EAF→LF→VD→IC工藝路線生產(chǎn)GCr15SiMn軸承鋼為研究背景，采用礦物解離分析儀、夾雜物自動分析系統(tǒng)、化學分析及X射線熒光光譜儀等檢測手段與熱力學計算相結(jié)合的方法，研究了鑄錠中大尺寸TiN夾雜物的析出機理，分析了冶煉階段鋼液中鈦含量增加的原因，并提出了相應(yīng)的改進工藝。通過對軸承鋼中殘余鈦、氮含量的熱力學計算，發(fā)現(xiàn)大尺寸TiN主要是在凝固過程中析出和長大，降低冶煉過程中鈦含量是控制TiN生成的主要途徑。對原工藝冶煉過程鈦含量變化進行分析，鋼液中鈦增量主要發(fā)生在EAF出鋼→LF結(jié)束階段，其中52%鈦增量來自于爐渣。為了避免爐渣中鈦進入鋼液，借助于七元爐渣CaO-SiO₂-MgO-FeO-Al₂O₃-MnO-TiO₂與鋼液之間平衡的鈦分配比(LTi)模型，計算了鋁含量和爐渣中CaO含量對LTi 的影響，預測了最佳的平衡爐渣成分。結(jié)果表明，適當降低鋁含量和爐渣中CaO含量可以提高渣-鋼之間的鈦分配比，降低鋼液的鈦含量；當鋁質(zhì)量分數(shù)為0.015%～0.025%、CaO質(zhì)量分數(shù)為50%～55%時，其他爐渣組元的最佳成分(質(zhì)量分數(shù))為18%～24% Al₂O₃和12%～17% SiO₂。此外，定量描述了不同LTi條件下EAF下渣量與LF終點鈦含量的關(guān)系。最后，采用“低爐渣堿度、低鋁含量以及嚴格控制電爐下渣量”的改進措施進行了優(yōu)化試驗，優(yōu)化后冶煉終點鈦質(zhì)量分數(shù)可控制在小于0.0020%，鑄錠TiN平均數(shù)密度可由原工藝的2.09個/mm²降低至0.73個/mm²，且TiN尺寸幾乎都小于10μm。

02　關(guān)鍵詞

GCr15SiMn鋼；TiN夾雜物；熱力學計算；LF精煉；鈦分配比；電爐下渣量

03　引言

GCr15SiMn作為一種全淬透性軸承鋼，在GCr15軸承鋼的基礎(chǔ)上適當提高硅、錳合金含量，使其鋼材具有了更高的淬透性、耐磨性，被廣泛應(yīng)用于風電軸承和重型機械領(lǐng)域。近年來，隨著軸承鋼中氧含量不斷降低，非金屬氧化物夾雜大大減少，而鋼中TiN類夾雜物對鋼材使用性能的危害逐漸顯現(xiàn)。TiN是一種硬而脆的夾雜物，具有明顯的幾何棱角，容易在鋼的基體中造成應(yīng)力集中而誘導疲勞裂紋。因此，進一步控制鋼中TiN是提高軸承鋼質(zhì)量、滿足高端用戶需求的關(guān)鍵。

軸承鋼中TiN的生成、控制以及去除一直是冶金工作者關(guān)注的問題。針對TiN夾雜物的生成和長大：文獻研究了鋼中TiN在凝固過程中的析出機理和長大行為，文獻對TiN的生成熱力學進行了分析和計算，并基于試驗結(jié)果研究了TiN夾雜物的形成和去除行為。傅杰等通過熱力學計算和試驗，指出適當控制鋼中鈦、氮含量，可以有效控制TiN的析出時機和形態(tài)。關(guān)于TiN夾雜物的去除問題，目前主要通過提高渣-鋼間的鈦分配比，從而減少爐渣中的鈦進入鋼液。為此，文獻通過測量不同爐渣體系下爐渣中TiO₂的活度，并分析了鋁、硅含量對鋼-渣之間Ti與TiOx分配比的影響；Park J H 等通過熱力學計算了含TiOx爐渣平衡時爐渣TiO2的熱力學行為；ZHANG F 等探索了RH精煉過程中爐渣氧化鐵和爐渣堿度對LTi的影響；JIANG Z H 等基于離子分子共存理論模型，研究爐渣成分對鋼中鈦含量的影響。此外，鄭少波等分析了加鉻鐵時機、脫氧產(chǎn)物及渣中SiO₂含量對鋼中鈦的影響；江成斌等提出LF爐前期使用高堿度爐渣為鋼液脫氧創(chuàng)造條件，在精煉末期通過添加硅石制造低堿度爐進行控鈦，但硅石的添加不免會對鋼液造成二次污染。然而，上述研究大部分都是針對冶煉GCr15軸承鋼進行的，關(guān)于GCr15SiMn鋼過程中鈦含量控制的報道較少。

本文以工廠“EAF→LF→VD→IC” 工藝流程冶煉的GCr15SiMn鋼為研究背景，采用冶煉傳統(tǒng)軸承鋼的“高堿度精煉”工藝，在其鑄錠中經(jīng)常會觀察到大尺寸TiN夾雜物。為此，對鑄錠中TiN夾雜物的析出與長大、冶煉過程中鈦含量的來源進行相關(guān)的計算與分析，并利用爐渣與鋼水之間鈦分配比的熱力學模型提出了相應(yīng)的改進措施，優(yōu)化工業(yè)試驗并取得了顯著效果。

04　精選圖表

05　結(jié)論

(1)通過對GCr15SiMn鋼中殘余Ti、N元素含量的熱力學計算和分析, 降低冶煉過程中鋼液的鈦含量，是控制凝固后期過程中大尺寸TiN析出和長大的主要途徑。

(2)采用原工藝冶煉GCr15SiMn鋼，鋼中鈦含量的增加主要發(fā)生在EAF出鋼→LF結(jié)束階段，其中有52%的鈦增量來自爐渣, 所以 避免爐渣中鈦進入鋼水是控制鋼液增鈦的重要手段。

(3)在鈦分配比一定條件下，LF終點鈦含量與EAF下渣量之間存在明顯的線性關(guān)系。提高LTi可以顯著提高EAF下渣量的臨界值，從而可以避免由EAF出鋼過程中下渣量過大而造成鋼液中鈦含量的大幅度增加。結(jié)合鋼廠現(xiàn)有水平，建議控制EAF下渣量不大于1.6kg/t。

(4)為了有利于提高渣-鋼的平衡鈦分配比，利用渣-鋼平衡鈦分配比模型，得到了LF精煉過程中最佳鋼中鋁含量和爐渣成分。并采用“低爐渣堿度、低鋁含量以及嚴格控制EAF下渣”的改進措施，進行相應(yīng)的優(yōu)化試驗。結(jié)果表明，優(yōu)化后冶煉終點鈦質(zhì)量分數(shù)不僅控制在0.0020%以內(nèi)，而且鑄錠中TiN夾雜物的平均數(shù)密度也由優(yōu)化前2.09 mm^-2降低至0.73 mm^-2且尺寸超過10μm的TiN數(shù)量顯著減少。

來源：《鋼鐵》2022年第12期

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