豆乃遠(yuǎn)，李輝成，王立濤

（中天鋼鐵集團(tuán)有限公司三煉鋼,江蘇 常州 213011）

引 言

軸承是重要的機(jī)械基礎(chǔ)件，在大多數(shù)機(jī)械產(chǎn)品和工程結(jié)構(gòu)中應(yīng)用十分廣泛[1]。軸承鋼中的非金屬夾雜物，破壞了金屬的連續(xù)性，由于Ds類夾雜物的膨脹系數(shù)與鋼基體不同，在軸承工作過程中所產(chǎn)生的交變應(yīng)力的作用下，易引起應(yīng)力集中，成為疲勞裂紋源，降低軸承的疲勞壽命。此外，夾雜物與鋼形成較弱的結(jié)合界面，易產(chǎn)生不變形張力，導(dǎo)致孔洞的形成，進(jìn)而影響軸承的質(zhì)量和性能，最終會(huì)對(duì)設(shè)備的安全性能及穩(wěn)定性能造成影響[2-6]。

國內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)Ds類非金屬夾雜物研究很多，本文結(jié)合國內(nèi)某特鋼廠軸承鋼在EAF→LF→VD→CC生產(chǎn)過程中出現(xiàn)Ds類夾雜物超標(biāo)的情況，對(duì)Ds類夾雜物形成機(jī)理及影響因素

進(jìn)行了研究分析，借助于掃描電鏡、電子探針對(duì)夾雜物的成分分析結(jié)果，提出了軸承鋼Ds類夾雜物控制措施，為改善軸承鋼Ds類夾雜物提供了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 軸承鋼Ds類夾雜物分析

由連鑄方坯軋制后軸承鋼棒材，制備成電鏡樣在金相顯微鏡下，其取樣方式和位置：平行于鋼材的縱軸，位于鋼材外表面到中心的中間位置，面積約為200 mm2（20 mm×10 mm）。進(jìn)行日常檢驗(yàn)分析，采用掃描電鏡和能譜分析Ds類夾雜物的形貌和成分組成。大致可分為幾種：獨(dú)立鈣鋁酸鹽夾雜物、獨(dú)立MgO·Al2O3夾雜物、（Ca，Mg，Si，Al）xOy復(fù)合夾雜物、外面包有硫化物的復(fù)合夾雜物，并且單獨(dú)存在的鈣鋁酸鹽比較少，而復(fù)合夾雜物、鎂鋁尖晶石相對(duì)較多，夾雜物典型形貌如圖1，2所示。其中，圖1為軸承鋼復(fù)合類Ds夾雜物微觀形貌，圖1中5個(gè)譜圖的化學(xué)成分如表1所示；圖2為軸承鋼鎂鋁尖晶石類Ds夾雜物微觀形貌及譜圖的化學(xué)成分。

表1 軸承鋼復(fù)合類Ds夾雜物中5個(gè)譜圖的化學(xué)成分

圖3給出了對(duì)軸承鋼棒材的超標(biāo)夾雜物的成分分布圖。從圖3可以看出，夾雜物類型主要表現(xiàn)為低熔點(diǎn)的鈣鋁酸鹽，其在相圖中也是落在了液態(tài)低熔點(diǎn)區(qū)域，這類夾雜不易上浮，同時(shí)80%左右的夾雜物包含少量尖晶石。鎂鋁尖晶石（熔點(diǎn)：2135℃）首先形成夾雜物的核心，鈣鋁酸鹽（熔點(diǎn)：1455～1875℃）包裹鎂鋁尖晶石，最外層為CaS。

2 軸承鋼Ds類夾雜物形成機(jī)理

軸承鋼對(duì)鋼中的氧含量要求較高，生產(chǎn)過程中通常采用加入鋁塊和喂入鋁線等方式進(jìn)行深脫氧，鋼中的氧很容易與鋁反應(yīng)生成Al2O3夾雜物。其中，鋁脫氧平衡的熱力學(xué)公式[7]如下所示：

由于電爐爐后及精煉所加渣料石灰及合金中含有一定量的Ca元素，鋼包磚中含有一定量的Mg元素，鋼液中的Al與渣或鋼包磚發(fā)生冶金反應(yīng)而使鋼液中帶入Ca和Mg元素，鋼液中Ca和Mg的含量直接影響到其對(duì)Al2O3的改性效果。當(dāng)鋼成分一定時(shí)，根據(jù)Al，Mg脫氧反應(yīng)及鋁鎂尖晶石生成的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，如下所示[8]：

在T=1873 K，w（O）=0.0008% 時(shí)，熱力學(xué)計(jì)算得到Mg改性Al2O3夾雜物生成鋁鎂尖晶石的臨界w（Mg）=0.00001%。而計(jì)算形成MgO夾雜物需要的w（Mg）=0.00027%?？梢娨蒑gO需要的鎂含量遠(yuǎn)高于其改性Al2O3夾雜物所需要的含量，故鋼液中的Mg主要用于改性Al2O3，夾雜物中也沒有觀察到單獨(dú)MgO夾雜物。由于軸承鋼鋁高且不進(jìn)行鈣處理，鋼中存在Al2O3夾雜物，在T=1873 K，軸承鋼中w（Al）=0.02%～0.05%時(shí)，只要有微量Mg的存在，就有可能生成MgO·Al2O3夾雜物，而鋼包砌筑使用鎂碳磚、中間包使用鎂質(zhì)擋墻及涂抹料等都會(huì)導(dǎo)致鋼中微量Mg的存在，因此，大部分夾雜物檢測(cè)到了MgO·Al2O3尖晶石。

鈣可以與硫直接反應(yīng)形成CaS，還會(huì)與氧反應(yīng)形成氧化物夾雜。鋼中少量的Ca會(huì)變性Al2O3夾雜物，與SiO2碰撞結(jié)合生成液態(tài)復(fù)合夾雜物，不易在鋼水中上浮。

3 軸承鋼Ds類夾雜物影響因素及控制

3.1 鋼中鈣含量影響及控制

軸承鋼采用鋁脫氧，鋼中Al2O3夾雜較多，渣料及合金中都存在鈣元素，鋼中存在的鈣元素會(huì)導(dǎo)致鈣鋁酸鹽類Ds夾雜物增加，鈣元素含量較高的爐次出現(xiàn)Ds類夾雜物超標(biāo)的幾率較高。改進(jìn)措施：嚴(yán)格控制鋼中的 Ca含量，w（Ca）≤2×10-6。

3.2 鋼包的影響及控制

圖4給出了對(duì)軸承鋼使用不同類別的鋼包對(duì)精煉終渣中氧化鎂含量的影響。根據(jù)圖4可以得知，鋼包的情況對(duì)精煉渣渣系的影響很大，且Ds類夾雜物中含有鎂鋁尖晶石成分，因此，需要對(duì)鋼包使用進(jìn)行管控。

改進(jìn)措施：軸承鋼（尤其是高標(biāo)）生產(chǎn)只允許使用熱周轉(zhuǎn)包，不得使用新包、熱停包、小修包、中修包，包括前三次。

3.3 精煉造渣工藝影響及控制

圖5給出了對(duì)軸承鋼不同生產(chǎn)時(shí)期的精煉終渣相圖。其中，原工藝爐渣為2020年3月之前的爐渣。Ds夾雜物超標(biāo)幾率較高的月份為2020年3月和2020年5月，從圖5可以看出，精煉爐渣組元發(fā)生變化，二元堿度明顯降低，三元堿度明顯升高，渣中Al2O3含量降低，爐渣變黏。

改進(jìn)措施：優(yōu)化軸承鋼爐后出鋼渣料，提高出鋼鋁塊的加入量，提高爐渣堿度和渣中的Al2O3含量，進(jìn)而提高爐渣的流動(dòng)性及吸附夾雜物的效果。

3.4 原輔料的影響及控制

軸承鋼所用渣料為石灰和護(hù)爐劑，護(hù)爐劑的成分變化如圖6所示：CaO含量波動(dòng)大，且平均含量較高，同時(shí)Al2O3含量有所降低，因此，原輔料成分不穩(wěn)定，精煉造渣不穩(wěn)定，對(duì)Ds類夾雜物控制不利。改進(jìn)措施：縮小護(hù)爐劑成分波動(dòng)范圍，同時(shí)根據(jù)各批號(hào)護(hù)爐劑成分，適當(dāng)調(diào)整加入量，得到目標(biāo)精煉終渣堿度：R=5～7。

3.5 鋼中氧含量、VD真空鋁損影響及控制

軸承鋼氧含量升高時(shí)夾雜物超標(biāo)的幾率偏高。改進(jìn)措施：精煉脫氧采用鋁線深脫氧，用部分鋁粒代替碳化硅進(jìn)行渣面脫氧，降低鋼水的氧含量，做好中包保護(hù)澆鑄。

VD鋁損大小是保持可澆性及渣中Al2O3含量的重要因素，鋁損過大，鋼渣反應(yīng)過于劇烈，鋼渣乳化嚴(yán)重，同時(shí)渣中Al2O3含量增加，增加夾雜物超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)；VD鋁損過小，鋼渣混沖效果較弱，渣中Al2O3變性不足，會(huì)堵塞水口造成結(jié)瘤現(xiàn)象。改進(jìn)措施：嚴(yán)格控制VD鋁損為50%～70%。

3.6 鋼包下渣影響及控制

軸承鋼夾雜物檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)存在精煉渣成分，為大包澆鑄末期乳化的精煉渣進(jìn)入中包后未充分上浮進(jìn)入鋼中導(dǎo)致的。改進(jìn)措施：大包留鋼渣3～5 t，利用好鋼包下渣檢測(cè)系統(tǒng)及鋼包稱重系統(tǒng)，杜絕大包下渣，提高軸承鋼的純凈度。

4 結(jié) 論

（1）掃描電鏡分析，軸承鋼Ds夾雜物形貌可分為：獨(dú)立鈣鋁酸鹽夾雜物、獨(dú)立MgO·Al2O3夾雜物、（Ca，Mg，Al，Si）xOy復(fù)合夾雜物、外面包有硫化物的復(fù)合夾雜物，單獨(dú)存在的鈣鋁酸鹽比較少，而復(fù)合態(tài)夾雜物、鎂鋁尖晶石相對(duì)較多。

（2）熱力學(xué)計(jì)算表明，在T=1873 K，軸承鋼中w（Al）=0.02%～0.05%時(shí)，只要有微量鎂的存在，就有可能生成MgO·Al2O3夾雜物，因此，大部分檢測(cè)到了MgO·Al2O3夾雜物的存在；為減少復(fù)合類夾雜物，應(yīng)嚴(yán)格控制鋼中的鈣含量。

（3）Ds夾雜物超標(biāo)幾率較高的月份，精煉爐渣組元發(fā)生變化，二元堿度明顯降低，三元堿度明顯升高，渣中Al2O3含量降低，爐渣變黏，應(yīng)確保合適的精煉渣組元。

（4）采用熱周轉(zhuǎn)鋼包及關(guān)注軸承鋼原輔料成分的變化，可以提高精煉終渣的穩(wěn)定性，提高爐渣吸附夾雜物的效果。

（5）Ds夾雜超標(biāo)幾率較高的月份，軸承鋼氧含量明顯升高，因此，降低軸承鋼氧含量有利于降低Ds夾雜物超標(biāo)的幾率；鋼包留鋼渣3～4 t有利于提高純凈度。