1、軸承鋼精煉過程非金屬夾雜物行為的研究劉旭蘭,吳曉東,周丹,孫菲,王丹(江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇鎮(zhèn)江212013摘要:采用金相、SEM等分析方法,分析了某電爐廠EAF2L F2VD2CC流程冶煉G Cr15軸承鋼精煉過程非金屬夾雜物的變化,并確定了夾雜物的主要來源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,L F處理后夾雜物以塊狀A(yù)l2O3、點(diǎn)狀不變形夾雜物和硫化物為主;VD處理后點(diǎn)狀不變形夾雜物明顯減少,而含CaO、MgO、Al2O3、硫化物等的復(fù)合夾雜有所增加。成材試樣中未發(fā)現(xiàn)點(diǎn)狀不變形夾雜物,只有少量尺寸很小的Al2O3和硫化物夾雜。關(guān)鍵詞:軸承鋼;精煉工藝;非金屬夾雜物中圖分類號(hào):TF72文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章

2、編號(hào):100121447(2009022*R esearch on behavior of non2metallic inclusions of bearing steel in ref ining process L IU Xu2lan,WU Xiao2do ng,ZHOU Dan,SUN Fei,WAN G Dan(School of Material Science&Engineering,Jiangsu U niversity,Zhenjiang212013,ChinaAbstract:This paper analyzes t he t ransformation of no

3、n2metallic inclusions of bearing steel GCr15in t he refining stage wit h t he process of EA F2L F2VD2CC in an elect ric f urnace factory.The main source of non2metallic inclusions was ascertained using t he met hods of optical micro scopy and SEM.The result s showed t hat t he inclusions in L F p ro

4、cedure were mainly lump Al2O3,ametabolic dotlike inclusions and sulfides;after p rocedure of VD,t he amo unt of ametabolic dotlike inclusions reduced sharply,whereas complicated inclusions wit h CaO,MgO,Al2O3and sulfides increased to a certain extent.No ametabolic dotlike inclusions were found in t

5、he samples of finished steel. There were only a bit of small sized Al2O3and sulfides in t he inclusions observed.K ey w ords:bearing steel;refining process;no n2metallic inclusions作為一種重要的冶金產(chǎn)品,軸承鋼被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、鐵路運(yùn)輸、汽車制造、國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展,對(duì)軸承的要求也越來越苛刻,軸承必須具有高壽命、高穩(wěn)定性和可靠性,這就需要將軸承材料中的夾雜含量降到極低的程度。因?yàn)槿芙庠阡撝械膴A

6、雜物會(huì)破壞基體的連續(xù)性,影響軸承的使用性能1。非金屬夾雜物就其形成而言,與冶煉、澆注等工藝過程有密切關(guān)系。只有弄清楚冶煉過程中非金屬夾雜物的行為、變化,才能進(jìn)一步改善軸承鋼的質(zhì)量。1G C r15軸承鋼生產(chǎn)工藝和主要工藝參數(shù)某電爐煉鋼廠GCr15軸承鋼現(xiàn)行生產(chǎn)工藝流程為:100t EA F熔煉L F加熱工位VD真空處理150mm×150mm方坯連鑄機(jī)連鑄。主要工藝參數(shù)見表1。表1GCr15軸承鋼生產(chǎn)的主要工藝參數(shù)參數(shù)值參數(shù)值EAF出鋼溫度1680EAF終點(diǎn)w(C0.23%LF氬氣壓力(3.24.5×105Pa LF氬氣流量220330min/L VD真空處理時(shí)間25m in

7、 VD真空保持時(shí)間12minVC靜攪時(shí)間24m in真空度50PaVD氬氣壓力4.6×105Pa VD氬氣流量220m in/L靜吹氬壓力2.0×105Pa靜吹氬流量30m in/L成品樣w(Als0.0163%成品樣w(Alt0.0114%722009年4月第37卷第2期鋼鐵研究Research on Iron&SteelApr.2009Vol.37No.2作者簡(jiǎn)介:劉旭蘭(1982-,女,碩士,主要從事軸承鋼方面的研究.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析2.1各工位夾雜物的數(shù)量及種類統(tǒng)計(jì)利用掃描電鏡和能譜分析對(duì)L F 和VD 處理后的試樣(25mm ×10mm 

8、5;10mm 及成材試樣(直徑為12mm ,厚度為10mm 中的夾雜物種類及形貌進(jìn)行了測(cè)定,并統(tǒng)計(jì)了各類夾雜物的數(shù)量2,見表2。表2各工位夾雜物的數(shù)量及種類個(gè)工位三氧化二鋁硫化物點(diǎn)陣不變形夾雜鉻鐵酸鹽硅酸鹽復(fù)合夾雜夾雜總數(shù)L F 115431226VD72300517成材325從表2中可以看出,夾雜物類型主要為三氧化二鋁、硫化物和點(diǎn)狀不變形夾雜(主要為鈣鋁酸鹽和鎂鋁酸鹽與鈣鋁酸鹽的復(fù)合夾雜。三氧化二鋁主要分布在L F 和VD 試樣中,成材中已經(jīng)很少;硫化物在L F 、VD 試樣及成材中有明顯減少趨勢(shì);點(diǎn)狀不變形夾雜主要分布在L F 及VD 試樣中,成材中未發(fā)現(xiàn)此類夾雜物。從L F 到VD 的過

9、程中,夾雜物種類也有一定變化,鉻鐵酸鹽和硅酸鹽夾雜在L F 中有少量發(fā)現(xiàn),而在VD 及成材中均未發(fā)現(xiàn)此類夾雜物;另外,在L F 中較少存在的復(fù)合夾雜(主要是CaO 、Al 2O 3、MgO 、硫化物等的復(fù)合夾雜在VD 中有所增多,而到成材時(shí)已被去除。利用金相顯微鏡對(duì)各工序試樣連續(xù)拍攝20個(gè)放大100倍的視場(chǎng)進(jìn)行觀察,圖1采用計(jì)點(diǎn)法2對(duì)夾雜物的個(gè)數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),由圖可見,VD 處理后夾雜物個(gè)數(shù)比L F 處理后略有減少,成材中的夾雜物個(gè)數(shù)明顯減少。圖1各工位夾雜物的總數(shù)統(tǒng)計(jì)2.2各工位夾雜物的尺寸統(tǒng)計(jì)布表3為L(zhǎng) F 工位,各類夾雜物的尺寸分布,從表中可以看出,>10m 的夾雜物主要為三氧化二鋁

10、、硫化物和球狀?yuàn)A雜。表4為VD 工位,各類夾雜物的尺寸分布,表3L F 工位各類型夾雜物的分布個(gè)夾雜物類別15m 510m 1015m 1520m 20m 以上總數(shù)三氧化二鋁4211311硫化物1225點(diǎn)狀不變形夾雜224硅酸鹽11鉻鐵酸鹽1113復(fù)合夾雜112合計(jì)8614726尺寸在10m 以上的夾雜物在各類型夾雜物中基本都有出現(xiàn),但均只占少數(shù)。與表2對(duì)比可以看出,原本以>10m 居多的三氧化二鋁和點(diǎn)狀不變形夾雜變成尺寸較小(<10m 的夾雜物。表4VD 工位各類型夾雜物的分布個(gè)夾雜類別15m 510m 1015m 1520m 20m 以上總數(shù)三氧化二鋁5117硫化物22點(diǎn)狀不變

11、形夾雜213復(fù)合夾雜1315合計(jì)8432分布表5為成材中試樣中各類夾雜物的尺寸分布,從表中可以看出,尺寸在10m 以上夾雜物已經(jīng)很少,夾雜物尺寸集中在15m ,類型主要為三氧化二鋁、硫化物和復(fù)合夾雜。表5成材中各種夾雜物的尺寸分布夾雜類別15m 510m 1015m 1520m 20m 以上總數(shù)三氧化二鋁213硫化物22合計(jì)4152.3夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果對(duì)2007年1、2、3、5月份GCr15軸承鋼中的82鋼鐵研究第37卷A (硫化物、B (三氧化二鋁、D (球狀氧化物類粗細(xì)夾雜物進(jìn)行了抽樣檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果見表6。由表6可以看出:(1A 、B 類夾雜均符合國(guó)際要求,D 類夾雜有不合格爐次,不合格爐次

12、占總爐次的0.03%;(23類夾雜平均評(píng)級(jí)均符合國(guó)際要求。表6GCr 15中夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果m項(xiàng)目ABD粗細(xì)粗細(xì)粗細(xì)國(guó)際2.01.01.0實(shí)測(cè)和尺寸L F 工位處理后,夾雜物主要為塊狀三氧化二鋁、硫化物和點(diǎn)狀不變形夾雜。其典型夾雜物的形貌和尺寸如圖2所示。尺寸VD 處理后夾雜物尺寸變小,主要有尺寸較小的三氧化二鋁、硫化物、點(diǎn)狀不變形夾雜。其典型夾雜物的形貌和尺寸如圖3所示 。自左至右:三氧化二鋁類夾雜;硫化物夾雜;點(diǎn)狀不變形夾雜 圖2L F 工位試樣的夾雜物自左至右:三氧化二鋁類夾雜;硫化物夾雜;點(diǎn)狀不變形夾雜圖3VD 工位試樣的夾雜物尺寸成材中夾雜物數(shù)量很少,主要為尺寸很小的

13、三氧化二鋁 、硫化物夾雜,其典型夾雜物的形貌和尺寸如圖4所示。自左至右:三氧化二鋁類夾雜;硫化物夾雜圖4成材試樣中的夾雜物3夾雜物的主要來源分析3.1硫化物這里的硫化物以硫化鈣和硫化鐵為主,也有少量硫化錳夾雜,多呈塊狀。這主要與w (O 有關(guān)。w (O <0.008%時(shí)易形成塊狀硫化物。由表1可知w (O 遠(yuǎn)小于0.008%。硫化物夾雜在L F 2VD 2成材的過程中形貌變化不大,而數(shù)量明顯減少,可見精煉過程對(duì)硫化物的上浮去除產(chǎn)生了良好的效果。3.2氧化鋁Al 2O 3主要來自脫氧產(chǎn)物,它能夠大部分被排除3,在鋼中殘余細(xì)小而聚集的2Al 2O 3。從92第2期劉旭蘭,等:軸承鋼精煉過程非

14、金屬夾雜物行為的研究表3和4可以看出,在L F 和VD 試樣中,Al 2O 3夾雜的尺寸大部分在10m 以下,也有少量大于10m 的夾雜物,這些較大尺寸夾雜物主要來自耐火材料。3.3點(diǎn)狀不變形夾雜物的主要來源在煉鋼條件下,存在以下反應(yīng):Ca +19O +12Al =CaO 6Al 2O 3Ca +7O +4Al =CaO 2Al 2O 3Ca +4O +2Al =CaO Al 2O 312Ca +33O +14Al =12CaO 7Al 2O 3而CaO Al 2O 3、12CaO 7Al 2O 3的熔點(diǎn)都低于煉鋼溫度,所以常呈球形。對(duì)比圖2和圖3可以看出,VD 試樣中夾雜物要比L F 試樣中

15、夾雜物尺寸小得多。另外,在成材試樣中沒有發(fā)現(xiàn)點(diǎn)狀的鈣鋁酸鹽夾雜,可見在鎮(zhèn)靜過程中,此類夾雜物能上浮到鋼包的渣層中而去除。4結(jié)論(1某電爐煉鋼廠EA F L F VD CC 流程生產(chǎn)的軸承鋼夾雜物主要為三氧化二鋁、硫化物和含鈣、鎂的塊狀復(fù)合夾雜。(2在雜物數(shù)量上,VD 處理后點(diǎn)狀?yuàn)A雜物略有減少,氧化鋁和硫化物大幅減少,鉻鐵酸鹽及硅酸鹽夾雜消失。成材試樣中只發(fā)現(xiàn)少量氧化鋁、硫化物和含有SiO 2、Al 2O 3、CaO 、S 等的復(fù)合夾雜。(3各種夾雜物尺寸能夠控制在10m 以下。L F 試樣中夾雜物50%尺寸小于10m ,VD 處理后90%的夾雜物尺寸小于10m ,成材中夾雜物尺寸全部在10m

16、以下,且以5m 以下居多。(4氧化鋁夾雜主要來源于鋁脫氧產(chǎn)物和耐火材料;硫化物以氧化鋁等氧化物為核心形核,來源于S 與鋼中硫化物形成元素Ca 、Fe 等的化學(xué)反應(yīng)。以鈣鋁酸鹽為主的點(diǎn)狀不變形夾雜物來源于脫氧產(chǎn)物,而其中的鈣、鎂來源于爐襯和爐渣。參考文獻(xiàn)1王碩明.轉(zhuǎn)爐流程軸承鋼中非金屬夾雜物行為的研究D .沈陽:東北大學(xué),2006.2沈桂琴.光學(xué)金相技術(shù)M .北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1991:2682288.3李代鍾.鋼中的非金屬夾雜物M .北京:科學(xué)出版社,1983:45248.(收稿日期:2008208206(上接第19頁煤粉燃燒率=(噴煤量-熔融氣化爐所能接受的未燃煤粉量/噴煤量。(

17、9所以,COREX 在煤比為200kg/t 時(shí),可以接受的燃燒率為60%左右?？紤]到COREX 熔融氣化爐上部粉塵返吹裝置還要鼓入部分氧氣用來燃燒回收的粉塵中的碳,下部氧口回旋區(qū)內(nèi)未燃煤粉到了上部還可能繼續(xù)燃燒利用。所以,結(jié)合回旋區(qū)內(nèi)煤粉燃燒率的計(jì)算結(jié)果,對(duì)于COREX 熔融氣化爐,噴煤比達(dá)到200kg/t 是可能的。這樣,COREX 入爐塊煤篩分出來的粉煤一部分用于噴吹,一部分用于壓塊,COREX 的粉煤利用問題將可以有效地解決。4結(jié)論(1COREX 噴吹煤粉利用的好壞主要取決于煤粉在氧口回旋區(qū)內(nèi)的燃燒率。(2COREX C3000噴吹煤粉的平均粒度為0.075mm ,煤比不超過125kg/

18、t 時(shí),燃燒率可以保持在65%以上。(3從流體力學(xué)和未燃煤粉參與氣化反應(yīng)等方面來看,COREX 熔融氣化爐內(nèi)可以接受的未燃煤粉量比高爐多,達(dá)到75kg/t 左右。(4鑒于COREX 氧口回旋區(qū)內(nèi)煤粉的燃燒率和熔融氣化爐可以接受的未燃煤粉量,COREX 噴煤將可以有效地解決粉煤的利用問題。參考文獻(xiàn)1方覺.非高爐煉鐵工藝與理論M .北京:冶金工業(yè)出版社,2003.2中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司.熔融還原爐噴吹煤粉工藝P .中國(guó):200610054054,20061004.3Y otaro O HNO ,TakeshiFU RU KAWAandMasahiroMA TSU 2U RA.Combustion behavior of pulve