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1、前言
高質量的軸承鋼要求高的純凈度和組織均勻，即雜質元素和非金屬夾雜少，碳化物細小且分布均勻。精煉渣具有脫氧、脫硫、去夾雜的作用，其性質直接影響LF精煉過程的冶金效果。當堿性還原渣同鋼液密切接觸時，鋼液中實際的氧、硫的數值大于同渣平衡的氧、硫的數值，使鋼液中的氧和硫向渣中擴散；精煉渣中CaO、Al2O3等成分能夠與Si、Al、Mn等的脫氧產物結合成低熔點的化合物，從而降低脫氧產物的活度，強化脫氧反應；由于精煉渣均由氧化物組成，氧化物之間的界面張力小，易于結合成低熔點化合物，而鋼液與脫氧產物間的界面張力大于渣和脫氧產物之間的界面張力，精煉渣可以吸收脫氧產物，使脫氧產物容易從鋼液中排除。此外，精煉渣融化后形成泡沫渣，渣層覆蓋鋼液，可有效防止氣體吸入，且有利于埋弧操作，減輕電弧對鋼包內襯和鋼包蓋的損害，提高熱效率。因此，研究精煉渣成分變化及其對鋼潔凈度的影響，對LF精煉作用的充分發揮具有重要意義。
要對軸承鋼中夾雜物進行控制，首先要對鋼中夾雜物的種類、形貌進行定性分析。根據精煉工藝可知：鋼中可能存在A類硫化物夾雜、B類氧化鋁夾雜、C類鋁酸鈣復合夾雜物以及鎂鋁尖晶石和氮化鈦夾雜等。由于全程采用沉淀脫氧工藝，爐渣對脫氧產物（主要是氧化鋁）的吸附作用尤為重要，通過氬氣弱攪拌等手段可改善夾雜物上浮的動力學條件，但是如果熔渣本身吸收夾雜物的性能不好，使得夾雜物不能從鋼水中徹底分離，會惡化軸承鋼的機械性能。因此，精煉渣的組成、性質直接影響軸承鋼的使用性能。本研究系統地討論精煉渣成渣工藝和組成對成渣過程的影響作用規律，并對精煉渣的堿度和脫硫效果進行系統探討，獲得能夠有效去除鋼中硫和氧化物夾渣的精煉渣系。
2、生產工藝對精煉成渣的影響
2.1、精煉渣組成
傳統的軸承鋼精煉渣系主要是以CaO-Al2O3和CaO-SiO2-Al2O3的高堿度精煉渣系為主。由CaO-Al2O3二元相圖可知：渣中存在低熔點的化合物12CaO·7Al2O3，可通過調節精煉渣中Al2O3含量降低熔渣的熔點，改善合成渣精煉的動力學條件。SiO2屬于酸性氧化物，不利于精煉渣脫硫，但SiO2對熔渣的泡沫化性能有較大的影響。由CaO-Al2O3二元系和CaO-SiO2-Al2O3三元系表面張力圖可知，SiO2屬表面活性物質，其含量增加可降低表面張力，促進發泡，增加渣膜的彈性和強度。
2.2、生產工藝對渣成分的影響
生產軸承鋼GCr15精煉過程采用三元精煉渣系，分別采取LD+LF+CC和LD+LF+VD+CC兩種工藝生產。本研究以精煉渣系中的3種主要成分為研究對象，探討其在精煉過程中的變化規律。圖1是不同成渣工藝路線從煉鋼出鋼到精煉結束過程中渣樣成分變化規律。圖2是不同成渣工藝路線精煉過程二元堿度的變化規律。
從兩種工藝路線來看，成渣的過程基本一致。主要分為兩個階段：
第1階段從轉爐出鋼到精煉站之前，轉爐冶煉采用高拉補吹操作，終點渣的堿度控制在3~3.5左右。出鋼時采用擋渣塞擋渣出鋼，出鋼過程加入脫氧劑脫氧和合金化，并在爐后加入二元合成渣進行渣洗，以防止回磷。由于二元渣的加入，渣中CaO含量略有增加；轉爐吹煉過程中未用含鋁氧化物化渣，出鋼渣的Al2O3含量不高；煉鋼結束用鋁鎮定，渣中的Al2O3有所增加；利用硅鐵錳鐵進行合金化，渣中的SiO2含量有所提高。
第2階段為鋼包精煉爐造渣過程，此過程中加入了合成渣、埋弧渣以及渣脫氧劑鋁和電石。在此過程中，渣中SiO2和Al2O3的含量會有明顯的降低。一方面在精煉過程中加入的脫氧劑鋁會將渣中的SiO2還原，鋼水會有不同程度的增硅現象；另一方面，主要是精煉過程中加入渣料，稀釋了渣中SiO2和Al2O3的濃度。
造渣過程前10min內形成白渣，精煉結束后控制終渣堿度為4.5~5.0。高堿度、流動性好、氧化性低的鋼渣，利于鋼渣界面反應，最大程度去除鋼中的氧，并使鋼中氧化物夾雜上浮，被精煉渣所吸收，提高鋼水的純凈度。
軸承鋼從轉爐出鋼到精煉結束的成渣路線如圖1所示。由圖1可知：CaO在此過程含量基本維持不變；SiO2的含量是減少的，這是由于鋼水中有較多的酸溶鋁的緣故；而渣中Al2O3含量是略有增加的，一方面隨著鋼包處理時間的延長，大顆粒夾雜物有充足的時間上浮，另一方面精煉結束后對鋼水進行弱攪拌，使細小的夾雜物能相互碰撞長大，上浮后被精煉渣所吸附，最后對鋼水進行鈣處理，使Al2O3系夾雜物得到變性，有效避免堵水口情況的發生，保證生產的穩定順行。
2.3、精煉過程堿度的變化規律
精煉渣應具有吸收脫氧產物Al2O3夾雜的能力，以便在鋼液進行吹氬攪拌過程中最大限度地降低氧化物夾雜的數量。以日本山陽工藝為代表的高堿度（R=4.5）渣系精煉軸承鋼，硫以及Al2O3夾雜含量都降到了很低的程度。
軸承鋼精煉過程堿度的變化，以二元堿度為例，LD+LF+CC工藝，到達精煉站的堿度在3左右，精煉造渣過程堿度上升很快，精煉結束后的堿度維持在4~5之間；而LD+LF+VD+CC工藝精煉過程的堿度能達到6~7的水平，經真空脫氣后，二元堿度略有下降，最后基本也在4左右。
3、精煉渣脫硫效果
合成渣配合埋弧渣一起使用，造渣過程埋弧效果好，大大提高了LF爐的熱效率，造渣10min后，基本形成了w（FeO+MnO）＜1%的渣系，且堿度較高，滿足了脫硫的熱力學條件，獲得了良好的脫硫效果。從表2可以看出：在平均噸鋼用量為9.31kg合成渣和2.79kg埋弧渣的條件下，脫硫率達到80%左右，尤其在造渣開始的10min內，脫硫效果明顯，脫硫率達75%左右。
注：S1、S2、S3、S4分別表示轉爐出鋼時、精煉前、精煉10min后及精煉完成時的硫含量；η12、η14分別表示出鋼到精煉前及出鋼到精煉完成的脫硫率。
4、軸承鋼中的氧含量
氧含量是衡量軸承鋼質量水平的一個重要指標，對于鋁脫氧的軸承鋼而言，要求鋼液中的溶解氧含量＜2×10-6。因此，去除鋼液中氧化物夾雜物就顯得尤為重要。
軸承鋼中的全氧包括溶解氧和夾雜物中的氧，故從兩方面來討論氧的去除。一方面，鋼液中氧通過擴散進入精煉渣，因此要保證鋼渣氧化性低，只有鋼渣之間具有一定的氧勢差，鋼中的氧才能不斷地向渣中擴散。精煉渣中的氧主要以FeO和MnO的形式存在，在軸承鋼精煉過程的不同時期，取渣樣，采用化學分析法分析各組分含量，FeO和MnO兩者之和變化規律如圖3所示。結果表明：在造渣過程中，由于脫氧劑的加入，渣中氧急劇下降，還原渣形成后，渣中氧穩定在1%左右。圖3：不同生產工藝精煉渣中FeO+MnO含量
另一方面，通過以上工藝可知：精煉過程盡早形成流動性較好的高堿度白渣，吸收鋼液中的非金屬夾雜物（主要是Al2O3），并且在生產過程中，盡量保證精煉后期有足夠的吹氬去除非金屬夾雜物的操作時間，以使軸承鋼軋材上的全氧含量較低，提高軸承鋼的抗疲勞壽命。
經過此改進工藝冶煉后的軸承鋼，鋼材上全氧含量均＜12×10-6，最低的全氧含量為5×10-6，完全能滿足軸承鋼的生產要求。
5、結論
5.1、根據精煉設備條件，制定符合軸承鋼生產的兩種精煉工藝路線（LD+LF+CC和LD+LF+VD+CC）；精煉過程選用CaO-SiO2-Al2O3三元精煉渣系，并給出了精煉渣系的組成范圍；在精煉過程中各組分的變化規律是，CaO含量基本維持不變，SiO2的含量略有減少，而Al2O3含量稍有增加；采用LD-LF-CC和LD-LF-VD-CC工藝均能生產出合格的產品。
5.2、精煉過程中，堿度逐漸升高，精煉結束后，終渣堿度維持在4.5~5.0；在噸鋼用量9.31kg合成渣和2.79kg埋弧渣的條件下，精煉渣脫硫率達到80%。5.3CaO-SiO2-Al2O3精煉渣系能夠較好地去除鋼中的游離氧及氧化物夾雜，鋼材中的全氧含量低于12×10-6。
軸承展-2017年廣州國際軸承及其裝備展覽會-2017 China(Guangzhou) Int’l Bearing and Equipment Exhibition
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