GCr15轴承钢冶炼工艺分析和讨论
摘要 采用非真空钢包精炼及钡合金处理轴承钢工艺，可使轴承钢氧含量降到10×10-6 以下，在钢的氧含量为8×10-6 时，钡合金处理的疲劳寿命比铝处理钢高63.55%.
关键字 高碳铬轴承钢 钡合金 脱氧 转炉 电弧炉
1、国内外轴承钢生产工艺及质量分析
从影响轴承钢质量的因素分析可知[1、2]，高质量轴承钢要求告洁净度，即低的残余元素、气体含量和夹杂物总量，残余夹杂物以细小、均匀、弥散的塑性夹杂物分布；均匀的化学成分和碳化物组织。为满足这些要求，对钢的冶炼和连铸设备和工艺提出了更高的要求。表1为国外部分高质量轴承钢生产的工艺流程和钢质量情况[3]，其中冶炼设备和工艺的主要特点为：
（1）为降低消耗、提高产品质量和质量稳定性及便于进行二次精炼，冶炼设备大型化。
（2）为降低钢中残余元素，对钢铁料进行精选或者采用高炉铁水为原料。
（3）为减少氧化渣的带入，采用无渣出钢技术或者真空除渣技术。
（4）采用以RH为主的真空脱氧，进一步降低钢中氧含量和氢、氮含量。
国内几家主要轴承钢生产厂2001年轴承钢产量、氧含量及主要工艺流程如表2所示。
从表1和表2的比较可知，国外轴承钢的生产均采用大电炉或转炉初炼提供低残余元素和低磷的粗钢，再进行二次精炼和真空脱气工艺降低钢中的气体含量，其中二次精炼设备以LF为主，真空处理设备以RH为主。而国内轴承钢的生产主要以小电炉和模铸生产为主，经过近几年的技术改造，大部分厂初步具备了大电炉粗炼，LF（CD）精炼和连铸条件，并已经开始连铸轴承钢的生产。但国内轴承钢生产厂均为电炉初炼，无一家采用转炉提供高质量的粗钢，以二次精炼而言，国内各厂几乎都采用LF精炼，并配备VD真空设备，但从脱氮、脱氢效果分析，VD效果远不如RH。不但VD脱气效果差且运行成本较高，许多工厂在实际生产中并未采用VD脱气。
表1 国外典型高质量轴承钢生产工艺流程及其质量情况
| 生产厂 | 工艺流程 | 精炼效果/*10-6 |
| 山阳特钢 | 90t UHP.EBT.EF-LF-RH-CC |
T.[0]:5.4,Ti:14-45 |
| NKK京滨制铁所 | 高炉-铁水预处理-转炉-真空除渣-钢桶精炼-RH-CC | T.[0]:7.5,Ti:15 |
| 大同知多厂 | 40t EAF-钢桶氧化气氛下喷粉脱磷-除渣-LF-RH | T.[0]:5
[S+P+O+N]<80 |
| 神户制钢 | 高炉-铁水预处理-转炉（BOF） 除渣-VAD-EMS-CC | T.[0]:6.3,[Ti]:8.4
[P]:63,[S]:26 |
| 爱知 | 80t EAF-VSC-LF-RH-CC | T.[0]<7 |
| 克虏伯 | UHP.EF(110t)-LF-RH-CC | 采用RH可使[0]降低26% |
| 蒂森 | BF-140t TBM-RH-IC(CC)
110t EFA-钢桶精炼，脱气-IC |
T.[0]:12
T.[0]:9 |
| Klō ckner | 转炉-LF-VD-WF-弱搅拌-CC | T.[0]<10 |
| SKF | SKF-MR-ASEA-SKF | T.[0]:10 |
| 和歌山 | 转炉-RH-CC
转炉-CC |
T.[0]:6,[Ti]:12
T.[0]:10,[Ti]:22 |
| 高波 | EF-ASEA-SKF-Ar
EF-ASEA-SKF |
T.[0]:5,[Ti]:9
T.[0]:9,[Ti]:20 |
表2 国内几家特钢企业主要工艺流程及2001年高碳铬轴承钢产量及质量
| 生产厂 | 工艺流程 | 连铸坯尺寸/mm | 轴承钢总量/t | 连铸坯量/t | T.O/*10-6 |
| 上五三炼 | 100t EAF-120t LF-VD-IC/cc | 220*220 | 117 342 | 43 934 | 8.6 |
| 兴澄滨江 | 100t DCEAF-115t LF-VD-CC | 300*300 | 183 279 | 173 932 | 7.1 |
| 锡钢 | 30t EAF-40t LF-VD-IC/CC | 180*220 | 78 255 | 14 399 | 9.6 |
| 长城特钢 | 30t EAF-40t LF-VD-IC/CC | 200*200 | 18 742 | - | 10.2 |
| 莱芜特钢 | 50t EAF-60t LF-VD-IC/CC | - | 18 878 | - | - |
| 大冶四炼 | 50t EAF-60t VHD-IC/CC | 350*470 | 75 060 | 5 886 | 9.2[5] |
| 西宁三炼 | 60t EAF-60t LF-VD-IC/CC | 235*265 | 57 845 | 12 388 | 11.2 |
| 抚顺特钢 | 50t EAF-60t LF-VD-IC/CC | 280*320 | 119 254 | 55 882 | 9.1 |
| 北满特钢 | 40t EAF-40t LF-IC | - | 90 405 | - | 10.9 |
| 本钢特钢 | 30t EAF-40t LF-IC | - | 43 277 | - | 11.8 |
| 大连钢厂 | 40t EAF-40t LF-VD-IC | - | 155 960 | - | 11.4 |
| 郑州永通 | 10t EAF-20t LF-CC | 130*130 | 46 000 | 46 000 | - |
2、钡合金处理轴承钢的可行性及效果
通过各种夹杂物对轴承钢疲劳寿命影响的分析可知，铝酸钙点状夹杂对疲劳寿命危害最大，为防止点状夹杂的生成，对轴承钢冶炼规定严禁采用钙合金处理，并要求钢中钙含量≤10*10-6。由于钡与钙同属碱土金属，所以有人认为采用钡合金处理轴承钢，可能导致含钡的铝酸钙夹杂产生。对此颜根发[4]从形成铝尖晶石系氧化物的晶体结构和元素配位数进行分析，认为钡的脱氧产物不会与Al2O3形成高熔点的铝尖晶石。而且，由于钡具有比铝更大的脱氧能力及较大的原子半径，钡的脱氧产物可与铝、硅脱氧产物生成最低熔点为1122℃的低熔点夹杂，该夹杂极易上浮排出，从而导致钢中氧含量迅速降低。对轴承钢用钡合金处理后的疲劳寿命对比试验结果如表3所示[6]，在氧含量为8*10-6的情况下，钡合金处理钢的额定疲劳寿命比铝处理钢高63.55%。因此，钡合金可用做轴承钢精炼的高效脱氧和夹杂物变性剂。
表3 钡合金和铝处理轴承钢接触疲劳试验结果比较
| 工艺流程 | 额定寿命/L10*107 | 相对比较系数 | 中值寿命/L50*107 | 相对比较系数 | 特征寿命/N*107 | 斜率α |
| EAF-LF钡合金处理 | 1.1210 | 1.6355 | 2.8922 | 1.4253 | 3.4778 | 1.9876 |
| EAF-LFV铝脱氧 | 0.6854 | 1 | 2.0292 | 1 | 2.5063 | 1.7356 |
3、非真空脱气及配套措施
轴承钢属白点敏感性钢，为降低钢中氢含量和进一步降低氧和氮含量，要求对轴承钢进行真空处理。由于RH优异的脱气效果，国外一般采用RH进行真空处理，并根据钢中碳含量和脱气目的不同，采用LF-RH或RH-LF流程，一般在钢中碳含量较低，以脱氧为主要目的时，采用RH-LF流程，但为补偿RH脱气过程中的温降，要求高温出钢。而钢中碳含量较高时，采用LF-RH流程。在国内轴承钢生产过程中，一般采用LF或LF-VD精炼工艺，在LF-VD流程中，由于在LF已进行了沉淀脱氧，VD的主要任务在于脱氮和氢。
对炼钢过程中氢含量变化的分析可知，在电弧冶炼情况下，对不同脱碳量时的钢液氢含量和氮含量进行检测得知，当脱碳量大于0.8%时，钢液的氢含量可小于2*10-6，氮含量可小于25*10-6，但在随后的出钢过程中钢液增氮和氢，使进入LF的第一个样的氢含量达到（4-6）*10-6，氮含量达到（50-60）*10-6，在LF冶炼过程中钢中的氢和氮维持不变或略有降低，为进一步降低钢中的氢、氮含量，一般进行VD处理，在处理效果较好的情况下，可使钢中的氢小于3-10-6，氮小于40*10-6。
从冶炼过程钢中氢、氮含量的变化可知，钢中氢、氮含量的增加主要是由于出钢过程中的渣料、合金料水分及钢液吸气所造成，真空脱气的功能仅仅是脱去了钢液出钢过程中增加的部分氢、氮含量。因此，如果采取出钢保护措施和精炼渣的优化，来控制出钢过程中增氢和增氮，就完全没有必要再采用真空处理，这样在工艺上可省去真空脱气工序，降低设备投资和操作费用。
在非真空脱气的情况下，通过采用合理的钡合金处理工艺、增大电弧炉配碳量和渣料及合金料的烘烤、出钢过程的保护及配制高挥发性初渣等措施，可生[0]<10*10-6、[H]<4*10-6的高质量轴承钢。
4、转炉冶炼轴承钢的可行性及需要解决的配套技术
从影响轴承钢质量的因素分析可知，钢中残余元素对钢质量有很大的影响。为降低钢中残余元素，在电弧炉冶炼时通过废钢精选或增大生铁和直接还原铁比例来稀释钢中残余元素含量。在转炉冶炼过程中铁水比例达到80%-90%。对降低钢中残余元素十分有利，但是考虑到转炉冶炼周期较短及下氧化渣等原因，仅靠LF很难将钢中氧含量降到较低水平。因此，日本轴承钢生产厂采取炉后除渣及LF-RH精炼工艺生产轴承钢。
国内目前生产轴承钢均采用电弧炉工艺，为降低钢中残余元素和降低生产成本，个别生产厂进行了电弧炉配铁水冶炼轴承钢的试验。为进一步降低成本，采用转炉配LF或转炉配LF-CAS流程和高效脱氧及精炼技术，生产一般用途的轴承钢。在BOF-LF-CAS流程中LF的主要任务是升温和化渣，CAS的主要任务是吹氩搅拌和调整成分，脱氧和脱硫通过采用高效脱氧变性剂在出钢过程完成，并根据冶炼节奏的不同，优化两个精炼设备的功能和时间分配。因此，采用转炉流程生产高质量轴承钢，必须注意对转炉无（氧化）渣出钢或炉后除渣技术和高效精炼技术这两个关键技术的开发和应用。
5、小结
（1）钡合金可用于轴承钢的深度脱氧和夹杂物变性。
（2）在非真空的EAF-LF流程中，通过采用钡合金处理和保护出钢技术可生产氧含量≤10*10-6的高质量轴承钢。
（3）转炉冶炼生产高质量轴承钢的关键是解决无渣出钢（或炉后除渣）和高效精炼技术这两项技术。
参考文献：
1、Lund T, et al. Cleanliness Requirements on Rolling Bearing Steel. Clean Steel 3, Proceedings of the Third International Conference on Clean Steel, Hungary, 1986.209
2、Cogne J Y, et al. Cleanness and Fatigue Life of Bearing Steels. Clean Steel 3, Proceedings of the Third International Conference on Clean Steel, Hungary, 1986.26
3、王忠英.钡系合金处理轴承钢的工艺和理论研究.北京科技大学博士学位论文，1998.12
4、颜根发.含硅钡系合金取代铝脱氧的几个理论问题.华东冶金学院学报，1997，14（3）：233
5、付云峰，徐德祥，陆佰亮.国内轴承钢的生产现状和发展.特殊钢，2002，23（6）：30
6、于桂玲，等.轴承钢脱氧工艺优化.炼钢，2001，17（1）：27
王忠英，男，35岁，博士后，高级工程师。从事合金钢冶炼及连铸工艺研究。
