電渣軸承鋼GCr15低倍組織及夾雜物來源探索

王利偉，阮士朋，薛正學，都郢祁，張治廣，賈東濤

(邢臺鋼鐵有限責任公司 河北省線材工程技術研究中心，邢臺 054027)

電渣軸承鋼GCr15低倍組織及夾雜物來源探索

王利偉，阮士朋，薛正學，都郢祁，張治廣，賈東濤

(邢臺鋼鐵有限責任公司 河北省線材工程技術研究中心，邢臺 054027)

通過調整二次電流和電壓，研究了雙極串聯抽錠式電渣爐在不同熔煉速率下電渣軸承鋼GCr15的低倍組織，結果表明，降低熔速能夠有效改善成品線材低倍質量;利用帶有EDS的SEM，檢測同一轉爐爐號下經電渣工序與否的成品線材中的D類夾雜物，檢測結果表明，兩者所產生的D類夾雜物成分有明顯差異，即后者中的多數D類夾雜物含有Mg元素，且w(Al)/w(Ca)比值均低于前者，此外通過比對同一電渣爐號下電渣錠與剩余電極端頭部位中以Al、Ca、O為主的夾雜物，其成分也有相似的規律，從而為電渣軸承鋼GCr15中D類夾雜物的來源提供了依據.

軸承鋼;電渣重熔;熔速;低倍組織;夾雜物

軸承鋼GCr15由于具有良好的抗疲勞性能及耐磨性能而廣泛應用于現代工業的各個領域.根據國內外軸承生產商的經驗:采用組織均勻、夾雜物少的軸承鋼能顯著提高其抗疲勞性能和耐磨性能［1］.

疏松、偏析等低倍缺陷的存在都將明顯降低軸承鋼的使用性能進而影響其工作期限，而電渣重熔工藝由于其順序凝固［2］的特點基本可以消除普通鑄鋼常見的疏松、偏析等低倍缺陷.在實際生產中通過摸索適合雙極串聯爐型［3，4］特點的熔煉速率，使鋼水最大限度地實現近平衡凝固，以此來獲得更為理想的低倍組織.

此外，D類夾雜物往往作為失效源，因此對軸承鋼的使用壽命影響也很大.解決D類夾雜物問題首先要確定其來源.通過比對同一轉爐爐號下是否經過電渣工序的成品線材GCr15中D類夾雜物的EDS成分，以及同一電渣爐號下電渣錠與剩余電極端頭部位中以Al、Ca、O為主的夾雜物成分，以此確定D類夾雜物來源于原始電極還是在電渣工序中重新生成.

1 試驗過程及結果討論

1.1 熔煉速率對GCr15低倍質量的影響

以正常熔速為基準，在其余工藝參數不變的基礎上進行一系列的降低熔速工業實驗，基準批次和試驗批次電渣錠，經開坯、軋制后在相同條件下進行酸洗(為驗證試驗效果，所采用的酸洗溫度、濃度和時間均高于正常生產檢驗)，檢驗結果見圖1.

圖1 不同熔速下成品線材酸洗后低倍質量Fig.1 The macrostructure of wire after pickling at different melting speed(a)、(b)—正常熔速下頭尾低倍;(c)、(d)—降低熔速后頭尾低倍

從圖1可以看出，在正常熔速下GCr15線材低倍中存在大量的碳化物蝕孔等低倍缺陷，通過降低熔速使得重熔過程減輕C、Cr等元素的溶質偏析及改善凝固條件，進而減少碳化物的積聚富集，形成較為理想的低倍組織.

1.2 成品線材中D類夾雜物成分檢測及討論

選取部分連鑄坯作為電極坯的GCr15轉爐爐次直接開坯軋制后進行夾雜物檢測，其中典型D類夾雜物成分見表1，從表1可以看出部分D類夾雜物中含有Mg，整體以Al、Ca、O類夾雜為主，其中w(Al)/w(Ca)的比值范圍為1.10～2.46，平均為1.86，此外該爐次LF精煉終渣成分見表2.

電渣過程渣中的w(Al)/w(Ca)比值見表3，w(Al)/w(Ca)平均為0.53，高于不經電渣工序的LF精煉渣中的w(Al)/w(Ca).

相同轉爐爐號選用部分連鑄坯作為電極經電渣重熔、開坯、軋制后檢測的典型D類夾雜物成分見表4和表5，表4、表5分別為電渣錠前后兩部分經開坯、軋制后的檢測結果.

表1 普通爐次GCr15直接開坯軋制后典型D類夾雜物能譜成分(質量分數)Table 1 The EDS for the typical D grade inclusions after rolling in ordinary GCr15 heat(mass fraction)%

表2 普通爐次LF精煉終渣成分(質量分數)Table 2 The chemical composition of LF final refining slag in ordinary heat(mass fraction) %

表3 電渣過程渣中Al、Ca質量分數比值Table 3 The weight ratio of Al to Ca in slag during ESR process

表4 電渣錠前部經軋制后檢測的典型D類夾雜物成分(質量分數)Table 4 The chemical composition of typical D grade inclusions in front of the ESR ingot by rolling(mass fraction) %

表5 電渣錠后部經軋制后檢測的典型D類夾雜物成分(質量分數)Table 5 The chemical composition of the typical D grade inclusions in back of the ESR ingot by rolling(mass fraction) %

圖2 經電渣工序與否的同一轉爐爐號的典型D類夾雜物SEM形貌Fig.2 The morphology of the typical D grade inclusions for the same hot metal with or without ESR process(a)、(b)—表1中編號4、6的夾雜物形貌;(c)、(d)—為表4中編號4、5的夾雜物形貌; (e)、(f)—為表5中編號為2、3的夾雜物形貌

從表4、表5可以看出，經過電渣的批次D類夾雜物中均不含Mg，且均為Al、Ca、O類夾雜或以其為主的夾雜，w(Al)/w(Ca)比值為2.02～7.27，平均為4.63，此項指標遠高于不經過電渣工序的材料，并且與LF精煉渣、電渣用渣中的w(Al)/w(Ca)比值大小具有明顯一致性.

1.3 電極與電渣錠中D類夾雜物成分檢測及討論

為了考察電渣重熔過程對D類夾雜物的影響，對于同一電渣爐號的電渣錠及剩余電極端部中的Al、Ca、O基復合夾雜物進行EDS檢測，其中電渣錠和剩余電極端部中的典型D類夾雜物成分分別見表6和表7.

從表6、表7檢測結果可以看出，原始電極中80%的D類夾雜物含有Mg元素，而電渣錠只占20%;原始電極中D類夾雜物w(Al)/w(Ca)比值為1.93～7.57，平均為3.54，而電渣錠中D類夾雜物w(Al)/w(Ca)比值為2.45～16.76，平均為7.01，這與電渣工序渣中w(Al2O3)/w(CaO)比值高于LF精煉渣的趨勢相一致.

表6 電渣錠中典型D類夾雜物成分(質量分數)Table 6 The chemical composition of the typical D grade inclusions in ESR ingot(mass fraction) %

表7 剩余電極端部中典型D類夾雜物成分(質量分數)Table 7 The chemical composition of the typical D grade inclusions in surplus electrode head(mass fraction) %

2 結論

(1)采用較低的適合雙極串聯抽錠式電渣爐爐型特點的熔速，有利于明顯改善GCr15的低倍質量;

(2)根據經電渣工序與否的典型D類夾雜物檢測結果，兩者均以Al、Ca、O基夾雜為主，但仍有明顯差異性，區別為后者部分夾雜中含有Mg (連鑄及以上煉鋼工序所接觸的各種耐材渣料中均含有MgO，此外LF精煉終渣中含6.5%MgO，而電渣工序渣中僅含0.4%的MgO其余環節幾乎無使夾雜物增Mg的可能)，并且后者夾雜中的w(Al)/w(Ca)比值明顯低于前者，夾雜物中w(Al)/w(Ca)比值的大小趨勢與LF精煉渣和電渣渣中的w(Al)/w(Ca)比值具有明顯的一致性;

圖3 同一電渣爐號電渣錠與電極中典型Al－Ca－O基夾雜物SEM形貌Fig.3 The morphology of the typical Al－Ca－O inclusions in ESR ingot and electrode with the same ESR heat metal(a)、(b)—表6中編號2、3的夾雜物形貌;(c)、(d)—為表7中編號1、4的夾雜物形貌

(3)同一電渣爐號的電渣錠與剩余電極端部Al、Ca、O基夾雜物成分檢測結果表明，其規律性與結論(2)相一致;

(4)根據結論(2)和(3)推斷，電渣重熔過程可以將電極坯中絕大部分原始夾雜物去除，電渣錠中的夾雜物除少量來自原始電極坯外，其主要來源為凝固過程析出、熔池中沿溫度梯度方向溫降時析出、渣鋼界面擾動卷入(進入熔池后可與其他夾雜物碰撞或與溶質反應生成復合夾雜物)，因此改善電渣軸承鋼GCr15中D類夾雜物除保證原始電極坯穩定外側重點更應從電渣工序著手.

［1］傅杰，姜周華，陳希春，等.電渣冶金與電渣金屬［M］.內部資料，2008:220－225.

(Fu Jie，Jiang Zhouhua，Chen Xichun，et al.The ESR metallurgy and the ESR metal［M］.The internal data，2008:220－225.)

［2］李正邦.電渣冶金的理論與實踐［M］.北京:冶金工業出版社，2010:65－75.

(LiZhengbang.Thetheory and experienceofESR metallurgy［M］.Beijing:The publisher of metallurgical industry，2010:65－75.)

［3］姜周華，董艷武，臧喜民，等.新一代電渣冶金技術的開發［C］//2010年全國電渣冶金學術研討會會議論文集.2010年10月:22－31.

(Jiang Zhouhua，Dong Yanwu，Zang Ximin，et al.The development of new ESR metallurgical technology［C］// Preceedings ofthe 2010 nationalsymposium on ESR metallurgy.October，2010:22－31.)

［4］李正邦.電渣冶金設備及技術［M］.北京:冶金工業出版社，2012:206.

(Li Zhengbang.The equipment and technology of ESR metallurgy［M］.Beijing:The publisher of metallurgical industry，2012:206.)

Research on macrostructure and inclusions source for ESR bearing steel GCr15

Wang Liwei，Ruan Shipeng，Xue Zhengxue，Du Yingqi，Zhang Zhiguang，Jia Dongtao

(Xingtai Iron and Steel Corporation LTD，The Research Center for Wire Engineering of Hebei Province，Xingtai 054027，China)

Through adjusting secondary current and voltage，the macrostructure of ESR bearing steel GCr15 at different melting speed was studied.for the ESR furnace with dipole series and stripping modeThe results showed the reducing melting speed can effectively ameliorate the macrostructure for the end product wire，and the SEM with EDS revealed for the D grade inclusions in the same hot metal with or without ESR working procedure，there is significant difference in the inclusion component，namely most of the inclusions comprise element Mg for the hot metal without ESR working procedure and the ratio of Al to Ca is lower than the other one.In addition，the similar regularity for the inclusions component in elements Al，Ca and O was found between the ESR ingot and the electrode head.It was believed that the present facts can supply much evidence for the D grade inclusions source in the ESR bearing steel GCr15.

bearing steel;ESR;melting speed;macrostructure;inclusions

TF142

A

1671-6620(2013)01-0033-06

2012-10-11.

王利偉 (1981—)，男，碩士，工程師，E－mail:wangliwei1981@163.com.