大功率風(fēng)電機(jī)組用軸承鋼中非金屬夾雜物特征及來源分析

李　陽，蔡金林，薛正良，肖愛平，徐尚呈，劉月云

(1.武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢,430081；2.大冶特殊鋼股份有限公司研究院，湖北 黃石,435001)

大功率風(fēng)電機(jī)組用軸承鋼中非金屬夾雜物特征及來源分析

李陽1，蔡金林1，薛正良1，肖愛平2，徐尚呈2，劉月云2

(1.武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢,430081；2.大冶特殊鋼股份有限公司研究院，湖北 黃石,435001)

摘要：采用非水溶液電解法萃取大功率風(fēng)電機(jī)組用軸承鋼軋材中的非金屬夾雜物，結(jié)合SEM和EDS分析，對(duì)夾雜物的形貌、尺寸、成分及類型進(jìn)行表征，并分析其可能來源。結(jié)果表明，該風(fēng)電軸承鋼軋材中非金屬夾雜物主要包括Al-Ca-Si-Mg系氧化物和Al-Ca-Si-Mg系硫化物兩大類；在鋼中T[O]含量僅為0.0007%時(shí)，仍存在以SiO2為主的Al-Ca-Si-Mg系大型夾雜物。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機(jī)組；軸承鋼；非水溶液電解；非金屬夾雜物；Al-Ca-Si-Mg系；大型夾雜物

近年來，我國風(fēng)電行業(yè)發(fā)展迅速，風(fēng)電機(jī)組功率與容量不斷增大[1-2]。軸承作為風(fēng)電設(shè)備的核心零部件，其使用環(huán)境惡劣，維修拆裝成本高，因而對(duì)所用材料的強(qiáng)度、沖擊韌性、接觸疲勞壽命等性能要求十分嚴(yán)格[3]。目前，我國單座裝機(jī)容量在5 MW以上的風(fēng)電機(jī)組用大型軸承還完全依賴于進(jìn)口[4]。因此，冶煉符合使用標(biāo)準(zhǔn)的高品質(zhì)軸承鋼，已成為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電軸承國產(chǎn)化的關(guān)鍵因素之一。

研究表明，原料鋼中存在的非金屬夾雜物與軸承零件接觸疲勞裂紋的萌生與擴(kuò)展密切相關(guān)[5-6]，且可能造成風(fēng)電軸承使用過程中表面不平整等缺陷[7]，進(jìn)而影響軸承使用壽命。盡管冶煉過程中，對(duì)鋼水中含氧量的控制十分嚴(yán)格，但軸承鋼軋材中仍可能存在影響產(chǎn)品質(zhì)量的大型夾雜物，且夾雜物的種類與性質(zhì)尚不明確。為此，本文采用非水溶液電解法萃取出某大功率風(fēng)電機(jī)組用軸承鋼軋材中的非金屬夾雜物，結(jié)合SEM與EDS分析，對(duì)夾雜物形貌、尺寸、組成及類型進(jìn)行表征，并探究其可能來源，以期為冶煉高品質(zhì)軸承鋼過程中的夾雜物控制提供理論依據(jù)。

1試驗(yàn)

1.1生產(chǎn)工藝流程

為避免將初煉爐中氧化性渣帶入鋼包，電爐出鋼時(shí)采用留鋼留渣的操作。出鋼過程隨鋼流依次加入1600 kg高碳鉻鐵、350 kg中碳錳鐵、150 kg硅鐵、200 kg鉬鐵、70 kg鋁錠進(jìn)行脫氧與合金化，鋼包中加入700 kg精煉合成渣(化學(xué)成分見表2)和350 kg活性石灰進(jìn)行造渣，加入量根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行復(fù)核調(diào)整。鋼水進(jìn)入LF爐精煉時(shí)，加入一定量精煉合成渣與活性石灰石(比例為2∶1)進(jìn)行脫氧造白渣，后通電升溫、化渣，溫度控制在1550～1580 ℃，RH真空精煉時(shí)間不低于35 min，軟吹氬時(shí)間不低于25 min(67 Pa以下)。LF精煉鋼水全過程保護(hù)澆注，下水口-缽口采用氬封保護(hù)，澆鑄溫度控制為1490～1505 ℃。

表1　風(fēng)電軸承鋼軋材的化學(xué)成分(wB/%)

表2　精煉合成渣的化學(xué)成分(wB/%)

1.2取樣及分析方法

電解完畢后，使用無水乙醇對(duì)陽極泥進(jìn)行分批淘洗，后通過離心分離的方法提取出陽極泥中的夾雜物，將萃取得到的夾雜物單層放置在一拋光的平面上，采用Nova400Nano型掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜分析儀(EDS)分析其形貌、尺寸及物相組成。

2結(jié)果與分析

經(jīng)非水溶液電解萃取后，所得軸承鋼軋材試樣中非金屬夾雜物的形貌如圖1所示。由圖1可見，視場中分布著大量不同尺寸的不規(guī)則塊狀、團(tuán)簇狀以及少量球狀?yuàn)A雜物；部分夾雜物表面較為致密，帶有明顯棱角，而部分夾雜物表面較為疏松，可能是一些絮狀物或其他夾雜附著在基體夾雜物表面；夾雜物尺寸大多介于10～100 μm之間，但還存在少量尺寸大于100 μm的大型夾雜物。結(jié)合EDS分析可知，電解萃取得軸承鋼軋材中的非金屬夾雜物主要包括Al-Ca-Si-Mg系氧化物和Al-Ca-Si-Mg系硫化物兩大類。

(a)視場1(b) 視場2

圖1軸承鋼軋材中非金屬夾雜物的形貌

Fig.1 Morphologies of inclusions in rolled products of bearing steel

2.1Al-Ca-Si-Mg系氧化物夾雜形貌特征與類型

軸承鋼軋材中典型Al-Ca-Si-Mg系氧化物夾雜的SEM照片和EDS圖譜如圖2所示。由圖2可見，軋材中典型的Al-Ca-Si-Mg系氧化物夾雜有：①SiO2類夾雜物，呈帶棱角的不規(guī)則塊狀，表面較為光滑，尺寸介于30～500 μm之間，主要是Si的脫氧產(chǎn)物在上浮過程中不斷聚集長大形成的；②Al2O3-SiO2系硅鋁酸鹽夾雜，含少量MgO或堿金屬氧化物(如K2O)，呈球狀或者多邊形狀，表面較為粗糙，尺寸介于15～80 μm之間，這類夾雜為Si和Al同時(shí)脫氧的產(chǎn)物，而堿金屬氧化物則來自于結(jié)晶器保護(hù)渣；③Al2O3-CaO-MgO-SiO2系夾雜，呈不規(guī)則塊狀，尺寸分布在25～180 μm之間，從成分上判斷可能是Si脫氧產(chǎn)物吸收了部分精煉渣后形成的夾雜；④CaO-SiO2系夾雜，CaO含量達(dá)86.33%，同時(shí)含少量TiO2，呈塊狀，尺寸約為40 μm，這可能是出鋼時(shí)加入鋼包的造渣材料(活性石灰)的微粉粒被卷入鋼水中所致；⑤CaO-MgO系夾雜，CaO和MgO的含量分別為56.63%和43.37%，呈多邊形塊狀，尺寸約為50 μm，從成分上判斷可能為白云石分解的產(chǎn)物，主要來自于爐襯；⑥CaO-MgO-SiO2-P2O5系夾雜，含一定量的K2O和CuO，尺寸處于25～80 μm間，該類夾雜物呈致密球狀，表明其熔點(diǎn)低于鋼水溫度，可能來自于澆鑄階段；⑦CaO夾雜物，尺寸約為45 μm，呈正方體形狀，可能來自于精煉階段加入的石灰石。

此外，該軸承鋼軋材中還含有一定量的Al2O3-CaO-SiO2、CaO-MgO-SiO2和Al2O3-MgO-SiO2等硅鋁酸鹽、鈣鋁酸鹽系非金屬夾雜物。

(a) SiO2夾雜物(b) Al2O3-SiO2+MgO夾雜(c) Al2O3-SiO2+K2O夾雜

(d) Al2O3-CaO-MgO-SiO2夾雜(e) CaO-SiO2+TiO2夾雜(f) CaO-MgO夾雜

(g)CaO-MgO-SiO2-P2O5+K2O, CuO夾雜(h) CaO夾雜物

圖2典型Al-Ca-Si-Mg系氧化物夾雜的SEM照片和EDS圖譜

Fig.2 SEM images and EDS spectra of typical Al-Ca-Si-Mg system oxide inclusions

2.2Al-Ca-Si-Mg系硫化物夾雜形貌特征與類型

軸承鋼軋材中典型Al-Ca-Si-Mg系硫化物夾雜的SEM照片和EDS圖譜如圖3所示。由圖3可見，軋材中典型Al-Ca-Si-Mg系硫化物夾雜主要為CaS-MnS-CuS系夾雜物，呈球狀，表面較為粗糙，尺寸介于20～50 μm之間。其中，圖3(a)為硅鋁酸鹽與硫化物的復(fù)合夾雜，該類復(fù)合夾雜是以鋼液中硫容量較大的渣相為載體，在鋼水凝固過程中硫以CaS的形式飽和析出，而其中的MnS則是在固液兩相區(qū)以上述夾雜為核心復(fù)合析出的；在如圖3(b)所示的硫化物夾雜中，CaS夾雜在鋼液精煉過程中已形成，而MnS和CuS則在鋼液凝固過程的固液兩相區(qū)以CaS為核心相繼析出。

(a) Al2O3-CaO-SiO2+CaS-CuS-MnS系夾雜(b)CaS-MnS-CuS系夾雜

圖3典型Al-Ca-Si-Mg系硫化物夾雜的SEM照片及EDS能譜

Fig.3 SEM images and EDS spectra of typical Al-Ca-Si-Mg system sulfide inclusions

2.3大型夾雜物的形貌特征與類型

軸承鋼軋材中典型大型夾雜物的SEM照片和EDS圖譜如圖4所示。由圖4可見，所得大型夾雜物尺寸分布于170～500 μm范圍內(nèi)，形貌呈帶棱角的不規(guī)則塊狀，表面較為光滑。其中，圖2(a)為SiO2類復(fù)合夾雜物，SiO2含量高達(dá)80%，同時(shí)含有少量的CaO、Al2O3、MgO以及堿金屬氧化物；圖2(b)為SiO2-Al2O3-CaO系夾雜，SiO2、Al2O3和CaO含量分別為42.70%、18.20%和39.10%，這與精煉渣的化學(xué)組成十分相似，因此可判斷該類夾雜物可能是精煉渣的卷入所產(chǎn)生的。

(a) SiO2系夾雜(b) SiO2-Al2O3-CaO系夾雜

圖4大型夾雜物的SEM照片及EDS圖譜

Fig.4 SEM images and EDS spectra of macro inclusions

3討論

3.1Al-Ca-Mg-Si系夾雜的成分及形成原因分析

圖5為軸承鋼軋材試樣中Al-Ca-Mg-Si系氧化物夾雜的成分三元相圖。由圖5可見，Al-Ca-Mg-Si系夾雜主要為含SiO2高的復(fù)合夾雜，而不是含Al2O3高的夾雜。原因可能是該軸承鋼在LF精煉過程中，脫氧較為充分，T[O]含量很低，僅為0.0007%，而Al脫氧產(chǎn)物Al2O3與鋼水的接觸角(144°)大于Si脫氧產(chǎn)物SiO2與鋼水的接觸角(115°)[10]，使得出鋼過程中析出的大型Al脫氧產(chǎn)物更容易在精煉過程中上浮去除，而小顆粒Al脫氧產(chǎn)物也更易通過碰撞聯(lián)結(jié)成大顆粒簇狀?yuàn)A雜而上浮去除；隨著精煉工藝的推進(jìn)，鋼液中T[O]含量逐漸下降，殘留在鋼液中的大型Al脫氧產(chǎn)物逐漸減少，相對(duì)而言，Si脫氧產(chǎn)物比Al脫氧產(chǎn)物更容易被鋼水潤濕，也沒有發(fā)現(xiàn)過由小顆粒Si脫氧產(chǎn)物聚集成的大顆粒簇狀?yuàn)A雜存在，因而Si脫氧產(chǎn)物較難從鋼液中去除。

圖5　Al-Ca-Mg-Si系氧化物夾雜的成分(wB/%)

Fig.5 Chemical compositions of Al-Ca-Si-Mg system oxide inclusions in rolled products of bearing steel

3.2夾雜物評(píng)級(jí)

根據(jù)GB/T10561—2005，對(duì)該軸承鋼中的非金屬夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí)，結(jié)果如表3所示。由表3可見，從B類夾雜細(xì)系0.5級(jí)、D類夾雜粗系0.5級(jí)和Ds類1級(jí)來看，軸承鋼軋材試樣中存在9 μm以下的Al2O3顆粒、8～13 μm的單顆粒夾雜及19 μm大型球狀顆粒。然而，實(shí)際電解萃取出的夾雜物顆粒尺寸則遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金相評(píng)級(jí)所觀察到的夾雜物尺寸。這些大型夾雜物盡管數(shù)量不多，但在鋼中幾乎呈隨機(jī)分布，當(dāng)其出現(xiàn)于工件表面或皮下時(shí)，會(huì)直接影響該工件的使用性能，導(dǎo)致其疲勞極限大幅降低。

表3　軸承鋼軋材中非金屬夾雜物的評(píng)級(jí)

3.3去除大型夾雜物的有效途徑

針對(duì)目前的風(fēng)電軸承鋼生產(chǎn)工藝，為降低大型Si脫氧產(chǎn)物夾雜的數(shù)量，在出鋼過程中可采用先加碳，后依次加入金屬鋁、硅鐵的工序?qū)︿撍M(jìn)行合金化處理。當(dāng)鋼水含碳量達(dá)到1%左右時(shí)，與碳平衡的鋼水溶解氧含量小于0.005%，此時(shí)再加鋁深度脫氧析出的Al脫氧產(chǎn)物也相對(duì)較少。當(dāng)鋼液溶解氧含量降至10-6時(shí)，再加硅鐵則不再會(huì)從鋼液中析出Si脫氧產(chǎn)物。因此，為減少軸承鋼軋材中的大型夾雜物，可將鋼液脫氧合金化工藝優(yōu)化為：先加增碳劑(中碳錳鐵、高碳鉻鐵等)，后加鋁錠深脫氧，最后加硅鐵和鉬鐵進(jìn)行合金化。此外，LF精煉過程中可適當(dāng)控制吹氬強(qiáng)度，避免精煉渣卷入鋼液中形成大型夾雜，且鋼水澆鑄過程中盡量穩(wěn)定澆注速度，避免保護(hù)渣卷入鋼液。

4結(jié)論

(1)經(jīng)非水溶液電解萃取后，大功率風(fēng)電機(jī)組用軸承鋼軋材中非金屬夾雜物主要包括Al-Ca-Si-Mg系氧化物和Al-Ca-Si-Mg系硫化物兩大類。

(2)在鋼中T[O]含量小于0.0007%情況下，該軸承鋼軋材中仍存在以SiO2為主的Al-Ca-Mg-Si系大型夾雜物。

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[責(zé)任編輯董貞]

Characteristics and origins of non-metallic inclusions in bearing steel used for high-power wind turbines

LiYang1,CaiJinlin1,XueZhengliang1,XiaoAiping2,XuShangchen2,LiuYueyun2

(1. Key Laboratory for Ferrous Metallurgy and Resources Utilization of Ministry of Education,Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China； 2. Research Institute,Daye Special Steel Co.,Ltd., Huangshi 435001, China)

Abstract:Nonaqueous solution electrolysis method was employed to extract the non-metallic inclusions in the rolled products of bearing steel used for high-power wind turbines. By means of SEM and EDS, the mophology, size, composition and type of the extracted inclusions were characterized and the possible sources of those inclusions were analyzed accordingly. The results show that non-metallic inclusions in this bearing steel are mainly composed of Al-Ca-Si-Mg system oxides and Al-Ca-Si-Mg system sulfides. Even though the T[O] content in the rolled metal is only 0.0007%, there still exists a certain amount of SiO2-rich Al-Ca-Si-Mg system macro inclusions.

Key words：wind turbine; bearing steel; nonaqueous solution electrolysis; non-metallic inclusion; Al-Ca-Si-Mg system; macro inclusion

收稿日期：2015-09-30

基金項(xiàng)目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2012AA03A504).

作者簡介：李陽(1988-)，女，武漢科技大學(xué)講師，博士．E-mail: liyang@wust.edu.cn

中圖分類號(hào)：TF7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-3644(2016)01-0030-06