超低鈦軸承鋼的生產實踐

安 強

（華菱湘潭鋼鐵有限公司，湖南 湘潭 411101）

鈦在軸承鋼中主要以氮化鈦或碳化鈦夾雜的形式存在，這種氮化鈦或者碳化鈦夾雜穩定性好、硬度高，呈棱角狀分布，但對軸承的疲勞壽命極為不利，還會嚴重影響滾珠和軸套成品的拋光性能[1-2]。國內某鋼廠為了生產出滿足國標GB/T 18254—2016 高碳鉻軸承鋼要求的特級優質軸承鋼，且要保證鋼中w（Ti）≤0.0015%，因此進行降鈦冶煉生產實踐。

1 軸承鋼GCr15 鋼中w（Ti）控制現狀

國內某鋼廠軸承鋼冶煉工藝流程：鐵水→140 t氧氣頂底復吹轉爐冶煉→擋渣出鋼、脫氧合金化→撈渣→140 tLF 爐精煉→140 tVD 爐真空脫氣→立彎式矩形坯連鑄（坯型為350 mm×430 mm）。

未采取降鈦措施前，軸承鋼GCr15 中包平均w（Ti）達到27×10-6，高于國標GB/T 18254—2016高碳鉻軸承鋼特級優質軸承鋼要求。煉鋼冶煉過程軸承鋼中w（Ti）變化如圖1 所示。

圖1 冶煉過程軸承鋼中w（Ti）變化

從圖1 可以看出，轉爐終點平均w（Ti）為10×10-6左右。從轉爐終點到進LF 過程的w（Ti）增幅最大，大約為11×10-6左右，一部分由硅系、錳系和鉻系合金中的鈦在脫氧合金化過程直接進入鋼水，另一部分由出鋼過程轉爐渣進入鋼包，渣中[TiO2]被鋁系脫氧劑還原后，通過渣鋼之間的傳質進入鋼水，這是控制鋼中w（Ti）關鍵環節之一。從進LF 到出LF過程w（Ti）增加約為5×10-6左右，一部分是原輔材料中的鈦進入鋼水，另一部分為鋼包頂渣中[TiO2]被還原成[Ti]，通過渣鋼之間傳質進入鋼水，這是控制鋼中w（Ti）的另一重要環節。從VD 到中包過程，鋼水w（Ti）變化較小。

2 改進措施

針對上述冶煉過程中不同階段的鋼中w（Ti）變化情況，重點從控制鐵水w（Ti）、轉爐冶煉、出鋼過程弱脫氧、出鋼下渣量、出鋼后扒渣和LF 脫氧造渣等幾個環節采取措施。

2.1 轉爐雙渣法冶煉

鐵水w（Ti）高不僅會造成轉爐終點鋼水中w（Ti）高，也會造成渣中w（TiO2）高，轉爐終點鋼水w（Ti）與鐵水w（Ti）呈正相關，即鐵水w（Ti）低，轉爐終點w（Ti）也低。各高爐鐵水w（Ti）情況如下頁圖2 所示，由圖2 可知，2 號高爐鐵水平均w（Ti）最低，為3.8×10-4，冶煉軸承鋼時選2 號高爐含平均w（Ti）為3.8×10-4左右低鈦鐵水，并采用雙渣法冶煉。由于鈦元素比較活潑，容易被氧化，通過雙渣法，可進一步稀釋轉爐渣中磷和鈦氧化物含量，降低鋼水因下渣導致回磷和回鈦對鋼水質量的影響，從而有效降低轉爐終渣中w（Ti）。

圖2 各高爐鐵水w（Ti）

2.2 選擇較強氧化性轉爐終點

鐵水和廢鋼中的[Ti]與[O]反應生成[TiO2]進入頂渣中，轉爐冶煉過程熔池中[Ti]與[O]平衡關系如圖3所示[3]，從圖3 可知，通過選擇較強氧化性鋼水，使得鋼水中[Ti]最大限度的發生氧化反應生成[TiO2]，通過渣鋼之間傳質進入渣中，同時通過底吹氬攪拌來改善鋼渣之間傳質，可得到轉爐終點較低的w（Ti）的鋼水。

圖3 1 873 K 時轉爐熔池內鋼液[Ti]、[O]平衡關系

2.3 出鋼過程采用弱脫氧

出鋼過程加入鋁系、硅系、錳系和鉻系等合金進行脫氧合金化，由各元素的脫氧能力Al>Ti>Si>Mn可知，鋁元素脫氧能較高，過量Al 與渣中[TiO2]發生還原反應生成[Ti]而進入鋼水中，因此轉爐出鋼過程只加硅系、錳系和鉻系合金進行弱脫氧合金化，不加鋁系強脫氧合金，可減少鋼水中w（Ti）。

2.4 采用雙擋渣出鋼和扒渣工藝

由于鐵水w（Ti）較高，導致轉爐頂渣w（Ti）較高，因此需要嚴格控制出鋼過程的下渣量，采用滑板擋渣和擋渣球擋渣雙擋渣法出鋼，減少了出鋼過程的下渣量。另外可在出鋼過程鋼水中加入石灰渣洗，稠化鋼包頂渣，這樣既有利于鋼水脫氧，又便于扒渣操作，出完鋼后進行扒渣操作，可扒掉90%鋼包頂渣，減少了鋼包頂渣量，從而減少了渣中[TiO2]的總量，進而減少了渣中[TiO2]被還原進入鋼水中w（Ti）。LF 鋼包頂渣成分如表1 所示，A 試樣為未扒渣爐LF鋼包頂渣成分，B 試樣為扒渣爐LF 鋼包頂渣成分，A試樣渣中w（TiO2）是B 試樣w（TiO2）的3 倍，故出鋼后進行扒渣操作，可進一步降低鋼中的w（Ti）。

表1 LF 鋼包頂渣成分 %

2.5 選擇低鈦合金和LF 低鈦輔料造渣

由于普通硅、錳、鉻合金和精煉合成渣中w（Ti）普遍偏高，直接會導致鋼水中w（Ti）增高，嚴重影響鋼水純凈度，合金化增w（Ti）應引起重視。w（Ti）要求極低，一切影響w（Ti）的因素都很重要，合金中Ti 都將進入鋼液引起鋼液w（Ti）的增加，不同合金w（Ti）情況如表2 所示。由表2 可知，普通硅鐵、錳鐵和鉻鐵中w（Ti）是低鈦硅鐵、錳鐵和鉻鐵中w（Ti）的3.5倍以上，尤其是鉻系合金，由于軸承鋼GCr15 中w（Cr）達到1.50%左右，需要加入大量的鉻鐵進行增鉻，因此選用選擇低鈦硅系、錳系和鉻系合金進行脫氧合金化及LF 成分微調。

表2 不同原輔材料w（Ti） %

LF 造渣采用低鈦精煉合成渣進行脫氧造渣，不同精煉合成渣鋼包頂渣成分如表3 所示。其中，1 號和2 號試樣選用低鈦精煉合成渣造渣，3 號和4 號為普通精煉合成渣造渣的鋼包頂渣成分。由表3 可知，選用低鈦精煉合成渣造渣的鋼包頂渣w（TiO2）較普通精煉合成渣造渣頂渣的w（TiO2）低了0.34%，通過選擇低鈦精煉合成渣造渣可有效減少鋼水中w（Ti）的增加。

表3 不同精煉合成渣鋼包頂渣成分 %

2.6 選擇低鈦大罐

出鋼前選擇前罐鋼水w（Ti）≤3×10-6所用的大罐，出鋼前對大罐內部和罐沿的殘鋼和殘渣進行清理，以減少殘鋼和殘渣對鋼水污染。

3 實施效果

采用上述措施后，國內某鋼廠試生產1 個澆次10 爐，優化后的軸承鋼冶煉過程w（Ti）變化情況如下頁圖4 所示。由圖4 可知，轉爐終點w（Ti）控制在4×10-6～8×10-6，進LF 的w（Ti）控制在10×10-6～14×10-6，LF 冶煉過程w（Ti）增量控制在1×10-6～4×10-6，進而可控制中包w（Ti）≤15×10-6，其中有7 爐鋼中包w（Ti）≤15×10-6，滿足國標GB/T 18254—2016 高碳鉻軸承鋼的特級優質鋼w（Ti）的要求，命中率達70%。

圖4 優化后7 爐軸承鋼冶煉過程w（Ti）變化情況

4 結論

通過選擇低鈦鐵水、轉爐采用雙渣法冶煉、轉爐終點較強氧化性控制、出鋼過程采用弱脫氧、采用雙擋渣工藝及扒渣工藝、選擇低鈦原輔材料和大罐，可以生產出w（Ti）≤15×10-6的特級優質軸承鋼，同時通過降低鋼中w（Ti），減少了對軸承鋼疲勞壽命的影響，延長了軸承鋼使用年限。