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盧春光¹，張國磊²，成國光²，苗紅生¹，張旭¹

(1.西寧特殊鋼股份有限公司技術中心研發部， 青海 西寧 810005；2.北京科技大學鋼鐵冶金新技術國家重點實驗室，北京 100083)

01　摘要

以西寧特鋼EAF→LF→VD→IC工藝路線生產GCr15SiMn軸承鋼為研究背景，采用礦物解離分析儀、夾雜物自動分析系統、化學分析及X射線熒光光譜儀等檢測手段與熱力學計算相結合的方法，研究了鑄錠中大尺寸TiN夾雜物的析出機理，分析了冶煉階段鋼液中鈦含量增加的原因，并提出了相應的改進工藝。通過對軸承鋼中殘余鈦、氮含量的熱力學計算，發現大尺寸TiN主要是在凝固過程中析出和長大，降低冶煉過程中鈦含量是控制TiN生成的主要途徑。對原工藝冶煉過程鈦含量變化進行分析，鋼液中鈦增量主要發生在EAF出鋼→LF結束階段，其中52%鈦增量來自于爐渣。為了避免爐渣中鈦進入鋼液，借助于七元爐渣CaO-SiO₂-MgO-FeO-Al₂O₃-MnO-TiO₂與鋼液之間平衡的鈦分配比(LTi)模型，計算了鋁含量和爐渣中CaO含量對LTi 的影響，預測了最佳的平衡爐渣成分。結果表明，適當降低鋁含量和爐渣中CaO含量可以提高渣-鋼之間的鈦分配比，降低鋼液的鈦含量；當鋁質量分數為0.015%～0.025%、CaO質量分數為50%～55%時，其他爐渣組元的最佳成分(質量分數)為18%～24% Al₂O₃和12%～17% SiO₂。此外，定量描述了不同LTi條件下EAF下渣量與LF終點鈦含量的關系。最后，采用“低爐渣堿度、低鋁含量以及嚴格控制電爐下渣量”的改進措施進行了優化試驗，優化后冶煉終點鈦質量分數可控制在小于0.0020%，鑄錠TiN平均數密度可由原工藝的2.09個/mm²降低至0.73個/mm²，且TiN尺寸幾乎都小于10μm。

02　關鍵詞

GCr15SiMn鋼；TiN夾雜物；熱力學計算；LF精煉；鈦分配比；電爐下渣量

03　引言

GCr15SiMn作為一種全淬透性軸承鋼，在GCr15軸承鋼的基礎上適當提高硅、錳合金含量，使其鋼材具有了更高的淬透性、耐磨性，被廣泛應用于風電軸承和重型機械領域。近年來，隨著軸承鋼中氧含量不斷降低，非金屬氧化物夾雜大大減少，而鋼中TiN類夾雜物對鋼材使用性能的危害逐漸顯現。TiN是一種硬而脆的夾雜物，具有明顯的幾何棱角，容易在鋼的基體中造成應力集中而誘導疲勞裂紋。因此，進一步控制鋼中TiN是提高軸承鋼質量、滿足高端用戶需求的關鍵。

軸承鋼中TiN的生成、控制以及去除一直是冶金工作者關注的問題。針對TiN夾雜物的生成和長大：文獻研究了鋼中TiN在凝固過程中的析出機理和長大行為，文獻對TiN的生成熱力學進行了分析和計算，并基于試驗結果研究了TiN夾雜物的形成和去除行為。傅杰等通過熱力學計算和試驗，指出適當控制鋼中鈦、氮含量，可以有效控制TiN的析出時機和形態。關于TiN夾雜物的去除問題，目前主要通過提高渣-鋼間的鈦分配比，從而減少爐渣中的鈦進入鋼液。為此，文獻通過測量不同爐渣體系下爐渣中TiO₂的活度，并分析了鋁、硅含量對鋼-渣之間Ti與TiOx分配比的影響；Park J H 等通過熱力學計算了含TiOx爐渣平衡時爐渣TiO2的熱力學行為；ZHANG F 等探索了RH精煉過程中爐渣氧化鐵和爐渣堿度對LTi的影響；JIANG Z H 等基于離子分子共存理論模型，研究爐渣成分對鋼中鈦含量的影響。此外，鄭少波等分析了加鉻鐵時機、脫氧產物及渣中SiO₂含量對鋼中鈦的影響；江成斌等提出LF爐前期使用高堿度爐渣為鋼液脫氧創造條件，在精煉末期通過添加硅石制造低堿度爐進行控鈦，但硅石的添加不免會對鋼液造成二次污染。然而，上述研究大部分都是針對冶煉GCr15軸承鋼進行的，關于GCr15SiMn鋼過程中鈦含量控制的報道較少。

本文以工廠“EAF→LF→VD→IC” 工藝流程冶煉的GCr15SiMn鋼為研究背景，采用冶煉傳統軸承鋼的“高堿度精煉”工藝，在其鑄錠中經常會觀察到大尺寸TiN夾雜物。為此，對鑄錠中TiN夾雜物的析出與長大、冶煉過程中鈦含量的來源進行相關的計算與分析，并利用爐渣與鋼水之間鈦分配比的熱力學模型提出了相應的改進措施，優化工業試驗并取得了顯著效果。

04　精選圖表

05　結論

(1)通過對GCr15SiMn鋼中殘余Ti、N元素含量的熱力學計算和分析, 降低冶煉過程中鋼液的鈦含量，是控制凝固后期過程中大尺寸TiN析出和長大的主要途徑。

(2)采用原工藝冶煉GCr15SiMn鋼，鋼中鈦含量的增加主要發生在EAF出鋼→LF結束階段，其中有52%的鈦增量來自爐渣, 所以 避免爐渣中鈦進入鋼水是控制鋼液增鈦的重要手段。

(3)在鈦分配比一定條件下，LF終點鈦含量與EAF下渣量之間存在明顯的線性關系。提高LTi可以顯著提高EAF下渣量的臨界值，從而可以避免由EAF出鋼過程中下渣量過大而造成鋼液中鈦含量的大幅度增加。結合鋼廠現有水平，建議控制EAF下渣量不大于1.6kg/t。

(4)為了有利于提高渣-鋼的平衡鈦分配比，利用渣-鋼平衡鈦分配比模型，得到了LF精煉過程中最佳鋼中鋁含量和爐渣成分。并采用“低爐渣堿度、低鋁含量以及嚴格控制EAF下渣”的改進措施，進行相應的優化試驗。結果表明，優化后冶煉終點鈦質量分數不僅控制在0.0020%以內，而且鑄錠中TiN夾雜物的平均數密度也由優化前2.09 mm^-2降低至0.73 mm^-2且尺寸超過10μm的TiN數量顯著減少。

來源：《鋼鐵》2022年第12期

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