精炼GCr15钢氧含量的影响因素及控制.pdf

表1 o 出炉渣物理性质对比 点，而且渣中 T i O 含量高 导致炉渣粘度大 质I 密 度 I表 面 张 力 焙点 金属熔滴不易沉降 嚏 二 仁 竺 b 通 过 调 整 渣 配 比，可 降 低 出 炉 渣 熔 点 A l 9 13 2 l 3 5 5 3 6 5 I1 4 0 O 1 4 1 O 1 T r 孬 磊1 面=约8 I)C 左右，通过增加前期渣中A i2 0 含垃一 可减少钛的烧损，也就减少了渣中 T i O 的含 由表 l 0的对 比，可看出采用 B制度，与 量，降低 了渣的粘度，加快 了台金熔 滴的沉 A制度相 比，渣的密度基本不变，表面张力略 降，改善 了混渣现象。有下降，熔点降低较为显著，约 8 D 左右。炉 c 采用 B制度，渣混现 象有所改善 钢 渣表面张力降低，则钢渣界面张力增大，有利 水收得率提高了 9个百分点，相对而言，吨钢 于金属熔滴 的聚集长大，也就有利于熔滴的 原料投入降低约 1 1 个百分点，即吨钢成本降 沉降。而炉渣熔点的降低，将导致同温度下粘 低约 O 2 5 万元，若每炉按 7 t 出钢量计 算，则 度的降低，也有利于熔滴的沉降，由表 8的对 每炉可降低成本约 1 7 5万元。可见采用 B制 比，发现采用 B制度 T i O z 含量降低，则粘度 度，可取得较大的经济效益。也随之减少，也有利于熔滴的沉降。故采用 B 因生 产量有限，本次 采用 B制 度 只冶炼 制度，可改善 G H1 3 2合金 电炉冶炼 中的混渣 了 1 炉，而且电炉冶炼情况是变化多端的 故 现象。数据不是很有代表性。此次冶炼混渣现象并 4-3 采用 B制度对 n烧损的影响 没有完全解决，工 艺制度有待在生产 实践 中 采 用 B制度，对 多炉 的全熔样中 T i 含 进一步完善。量的统计，发现钛的烧损约 3 7 左右。而采 致谢：本文是在喻桂英、梅洪生两位高级 用 B制 度，根 据 全 熔样 分 析，钛 的 烧损 为 工程师的悉心指导下完成 的 同时得到 了按 2 8 。可见采用 B制度，钛的烧损减少。笔者 术中心各位领导和全体 同志及炼钢车间、中 认为垫底及穿井料 A l o a 粉 3 0 k g，增加了前 试的许多同志的帮助和支持。本文的最后排 期渣中 A I 2 0 含量 降低渣的熔点，提高渣的 版，打印得到张红斌等高工的大力支持 在此 流动性，有利于前期尽快化渣，覆盖钢液，减 表示衷心的感谢!少 了钛的烧损。而且 A 1 z 0 s 不会作为氧源 氧 化 T i ，分析如下：参考文献 2(A 1 2 O )+3 I T i =3(T i O )+4 A 1 (3)1陈家祥主编 f 博锕常用图表数 据手册 北京：嘟盘工 G(5 3 4 9 5 8-1 0 8 4 l T K)j m0 l I 出版杜 1 9 9 4 年第一敝 Km3=a (T i O )a A l t a 2(A J O 3)。a 广 T i 。粱英教主编 物理化 学 1 北京：冶盘工业出 版社_ 1 9 8 9 =5 _ 27 3 4 1 0-：3 黄希枯主编 c 锕铁冶金原理 北京：冶金工业出舨札、Ka 很小，就说明 A I o 很难作为氧源将 1 9 9 0 年第 二版 T i 氧化。魏庆成主编 冶盘热力学重庆：重陡上学出版社 1 9 9 6 年第一皈 占 5 北京钢铁学院高温台室教研室 主编 (GHI 3 2台盘 圆 a 。n 1 3 2 合 金 电 炉 冶 炼 中 出 姗渣 现 i 机麒：象主要原因是出炉渣熔点较高，接 近合金熔 社 1 9 a 8 年 第一版 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 七 专 七 七 (上 接 第 2 7页)5 科拄通讯 1 9 9 6(2)1 1】5(长特四厂)9 轴承钢译文集上钢五广 1 9 8 6 1 O 维普资讯 http:/ 四川冶盘 Me t a l l u r g y o f S i c h u a n 2 3 精炼G c r 5 钢氧含量的影响因素及控御 ，1 一 7，长 待 四 厂 白林张 廷 渡击 晓 明 _ 。-一【摘要】末文以生产宾践为依据，分析讨论了L F+V D+喂铝!戋 工艺精炼G C r 1 5 锕氧含量 删 提 鲨。埒，L p，关 键 词 !：三 竺影 响 舀 幸 控 制 3 两 Ix)r L 卜，】前言 口 畏缓 随着我国现代工业和科学技术的迅速发 展，对轴承的需求量日 益增加，也对其质量和 性能提出了更高的要求。目前，妨碍轴承寿命 进一步提高的关键问题，仍然是钢材的纯净 度和均匀性。从纯净度出发，降低钢中的氧含 量，减少夹杂物数量，轴承钢质量将显著提 高。日 本轴承钢生产工艺就是着眼于减少钢 中夹杂物数量，即降低氧含量的典型代表。日 本山阳特钢公司高碳铬轴承钢氧含量已降到 5 4 p p m，甚至降到了3 4 p p m，使轴承钢质量 保持着很高的声誉，近年来，长特四厂的冶金 工作者们在降低轴承钢氧含量，减少夹杂物 数量方面做了大量的实践工作，取得了喜人 的成绩。采用L F+V D+喂线工艺精炼的 G C r 1 5轴承钢，1 9 9 6年坯检氧 含量 平均 I 1 8 4 p p m，最 低氧 含量 达 到 5 p p m，小于 1 5 p p m的炉数占 9 3 8 5 ，为历史最好水平。本文将以此为依据，着重对 L F+V D+喂线 工艺精炼 G C r l 5轴承钢降低氧含量的问题 进行探讨。2 电炉+L F+V D+喂线工艺设备及工艺流 程 2 1 工艺设备 电炉型号 H x 3 0，出钢量 4 0 t，变压器 容量I 5 0 0 0 K V A。精炼炉炉型：D c L F 一4 0，两*邮编 6 2 1 7 0 2，四j i l 江油市 相直流加热，加热变压器容量 7 0 0 0 K V A；V O D V D 4 0 t，钢 包 砌 砖 层 上 口 内 径 2 6 0 0 m m，下 底 内径 6 l 9 l 0 ra m，熔 池 深 度 1 5 0 0 m m，自由空间高度 l 0 0 0 ra m；透气塞尺 寸 1 3 6 2 1 5 3 4 0，透气塞安装在钢包底 部中心位置；D C L F、V O D V D采用同一罐车 在线布置，设置准备、加热、V O D V D三个工 位，无除渣手段 真空泵为前三级带辅助泵的 六级蒸汽喷射泵，极限真空度 6 6 7 F a(0 5 托)，抽气量(6 6 7 P a时)，2 5 0 K g h，(8 0 0 0 P a 时)，1 8 0 0 K g h，蒸 汽压 力 0 8 MP a，温 度 1 8 O 1 9 0，耗量 1 0 l 2 t h；氩气压力1 o MP a，流量3 0 0 1 ra i n均可调。2 2 工艺流程 电炉初 炼工 艺t 炉 底 垫石 灰 6 0 0 8 0 0 K g 炉一吹氧助熔一全熔分析一 矿、氧综 台氧化(脱磷、脱碳、去除部分气体、夹杂)一 扒尽 氧化渣(c 0 8 0 0 8 5 P 0 0 1 2 )一造稀薄渣 I 2 一成分初调一 出钢(合金化好，炉渣流动性 良好，成分选到 入罐要求，包中温度I 5 5 0 c)L F+V D+喂线工艺：罐车在准备工位钢 包入罐(吹氩、测温、取样)一罐车开到加热工 位加热(加 F e S i 块、C粉还原；调整情况、强化 脱硫；部分合 金化；T 1 6 0 0 c)一罐 车开到 V O D V D工位真空脱气(逐级抽真空；成分微 调进入规格；时间 2 0 3 0 m i n)一破空喂铝线 终脱氧一吊包浇注(锭型 3 2 4 0。维普资讯 http:/ 9 9 7 年 第 j 3 氧含量的影响因素 3 1 入罐成分 由于 受 到 设 备 条 件 的限 制，在 进 行 G C r l 5轴承钢的炉外精炼时要求入罐成分 为：E c 3 O 9 2 0 9 8 ，E s G o 1 0 6 2 6 ，E s 3 o 0 4 ，c r 1 1 0 1 4 6 P 0 0 2 0 。0 0 2 0 0 3 0 2 0 5 l 2 3 5 1 0 2 0 图 l 1 6 0 0 元素的脱氧能力 从图 l I l 中各元 素的脱氧能 力可以看 出，在 1 6 0 0 时当钢液中的碳控制在 1 0 左右时，氧已被碳平衡到较低的水平，钢液中 的含氧量基本上由碳元素所决定+这时硅和 锰对含氧量的影响 已不是很大。因此，所有入 罐钢液只要碳含量和温度差异不大，经过一 段时间搅拌后，钢液中的初始氧含量也将大 致相同 我们对入罐硫含量与坯捡氧含量的关系 作 了统计，发现入罐钢液中的硫含量对轴承 钢坯检氧含量有较大的影响，统计情况如下：o 3 1 0 p p m 的 钢共 4 l炉，平 均 s l=0 0 2 5 ，平均 0 =8 3 8 p p r a；：0 3 1 3 p p m 的钢共 5 0炉，平 均E s 3 一0 0 3 3 ，平 均 O 3 1 3 7 8 p p m，统计结果表明，降低人罐硫 含量，将有利于轴承钢氧含量的降低，这主要 是 因为：a 初炼钢液的硫含量过高，将加重炉外 精炼的脱硫任务，脱硫反应是渣钢问界面反 应 离子反应方程式为：E s 3+(o )；(s )3-E o ，脱硫的同时钢中的氧含量增加 了，脱 除 0 0 0 2 的 硫 将 向 钢 渣 系 统 供 0 0 0 1 的氧 因此脱硫将使脱氧任务加重，最终将使轴承钢的坯检氧任务加重。b 为了提 高脱硫能力需 向渣中加八碱 性氧化物 通常使用石灰 从脱硫反应的分子 反 应 方 程 式 E ws 一 C a O-(c a s)+(F e O)(t 3 可知 硫含量越高，脱除量越大，石灰 用量也越大，结果导致渣量增加 使氧含量上 升，(渣量对氧含量的影响后面讨论)因此，将入罐硫控制在0 0 4 0 的范围内 有利于 氧含量的降低；l 7 pp1153 ：T F e+Mn O f 0 2 0 4 0 6 O 8 I 0 1 2 I 4 _ ：。1 6 1 8 2 0 2 2 2 4 2 6 2 8 碱度(C a O S i O )圉 2 炉渣碱度及 v-r F e+Mn O与氧含量的燕 系 3 2渣系 渣系的选择对脱氧和去除夹杂物起着关 键的作用。因为，炉渣的成分决定了其粘度，界面张力等性能，这些性能又影响着炉渣吸 收夹杂物的能力，最终影响氧含量 在 1 9 9 4 年我们曾对二十多炉抽真空前的炉渣渣样进 行 了分析，作 出了炉渣 的碱变 以及 L T l=e+Mn O与氧含量的关系图2，从图 2可以看出，炉渣碱度控制在 1 9 2 4的范围 Z T F e L Mn O 0 7 ，能够获得较低氧含量。炉渣成 分 分析 结 果为：C a O：4 5 5 5 ，S i O ：1 8 2 d ，Mg O：l 2 0 Al 2 O3：7 l O ，ZTF e +Mn O：0 25 1 3 炉渣中不稳定氧化物 Z T F e+M n O的高 低，决定着炉渣氧化性的太小，并且钢渣之 间 维普资讯 http:/ 四川冶金 Me ta l l u r g y o f S i c h t l a n 服从 O 一a cFo O L的分配规律，渣中 Z T F +M n O的含量越高，炉渣向钢液供氧的能力 也越强。同时，炉渣中(F e O)能降低钢一渣闻 的界面张力，不利于夹杂物的上浮。因此，最 大限度地降低渣中(Z T F e+M n O)的含量，是 降低轴承钢氧含量的一个重要途径。精炼渣 中(X T E +M n O)主要来源于初炼钢液的炉 渣，为了避免初炼炉向精练炉渣带入过多的(Z T F e+Mn O)，应要求初炼炉冶炼时必须尽 可能扒除全部氧化渣 稀薄炉渣也应较好还 原。有资料介绍0 炉渣的碱度控制在 1 5以 下，对降低钢中的含氧量有利。但在实际生产 中，碱度太低，使炉衬和包衬浸蚀严重，且对 精炼强化脱硫不利，况且碱度过低，将提高渣 中(F e O)的活度，增强(F e O)向钢液的供氧能 力。因此，炉渣碱度应控制在一个台适的范 围，当碱度在 1 9 2 4 的低碱度炉渣，在精 炼过程中流动性良好，粘度较小，高温乳化程 度高，可以有效她增加钢渣间的接触面积，促 进钢渣间冶金反应的进行，脱硫率也能够 大于 5 5 。另外，低碱度炉渣中由于大量表 面活性S i O z 的存在，使炉渣表面张力变小，但S iO 在钢渣界面却变成非表面活性的，使钢渣界面能力反而升高，这样不仅可以 保证炉渣从钢液中的排出，而且有利于提高 炉渣捕捉吸收夹杂物的能力，最大限度地去 除钢中的夹杂物。3 3 渣厚 渣强厚度对轴承钢氧含量有较大影响，我们分别对渣厚 1 0 0 m m的 3 0炉，1 5 0 m m的 3 9 炉，2 0 0 mm的 4 1 炉，2 5 0 m m的 2 O 炉轴承 钢的氧含量进行了统计，得到了图 3 的关系。从图3 可以看出，随着渣厚的增加，氧含 量有逐渐上升的趋势，这是因为渣层厚度影 响搅拌能的大小和沸措层的厚度，渣层愈厚，搅拌能愈小，沸腾层厚度也愈小。有资料介 绍口 处理 G C r 1 5钢时，渣厚为 0 2 m时比无 渣的沸腾层厚度要少0 0 8 6 m，沸腾层厚度愈 大愈有利去除气体和夹杂物。但是按照我们 现行冶炼工艺，钢液的加热和脱硫都需要有 一定的渣量来保证 因此，入罐渣厚应控制在 合适的范围 以 1 0 0 m m渣厚2 0 0 m m为 宜 图 3 渣厚与氡台量的关系 3 4 真空度 在真空条件下，有实用价值的脱氧剂主 要是碳，碳脱氧的反应如下：c +E o 3 c o K一 只。，E 3 l g K 1 1 6 0 T+2 0 0 3 c 因为钢液中 c 和 0 3 含量不是很 高，我们假定 一 c ，M=o ，故上 面两式在钢液温度T=1 8 7 3 k 时，可以写成：o 3=0 0 0 2 4 XP c 在 G C r l 5 轴承钢含碳 1 0 H的条件下，0 3=0 0 0 2 4 P ，可以看出，随着P 。分压的 降低，即真空度的升高，钢中的氧含量将降 低，当真空度为 0 0 1 a r m时，钢中的氧含量将 降至 0、2 4 p p m，理论计算显示 在真空条件 下，碳能够将氧脱除至非常低的水平，但是从 生产实践表明，无论真空度多么高，G C r I 5 钢 在真空条件下碳脱氧后，所残留的氧含量总 是大于热力学计算的平衡值，实际所测的值 都只相当于真空度为0 1 a t in的水平。理论计 算与实测结果存在如此大的差别，通常认为 是碳氧反应C O气泡的生成和蔼出均末考虑 到动力学因素的影响所致。从生产实践的统 计可 以盾出，当真空度高于 0 1 a t in时，真空 度对氡含量的影响已不是很明显。当真空度 低于 0 1 a t m时，随着真空度的降低，氧含量 维普资讯 http:/ 将 上 升，l 9 9 6年 垒 年 共 出 现 了三 炉 大 于 2 0 p p m 的 G C r l 5轴承钢，均是 由于真空泵故 障，真空度过低所致。虽然真空度在较高时对 氧含量的影响不明显，但是提高真空度能够 有效 的去除气体，并且能提高吹氩搅拌的搅 拌 能，减 少 氩 气 用 量 因此，我 们 在 处 理 G C r 1 5时 仍然需要保持较高的真空度。3 5吹氩 搅拌 吹氩搅拌的主要 目的是为了向钢液提供 一定 的搅拌能，搅拌能的大小将影响夹杂物 的上浮排出和其它 冶金效果 实践表 明 搅拌 能过 大过 小都不 好 因此，在实 际生产 中应根 据生产条件控制台适的搅拌能。如果我们认 为吹氩搅拌时，起搅拌作用的是氩气泡上 浮 过程中由于锕液静压力不断变小而做的膨胀 功和氮气泡浮力所做功两部分的话 则吹氩 搅拌的比搅拌功率为：=(0 0 2 8 5 Q T G)l g(P e 2)1 w t 式中：一 比搅拌功率 w t Q 一 唬氩 量(NL)ra i n T-钢液温度，K)G一钢液重量(【)P 一钢液 内部喷 口处的压力(P a)P z 钢液面的气相压 力(真空度)(Pa)统计 计 算 结果 如 图 4所 示：(取 T一 1 8 7 3 K，G=4 O t，由于 真 空 泵 使 用 已 久，极 限 真 空 度 已达 不到 设 计 要 求，只 能 保 持 在 7 0 0 P a 左 右)。由图中可以看出 控制好魄氩量的大小，可以获得一个保证钢中氧含量最低的搅拌能 范围，比搅拌功率大致控制在 8 0 1 2 0 w t 之 间 锕中的氧含量较低。从比搅拌功率的计算 公式可知，吹氩量的大小是影响搅拌能的一 个重要因素，吹氩量对 o 的影响与比搅拌 功率 相似 如图 4所示，当 吹氲量 为 1 1 3 N L mi n c 时，0 最低 当吹氩量过小 时，输入钢液的搅拌能也小 它不能满足钢渍 中夹杂物聚集长大 上浮所需的能量、使大 部 夹杂物残留在锕液 中造成氧含量上升。当吹 氩量过大时，导致强烈紊流，反而影响夹杂物 上浮 严重时还可能发生卷渣，把炉渣带入钢 中 使氧含量升高。蛾 钮 特 N c n t l n-I)0 8 J 0 】2 I 4 I 6 I 3 ；I。7 0 9 0 Il 0 I 3 0 I 5 0 搅择能 【w t)囝 4 搅拌能及吹氲世 与氧 含量的关系 前面我 们给出了能保证 X E o 较 低的合 适的 比搅拌功率和 吹氩量值，但这些 数据 都 是 全程 吹 氩的 平 均 值。在抽 真 空 的 2 0 3 0 mi n时，比搅拌 功率和 吹氲 量在各级真 空 泵下的分配 也将是 影响氧含量的关键 问题。有资料介绍 在拙真空的过程 中进行恒功搅 拌能够降低氧含量 但是在实际生产中，抽真 空的过程 真空度是逐渐升高 的 由人工调 节 的吹氩量不可能随时调小以保持恒功。在生 产中，我们曾对 5 0炉钢进行 了全程吹氩控制 记录，并 从中筛选 出 o 1 0 p p m的 1 0炉 进行了统计计算，结果如表 1。从表中可 以看 出，生产中各班组 吹氩 曲 线基本是 6级、5级泵吹氩量最大，4级泵调 小 3级、2级、l 级 泵又稍微增 大，破空后 降 为最小。这种控制方法，只要 吹氩量控制得 当，既可避免大量溢渣，又能确保合适的搅拌 能，使夹杂物充分上浮，把氧含量降到较低水 平。3 6 喂铝 终脱 氧 喂铝终脱氧是降低轴承钢氧含量最后一 个重要环节，喂铝量 的多少将直接 影响着轴 9 7 5 门 9 r-5 氧 岔 壁 维普资讯 http:/ 四川冶金 承钢的质量。有资料介绍”将钢中残 A 1 控 制在 0 0 3 0 左右为最佳范围。1 9 9 5 年 前 表 l 全程吹氢控制 我们终脱氧喂铝量控制在 0 7 0 8 K g t，钢 中残 A 1 在 0 0 6 1 左 右，1 9 9 5年 年平均 O一 1 2 9 8 p p m，返 回 裂 纹 废 品 总 量 2 6 5 7 2 3 1，裂纹废品率为 5 4 2 。从 1 9 9 6 年 开始，终脱氧 喂铝量降至 0 4 5 K ,1，钢 中残 A 1 在 0 0 3 0 0 3 5 左右，年平均 E o =1 1 8 4 p p m，返 回裂纹废品总量 1 6 4 8 7 9 t，裂 纹废品率为 4 1 2 。从 1 9 9 5 年、1 9 9 6年的统 计数据可以看出，将喂铝量降低，把钢中残 A 1 控制在 0 0 3 0 0 3 5 的范围，氧含量有 降低的趋势，裂纹废 品也明显减少了。1 9 9 6 年裂纹废品率比 1 9 9 5 年减少了 2 4 。上述现象主要是因为，A 1 是强脱氧剂，喂铝后全部的脱氧产物 A 1 o。聚集物都能在 极短时间(5 3 0 s )内形成于钢液中，绝大 部分 A 1 o s 聚集物能在 5 l 0 rai n 漂 出钢 液，被炉渣吸收、部分悬浮在钢液中成为氧 化铝夹杂，同钢液凝固过程析 出的二、三、四 次 A 1 o s 共同成为轴承钢中的氧化铝夹杂，因此喂铝后还应 吹氩搅拌 3 5 ra i n，以保证 A z o a 的充分上浮。如果残 A 1 控制过高，在浇注过程中极易 被二次氧化成氧化物残 留在钢 中，增加夹杂 物数量，影响轴承钢质量。同时，残A J 含量过 高，钢液在凝固时 固溶于钢中的铝和氮会在 7 0 0 9 5 0 C的温度条件下从钢中以氮化铝的 形式析 出，随着钢中 、E A 1 含量的增加，氮化铝析 出的温度随之提高 当氮化铝沿初 生奥氏体晶界大量析出时降低钢的韧性和塑 眭。4 影响因素的控制 4 1 入罐成分中E s 的高低对轴承钢氧 含量有较大影响，钢中E s 越高，脱硫反应向 钢渣系统供氧越多，所需渣量也越大。固 此，将入罐硫控制在小于 o 0 4 o 的水平，有 利于氧含量的降低。4 2 渣系的选择对脱氧和去除夹杂物 起着重要的作用。炉渣碱度控制在 1 9 2 4 的 范 围，同 时 保 证 F e+Mn O 0 7 0 ，能够获得较低氧含量 4 3 渣厚影响搅拌能的大小和沸腾层 的厚度，因此入罐渣厚控制在 1 0 0 2 0 0 ra m 为宜。4 4 实践证明在高真空度下，真空度的 高低对氧含量的影响已不明显，这个问题有 待进一步的研究。但是高真空能够起到脱气 和提高搅拌能的作用，在生产中仍需保证高 真空度并维持较长时间。4 5 吹氩搅拌是降低氧含量的关键固 素，吹氩量的大小将影响夹杂物的上浮和其 它冶金效果，实践证明，吹氩量过大过小都不 好，将比搅拌功率控制在 8 O l 2 0 w t，吹氩 量控制在 1 1 L 3 N L m i n t，并按图 5进 行全程吹氩控制，可避免大量溢渣，又能保证 较低氧含量。4 6 喂铝终脱氧是冶炼轴承钢最后一 个环节，将喂铝量控制在 0 4 5 K g t，钢中残 A 1 在 0 0 3 左右，并保证喂铝后 3 5 m in的 搅拌时间，钢中氧含量较低，并能提高轴承钢 质量。参考文献 1 马廷温电炉炼钢学北京；冶金工业出版社 1 9 9 o 2 粱连科等冶金热力学及动力学 沈阳：东北工学院出 版 社 1 9 9 9 3 赵沛 台金钢冶炼北京：冶金工业出版社，1 9 9 1 4 像曾启 炉外精炼 1 9 9 3 8 (下转幕1 0 )维普资讯 http:/