卢春光¹，张国磊²，成国光²，苗红生¹，张旭¹

(1.西宁特殊钢股份有限公司技术中心研发部， 青海 西宁 810005；2.北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室，北京 100083)

01　摘要

以西宁特钢EAF→LF→VD→IC工艺路线生产GCr15SiMn轴承钢为研究背景，采用矿物解离分析仪、夹杂物自动分析系统、化学分析及X射线荧光光谱仪等检测手段与热力学计算相结合的方法，研究了铸锭中大尺寸TiN夹杂物的析出机理，分析了冶炼阶段钢液中钛含量增加的原因，并提出了相应的改进工艺。通过对轴承钢中残余钛、氮含量的热力学计算，发现大尺寸TiN主要是在凝固过程中析出和长大，降低冶炼过程中钛含量是控制TiN生成的主要途径。对原工艺冶炼过程钛含量变化进行分析，钢液中钛增量主要发生在EAF出钢→LF结束阶段，其中52%钛增量来自于炉渣。为了避免炉渣中钛进入钢液，借助于七元炉渣CaO-SiO₂-MgO-FeO-Al₂O₃-MnO-TiO₂与钢液之间平衡的钛分配比(LTi)模型，计算了铝含量和炉渣中CaO含量对LTi 的影响，预测了最佳的平衡炉渣成分。结果表明，适当降低铝含量和炉渣中CaO含量可以提高渣-钢之间的钛分配比，降低钢液的钛含量；当铝质量分数为0.015%～0.025%、CaO质量分数为50%～55%时，其他炉渣组元的最佳成分(质量分数)为18%～24% Al₂O₃和12%～17% SiO₂。此外，定量描述了不同LTi条件下EAF下渣量与LF终点钛含量的关系。最后，采用“低炉渣碱度、低铝含量以及严格控制电炉下渣量”的改进措施进行了优化试验，优化后冶炼终点钛质量分数可控制在小于0.0020%，铸锭TiN平均数密度可由原工艺的2.09个/mm²降低至0.73个/mm²，且TiN尺寸几乎都小于10μm。

02　关键词

GCr15SiMn钢；TiN夹杂物；热力学计算；LF精炼；钛分配比；电炉下渣量

03　引言

GCr15SiMn作为一种全淬透性轴承钢，在GCr15轴承钢的基础上适当提高硅、锰合金含量，使其钢材具有了更高的淬透性、耐磨性，被广泛应用于风电轴承和重型机械领域。近年来，随着轴承钢中氧含量不断降低，非金属氧化物夹杂大大减少，而钢中TiN类夹杂物对钢材使用性能的危害逐渐显现。TiN是一种硬而脆的夹杂物，具有明显的几何棱角，容易在钢的基体中造成应力集中而诱导疲劳裂纹。因此，进一步控制钢中TiN是提高轴承钢质量、满足高端用户需求的关键。

轴承钢中TiN的生成、控制以及去除一直是冶金工作者关注的问题。针对TiN夹杂物的生成和长大：文献研究了钢中TiN在凝固过程中的析出机理和长大行为，文献对TiN的生成热力学进行了分析和计算，并基于试验结果研究了TiN夹杂物的形成和去除行为。傅杰等通过热力学计算和试验，指出适当控制钢中钛、氮含量，可以有效控制TiN的析出时机和形态。关于TiN夹杂物的去除问题，目前主要通过提高渣-钢间的钛分配比，从而减少炉渣中的钛进入钢液。为此，文献通过测量不同炉渣体系下炉渣中TiO₂的活度，并分析了铝、硅含量对钢-渣之间Ti与TiOx分配比的影响；Park J H 等通过热力学计算了含TiOx炉渣平衡时炉渣TiO2的热力学行为；ZHANG F 等探索了RH精炼过程中炉渣氧化铁和炉渣碱度对LTi的影响；JIANG Z H 等基于离子分子共存理论模型，研究炉渣成分对钢中钛含量的影响。此外，郑少波等分析了加铬铁时机、脱氧产物及渣中SiO₂含量对钢中钛的影响；江成斌等提出LF炉前期使用高碱度炉渣为钢液脱氧创造条件，在精炼末期通过添加硅石制造低碱度炉进行控钛，但硅石的添加不免会对钢液造成二次污染。然而，上述研究大部分都是针对冶炼GCr15轴承钢进行的，关于GCr15SiMn钢过程中钛含量控制的报道较少。

本文以工厂“EAF→LF→VD→IC” 工艺流程冶炼的GCr15SiMn钢为研究背景，采用冶炼传统轴承钢的“高碱度精炼”工艺，在其铸锭中经常会观察到大尺寸TiN夹杂物。为此，对铸锭中TiN夹杂物的析出与长大、冶炼过程中钛含量的来源进行相关的计算与分析，并利用炉渣与钢水之间钛分配比的热力学模型提出了相应的改进措施，优化工业试验并取得了显著效果。

04　精选图表

05　结论

(1)通过对GCr15SiMn钢中残余Ti、N元素含量的热力学计算和分析, 降低冶炼过程中钢液的钛含量，是控制凝固后期过程中大尺寸TiN析出和长大的主要途径。

(2)采用原工艺冶炼GCr15SiMn钢，钢中钛含量的增加主要发生在EAF出钢→LF结束阶段，其中有52%的钛增量来自炉渣, 所以 避免炉渣中钛进入钢水是控制钢液增钛的重要手段。

(3)在钛分配比一定条件下，LF终点钛含量与EAF下渣量之间存在明显的线性关系。提高LTi可以显著提高EAF下渣量的临界值，从而可以避免由EAF出钢过程中下渣量过大而造成钢液中钛含量的大幅度增加。结合钢厂现有水平，建议控制EAF下渣量不大于1.6kg/t。

(4)为了有利于提高渣-钢的平衡钛分配比，利用渣-钢平衡钛分配比模型，得到了LF精炼过程中最佳钢中铝含量和炉渣成分。并采用“低炉渣碱度、低铝含量以及严格控制EAF下渣”的改进措施，进行相应的优化试验。结果表明，优化后冶炼终点钛质量分数不仅控制在0.0020%以内，而且铸锭中TiN夹杂物的平均数密度也由优化前2.09 mm^-2降低至0.73 mm^-2且尺寸超过10μm的TiN数量显著减少。

来源：《钢铁》2022年第12期

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