劉玉峰¹，白東坤¹，李斌²

（1.內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司棒材廠，內(nèi)蒙古包頭 014010；2.內(nèi)蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司技術(shù)中心，內(nèi)蒙古包頭 014010）

　　摘　要：介紹了包鋼采用Φ180mm連鑄圓坯在棒材生產(chǎn)線試制GCr15軸承圓鋼的生產(chǎn)工藝，闡述了從煉鋼工序到軋制工序的質(zhì)量控制關(guān)鍵因素。生產(chǎn)實(shí)踐表明，在包鋼現(xiàn)有設(shè)備及工藝條件下，軸承鋼產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)均滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　關(guān)鍵詞：Φ180mm連鑄圓坯；GCr15軸承鋼；質(zhì)量控制

　　滾動(dòng)軸承必須具備高的疲勞壽命、良好的耐磨性能、高且均勻的硬度、適宜的沖擊韌性，一定的耐大氣和油脂腐蝕能力，能夠承受長(zhǎng)期交變載荷。因此，軸承鋼也是特殊鋼中質(zhì)量要求較高的鋼種之一^[1]。近年來(lái)，中國(guó)軸承市場(chǎng)逐漸看好，行業(yè)發(fā)展較快，從而帶動(dòng)軸承鋼的需求量逐漸增加。軸承鋼市場(chǎng)的特點(diǎn)就是總體用量大且穩(wěn)定。目前國(guó)內(nèi)的年需求量大約為300萬(wàn)t，其中GCr15占85%，GCr15SiMn占10%，其它如滲碳軸承鋼等占5%。軸承鋼的冶煉方法，從20世紀(jì)30—40年代傳統(tǒng)的酸性平爐、堿性平爐、堿性電弧爐冶煉，發(fā)展到今天的綜合爐外精煉工藝（LF+RH、LF+VD、SKF－MR法等）。生產(chǎn)工藝歸納起來(lái)有3種：一是電爐流程，即電爐—二次精煉—連鑄或模鑄—軋制；二是轉(zhuǎn)爐流程，即高爐—鐵水預(yù)處理—轉(zhuǎn)爐—二次精煉—連鑄—軋制；三是特種冶金，即真空感應(yīng)熔煉（VIM）、電渣重熔（ESR）—軋制或鍛造^[2]。包鋼2009年開展了軸承鋼的試制工作，相繼開發(fā)了連鑄大方坯二火成材、連鑄圓坯直接軋制等工藝路線，均獲得了成功。文章介紹了采用連鑄圓坯軋制GCrl5軸承鋼的生產(chǎn)控制及產(chǎn)品質(zhì)量等。

　　1　包鋼軸承鋼生產(chǎn)工藝路線的確定

　　根據(jù)目前的裝備現(xiàn)狀，棒材廠軸承鋼的生產(chǎn)可以選擇以下3種工藝路線：

　　工藝路線Ⅰ：轉(zhuǎn)爐—LF爐—VD—大方坯連鑄—軌梁開坯152mm方坯—棒材廠軋制（直徑不超過100mm）。

　　工藝路線Ⅱ：轉(zhuǎn)爐—LF爐—VD—大方坯連鑄—特鋼分公司開坯152mm方坯—棒材廠軋制（直徑小于100mm）。

　　工藝路線Ⅲ：轉(zhuǎn)爐—LF爐—VD—Φ180mm連鑄圓坯—棒材廠軋制（直徑不超過100mm）工藝路線Ⅰ和Ⅱ都是走二火成材的工藝路線，噸鋼成本將增加270元/t。工藝路線Ⅲ可以實(shí)現(xiàn)一火成材，通過對(duì)棒材廠現(xiàn)有軋機(jī)裝備能力核算，重新設(shè)計(jì)粗軋孔型系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)Φ180mm圓坯的軋制。因此，棒材廠軸承圓鋼軋制采用一火成材的工藝路線Ⅲ。

　　2　GCr15軸承鋼冶煉過程質(zhì)量控制

　　2.1轉(zhuǎn)爐冶煉

　　采用120t復(fù)吹轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)GCrl5軸承鋼，為降低鋼中初始氧含量，轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)采用高拉碳，將轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)鋼中碳含量控制在0.1%以上。為減少出鋼過程下渣，出鋼時(shí)在出鋼口進(jìn)行擋渣。在出鋼過程中全程吹A(chǔ)r，并加入適量小粒白灰以利于精煉爐的造渣操作。

　　2.2LF爐外精煉

　　在精煉工序主要采取了優(yōu)化精煉渣系、控制合適的鋁含量及精煉結(jié)束的軟吹時(shí)間等措施，精煉過程中全程吹氬，以保證LF爐的精煉效果和生產(chǎn)節(jié)奏。

　　2.3VD真空脫氣處理

　　LF鋼包爐完成造渣、成分和溫度的調(diào)整后，將鋼包運(yùn)送到VD工位。冶煉軸承鋼時(shí)，采用較弱的吹氬模式，在保證鋼液面不裸露前提下，將軟吹時(shí)間控制在10min以上，這樣可使鋼液和爐渣充分均勻化和反應(yīng)，使鋼中的夾雜物充分上浮并被爐渣吸收。有利于脫氧、脫硫、去除非金屬夾雜物，均勻鋼液成分及溫度。

　　2.4連鑄控制

　　軸承鋼的w［O］要求嚴(yán)格，GB/T18254—2002^[3]中要求連鑄鋼中w［O］≤12×10^-6，因此，生產(chǎn)軸承鋼時(shí)采用全程保護(hù)澆注，鋼包到中間包采用長(zhǎng)水口，并進(jìn)行吹氬保護(hù)，中間包到結(jié)晶器采用浸入式水口，中間包和結(jié)晶器分別采用中包覆蓋劑和結(jié)晶器保護(hù)渣，減少了連鑄過程中的二次氧化，并使鋼中夾雜物得到充分的上浮和吸收。為有效控制鋼的低倍質(zhì)量，加強(qiáng)了連鑄中包過熱度的控制，要求過熱度控制在30℃以內(nèi)。VD后的鋼水經(jīng)五機(jī)五流圓坯連鑄機(jī)拉成Φ180mm連鑄坯，鑄坯拉速1.8～2.0m/min，采用結(jié)晶器電磁攪拌，使用軸承鋼專用保護(hù)渣。

　　2.5氣體及夾雜物控制

　　2.5.1w［H］的控制

　　氫為間隙元素，對(duì)軸承鋼有害無(wú)益，鋼中較多的氫在鋼材上會(huì)產(chǎn)生白點(diǎn)及氫脆，且分布極不均勻。白點(diǎn)破壞鋼體的連續(xù)性，惡化了鋼的物理特性，為此，采取以下措施：

　　（1）在高真空度下適當(dāng)增大攪拌強(qiáng)度；

　　（2）提高裝備水平，增大真空設(shè)備的抽氣能力；

　　（3）采用M–EMS，電磁攪拌使鋼水旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的鋼水使氣體集聚長(zhǎng)大并上浮，鋼中氫含量也得到相應(yīng)減少；

　　（4）鑄坯及軋后緩冷是避免由［H］引起白點(diǎn)的有效措施。

　　2.5.2w［O］的控制

　　氧化物夾雜是軸承鋼中非常具有危害性的，對(duì)疲勞破壞有顯著的影響。氧化物夾雜尺寸越大，引起的應(yīng)力集中也越強(qiáng)。鋼中的w［O］越高，不僅造成氧化物夾雜數(shù)量增多，而且氧化物夾雜尺寸增大，偏析嚴(yán)重，夾雜級(jí)別增高，因而對(duì)疲勞壽命的危害也就加劇。因此，降低軸承鋼氧含量是各鋼廠共同追求的目標(biāo)。

　　通過轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制、轉(zhuǎn)爐出鋼下渣控制、轉(zhuǎn)爐出鋼采用鋁錳鐵終脫氧，鋁錳鐵加入量根據(jù)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)碳含量決定、精煉過程控制鋼中w［A1s］、控制爐渣堿度、VD弱吹氬的軟吹時(shí)間和連鑄保護(hù)澆注等工序采取的各項(xiàng)措施，氧含量控制在12×10^-6以下。

　　3　GCr15軸承鋼軋制過程質(zhì)量控制

　　以試軋Φ60mm軸承鋼為例，闡述軸承圓鋼質(zhì)量控制。

　　試軋軸承鋼化學(xué)成分見表1。

表1 試軋軸承鋼圓坯化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

　　3.1原料驗(yàn)收

　　鋼坯表面不得有目視可見的重迭、翻皮、結(jié)疤和夾雜缺陷，不得有深度或高度大于2mm的劃痕、壓痕、擦傷、氣孔、皺紋、冷濺、凸塊和凹坑等缺陷。

　　3.2加熱制度

　　碳化物不均勻性一直以來(lái)都是軸承鋼控制的難題，其組織是馬氏體基體上分布著過剩的碳化物。由于區(qū)域偏析和枝晶偏析而造成的碳化物的不均勻，對(duì)軸承鋼的質(zhì)量造成極大的危害。碳化物的不均勻性具體表現(xiàn)為：碳化物液析、碳化物帶狀和碳化物網(wǎng)狀^[4]。

　　生產(chǎn)實(shí)踐證明足夠長(zhǎng)的高溫?cái)U(kuò)散時(shí)間，可以有效的降低鋼坯的偏析現(xiàn)象，消除碳化物液析，改善碳化物帶狀，并保證后續(xù)的軋材上碳化物網(wǎng)狀的析出更加均勻彌散，防止碳化物網(wǎng)狀的大量聚集，提高產(chǎn)品的質(zhì)量水平。試軋Φ60mm軸承圓鋼時(shí)采取的加熱制度為：加熱時(shí)間4h，預(yù)熱段溫度850～900℃，加熱段1140～1190℃，均熱段1120～1180℃。不允許急劇升溫和降溫，防止坯料過熱、過燒、炸裂、粘鋼、低溫、黑印及脫碳等事故，出現(xiàn)停軋事故按規(guī)程及時(shí)降溫。

　　3.3軋制

　　對(duì)1—4架粗軋孔型重新設(shè)計(jì)，制作相應(yīng)導(dǎo)衛(wèi)裝置，滿足Φ180mm圓坯軋制。Φ180mm軸承圓坯經(jīng)8道次軋制成Φ60mm圓鋼。由于軸承鋼表面質(zhì)量要求高，軋前準(zhǔn)備工作要對(duì)活套、過橋、夾板和輥道進(jìn)行打磨，避免軋制過程中產(chǎn)生劃傷。軋制中勤測(cè)料型，避免產(chǎn)生耳子、折疊等有害缺陷。軸承鋼開軋溫度為（1000±20）℃，終軋溫度為950～980℃。

　　3.4緩冷

　　軋后鋼材通過冷床快速移鋼，輸送到輸出輥道進(jìn)行定尺鋸切打捆后，快速將鋼材吊運(yùn)至緩冷坑。入緩冷坑溫度高于550℃，保溫30h以上。軸承鋼鋼溫低于200℃后，打開緩冷坑罩子，再將軸承鋼吊裝出來(lái)再次進(jìn)行質(zhì)量檢查、矯直、倒棱、打捆、稱重、入庫(kù)。

　　4　檢驗(yàn)結(jié)果

　　4.1軸承鋼碳化物

　　經(jīng)檢驗(yàn)，試制的GCr15軸承鋼圓鋼碳化物帶狀為0～1級(jí)，液析Z高為2級(jí)，無(wú)顯微孔隙。由此可以看出，加熱時(shí)間4h的碳化物帶狀和液析指標(biāo)均滿足GB18254—2002^[3]標(biāo)準(zhǔn)要求。這主要是由于在較高的溫度下進(jìn)行充分的高溫?cái)U(kuò)散，使得基體中的碳元素等偏析大大減輕，碳化物帶狀和液析級(jí)別優(yōu)化，在后續(xù)軋制和冷卻的過程中，由于此時(shí)圓鋼的偏析較小，碳化物帶狀和液析的析出也相對(duì)比較分散，不會(huì)出現(xiàn)碳化物帶狀和液析的大量聚集等現(xiàn)象，也達(dá)到了降低碳化物帶狀和液析級(jí)別的目的。

　　4.2脫碳層

　　經(jīng)檢驗(yàn)，試制的GCr15軸承鋼圓鋼的表面脫碳層為0～0.14mm，說明4h的加熱時(shí)間可以滿足軸承鋼質(zhì)量要求。

　　4.3低倍

　　對(duì)軋制的軸承鋼逐爐進(jìn)行了低倍檢驗(yàn)。中心疏松、一般疏松及偏析均不大于1.0級(jí)，滿足GB/T18254—2002^[3]標(biāo)準(zhǔn)中心疏松不大于1.5級(jí)，一般疏松及偏析均不大于1.0級(jí)的要求。

　　4.4非金屬夾雜

　　非金屬夾雜檢驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 非金屬夾雜檢驗(yàn)結(jié)果（細(xì)系） 級(jí)

　　非金屬夾雜滿足GB18254—2002^[3]標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　5　結(jié)論

　　（1）采用Φ180mm圓坯在棒材生產(chǎn)線試制GCr15軸承圓鋼，碳化物液析、帶狀、顯微孔隙、脫碳層均滿足GB18254—2002^[3]標(biāo)準(zhǔn)要求，生產(chǎn)工藝可行。

　　（2）包鋼生產(chǎn)的軸承鋼中氧含量控制雖滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但偏上限，鋼中氧含量控制技術(shù)仍需進(jìn)一步提高。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[2]劉興洪，許曉紅，張旭東，等.GCrl5軸承鋼的冶煉過程質(zhì)量控制[J].江蘇冶金，2008，36（4）：11-12.

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　　[4]王德炯，孫華，趙海洋，南鋼軸承鋼工藝研究[J].南鋼科技與管理，2011，（3）：7-8.