Φ180mm连铸坯试制GCr15轴承用圆钢的质量控制
2016-10-13刘玉峰1，白东坤1，李斌2
（1.内蒙古包钢钢联股份有限公司棒材厂，内蒙古包头 014010；2.内蒙古包钢钢联股份有限公司技术中心，内蒙古包头 014010）
摘 要：介绍了包钢采用Φ180mm连铸圆坯在棒材生产线试制GCr15轴承圆钢的生产工艺，阐述了从炼钢工序到轧制工序的质量控制关键因素。生产实践表明，在包钢现有设备及工艺条件下，轴承钢产品的质量指标均满足相关标准要求。
关键词：Φ180mm连铸圆坯；GCr15轴承钢；质量控制
滚动轴承必须具备高的疲劳寿命、良好的耐磨性能、高且均匀的硬度、适宜的冲击韧性，一定的耐大气和油脂腐蚀能力，能够承受长期交变载荷。因此，轴承钢也是特殊钢中质量要求较高的钢种之一[1]。近年来，中国轴承市场逐渐看好，行业发展较快，从而带动轴承钢的需求量逐渐增加。轴承钢市场的特点就是总体用量大且稳定。目前国内的年需求量大约为300万t，其中GCr15占85%，GCr15SiMn占10%，其它如渗碳轴承钢等占5%。轴承钢的冶炼方法，从20世纪30—40年代传统的酸性平炉、碱性平炉、碱性电弧炉冶炼，发展到今天的综合炉外精炼工艺（LF+RH、LF+VD、SKF－MR法等）。生产工艺归纳起来有3种：一是电炉流程，即电炉—二次精炼—连铸或模铸—轧制；二是转炉流程，即高炉—铁水预处理—转炉—二次精炼—连铸—轧制；三是特种冶金，即真空感应熔炼（VIM）、电渣重熔（ESR）—轧制或锻造[2]。包钢2009年开展了轴承钢的试制工作，相继开发了连铸大方坯二火成材、连铸圆坯直接轧制等工艺路线，均获得了成功。文章介绍了采用连铸圆坯轧制GCrl5轴承钢的生产控制及产品质量等。
1 包钢轴承钢生产工艺路线的确定
根据目前的装备现状，棒材厂轴承钢的生产可以选择以下3种工艺路线：
工艺路线Ⅰ：转炉—LF炉—VD—大方坯连铸—轨梁开坯152mm方坯—棒材厂轧制（直径不超过100mm）。
工艺路线Ⅱ：转炉—LF炉—VD—大方坯连铸—特钢分公司开坯152mm方坯—棒材厂轧制（直径小于100mm）。
工艺路线Ⅲ：转炉—LF炉—VD—Φ180mm连铸圆坯—棒材厂轧制（直径不超过100mm）工艺路线Ⅰ和Ⅱ都是走二火成材的工艺路线，吨钢成本将增加270元/t。工艺路线Ⅲ可以实现一火成材，通过对棒材厂现有轧机装备能力核算，重新设计粗轧孔型系统，可以实现Φ180mm圆坯的轧制。因此，棒材厂轴承圆钢轧制采用一火成材的工艺路线Ⅲ。
2 GCr15轴承钢冶炼过程质量控制
2.1转炉冶炼
采用120t复吹转炉生产GCrl5轴承钢，为降低钢中初始氧含量，转炉终点采用高拉碳，将转炉终点钢中碳含量控制在0.1%以上。为减少出钢过程下渣，出钢时在出钢口进行挡渣。在出钢过程中全程吹Ar，并加入适量小粒白灰以利于精炼炉的造渣操作。
2.2LF炉外精炼
在精炼工序主要采取了优化精炼渣系、控制合适的铝含量及精炼结束的软吹时间等措施，精炼过程中全程吹氩，以保证LF炉的精炼效果和生产节奏。
2.3VD真空脱气处理
LF钢包炉完成造渣、成分和温度的调整后，将钢包运送到VD工位。冶炼轴承钢时，采用较弱的吹氩模式，在保证钢液面不裸露前提下，将软吹时间控制在10min以上，这样可使钢液和炉渣充分均匀化和反应，使钢中的夹杂物充分上浮并被炉渣吸收。有利于脱氧、脱硫、去除非金属夹杂物，均匀钢液成分及温度。
2.4连铸控制
轴承钢的w［O］要求严格，GB/T18254—2002[3]中要求连铸钢中w［O］≤12×10-6，因此，生产轴承钢时采用全程保护浇注，钢包到中间包采用长水口，并进行吹氩保护，中间包到结晶器采用浸入式水口，中间包和结晶器分别采用中包覆盖剂和结晶器保护渣，减少了连铸过程中的二次氧化，并使钢中夹杂物得到充分的上浮和吸收。为有效控制钢的低倍质量，加强了连铸中包过热度的控制，要求过热度控制在30℃以内。VD后的钢水经五机五流圆坯连铸机拉成Φ180mm连铸坯，铸坯拉速1.8～2.0m/min，采用结晶器电磁搅拌，使用轴承钢专用保护渣。
2.5气体及夹杂物控制
2.5.1w［H］的控制
氢为间隙元素，对轴承钢有害无益，钢中较多的氢在钢材上会产生白点及氢脆，且分布极不均匀。白点破坏钢体的连续性，恶化了钢的物理特性，为此，采取以下措施：
（1）在高真空度下适当增大搅拌强度；
（2）提高装备水平，增大真空设备的抽气能力；
（3）采用M–EMS，电磁搅拌使钢水旋转，旋转的钢水使气体集聚长大并上浮，钢中氢含量也得到相应减少；
（4）铸坯及轧后缓冷是避免由［H］引起白点的有效措施。
2.5.2w［O］的控制
氧化物夹杂是轴承钢中非常具有危害性的，对疲劳破坏有显著的影响。氧化物夹杂尺寸越大，引起的应力集中也越强。钢中的w［O］越高，不仅造成氧化物夹杂数量增多，而且氧化物夹杂尺寸增大，偏析严重，夹杂级别增高，因而对疲劳寿命的危害也就加剧。因此，降低轴承钢氧含量是各钢厂共同追求的目标。
通过转炉终点控制、转炉出钢下渣控制、转炉出钢采用铝锰铁终脱氧，铝锰铁加入量根据转炉终点碳含量决定、精炼过程控制钢中w［A1s］、控制炉渣碱度、VD弱吹氩的软吹时间和连铸保护浇注等工序采取的各项措施，氧含量控制在12×10-6以下。
3 GCr15轴承钢轧制过程质量控制
以试轧Φ60mm轴承钢为例，阐述轴承圆钢质量控制。
试轧轴承钢化学成分见表1。
表1 试轧轴承钢圆坯化学成分（质量分数） %
3.1原料验收
钢坯表面不得有目视可见的重迭、翻皮、结疤和夹杂缺陷，不得有深度或高度大于2mm的划痕、压痕、擦伤、气孔、皱纹、冷溅、凸块和凹坑等缺陷。
3.2加热制度
碳化物不均匀性一直以来都是轴承钢控制的难题，其组织是马氏体基体上分布着过剩的碳化物。由于区域偏析和枝晶偏析而造成的碳化物的不均匀，对轴承钢的质量造成极大的危害。碳化物的不均匀性具体表现为：碳化物液析、碳化物带状和碳化物网状[4]。
生产实践证明足够长的高温扩散时间，可以有效的降低钢坯的偏析现象，消除碳化物液析，改善碳化物带状，并保证后续的轧材上碳化物网状的析出更加均匀弥散，防止碳化物网状的大量聚集，提高产品的质量水平。试轧Φ60mm轴承圆钢时采取的加热制度为：加热时间4h，预热段温度850～900℃，加热段1140～1190℃，均热段1120～1180℃。不允许急剧升温和降温，防止坯料过热、过烧、炸裂、粘钢、低温、黑印及脱碳等事故，出现停轧事故按规程及时降温。
3.3轧制
对1—4架粗轧孔型重新设计，制作相应导卫装置，满足Φ180mm圆坯轧制。Φ180mm轴承圆坯经8道次轧制成Φ60mm圆钢。由于轴承钢表面质量要求高，轧前准备工作要对活套、过桥、夹板和辊道进行打磨，避免轧制过程中产生划伤。轧制中勤测料型，避免产生耳子、折叠等有害缺陷。轴承钢开轧温度为（1000±20）℃，终轧温度为950～980℃。
3.4缓冷
轧后钢材通过冷床快速移钢，输送到输出辊道进行定尺锯切打捆后，快速将钢材吊运至缓冷坑。入缓冷坑温度高于550℃，保温30h以上。轴承钢钢温低于200℃后，打开缓冷坑罩子，再将轴承钢吊装出来再次进行质量检查、矫直、倒棱、打捆、称重、入库。
4 检验结果
4.1轴承钢碳化物
经检验，试制的GCr15轴承钢圆钢碳化物带状为0～1级，液析Z高为2级，无显微孔隙。由此可以看出，加热时间4h的碳化物带状和液析指标均满足GB18254—2002[3]标准要求。这主要是由于在较高的温度下进行充分的高温扩散，使得基体中的碳元素等偏析大大减轻，碳化物带状和液析级别优化，在后续轧制和冷却的过程中，由于此时圆钢的偏析较小，碳化物带状和液析的析出也相对比较分散，不会出现碳化物带状和液析的大量聚集等现象，也达到了降低碳化物带状和液析级别的目的。
4.2脱碳层
经检验，试制的GCr15轴承钢圆钢的表面脱碳层为0～0.14mm，说明4h的加热时间可以满足轴承钢质量要求。
4.3低倍
对轧制的轴承钢逐炉进行了低倍检验。中心疏松、一般疏松及偏析均不大于1.0级，满足GB/T18254—2002[3]标准中心疏松不大于1.5级，一般疏松及偏析均不大于1.0级的要求。
4.4非金属夹杂
非金属夹杂检验结果见表2。
表2 非金属夹杂检验结果（细系） 级
非金属夹杂满足GB18254—2002[3]标准要求。
5 结论
（1）采用Φ180mm圆坯在棒材生产线试制GCr15轴承圆钢，碳化物液析、带状、显微孔隙、脱碳层均满足GB18254—2002[3]标准要求，生产工艺可行。
（2）包钢生产的轴承钢中氧含量控制虽满足标准要求，但偏上限，钢中氧含量控制技术仍需进一步提高。
参考文献
[1]王刚，张小华，许正周.降低轴承钢液析级别的技术措施[J].江苏冶金，2008，36（4）：69-70.
[2]刘兴洪，许晓红，张旭东，等.GCrl5轴承钢的冶炼过程质量控制[J].江苏冶金，2008，36（4）：11-12.
[3]GB/T18254—2002，高碳铬轴承钢[S].
[4]王德炯，孙华，赵海洋，南钢轴承钢工艺研究[J].南钢科技与管理，2011，（3）：7-8.