精煉渣組分對軸承鋼鋼液組分的影響

白少勛,曾亞南,寧鑫,唐國章

(華北理工大學 冶金與能源學院,河北 唐山 063210)

引言

GCr15軸承鋼作為當代潔凈鋼的代表鋼種之一,主要用于航空發動機軸承、大型薄板軋機設備用軸承、風力發電裝備用軸承等方面,在鋼生產中占據重要地位[1]。隨著社會的發展,對其質量要求越來越高,然而鋼中的非金屬夾雜物嚴重降低了軸承鋼的疲勞壽命,影響其鋼質量[2-4]。研究結果表明,軸承鋼的疲勞壽命基本取決于夾雜物的含量,且含量越高,疲勞壽命越低[5]。由于夾雜物的組成與鋼液的組分息息相關,DENG[6]等人研究爐渣堿度對渣組分作用的濃度的影響規律,發現隨著堿度的增加,渣中氧化鋁和二氧化硅的作用濃度不斷降低,氧化鎂的作用濃度先增加后降低,鋼中氧含量不斷降低。張倩[7]等人的研究結果表明,隨著精煉渣堿度的增加,鋼液中鈣鎂元素含量逐漸增加;姜周華[8]等人的研究結果顯示,精煉渣堿度使得鋼中全氧含量降低,且精煉渣組分直接影響著夾雜物的平均組分。付國強[9]等人模擬了四元渣系的渣金反應,發現精煉渣的堿度對鋼液組分的影響相對較大。孫偉[10]等人的研究結果表明,當軸承鋼中鋁含量在0.025%時,只要鋼中的鎂含量高于0.63 ppm,就可以達到對氧化鋁改性的作用;Joo Hyun PARK[11]等人表示當鋼液中的鈣元素含量高于2 ppm時,就可以影響尖晶石夾雜的穩定,使其由固態夾雜改性為液態夾雜。該研究根據實驗室的坩堝大小的實際情況,設計了合適CaO-MgO-SiO2-Al2O3-FeO五元渣系以及鋼渣配比,運用FactSage軟件,研究了不同精煉渣組分對鋼液中鈣鎂鋁氧元素含量的影響規律,為計算精煉渣組分對軸承鋼中夾雜物生成的熱力學行為提供準確的理論指導。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗采用某廠的GCr15軸承鋼料,具體組分如表1所示;精煉渣系為五元渣系,通過彭波[12,13,14]等人對精煉渣冶金性能的研究,并根據實驗室的坩堝情況,確定五元渣系CaO-MgO-SiO2-Al2O3-FeO的組分如表2所示,且精煉渣均由純化學試劑配制而成。試驗所用原料:GCr15軸承鋼1 600 g,渣量40 g,鋁粒2.46 g(鋼渣總量的0.15%)。

表1 GCr15軸承鋼成分表/%

表2 精煉渣組分

1.2 模擬方案

運用FactSage軟件的Equilib板塊,選取數據庫為FactPS、FToxid和FSstel,采用控制變量的方法,對1 600 ℃不同精煉渣組分下的渣金反應進行模擬計算,研究精煉渣堿度、MgO含量、Al2O3含量以及FeO含量對軸承鋼中[Ca]、[Mg]、[Al]、[O]成分的影響規律。

2 結果與分析

2.1 精煉渣堿度對鋼液組分的影響

在研究堿度對鋼液組分含量影響時,確定精煉渣中w(Al2O3)=26%,w(MgO)=7%,w(FeO)=0.8%,堿度變化范圍為3～7,步長為1。通過控制變量法,運用FactSage軟件模擬1 600 ℃的渣金反應,計算結果如圖(1)所示。由圖1(a)發現,隨著精煉渣堿度由3增加7,鋼液中的[Ca]含量逐漸增加,由2.59 ppm增加到4.53 ppm,且在堿度大于5時,變化逐漸趨于平緩。這是由于隨著堿度的增加,渣中氧化鈣的活度逐漸增加,導致[Ca]含量也隨之逐漸增加;由圖1(b)發現,隨著精煉渣堿度由3增加到7,鋼液中[Mg]含量逐漸增加,由6.33 ppm增加到10.35 ppm,通過計算可以發現堿度的增加使得渣中氧化鎂的活度增加,進而使得鋼液中鎂元素含量也逐漸增加;由圖1(c)發現,隨著精煉渣堿度的增加,a(Al2O3)活度增加,使得鋼液中[Al]含量逐漸增加。由圖1(d)發現,可隨著精煉渣堿度由3增加到7,鋼中的氧含量呈現出先增加后逐漸降低的趨勢。其中在堿度由3增加到4,氧含量處于增加階段,氧含量由5.4 ppm增加到6.21 ppm;這是由于在鋼中氧含量相對較低時,精煉渣會向鋼液中供氧以保持反應平衡,所以氧含量略微升高;堿度由4增加到7時,氧含量處于降低階段,氧含量由6.21 ppm降低到6.12 ppm;這是由于精煉渣堿度的增加使得Al2O3活度降低,促進Al-O反應向生成Al2O3的方向進行,使得氧含量逐漸降低。綜上可以看出,隨著堿度由3增加到7,鋼液中Ca、Mg、O元素變化較明顯,而鋁元素含量變化相對較小。

圖1 精煉渣堿度對鋼液組分的影響

2.2 精煉渣中MgO含量對鋼液組分的影響

在研究精煉渣中氧化鎂含量對鋼液組分含量影響時,確定精煉渣中R=5,w(Al2O3)=26%,w(FeO)=0.8%,w(MgO)%變化范圍為5%～9%,步長為1%。通過控制變量法,運用FactSage軟件模擬1600℃的渣金反應,計算結果如圖(2)所示。

由圖2(a)可知,隨著精煉渣中氧化鎂含量由5%增加到9%,渣中氧化鈣的活度降低,使得鋼液中的[Ca]含量逐漸降低,由4.55 ppm降低到4.51 ppm,其中在精煉渣中氧化鎂含量大于5%時,鋼液中鈣元素含量變化不明顯。由圖2(b)可知,隨著精煉渣中氧化鎂含量的增加,鋼液中的鎂元素含量逐漸增加后趨于平緩,其中在氧化鎂由5%增加到8%時,鎂含量處于增加階段,由7.57 ppm增加到9.66 ppm;這是由于渣中氧化鎂含量的增加,使得氧化鎂活度增加,使得鋼液中鎂元素含量逐漸增加;氧化鎂含量由8%增加到9%時,鋼液中鎂元素含量雖然呈現出增加趨勢,但是變化不大,這主要是由于鋼中鎂元素含量達到飽和狀態所致。由圖2(c)可知,隨著精煉渣中氧化鎂含量由5%增加到9%,鋼液中鋁元素含量呈現出逐漸增加的趨勢,其中氧化鎂含量由5%增加到6%,鋼液中鋁元素含量變化不大;在氧化鎂含量由6%增加到9%時,鋼液中鋁元素含量變化較明顯。由圖2(d)可知,隨著氧化鎂含量的增加,鋼中的氧含量呈現出逐漸增加后趨于平緩的趨勢。其中在氧化鎂含量由5%增加到7%時,鋼液中氧含量呈現出逐漸增加的趨勢,且變化較明顯,其含量由5.44 ppm增加到6.20 ppm;在氧化鎂含量大于7%時,氧含量變化不明顯,大約在6.2 ppm左右。綜上所述可以看出,隨著精煉渣中氧化鎂含量5%增加到9%,鋼液中鎂元素含量變化較明顯,鋼液中鈣鋁氧元素含量變化相對較小。

圖2 精煉渣中MgO含量對鋼液組分的影響

2.3 精煉渣中Al2O3含量對鋼液組分的影響

在研究精煉渣中氧化鋁含量對鋼液組分含量影響時,確定精煉渣中R=5,w(MgO)=7%,w(FeO)=0.8%,w(Al2O3)%變化范圍為22%～30%,步長為2%。通過控制變量法,運用FactSage軟件模擬1 600 ℃的渣金反應,計算結果如圖(3)所示。

由圖3(a)可以發現,隨著氧化鋁含量的增加,鋼液中鈣元素含量逐漸降低;其中氧化鋁含量由22%增加到28%,鋼液中鈣元素含量變化不明顯;在氧化鋁含量大于28%時,鋼液中鈣元素含量下降比較明顯,由4.51 ppm降低到4.09 ppm;這是由于鋼液中鎂元素會抑制鈣鋁酸鹽夾雜的生成,在氧化鋁含量大于28%時,鋼中鎂元素含量降低,促進了鈣鋁酸鹽的生成,使得鋼液中鈣元素含量逐漸降低且變化明顯。由圖3(b)可知,隨著氧化鋁含量逐漸增加,鋼液中鎂元素含量呈現出先逐漸增加后降低的趨勢;其中在氧化鋁含量由22%增加到28%時,鋼液中鎂元素變化不明顯;在氧化鋁含量大于28%時,這是由于隨著氧化鋁增加,氧化鎂的活度逐漸降低,使得鎂含量有所降低,且變化不明顯,由9.73 ppm降低到9.38 ppm;由圖3(c)可以發現,隨著氧化鋁含量由22%增加到30%,氧化鋁的活度逐漸增加,導致鋼液中鋁元素含量逐漸升高。由圖3(d)可以發現,隨著氧化鋁含量的增加,鋼中氧含量逐漸降低,但是變化不明顯。這是由于隨著氧化鋁含量的增加,鋼中鋁含量活度增加,使得Al-O反應向氧含量低的方向進行,所以氧含量降低;綜上所示,隨著氧化鋁含量由22%增加到30%,鋼液中鋁元素含量變化相對較大,鈣鎂氧元素含量變化相對不明顯。

圖3 精煉渣中Al2O3含量對鋼液組分的影響

2.4 精煉渣中FeO含量對鋼液組分的影響

在研究精煉渣中氧化亞鐵含量對鋼液組分含量影響時,確定精煉渣中R=5,w(MgO)=7%,w(Al2O3)=26%,w(FeO)%變化范圍為0.4%～1.2%,步長為0.2%。通過控制變量法,運用FactSage軟件模擬1 600 ℃的渣金反應,計算結果如圖(4)所示。

由圖4(a)發現隨著精煉渣中FeO含量由0.4%增加到1.2%,鋼中鈣元素含量逐漸降低,但是變化不明顯,大約在4.51 ppm左右;這是由于隨著精煉渣中FeO對鋼液由、有供氧作用,使得鋼液中的鈣元素與氧結合造成鈣元素含量降低。由圖4(b)發現隨著精煉渣中FeO含量由0.4%增加到1.2%,鋼中鎂元素含量逐漸降低,但是變化不明顯,由9.66 ppm降低到9.60 ppm;這是由于隨著精煉渣中FeO對鋼液有供氧作用,使得鋼液中的鎂元素與氧結合造成鎂元素含量降低。由圖4(c)發現隨著精煉渣中FeO含量由0.4%增加到1.2%,鋼中鋁元素含量逐漸降低,但是變化不明顯;這是由于隨著精煉渣中FeO對鋼液有供氧作用,使得鋼液中的鋁元素與氧結合造成鋁元素含量降低。由圖4(d)發現隨著精煉渣中FeO含量由0.4%增加到1.2%,鋼中氧元素含量逐漸增加,但是變化不明顯;雖然精煉中FeO對鋼液有供氧作用,但是由于鈣鎂鋁元素與氧元素的結合,使得鋼中氧元素含量增加不明顯。

圖4 精煉渣中FeO含量對鋼液組分的影響

3 結論

(1)元素含量變化范圍如下:2.59*10-4%≤[Ca]≤4.53*10-4%、6.33*10-4%≤[Mg]≤10.35*10-4%、3.48*10-2%≤[Al]≤7.93*10-2%、5.40*10-4%≤[O]≤6.21*10-4%。

(2)精煉渣堿度對鋼液組分影響最大,且主要影響鋼液中鈣、鎂、氧元素含量;且隨著堿度的增加,鋼中的鈣鎂元素含量逐漸增加,氧元素先增加后逐漸降低。

(3)精煉渣中氧化鎂含量對鋼液組分影響次之;精煉渣中氧化鋁以及氧化亞鐵含量對鋼液組分影響最小。