軸承鋼GCr15生產過程中鋁含量的優化計算

郭發軍，時向濤，李永輝，崔建海，李祥才

（青島特殊鋼鐵有限公司，山東 青島 266000）

接觸疲勞中的表面剝落、凹坑等缺陷，這些破壞形式主要是夾雜物帶來的。而夾雜物的多少又與軸承鋼中的氧含量有密切關系。隨著氧含量的降低，軸承鋼的疲勞壽命大幅度提高［1］。軸承鋼是鋁脫氧鋼，鋁是極其活潑的元素，脫氧能力很強，在生產過程中也很容易被二次氧化，生成的一些新的夾雜物，從而對鋼的質量帶來了很大影響。同時鋼中的［Al］和［O］的反應平衡常數K隨著溫度的變化有很大的差異，所以研究從轉爐出鋼到澆注成鑄坯整個過程的［Al］含量變化及［Al］和［O］的反應平衡常數K的變化，對控制GCr15軸承鋼中的氧含量有重要意義。

1 轉爐出鋼后脫氧劑鋁的加入量

1.1 轉爐終點碳氧溶度積

當轉爐終點出鋼溫度在1 600 ℃、碳含量在0.10%以上、［Mn］含量為0.13%左右時，鐵水和廢鋼中的其他比較活潑的元素［Al］和［Si］基本上很小，鋼水中的［O］含量基本上由鋼水中的［C］來控制。碳氧反應的化學方程式及吉布斯自由能如下：

根據吉布斯自由能計算出平衡常數和碳氧含量的關系如下：

GCr15 的轉爐終點出鋼溫度一般在1 600～1 640 ℃，根據式（2）計算得出表1。

表1 轉爐終點不同溫度平衡態下對應的碳氧濃度積

確定了碳氧積，根據出鋼碳含量計算鋼水中的氧含量。為了簡化問題，取轉爐的出鋼溫度為1 620 ℃，在該溫度下，［C］［O］=0.002 50。但是實際上轉爐終點的碳氧并不是一個完全的平衡狀態。實際操作中，轉爐終點鋼水中的氧含量高于理論計算值，而且是碳含量越高，碳氧積偏差越大，用碳含量對碳氧積進行修正，取碳氧積0.002 5+［C］/100，待數據較多時做進一步更精確的修正，見表2。

表2 1 620 ℃下轉爐終點不同［C］含量對應的［O］ %

1.2 轉爐終點用鋁脫氧后的數據驗證

轉爐終點脫氧在實際操作中總是伴隨著一部分鋼渣流入鋼包中，根據青島特鋼的情況，每爐大約下渣400 kg 左右，渣中含（FeO）和（MnO）大約在10%～16%，這與終點的后吹和終點的［C］有關。出鋼結束、脫氧合金化完成后，渣中的含氧量（FeO）在1.8%左右。由于FeO 和MnO 的分子量幾乎相同，為簡化起見，只用下式進行計算。

根據上式，計算每爐因下渣消耗的脫氧劑鋁的含量，見表3。

表3 不同終點碳含量的鋼因下渣所消耗的脫氧劑鋁含量

為了驗證上述計算的可靠性，隨機選取了5爐GCr15 轉爐終點和加鋁量以及鋼水中的鋁含量數據，每爐鋼出鋼量為110 t，經計算如表4 所示。從表4的數據可以看出，個別爐次的計算值與實際用量之間存在著較大的差異，但標準差為計算值的5%左右，這個誤差在目前的實際生產中還是有很好的指導意義。在實際生產中，可能存在擋渣不理想的情況，個別爐次多下渣100 kg 是很正常的現象，這100 kg 的渣，就可多消耗3 kg 左右的鋁錠。如表4中的第5爐，實際比計算用量大5.05 kg，這比其他爐次多用了6～7 kg，很可能就是轉爐擋渣不理想，下渣量較多造成的。但由于目前還難以準確計量下渣的重量，所以只能定性地對存在較大偏差的爐次進行分析。

表4 脫氧劑實際用量與計算用量的統計比較

2 脫氧劑加入量與鋼水氧含量極小值的關系

2.1 氧含量存在極小值的判定

GCr15 在脫氧的時候，為了減少夾雜物、降低［O］，按照慣常思維，脫氧劑加入量越大，即某個溫度下鋼水中溶解的［Al］越多，氧含量越低，有一些脫氧元素在脫氧過程中存在一個合適的加入量，當超過這個量時，鋼水中的氧含量不但不降低，反而會升高。用鋁脫氧時，就存在這個問題，GCr15 也不例外。由于轉爐出鋼溫度在1 600 ℃左右，所以就以1 600 ℃時為例，計算最合理的鋁含量。熱力學上對于如下反應：

隨著脫氧劑加入量變大，存在一個［O］含量最小值的條件為［2］：氧含量隨鋁含量變化的函數的一階倒數等于零以及其二階倒數大于零時，存在一個氧含量的極小值，具體方程如下［2］：

從式（5）可推導出式（6），從式（7）推導出式（8）的具體推導過程此處省略，具體見參考文獻。

當上述兩個條件同時成立時，才存在一個氧含量隨脫氧劑加入量變化的極小值。鋁脫氧的化學反應式如下：

查熱力學數據表得到的Fe 液中元素的相互作用系數。

從式（10）和式（11）的計算結果看，兩個值都小于零，具備氧含量出現極小值的條件。

2.2 軸承鋼GCr15在1 600 ℃時最小氧含量的計算

GCr15 在轉爐出鋼，一直到進入RH 之前溫度都在1 600 ℃左右，所以計算該溫度下的平衡氧含量是非常有意義的。在GCr15生產過程中，鋼水中的平衡氧含量是由［Al］來控制的，［Al］和［O］反應的平衡常數隨溫度的變化很大，所以與［Al］相平衡的氧含量的變化是很大的。當溫度為1 600 ℃時，［O］min=1.58×10-4。

從煉鋼常用數據手冊中［3］查到并引用的鐵液中［Al］和溫度對溶解氧影響的曲線。當［Al］在0.8%左右時，鐵液中的溶解氧出現極小值大約在0.000 50%左右，隨著溫度的不同，出現極值點的鋁含量也是不同的。

從上述計算得知，當軸承鋼GCr15中含鋁量為0.253 6%時，此時氧能取得極小值，為1.58×10-6。這個值與數據手冊中的數據有不同，可能是由于軸承鋼中考慮了［C］、［Si］、［Mn］、［Cr］等元素的影響，這些元素都有一定的脫氧功能，對氧和鋁的活度系數造成一定影響。在GCr15鋼液中，當鋁含量超過此值時，鋼水中的［O］是上升的。所以GCr15 在轉爐出鋼的過程中，如果鋁含量超過0.253 6%，對脫氧及夾雜物是不利的。一般情況下，鋼中的鋁沒有這么高，所以在通常的情況下，在沒超過該值時，隨著鋁含量的增加，鋼水中的氧是減少的。

3 GCr15的鋁含量和氧含量的計算

3.1 在1 600 ℃的鋁含量和氧含量的計算

在軸承鋼GCr15 或三元系以上的鐵水中，當低于1 600 ℃時，缺少元素間的相互作用系數的數據，所以只能近似地采用Fe-O-Al 系中鋁氧之間的相互作用系數進行近似計算GCr15 中的平衡氧量。同時當小于1 500 ℃時，鐵液的熱力學數據中，缺少了［Al］［O］反應的標準吉布斯自由能數據。但在1 500～2 000 ℃，鐵液中鋁氧反應的吉布斯自由能基本上與開氏溫度成線性關系。而GCr15 的液相線溫度為1 452 ℃，為了初步推算軸承鋼在這個溫度下的自由氧，只能近似在1 500 ℃時借鑒這個公式。

1 600 ℃下，鋼水中2［Al］+3［O］=Al2O3的化學反應平衡常數：

把數據分別代入式（14）和式（15）得：

對式（12）兩邊取對數得式（16）：

整理得：

式（17）就是鋼中鋁含量和氧含量之間的關系，給定一個［Al］就能計算出相應的［O］。

3.2 在1 500 ℃時GCr15的鋁含量和氧含量的計算

GCr15 生產中隨著溫度的降低，鋁氧的反應平衡常數在減小，不考慮外部因素對鋁的氧化，鋼液內部在溫度下降的過程中就有很多Al2O3析出，析出的Al2O3在軟吹或靜置的過程中會有一部分上浮。當軟吹結束，鋼包吊到連鑄平臺進行澆注的過程中，溫度在迅速下降，鋼水卻一直是流動狀態，小的夾雜物，尤其是內生的夾雜物，諸如析出的Al2O3是很難上浮的。析出細小的Al2O3的一部分會留在鋼液中，直到凝固。固態下鋼材含氧量的檢測中，就有一部分是這種析出未上浮的Al2O3，所以計算平臺鋼包在該溫度下的鋁氧平衡關系就非常關鍵。GCr15 在連鑄平臺鋼包中的溫度恰好是1 500 ℃，此時的標準吉布斯自由能及標準化學反應平衡常數可以獲得，但缺少該溫度下的部分元素相互作用系數。根據其他元素間相互作用系數與溫度的關系，某兩種元素間相互作用系數在1 600 ℃下的數值，同時假設鐵液中元素相互作用系數的變化趨勢不變，推算出如下公式，該公式的準確性有待進一步用實測數據驗證，在此不做進一步探討，用該公式計算出來的某個溫度T 下鐵液中的某兩個元素間的相互作用系數僅供大家參考。

式中：T為需要求值的溫度；為下鐵液中元素N對M的相互作用系數。

根據此公式得出1 773 K下鐵液中各元素的相互作用系數如表5所示。

表5 1 773 K下計算的鐵液中各元素的相互作用系數

根據式（13）、（14）、（15）、（17），軸承鋼的成分和表5中的數據，計算得表6數據。

表6 1 773 K時GCr15鋼液中酸溶鋁和溶解氧的對應關系

3.3 關于GCr15氧含量和鋁含量的探討

以鋼中的酸溶鋁0.015%為例，在1 600 ℃時對應的氧含量為11.8×10-6；當溫度下降到1 500℃時，對應的氧含量為1.26×10-6。相同的酸溶鋁的情況下，氧的變化還是很大的。這些氧都以氧化物的形式析出于鋼液中，一部分在軟吹或靜置過程中上浮，另外一部分滯留在鋼水中，表現為夾雜物。生產中一定要重視鋼水溫度最高點的控制，盡量降低過程的鋼水的最高溫度。正常生產的軸承鋼中，在鋼材上取樣檢測的氧含量大部分在（5～9）×10-6，還是以鋁含量為0.015%為例，除去1 500 ℃時與鋁平衡的1.26×10-6的氧外，連鑄過程中大約還有0.002%的鋁被外界的氧所氧化，還有一部分是在1 500 ℃以上的溫度下鋼水中滯留的夾雜物，推測這些滯留的夾雜物大中含氧量約（3.74～7.74）×10-6，是沒有上浮的被氧化的鋁造成的夾雜物中所含的氧。

從脫氧的角度看，0.008%的鋁就能使鋼水中的自由氧變得很低，如果進一步增加鋁的含量，與之平衡的氧含量下降有限，但隨著鋁含量的增加，由于保護澆注不好，被外界的氧氧化的鋁會大大增加，這一部分被外界氧氧化的鋁是鋼水夾雜物的重要來源，所以連鑄的保護澆注至關重要。從夾雜物和脫氧的角度看，把鋁含量控制在0.008%就足夠了，鋼水的純凈度也會變好。但是，很多鋼種加鋁的目的不單純是為了脫氧，還有一個重要的作用就是細化晶粒，使鋼變成本質細晶粒鋼，在熱處理的過程中，晶粒不至于過度長大，熱處理后的組織更加均勻細小，能大幅度提高鋼的綜合力學性能。鋁細化晶粒通過是凝固后溫度降低的過程中析出的細小的AlN 阻礙晶粒長大完成的，當AlN 的數量小于某個值時，細化晶粒的效果就會變差［3］。

根據煉鋼常用圖表數據手冊，要保證細化晶粒的最好效果，須使AlN 析出量大于0.009%，其中鋁占2/3，即0.006%，氮占1/3，即0.003%。正常轉爐加RH 真空精煉生產的鋼，鋼水中的［N］一般在（40～50）×10-6，電爐鋼的［N］一般在80×10-6左右，為保證有比較可靠的細化晶粒效果，AlN的含量最好控制在0.012%以上，這樣需要0.008%左右的鋁，同時還要有0.002%～0.003%的鋁用來與氧平衡，在連鑄過程中大約還要有0.002%左右的鋁被外界的氧氧化掉。從脫氧、夾雜物控制及細化晶粒的角度考慮，RH 精煉結束后的鋼水熔煉成分鋁含量的控制下限為0.012%，鋁是比較容易氧化的元素，不容易控制，把鋁控制在0.012%～0.018%是比較合理可行的工藝范圍。當然這不包括滲碳鋼，某些滲碳鋼種，由于滲碳溫度較高，可達930 ℃，時間又比較長，晶粒很容易長大，造成混晶。這類鋼的［N］和［Al］需要更高的值，此處不做詳細討論。

4 結論

4.1 轉爐終點碳氧積按［C］［O］=0.002 5+［C］/100，同時考慮下渣的影響，計算的鋁錠加入量與實際加入量的平均相對誤差為1.24%。

4.2 轉爐終點脫氧后的鋁含量不能超過0.25%，在此含量處存在氧含量的極小值為1.58×10-6。

4.3 GCr15 生產過程中的最高溫度點一定要控制好，這對軸承鋼的氧含量有比較大的影響。

4.4 GCr15 熔煉成分的鋁含量建議按0.012%～0.018%控制。