高品质轴承钢LF-VD过程非金属夹杂物演变规律

工程科学学报，第38卷，增刊1：206-212,2016年6月 Chinese Journal of Engineering,Vol.38,Suppl.1:206-212,June 2016 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2016.s1.034:http://journals.ustb.edu.cn 高品质轴承钢LF-VD过程非金属夹杂物演变规律 吴华杰四，郭浩2》，魏崇一2)，岳峰) 1)北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心，北京100083 2)北京科技大学治金工程研究院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:whjyeah@163.com 摘要对国内一钢厂EAFLF→VDCC工艺生产的高品质GC15轴承钢进行系统取样，针对DS类非金属夹杂物随机性 强的特点，利用能够进行大面积试样检测的ASPEX自动扫描电镜分析统计钢中非金属夹杂物的成分、尺寸、数量等信息.研 究发现：GCrl5轴承钢治炼过程中非金属夹杂物主要为MgO一Al2O,-Ca0复合夹杂物和MnS,同时有少量的SiO2一Al2O3和 Mg0一Al2O,复合夹杂物：夹杂物尺寸主要集中在3~8m,并有少量DS类夹杂物出现且尺寸范围波动很大，最大可以达 70μm以上，形貌为圆形或近似圆形：VD有较强的去除夹杂物功能，经过VD真空精炼，夹杂物中C0含量有增加趋势：吊包 至铸坯过程，夹杂物成分向A山，03含量增多的区域移动，最终轴承钢铸坯中夹杂物成分位于高A山03含量（≥80%），少量Mg0 (<20%)和低C0(<5%)的区域：DS夹杂物的生成和去除具有较强的随机性， 关键词轴承钢：夹杂物：尺寸：形貌 分类号TF762.4 Evolution rules of inclusions in high quality bearing steel produced by LF-VD process WU Hua-jie,GUO Hao?,WEI Chong-yi,YUE Feng 1)Collaborative Innovation Center of Steel Technology,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Institute of Metallurgical Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:whjyeah@163.com ABSTRACT High quality GCr15 steel produced by EAF-LF-VD-CC process was systematically studied by sampling in various sta- ges for a domestic factory.For the random characteristics of DS inclusions,the evolution rules of inclusions in bearing steel smelting process were investigated by ASPEX inclusion quick analysis equipment,which can scan the specimen surface in large enough area. The results indicate that the main inclusions are MgO-Al,O,CaO and MnS,and there are also a small quantity of SiO,-Al,O:and Mgo-AlO3.The size of the majority of inclusions is 3-8um,few DS inclusions have a large size range,the biggest one can be more than 70um,and the morphologies of the inclusions are round or nearly circular.Inclusions will be significantly removed by VD process and the content of Cao in inclusions increases after VD process.The content of AlO in inclusions increases during the tundish to continuous casting process.Finally,the content of Al2O in inclusions is more than 80%,the content of Mgo is less than 20%,and the content of Cao is less than 5%in the ternary system of MgO-Al,O,-CaO.The formation and removal behaviors of DS inclusions in bearing steel are of higher degree randomness. KEY WORDS bearing steel:inclusions;size;morphology 随着治炼工艺的优化，GC15轴承钢的治金质量 遍在10×106，有的企业能够达到6×106以下.在 有了显著提高.在现代治炼工艺下，轴承钢T[0]普 极低的T[0]下，即使氧含量相同轴承钢寿命也有很 收稿日期：201603-22 基金项目：中央高校基本科研业务费资助项目(FRF-P-15O62A3)

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1: 206--212，2016 年 6 月 Chinese Journal of Engineering，Vol． 38，Suppl． 1: 206--212，June 2016 DOI: 10． 13374 /j． issn2095--9389． 2016． s1． 034; http: / /journals． ustb． edu． cn 高品质轴承钢 LF--VD 过程非金属夹杂物演变规律 吴华杰1) ，郭 浩2) ，魏崇一2) ，岳 峰1) 1) 北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心，北京 100083 2) 北京科技大学冶金工程研究院，北京 100083  通信作者，E-mail: whjyeah@ 163． com 摘 要 对国内一钢厂 EAF→LF→VD→CC 工艺生产的高品质 GCr15 轴承钢进行系统取样，针对 DS 类非金属夹杂物随机性 强的特点，利用能够进行大面积试样检测的 ASPEX 自动扫描电镜分析统计钢中非金属夹杂物的成分、尺寸、数量等信息． 研 究发现: GCr15 轴承钢冶炼过程中非金属夹杂物主要为 MgO--Al2 O3 --CaO 复合夹杂物和 MnS，同时有少量的 SiO2 --Al2 O3 和 MgO--Al2O3复合夹杂物; 夹杂物尺寸主要集中在 3 ～ 8 μm，并有少量 DS 类夹杂物出现且尺寸范围波动很大，最大可以达 70 μm以上，形貌为圆形或近似圆形; VD 有较强的去除夹杂物功能，经过 VD 真空精炼，夹杂物中 CaO 含量有增加趋势; 吊包 至铸坯过程，夹杂物成分向 Al2O3含量增多的区域移动，最终轴承钢铸坯中夹杂物成分位于高 Al2O3含量( ≥80% ) ，少量 MgO ( ＜ 20% ) 和低 CaO( ＜ 5% ) 的区域; DS 夹杂物的生成和去除具有较强的随机性． 关键词 轴承钢; 夹杂物; 尺寸; 形貌 分类号 TF762 + . 4 Evolution rules of inclusions in high quality bearing steel produced by LF--VD process WU Hua-jie1)  ，GUO Hao2) ，WEI Chong-yi2) ，YUE Feng1) 1) Collaborative Innovation Center of Steel Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China 2) Institute of Metallurgical Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China  Corresponding author，E-mail: whjyeah@ 163． com ABSTＲACT High quality GCr15 steel produced by EAF--LF--VD--CC process was systematically studied by sampling in various sta￾ges for a domestic factory． For the random characteristics of DS inclusions，the evolution rules of inclusions in bearing steel smelting process were investigated by ASPEX inclusion quick analysis equipment，which can scan the specimen surface in large enough area． The results indicate that the main inclusions are MgO--Al2O3 --CaO and MnS，and there are also a small quantity of SiO2 --Al2O3 and MgO--Al2O3 ． The size of the majority of inclusions is 3 － 8μm，few DS inclusions have a large size range，the biggest one can be more than 70μm，and the morphologies of the inclusions are round or nearly circular． Inclusions will be significantly removed by VD process and the content of CaO in inclusions increases after VD process． The content of Al2 O3 in inclusions increases during the tundish to continuous casting process． Finally，the content of Al2O3 in inclusions is more than 80% ，the content of MgO is less than 20% ，and the content of CaO is less than 5% in the ternary system of MgO--Al2O3 --CaO． The formation and removal behaviors of DS inclusions in bearing steel are of higher degree randomness． KEY WOＲDS bearing steel; inclusions; size; morphology 收稿日期: 2016--03--22 基金项目: 中央高校基本科研业务费资助项目( FＲF--TP--15--062A3) 随着冶炼工艺的优化，GCr15 轴承钢的冶金质量 有了显著提高． 在现代冶炼工艺下，轴承钢 T［O］普 遍在 10 × 10 － 6，有的企业能够达到 6 × 10 － 6以下． 在 极低的 T［O］下，即使氧含量相同轴承钢寿命也有很

吴华杰等：高品质轴承钢LFVD过程非金属夹杂物演变规律 207 大波动，因为大颗粒非金属夹杂物逐渐成为制约高 150mm2为例，4mm2约占到观察面积的1/37，这种方 品质轴承钢寿命的主要因素.对此，在2005年瑞典 法只能反应夹杂物的整体规律，但并不利于随机性较 SKF(Svenska Kullager-Fabriken,斯凯孚)公司对高倍 强的DS类夹杂物的研究.本实验选用国内某钢厂现 夹杂物要求新增了DS类四，即单颗粒大型夹杂物的 场生产GCl5轴承钢生产过程样和成品样，采用能进 评级要求.在近几年，日本山阳特殊制钢株式会社 行大面积试样检测的ASPEX自动扫描电镜对试样进 (山阳特钢)针对大颗粒非金属夹杂物采用了超声波 行扫描，扫描面积达到100mm2以上，占到观察面的 探伤法的高可靠检测技术，开发出超纯净钢，并获得 80%以上.这种方法可以保证DS类夹杂物研究的准 轴承钢寿命下限提高约3倍的良好效果。不同作者 确性，将误差控制在较小的范围内，并能节省大量时 从不同角度对DS类夹杂物开展了一系列研究，研究 间，同时对轴承钢治炼过程中夹杂物全尺寸和成分有 其形成及消除机理回、钢中酸溶铝As对其的影响田 详细的数据统计，分析大颗粒非金属夹杂物演变规律， 以及不同工艺该类夹杂物的行为的.但在以往对 为治炼高品质轴承钢生产提供技术指导 DS类夹杂物研究中，大多采用随机视场法检测观察 面，总扫面面积只占到观察面的小部分.例如Zeiss 1生产工艺和研究方法 Ulra55扫描电镜在放大倍数500倍下，单个视场的 1.1生产工艺 面积约为0.04mm2,选择随机100个视场，扫描的总 该钢厂的GCl5轴承钢生产工艺流程为：EAF→ 面积为4mm2,以一个金相样的有效观察面积 LF→VD→CC,其化学成分见表1. 表1GC15主要化学成分（质量分数） Table 1 Composition of the GCr15 bearing steel % C Si Mn Cr Ni Cu T.0 0.95-1.050.13-0.35 0.25-0.45 ≤0.015 ≤0.01 1.40-1.650.01-0.02≤0.250.25≤0.001 1.2研究方法 物危害相对较小，一般认为3μm以下的夹杂物对钢的 1.2.1系统取样 性能没有危害。此外，参考国内外常用的非金属夹杂 对该厂两个炉次的GCrl5轴承钢精炼和浇注过程 物评定标准GB/T10561一2005和IS04967,D细、D粗 进行系统取样分析，取样情况见表2 和DS类夹杂物的最小宽度分别为3、8和13m.因 表2取样位置 此，扫描过程中设置忽略当量直径ECD<3um的夹杂 Table 2 Sampling position 物，按3~8、8~13和13um分类统计，分析夹杂物的 炉次 LF结束VD破空吊包 中包 铸坯 形貌、成分、尺寸和数量的演变规律 A V 2实验结果和讨论 2.1各工序夹杂物数量和尺寸变化 1.2.2 ASPEX电镜自动扫描分析 ASPEX扫描所得的各工序中不同类型夹杂物的 利用能进行大面积试样检测的ASPEX自动扫描 数量和尺寸分布情况汇总于表3和表4. 电镜对金相样进行分析，每个金相试样扫描面积均达 取100mm2为单位面积，统计两炉次各工序单位 到100mm以上，占到试样观察面的80%以上.因为轴 面积夹杂物数量和面积的变化，分别如图1和图2 承钢中夹杂物的尺寸越大，其危害越大，而小尺寸夹杂 所示. 表3A炉次各工序夹杂物尺寸与类型变化 Table 3 Inclusion size and composition changes of each process in Fumace A 扫描 夹杂物尺寸/um 工序 面积/mm2 3-8 8-13 3 LF结束 105 M-A-C(154),MnS(9) M-A-C(18) M-A-C (6) VD破空 113 M-AC(30) M-A-C(3) M-A-C(1) 吊包 109 M-A-C(142),Mns(9) M-A-C(15) M-A-C(4) 中包 105 M-A-C(108),MnS(49) M-A-C(25),MnS(4) M-A-C(11) 铸坯 131 M-A-C(155),MnS(1) M-AC(12) 注：括号内的数值为个数.M一AC=Mg0一Al203Ca0

吴华杰等: 高品质轴承钢 LF #VD 过程非金属夹杂物演变规律 大波动，因为大颗粒非金属夹杂物逐渐成为制约高 品质轴承钢寿命的主要因素． 对此，在 2005 年瑞典 SKF ( Svenska Kullager-Fabriken，斯凯孚) 公司对高倍 夹杂物要求新增了 DS 类［1］，即单颗粒大型夹杂物的 评级要求． 在近几年，日 本 山 阳 特 殊 制 钢 株 式 会 社 ( 山阳特钢) 针对大颗粒非金属夹杂物采用了超声波 探伤法的高可靠检测技术，开发出超纯净钢，并获得 轴承钢寿命下限提高约 3 倍的良好效果． 不同作者 从不同角度对 DS 类夹杂物开展了一系列研究，研究 其形成及消除机理［2］、钢中酸溶铝 Als 对其的影响［3］ 以及不同工艺该类夹杂物的行为［4--5］． 但在 以 往 对 DS 类夹杂物研究中，大多采用随机视场法检测观察 面，总扫面面积只占到观察面的小部分． 例如 Zeiss Ultra 55 扫描电镜在放大倍数 500 倍下，单个视场的 面积约为 0. 04 mm2 ，选择随机 100 个视场，扫描的总 面积 为 4 mm2 ，以 一 个 金 相 样 的 有 效 观 察 面 积 150 mm2 为例，4 mm2 约占到观察面积的 1 /37，这种方 法只能反应夹杂物的整体规律，但并不利于随机性较 强的 DS 类夹杂物的研究． 本实验选用国内某钢厂现 场生产 GCr15 轴承钢生产过程样和成品样，采用能进 行大面积试样检测的 ASPEX 自动扫描电镜对试样进 行扫描，扫描面积达到 100 mm2 以上，占到观察面的 80% 以上． 这种方法可以保证 DS 类夹杂物研究的准 确性，将误差控制在较小的范围内，并能节省大量时 间，同时对轴承钢冶炼过程中夹杂物全尺寸和成分有 详细的数据统计，分析大颗粒非金属夹杂物演变规律， 为冶炼高品质轴承钢生产提供技术指导． 1 生产工艺和研究方法 1. 1 生产工艺 该钢厂的 GCr15 轴承钢生产工艺流程为: EAF→ LF→VD→CC，其化学成分见表 1． 表 1 GCr15 主要化学成分( 质量分数) Table 1 Composition of the GCr15 bearing steel % C Si Mn P S Cr Al Ni Cu T． O 0. 95 ～ 1. 05 0. 13 ～ 0. 35 0. 25 ～ 0. 45 ≤0. 015 ≤0. 01 1. 40 ～ 1. 65 0. 01 ～ 0. 02 ≤0. 25 0. 25 ≤0. 001 1. 2 研究方法 1. 2. 1 系统取样 对该厂两个炉次的 GCr15 轴承钢精炼和浇注过程 进行系统取样分析，取样情况见表 2． 表 2 取样位置 Table 2 Sampling position 炉次 LF 结束 VD 破空 吊包 中包 铸坯 A √ √ √ √ √ B √ √ √ √ √ 1. 2. 2 ASPEX 电镜自动扫描分析 利用能进行大面积试样检测的 ASPEX 自动扫描 电镜对金相样进行分析，每个金相试样扫描面积均达 到 100 mm2 以上，占到试样观察面的 80% 以上． 因为轴 承钢中夹杂物的尺寸越大，其危害越大，而小尺寸夹杂 物危害相对较小，一般认为 3 μm 以下的夹杂物对钢的 性能没有危害． 此外，参考国内外常用的非金属夹杂 物评定标准 GB / T10561—2005 和 ISO4967，D 细、D 粗 和 DS 类夹杂物的最小宽度分别为 3、8 和 13 μm． 因 此，扫描过程中设置忽略当量直径 ECD ＜ 3 μm 的夹杂 物，按 3 ～ 8、8 ～ 13 和$13 μm 分类统计，分析夹杂物的 形貌、成分、尺寸和数量的演变规律． 2 实验结果和讨论 2. 1 各工序夹杂物数量和尺寸变化 ASPEX 扫描所得的各工序中不同类型夹杂物的 数量和尺寸分布情况汇总于表 3 和表 4． 取 100 mm2 为单位面积，统计两炉次各工序单位 面积夹杂物数量和面积的变化，分别 如 图 1 和 图 2 所示． 表 3 A 炉次各工序夹杂物尺寸与类型变化 Table 3 Inclusion size and composition changes of each process in Furnace A 工序 扫描 面积/mm2 夹杂物尺寸/μm 3 ～ 8 8 ～ 13 $13 LF 结束 105 M--A--C ( 154) ，MnS ( 9) M--A--C ( 18) M--A--C ( 6) VD 破空 113 M--A--C ( 30) M--A--C ( 3) M--A--C ( 1) 吊包 109 M--A--C ( 142) ，MnS ( 9) M--A--C ( 15) M--A--C ( 4) 中包 105 M--A--C ( 108) ，MnS ( 49) M--A--C ( 25) ，MnS ( 4) M--A--C ( 11) 铸坯 131 M--A--C ( 155) ，MnS ( 1) M--A--C ( 12) " 注: 括号内的数值为个数． M--A--C = MgO--Al2O3 --CaO． · 702 ·

·208· 工程科学学报，第38卷，增刊1 表4B炉次各工序夹杂物尺寸与类型变化 Table 4 Inclusion size and composition changes of each process in Fumace B 扫描 夹杂物尺寸Iμm 工序 面积/mm2 3-8 8~13 3 LF结束 105 M-A-C(27),MnS(23) M-A-C(5) M-A-C(6) VD破空 107 M-A-C(95),MnS(20) M-A-C(9) M-A-C(6) 吊包 107 M-A-C(73),MnS(47) M-A-C(10) M-A-C(4) 中包 116 M-A-C(74),MnS(59) M-A-C(5) M-A-C(3) 铸坯 142 M-A-C(226),Mns(35) M-A-C(22),MnS(2) M-A-C(1) 注：括号内的数值为个数.M-A-C=Mg0-Al203-Ca0. 200 ☑Mns 图M-A-G 200 ☑Mns 图M-A-C 150 150 100 0 LF结束D破空 吊包 中包 铸坏 LF结束VD破室吊包 中包 铸坏 A炉次L工序 B炉次1序 图1两炉次各工序单位面积夹杂物数量变化 Fig.I Changes in quantity of inclusions per unit area in each process in the two furnaces ☑MnS ☑Mn5 图M-A-C 1500 图M-A-C 8000 60 10000 40 50 2000 LF结束D破空吊包中包 铸还 结桌)破空吊包中包 铸坏 A炉次工序 B炉次工序 图2两炉次各工序单位面积夹杂物面积变化 Fig.2 Changesin area of inclusions per unit area in each process in the two furnaces 从表3和表4可以看出，轴承钢治炼过程中夹杂 杂物的存在，并且其出现概率具有随机性，导致夹杂物 物类型主要为Mg0-A,0,-Ca0和MnS,其中以Mg0- 数量和夹杂物面积的变化规律并不完全一致，各工序 山0，Ca0为主，数量居多.在尺寸分布上，3~8um 的数量大多在150~200个/100mm2波动：夹杂物面积 的夹杂物所占比例最大，而大于13μm的大尺寸夹杂 的变化更能反映精炼过程钢液中夹杂物含量的变化趋 物(DS类杂物)占比很小，类型主要为Mg0-L,0,- 势，从本次研究可以发现，总体而言，随精炼的进行，夹 CaO,在精炼和浇注各个工序都有出现.在DS夹杂物 杂物含量是逐渐较少的，铸坯中夹杂物所占面积为 数量变化上，两个炉次的精炼各工序DS夹杂物数量 2000μm2/100mm2:从LF到VD后，夹杂物面积明显减 变化无特定规律，但铸坯中DS尺寸的夹杂物数量都 少，VD有较强的去除夹杂物功能，浇注过程有的炉次 夹杂物面积明显增加，这是由于这个炉次的保护浇注 比精炼过程中要少.在夹杂物含量上，因为大尺寸夹

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 表 4 B 炉次各工序夹杂物尺寸与类型变化 Table 4 Inclusion size and composition changes of each process in Furnace B 工序 扫描 面积/mm2 夹杂物尺寸/μm 3 ～ 8 8 ～ 13 $13 LF 结束 105 M--A--C ( 27) ，MnS ( 23) M--A--C ( 5) M--A--C ( 6) VD 破空 107 M--A--C ( 95) ，MnS ( 20) M--A--C ( 9) M--A--C ( 6) 吊包 107 M--A--C ( 73) ，MnS ( 47) M--A--C ( 10) M--A--C ( 4) 中包 116 M--A--C ( 74) ，MnS ( 59) M--A--C ( 5) M--A--C ( 3) 铸坯 142 M--A--C ( 226) ，MnS ( 35) M--A--C ( 22) ，MnS ( 2) M--A--C ( 1) 注: 括号内的数值为个数． M--A--C = MgO--Al2O3 --CaO． 图 1 两炉次各工序单位面积夹杂物数量变化 Fig． 1 Changes in quantity of inclusions per unit area in each process in the two furnaces 图 2 两炉次各工序单位面积夹杂物面积变化 Fig． 2 Changesin area of inclusions per unit area in each process in the two furnaces 从表 3 和表 4 可以看出，轴承钢冶炼过程中夹杂 物类型主要为 MgO--Al2O3--CaO 和 MnS，其中以 MgO-- Al2O3--CaO 为主，数量居多． 在尺寸分布上，3 ～ 8 μm 的夹杂物所占比例最大，而大于 13 μm 的大尺寸夹杂 物( DS 类杂物) 占比很小，类型主要为 MgO--Al2 O3-- CaO，在精炼和浇注各个工序都有出现． 在 DS 夹杂物 数量变化上，两个炉次的精炼各工序 DS 夹杂物数量 变化无特定规律，但铸坯中 DS 尺寸的夹杂物数量都 比精炼过程中要少． 在夹杂物含量上，因为大尺寸夹 杂物的存在，并且其出现概率具有随机性，导致夹杂物 数量和夹杂物面积的变化规律并不完全一致，各工序 的数量大多在 150 ～ 200 个/100 mm2 波动; 夹杂物面积 的变化更能反映精炼过程钢液中夹杂物含量的变化趋 势，从本次研究可以发现，总体而言，随精炼的进行，夹 杂物含量是逐渐较少的，铸坯中夹杂物所占面积为 2000 μm2 /100 mm2 ; 从 LF 到 VD 后，夹杂物面积明显减 少，VD 有较强的去除夹杂物功能，浇注过程有的炉次 夹杂物面积明显增加，这是由于这个炉次的保护浇注 · 802 ·

吴华杰等：高品质轴承钢LFVD过程非金属夹杂物演变规律 ·209· 不好，二次氧化严重造成 各个工序主要氧化物夹杂物含量平均值之后，得出如 2.2各工序夹杂物成分变化 图4所示的夹杂物平均含量的变化情况 图3为ASPEX扫描所得两炉次各工序夹杂物组 根据各工序不同夹杂物的能谱测试结果统计，可 成在Mg0-A山，0，-Ca0三元系中成分分布情况.计算 以得出各工序夹杂物成分和类型的变化规律，见表5. 0A100 。1结球 0100 。1结束 。VD破空 。VD破空 吊包 一吊包 25 75 。中包 口中包 铸坏 75 。铸坏 e(Ca0)/% 50 50 0/% (Ca0)/% 75 25 ae 100 100 25 50 0 50 75 100 (AL.O N (Al,O,/% (a)A炉次 B炉次 图3两炉次各工序夹杂物成分分布变化 Fig.3 Inclusion composition distribution changesin each process in the two fumnaces 100 100 ☑M() ☑Mg) 图ALO 图A), 龙 60 40 20 o LF结束VD破空吊包中包 铸坯 LF结束VD空吊包 中包 铸坯 A炉次工序 B炉次工序 图4两炉次各工序夹杂物AL203、Mg0和Ca0含量变化 Fig.4 Content changes of Al2O,,Mgo and Cao inclusions in each process in the two furnaces 表5各工序夹杂物成分变化 Table 5 Composition changes of inclusions in each process 工序 夹杂物成分 LF结束 主要为Mg0-A山，03-Ca0、Mg0-AL2O3的复合夹杂物，有少量纯A山0，有部分小尺寸的MS夹杂. VD破空 主要为MgO一Al203Ca0复合夹杂物(Ca0较高)，但是两个炉次夹杂物成分中Mg0和C:0含量有较大变化，形状为球形 吊包 主要为Mg0-A203-Ca0复合夹杂物(Ca0较高)，形状为球形. 中包 主要为Mg0一A山203-Ca0复合夹杂物，AL203含量有所升高，形状为球形. 铸坯 主要为Mg0-A203-Ca0复合夹杂物（低Ca0)、Mg0-Al203和A201 由上述图表可知，轴承钢治炼过程中夹杂物演变 通过钢-渣-夹杂物间的复杂反应，Mg0一l20,类夹杂 的一般规律和主要原因：LF喂铝后，发生强烈的脱氧 物中开始复合CaO,故LF精炼结束后，钢中夹杂物以 反应，生成的大量脱氧产物A山203，其中一些A山0，和 复合氧化物Ca0-Mg0-L,03为主.经过VD真空精 钢包耐火材料中的部分Mg0发生反应，生成A山，0，含 炼，VD破空后，钢中夹杂物成分更加均匀，以复合氧 量较高的Mg0-AL,0,类夹杂物，随着LF精炼的继续， 化物Ca0-Mg0-AL,0,为主，且夹杂物中Ca0含量有增

吴华杰等: 高品质轴承钢 LF #VD 过程非金属夹杂物演变规律 不好，二次氧化严重造成． 2. 2 各工序夹杂物成分变化 图 3 为 ASPEX 扫描所得两炉次各工序夹杂物组 成在 MgO--Al2O3--CaO 三元系中成分分布情况． 计算 各个工序主要氧化物夹杂物含量平均值之后，得出如 图 4 所示的夹杂物平均含量的变化情况． 根据各工序不同夹杂物的能谱测试结果统计，可 以得出各工序夹杂物成分和类型的变化规律，见表 5． 图 3 两炉次各工序夹杂物成分分布变化 Fig． 3 Inclusion composition distribution changesin each process in the two furnaces 图 4 两炉次各工序夹杂物 Al2O3、MgO 和 CaO 含量变化 Fig． 4 Content changes of Al2O3，MgO and CaO inclusions in each process in the two furnaces 表 5 各工序夹杂物成分变化 Table 5 Composition changes of inclusions in each process 工序 夹杂物成分 LF 结束 主要为 MgO--Al2O3 --CaO、MgO--Al2O3的复合夹杂物，有少量纯 Al2O3，有部分小尺寸的 MnS 夹杂． VD 破空 主要为 MgO--Al2O3 --CaO 复合夹杂物( CaO 较高) ，但是两个炉次夹杂物成分中 MgO 和 CaO 含量有较大变化，形状为球形． 吊包 主要为 MgO--Al2O3 --CaO 复合夹杂物( CaO 较高) ，形状为球形． 中包 主要为 MgO--Al2O3 --CaO 复合夹杂物，Al2O3含量有所升高，形状为球形． 铸坯 主要为 MgO--Al2O3 --CaO 复合夹杂物( 低 CaO) 、MgO--Al2O3和 Al2O3 ． 由上述图表可知，轴承钢冶炼过程中夹杂物演变 的一般规律和主要原因: LF 喂铝后，发生强烈的脱氧 反应，生成的大量脱氧产物 Al2 O3，其中一些 Al2 O3 和 钢包耐火材料中的部分 MgO 发生反应，生成 Al2O3含 量较高的 MgO--Al2O3类夹杂物，随着 LF 精炼的继续， 通过钢--渣#夹杂物间的复杂反应，MgO--Al2O3类夹杂 物中开始复合 CaO，故 LF 精炼结束后，钢中夹杂物以 复合氧化物 CaO--MgO--Al2 O3 为主． 经过 VD 真空精 炼，VD 破空后，钢中夹杂物成分更加均匀，以复合氧 化物 CaO--MgO--Al2O3为主，且夹杂物中 CaO 含量有增 · 902 ·

·210 工程科学学报，第38卷，增刊1 加趋势.吊包、中包和铸坯中夹杂物也均以复合氧化 行钙处理的，在不考虑加入铝线中含钙的条件下，夹杂 物Ca0-Mg0-AL,0,为主.由图3可见，由吊包至铸坯 物中钙的主要来源应是溶解铝与渣中氧化钙的反应： 过程，夹杂物成分从分布图的中部向右移动，即向L2 3(Ca0)+2[A]=3[Ca]+(Al,03).(1) 0,含量增多的区域移动，最终停留在高A山，0，含量（其 溶解铝与渣中和耐火材料中的氧镁发生的反应 质量分数大于80%)，少量Mg0(其质量分数小于 如下6-习： 20%)和低Ca0(其质量分数小于5%)的区域，Al,03 2[]+3Mg0aa=Al,0,+3Mg],(2) 含量逐渐提高是因为治炼过程中随着温度的降低，钢 Mg0o+2+3[O]=Mg0·A,0o,(3) 中酸溶铝继续与溶解氧反应，会再次生成较多的氧化 Al203o+Mg]+[O]=Mg0·AL,03o· (4) 铝，而且浇注过程中二次氧化也会造成氧化铝含量 当温度T=1600℃，Ca的溶解度为0.02%~ 升高. 0.03%,Ca的分压P。=1.8×101.325kPa,钢液中钙 轴承钢中夹杂物的成分与脱氧过程、钢液-包衬- 含量达到一定程度时，会发生以下反应 夹杂物、钢液精炼渣-夹杂物之间的反应相关，特别是 与精炼过程钢包渣线处耐材侵蚀状况、VD精炼过程 C+y(,0)=Ca0:(-号)L0,+子u]. 炉渣混卷程度关系密切，不同炉次间设备、工艺和操作 (5) 上的差异引起不同炉次钢中夹杂物成分的显著差异， x [Cao]+y [Al2O ]=(xCa0yALO), (6) 导致两炉次在VD破空过程中夹杂物成分中MgO和 [Ca]+]+(Mgo-AL2O)=(Cao-Mgo-AlO). CaO含量有较大的差异.其中B炉次Mg0含量在VD (7) 破空后明显提高，是因为这一炉次真空处理时间较长， 2.3轴承钢中DS类夹杂物分析 炉衬侵蚀较重，真空条件下碳能与渣中或炉衬中的 DS类夹杂物是指圆形或近似圆形，直径≥13μm MgO反应生成Mg进入钢液，随之与夹杂物结合，致使 的单颗粒夹杂物.图5为A和B两炉次DS夹杂物的 夹杂物中Mg0含量进一步提升. 尺寸和数量信息，图6为典型DS夹杂物形貌，表6为 通常来说轴承钢为防止大型夹杂物的出现是不进 典型DS成分信息. 50 。尺寸 80 口尺寸 。平均尺寸 70 。平均尺寸 40 50 30 40 20 30 20 10L 10 LF结束 D破室中包 铸坏 F站束D破空吊包中包诗坏 A护次工序 B炉次工序 图5两炉次各工序DS数量及尺寸 Fig.5 Quantity and size of DS inclusions in each process 5 Hm 64m 10m 5um 40m 20m 254m 15m 图6治炼过程中典型DS夹杂物形貌 Fig.6 Morphology of typical DS inclusions in the process of smelting

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 加趋势． 吊包、中包和铸坯中夹杂物也均以复合氧化 物 CaO--MgO--Al2O3为主． 由图 3 可见，由吊包至铸坯 过程，夹杂物成分从分布图的中部向右移动，即向 Al2 O3含量增多的区域移动，最终停留在高 Al2O3含量( 其 质量 分 数 大 于 80% ) ，少量 MgO ( 其 质 量 分 数 小 于 20% ) 和低 CaO ( 其质量分数小于 5% ) 的区域，Al2O3 含量逐渐提高是因为冶炼过程中随着温度的降低，钢 中酸溶铝继续与溶解氧反应，会再次生成较多的氧化 铝，而且浇注过程中二次氧化也会造成氧化铝含量 升高． 轴承钢中夹杂物的成分与脱氧过程、钢液#包衬# 夹杂物、钢液#精炼渣#夹杂物之间的反应相关，特别是 与精炼过程钢包渣线处耐材侵蚀状况、VD 精炼过程 炉渣混卷程度关系密切，不同炉次间设备、工艺和操作 上的差异引起不同炉次钢中夹杂物成分的显著差异， 导致两炉次在 VD 破空过程中夹杂物成分中 MgO 和 CaO 含量有较大的差异． 其中 B 炉次 MgO 含量在 VD 破空后明显提高，是因为这一炉次真空处理时间较长， 炉衬侵蚀较重，真空条件下碳能与渣中或炉衬中的 MgO 反应生成 Mg 进入钢液，随之与夹杂物结合，致使 夹杂物中 MgO 含量进一步提升． 通常来说轴承钢为防止大型夹杂物的出现是不进 行钙处理的，在不考虑加入铝线中含钙的条件下，夹杂 物中钙的主要来源应是溶解铝与渣中氧化钙的反应: 3( CaO) + 2［Al］= 3［Ca］+ ( Al2O3 ) ． ( 1) 溶解铝与渣中和耐火材料中的氧镁发生的反应 如下［6--7］: 2［Al］+ 3MgO( in-slag /fractory) = Al2O3 + 3［Mg］， ( 2) MgO( s) + 2［Al］+ 3［O］= MgO·Al2O3( s) ， ( 3) Al2O3( s) +［Mg］+［O］= MgO·Al2O3( s) ． ( 4) 当温 度 T = 1600 ℃，Ca 的 溶 解 度 为 0. 02% ～ 0. 03% ，Ca 的分压 PCa = 1. 8 × 101. 325 kPa，钢液中钙 含量达到一定程度时，会发生以下反应［8--9］． x［Ca］+ y( Al2O3 ) = xCaO·( y － ) 1 3 Al2O3 + 2 3 ［Al］， ( 5) x［CaO］+ y［Al2O3］= ( xCaO·yAl2O3 ) ， ( 6) ［Ca］+［O］+ ( MgO·Al2O3 ) ( s) = ( CaO·MgO·Al2O3 ) ． ( 7) 2. 3 轴承钢中 DS 类夹杂物分析 DS 类夹杂物是指圆形或近似圆形，直径≥13 μm 的单颗粒夹杂物． 图 5 为 A 和 B 两炉次 DS 夹杂物的 尺寸和数量信息，图 6 为典型 DS 夹杂物形貌，表 6 为 典型 DS 成分信息． 图 5 两炉次各工序 DS 数量及尺寸 Fig． 5 Quantity and size of DS inclusions in each process 图 6 冶炼过程中典型 DS 夹杂物形貌 Fig． 6 Morphology of typical DS inclusions in the process of smelting · 012 ·

吴华杰等：高品质轴承钢LFVD过程非金属夹杂物演变规律 211 表6典型DS夹杂物成分信息 Table 6 Composition information of typical DS inclusions 质量分数/% 尺寸/ 夹杂物 编号 工序 Mg Si Ca Mn um 类型 18 47.7 2.8 0 30.2 0 18.66 MgO-Al 0:-Ca0 LF结束 45.5 26.7 0 0 23.3 24.73 Si02-Al203 LF结束 9 .44 61.9 0 46.06 Mgo-Al20:-Ca0 VD破空 7.7 0 17.34 Si02-Al203 VD破空 53.8 0 14.61 Mgo-Al 0:-Cao 吊包 65.5 0 71.15 MgO-Al0:-Cao 吊包 564 0 34.49 Mgo-Al,0-Cao 吊包 57.5 0 49.40 MgO-Al0:-Cao 中包 0 56.3 35.07 MnS 中包 10 17.3 58.1 0 8.5 8.0 6.9 16.14 Mg0-A山203-Ca0 铸坯 由图5、图6和表6可知，轴承钢中DS夹杂物主 不同炉次间设备、工艺、操作上的差异导致不同炉次钢 要亦为Mg0-Al20,Ca0复合夹杂物，治炼过程中其尺 中夹杂物成分的显著差异，夹杂物中Ca的主要来源可 寸波动范围很大，最大可以达到70μm以上，形貌为圆 能为精炼渣中(CaO),Mg的来源可能为精炼渣中 形或近似圆形；在LF精炼过程就出现有DS尺寸夹杂 (MgO)和耐火材料. 物，但其数量在工序间的变化并无特定规律，可见DS (5)轴承钢中DS夹杂物主要也为Mg0-AL,O,- 夹杂物的生成和去除具有较强的随机性，DS夹杂物的 Ca0复合夹杂物，治炼过程中其尺寸波动范围很大，最 控制与精炼、浇注过程的工艺制度和操作稳定性关系 大可以达到70μm以上：DS尺寸夹杂物的数量在工序 密切 间的变化并无特定规律，DS夹杂物的生成和去除具有 较强的随机性，与精炼、浇注过程的工艺制度和操作稳 3结论 定性关系密切：卷渣和二次氧化是DS夹杂物产生的 (1)LF-VD流程生产轴承钢中的夹杂物类型主 重要来源， 要为Mg0-AL,03-Ca0和MnS,其中以Mg0-Al20,Ca0 参考文献 为主 (2)夹杂物面积的变化更能反映精炼过程钢液中 [Liao X D.The Formation Mechanism and Control of Ametabolic Type-D Inclusions in the GCr15 Bearing Steel [Dissertation].Bei- 夹杂物含量的变化趋势.总体而言，随精炼的进行，夹 jing:University of Seience and Technology Beijing,2008:6 杂物含量逐渐较少，铸坯中夹杂物所占面积为 (缨新德.高碳铬轴承钢中不变形夹杂物的形成机理及控制 2000μm2/100mm2:从LF到VD后，夹杂物面积明显减 [学位论文].北京：北京科技大学，2008：68) 少，VD有较强的去除夹杂物功能：有的炉次浇注过程 [2]Xu S Z,Ma X H,Zhao W D.Formation of globular inclusions in 夹杂物面积明显增加，是由于保护浇注不好，二次氧化 bearing steel and their removal mechanism.J Mater Metall,2006, 严重造成 5(4):250 (3)随着LF精炼的继续，通过钢渣-夹杂物间的 (徐世铮，马晓禾，赵卫东等.轴承钢点状夹杂物成因及消除 机理的探讨.材料与治金学报，2006,5(4)：250) 复杂反应，Mg0一Al,O3类夹杂物中开始复合Ca0:经过 [3] Hu W H,Zhu S L.Influences of VD refining process on total oxy- VD真空精炼，夹杂物中Ca0含量有增加趋势：吊包至 gen content and [Als content inGCrl5 steel.J Univ Sci Technol 铸坯过程中，由于温降引起的铝氧继续反应、浇注过程 Beijing,2009,31(Suppl1):113 中二次氧化导致夹杂物成分向A山，0，含量增多的区域 (胡文豪，朱施利.VD精炼工艺对GC15钢中总氧及[A]s含 移动，最终轴承钢铸坯中夹杂物成分位于高A山0，含量 量的影响.北京科技大学学报，2009,31（增刊1）：113) (其质量分数大于80%)，少量Mg0(其质量分数小于 4 Wu HJ,Bao Y P,Yue F,et al.Study on total oxygen content 20%)和低Ca0(其质量分数小于5%)的区域 and micro inclusion of bearing steel GCrl5 during RH vacuum process.J Univ Sci Technol Beijing,2009,31(Suppl 1):121 (4)轴承钢中夹杂物的成分与脱氧过程、钢液一 (吴华杰，包燕平，岳峰，等.RH真空处理GC15轴承钢中全 包衬一夹杂物、钢液一精炼渣一夹杂物之间的反应相关， 氧及显微夹杂物的行为研究.北京科技大学学报，2009,31（增

吴华杰等: 高品质轴承钢 LF #VD 过程非金属夹杂物演变规律 表 6 典型 DS 夹杂物成分信息 Table 6 Composition information of typical DS inclusions 编号 质量分数/% Mg Al Si S Ca Mn 尺寸/ μm 夹杂物 类型 工序 1 18. 1 47. 7 2. 8 0 30. 2 0 18. 66 MgO--Al2O3 --CaO LF 结束 2 0 45. 5 26. 7 0 0 23. 3 24. 73 SiO2 --Al2O3 LF 结束 3 2. 6 29. 2 3. 6 1. 4 61. 9 0 46. 06 MgO--Al2O3 --CaO VD 破空 4 0 19 48 0 7. 7 0 17. 34 SiO2 --Al2O3 VD 破空 5 5. 2 34. 8 2. 7 1. 8 53. 8 0 14. 61 MgO--Al2O3 --CaO 吊包 6 3. 7 19. 2 8. 3 1. 9 65. 5 0 71. 15 MgO--Al2O3 --CaO 吊包 7 8. 3 28. 2 5. 6 0 56. 4 0 34. 49 MgO--Al2O3 --CaO 吊包 8 7. 2 25. 6 6. 3 2. 1 57. 5 0 49. 40 MgO--Al2O3 --CaO 中包 9 0 0 3. 6 33. 7 0 56. 3 35. 07 MnS 中包 10 17. 3 58. 1 0 8. 5 8. 0 6. 9 16. 14 MgO--Al2O3 --CaO 铸坯 由图 5、图 6 和表 6 可知，轴承钢中 DS 夹杂物主 要亦为 MgO--Al2O3--CaO 复合夹杂物，冶炼过程中其尺 寸波动范围很大，最大可以达到 70 μm 以上，形貌为圆 形或近似圆形; 在 LF 精炼过程就出现有 DS 尺寸夹杂 物，但其数量在工序间的变化并无特定规律，可见 DS 夹杂物的生成和去除具有较强的随机性，DS 夹杂物的 控制与精炼、浇注过程的工艺制度和操作稳定性关系 密切． 3 结论 ( 1) LF--VD 流程生产轴承钢中的夹杂物类型主 要为 MgO--Al2O3--CaO 和 MnS，其中以MgO--Al2O3--CaO 为主． ( 2) 夹杂物面积的变化更能反映精炼过程钢液中 夹杂物含量的变化趋势． 总体而言，随精炼的进行，夹 杂 物 含 量 逐 渐 较 少，铸 坯 中 夹 杂 物 所 占 面 积 为 2000 μm2 /100 mm2 ; 从 LF 到 VD 后，夹杂物面积明显减 少，VD 有较强的去除夹杂物功能; 有的炉次浇注过程 夹杂物面积明显增加，是由于保护浇注不好，二次氧化 严重造成． ( 3) 随着 LF 精炼的继续，通过钢#渣#夹杂物间的 复杂反应，MgO--Al2O3类夹杂物中开始复合 CaO; 经过 VD 真空精炼，夹杂物中 CaO 含量有增加趋势; 吊包至 铸坯过程中，由于温降引起的铝氧继续反应、浇注过程 中二次氧化导致夹杂物成分向 Al2O3含量增多的区域 移动，最终轴承钢铸坯中夹杂物成分位于高Al2O3含量 ( 其质量分数大于 80% ) ，少量 MgO ( 其质量分数小于 20% ) 和低 CaO ( 其质量分数小于 5% ) 的区域． ( 4) 轴承钢中夹杂物的成分与脱氧过程、钢液-- 包衬--夹杂物、钢液--精炼渣--夹杂物之间的反应相关， 不同炉次间设备、工艺、操作上的差异导致不同炉次钢 中夹杂物成分的显著差异，夹杂物中 Ca 的主要来源可 能为精 炼 渣 中 ( CaO) ，Mg 的来源可能为精炼渣中 ( MgO) 和耐火材料． ( 5) 轴承钢中 DS 夹杂物主要也为 MgO--Al2 O3-- CaO 复合夹杂物，冶炼过程中其尺寸波动范围很大，最 大可以达到 70 μm 以上; DS 尺寸夹杂物的数量在工序 间的变化并无特定规律，DS 夹杂物的生成和去除具有 较强的随机性，与精炼、浇注过程的工艺制度和操作稳 定性关系密切; 卷渣和二次氧化是 DS 夹杂物产生的 重要来源． 参 考 文 献 ［1］ Liao X D． The Formation Mechanism and Control of Ametabolic Type-D Inclusions in the GCr15 Bearing Steel［Dissertation］． Bei￾jing: University of Science and Technology Beijing，2008: 6--8 ( 缪新德． 高碳铬轴承钢中不变形夹杂物的形成机理及控制 ［学位论文］． 北京: 北京科技大学，2008: 6--8) ［2］ Xu S Z，Ma X H，Zhao W D． Formation of globular inclusions in bearing steel and their removal mechanism． J Mater Metall，2006， 5( 4) : 250 ( 徐世铮，马晓禾，赵卫东等． 轴承钢点状夹杂物成因及消除 机理的探讨． 材料与冶金学报，2006，5( 4) : 250) ［3］ Hu W H，Zhu S L． Influences of VD refining process on total oxy￾gen content and ［Al］s content inGCr15 steel． J Univ Sci Technol Beijing，2009，31( Suppl 1) : 113 ( 胡文豪，朱施利． VD 精炼工艺对 GCr15 钢中总氧及［Al］s 含 量的影响． 北京科技大学学报，2009，31( 增刊 1) : 113) ［4］ Wu H J，Bao Y P，Yue F，et al． Study on total oxygen content and micro inclusion of bearing steel GCr15 during ＲH vacuum process． J Univ Sci Technol Beijing，2009，31( Suppl 1) : 121 ( 吴华杰，包燕平，岳峰，等． ＲH 真空处理 GCr15 轴承钢中全 氧及显微夹杂物的行为研究． 北京科技大学学报，2009，31( 增 · 112 ·

·212· 工程科学学报，第38卷，增刊1 f刊1)：121) (陈秀娟，郑少波，洪新，等.VD炉内轴承钢中碳还原渣中 5]Zhang L F,Thomas B G.State of the art in evaluation and control Ca0的热力学及影响因素分析.上海金属，2005,27(2)：26) of steel cleanliness.ISIJ Int,2003,43 (3)271 8]Dong LR.Liu X H.Large-scale Nonmetallic Inclusion of Steel. [6]Guo J,Cheng SS,ChengZ J.Mechanism of non-metallic inclu- Beijing:Metallurgical Industry Press,1991:46 sion formation and modification and their deformation during com (董履仁，刘新华.钢中大型非金属夹杂物.北京：治金工业出 pact strip production (CSP)process for aluminum-illed steel, 版社，1991：46) ISJ1mt,2013,53(12):2142 Cai KK.Quality Control for Continuous Casting Slab.Beijing: [7]Chen X J,Zheng S B,Hong X,et al.Thermodynamics of Cao in Metallurgical Industry Press,2010:51 slag reduced by carbon during VD process of bearing steel and its (蔡开科.连铸坯质量控制，北京：治金工业出版社，2010： effect factors.Shanghai Met,2005,27(2):26 51)

工程科学学报，第 38 卷，增刊 1 刊 1) : 121) ［5］ Zhang L F，Thomas B G． State of the art in evaluation and control of steel cleanliness． ISIJ Int，2003，43( 3) : 271 ［6］ Guo J，Cheng S S，Cheng Z J． Mechanism of non-metallic inclu￾sion formation and modification and their deformation during com￾pact strip production ( CSP) process for aluminum-killed steel， ISIJ Int，2013，53( 12) : 2142 ［7］ Chen X J，Zheng S B，Hong X，et al． Thermodynamics of CaO in slag reduced by carbon during VD process of bearing steel and its effect factors． Shanghai Met，2005，27( 2) : 26 ( 陈秀娟，郑少波，洪新，等． VD 炉内轴承钢中碳还原渣中 CaO 的热力学及影响因素分析． 上海金属，2005，27( 2) : 26) ［8］ Dong L Ｒ，Liu X H． Large-scale Nonmetallic Inclusion of Steel． Beijing: Metallurgical Industry Press，1991: 46 ( 董履仁，刘新华． 钢中大型非金属夹杂物． 北京: 冶金工业出 版社，1991: 46) ［9］ Cai K K． Quality Control for Continuous Casting Slab． Beijing: Metallurgical Industry Press，2010: 51 ( 蔡开科． 连铸坯质量控制，北京: 冶金工业出 版 社，2010: 51) · 212 ·