D0I:10.13374/i.issnl001t03.2007.08.004 第29卷第8期 北京科技大学学报 Vol.29 No.8 2007年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Aug.2007 轴承钢中钙铝酸盐夹杂物的形成及控制 缪新德2)于春梅)石超民)杜建峰2) 朱患刚2)成国光) 1)北京科技大学治金与生态工程学院，北京1000832)兴澄特殊钢公司，江阴214429 摘要研究了轴承钢生产中各因素对钢中D类夹杂物形成的影响.对国内某特殊钢厂轴承钢中夹杂物进行了检验分析，发 现钢中D类夹杂物存在多种形式：通过感应炉重熔实验，发现钢中A1!含量对夹杂物的影响很大，A!过量，在Mg0炉衬条件 下，会大量生成MgO·A2O3:当钢中Ca含量较高时，夹杂物全部变性为球状钙铝酸盐.研究表明，控制钢水中Ca、Mg和A1成 分，是控制D类夹杂的重要手段，通过工厂试验证明，特定炉渣改性和成分优化对D类夹杂物有一定的改善作用.· 关键词轴承钢：夹杂物；钙铝酸盐；碱度 分类号TF703.5 轴承钢中夹杂物控制是治金科研工作者非常关 独立Mg0·Al203夹杂物（如图2所示），(Ca,Mg, 心的问题，目前常用检验标准中把钢中夹杂物分为 A)0,复合态夹杂物（如图3所示），外面包有硫化 A(硫化物)、B(氧化铝)、C(硅酸盐)和D(球状不变 物的复合夹杂物（如图4所示）· 形夹杂物)，各类夹杂对轴承寿命的危害性按大小可 以排成DBC→A的次序，对夹杂物形态来说， 球状不变形夹杂对轴承寿命危害极大，钙铝酸盐夹 杂物是其中的主要类型之一，夹杂的尺寸对轴承疲 劳极限的影响极为明显，尺寸愈大，疲劳寿命愈短 关于轴承钢中钙铝酸盐的研究报道不少.文献 指出，钙铝酸盐夹杂物的生成自由焓变化（△G)在炼 钢温度下都是负值，在高碱度精炼渣生产的轴承钢 中，总能找到钙铝酸盐和镁铝尖晶石夹杂，控制 [Ca]、[0]含量，对控制钙铝酸盐夹杂物的形成和成 分转变有重要意义[).本文对国内某厂轴承钢中 Al D类夹杂物析出形貌、尺寸及分布情况进行了观察， 从理论上分析了轴承钢生产过程中钙铝酸盐的生成 可能性，计算了钢中酸溶铝含量对钢中钙镁含量的 影响3)，并在实验室和工厂试验里考察了各影响 4 能量keV 因素对钙铝酸盐生成可能性的影响， 图1独立钙铝酸盐夹杂物 1 轴承钢中夹杂物形貌 Fig.I Pure calciumraluminate inclusions 取国内某特钢厂生产的GCr15连铸180mm× 在扫描观察中，单独存在的钙铝酸盐以及复合 180mm小方坯以及轧制后的45mm棒材，制备成 态夹杂物比较少，而镁铝尖晶石相对较多，通过以 电镜样，采用SEM观察D类夹杂物的形态、大小和 上分析表明：轴承钢中D类夹杂物存在的形貌较为 分布，并利用能谱分析定性鉴定，发现D类夹杂大 复杂，必须区分不同夹杂物性质，进而摸清其生成规 致可分为几种：独立钙铝酸盐夹杂物（如图1所示）， 律，有关轴承钢中镁铝尖晶石的形成行为已经进行 收稿日期：2007-03-01修回日期：2007-05-25 了较为深入的研究-$]，本文的重点是钙铝酸盐形 作者简介：缪新德(1964一)男，高级工程师，博士研究生 成机理和控制研究
轴承钢中钙铝酸盐夹杂物的形成及控制 缪新德12） 于春梅1） 石超民1） 杜建峰12） 朱惠刚12） 成国光1） 1） 北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083 2） 兴澄特殊钢公司江阴214429 摘 要 研究了轴承钢生产中各因素对钢中 D 类夹杂物形成的影响．对国内某特殊钢厂轴承钢中夹杂物进行了检验分析发 现钢中 D 类夹杂物存在多种形式；通过感应炉重熔实验发现钢中 Al 含量对夹杂物的影响很大Al 过量在 MgO 炉衬条件 下会大量生成 MgO·Al2O3；当钢中 Ca 含量较高时夹杂物全部变性为球状钙铝酸盐．研究表明控制钢水中 Ca、Mg 和 Al 成 分是控制 D 类夹杂的重要手段．通过工厂试验证明特定炉渣改性和成分优化对 D 类夹杂物有一定的改善作用． 关键词 轴承钢；夹杂物；钙铝酸盐；碱度 分类号 TF703∙5 收稿日期：2007-03-01 修回日期：2007-05-25 作者简介：缪新德（1964—）男高级工程师博士研究生 轴承钢中夹杂物控制是冶金科研工作者非常关 心的问题目前常用检验标准中把钢中夹杂物分为 A（硫化物）、B（氧化铝）、C（硅酸盐）和 D（球状不变 形夹杂物）各类夹杂对轴承寿命的危害性按大小可 以排成 D→B→C→A 的次序．对夹杂物形态来说 球状不变形夹杂对轴承寿命危害极大钙铝酸盐夹 杂物是其中的主要类型之一夹杂的尺寸对轴承疲 劳极限的影响极为明显尺寸愈大疲劳寿命愈短． 关于轴承钢中钙铝酸盐的研究报道不少．文献 指出钙铝酸盐夹杂物的生成自由焓变化（ΔG）在炼 钢温度下都是负值在高碱度精炼渣生产的轴承钢 中总能找到钙铝酸盐和镁铝尖晶石夹杂控制 ［Ca］、［O］含量对控制钙铝酸盐夹杂物的形成和成 分转变有重要意义［1—2］．本文对国内某厂轴承钢中 D 类夹杂物析出形貌、尺寸及分布情况进行了观察 从理论上分析了轴承钢生产过程中钙铝酸盐的生成 可能性计算了钢中酸溶铝含量对钢中钙镁含量的 影响［3—4］并在实验室和工厂试验里考察了各影响 因素对钙铝酸盐生成可能性的影响． 1 轴承钢中夹杂物形貌 取国内某特钢厂生产的 GCr15连铸180mm× 180mm 小方坯以及轧制后的●45mm 棒材制备成 电镜样采用 SEM 观察 D 类夹杂物的形态、大小和 分布并利用能谱分析定性鉴定发现 D 类夹杂大 致可分为几种：独立钙铝酸盐夹杂物（如图1所示） 独立 MgO·Al2O3 夹杂物（如图2所示）（CaMg Al）xOy 复合态夹杂物（如图3所示）外面包有硫化 物的复合夹杂物（如图4所示）． 图1 独立钙铝酸盐夹杂物 Fig．1 Pure calcium-aluminate inclusions 在扫描观察中单独存在的钙铝酸盐以及复合 态夹杂物比较少而镁铝尖晶石相对较多．通过以 上分析表明：轴承钢中 D 类夹杂物存在的形貌较为 复杂必须区分不同夹杂物性质进而摸清其生成规 律．有关轴承钢中镁铝尖晶石的形成行为已经进行 了较为深入的研究［5—8］本文的重点是钙铝酸盐形 成机理和控制研究． 第29卷 第8期 2007年 8月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．8 Aug．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．08．004
.772. 北京科技大学学报 第29卷 Fe Al Mg Mn 2 4 6 11m 能量keV 图2独立Mg0-Az03夹杂物 Fig-2 Pure MgO-Al2Os inclusions Fe A 能量keV 图3(Ca,MgA)0,复合态夹杂物 Fig-3 (Ca.MgAl)O,complicated inclusions a (b) () (©)图点 b)图点 Mn Fe Mn 2 4 6 2m 能量keV 能量keV 图4外面包有硫化物复合球形夹杂物·(a)夹杂物形貌：(b)中心部分能谱：(c)外围部分能谱 Fig.4 Complicated globular inclusions enclosed by sulphides:(a)appearance of inclusions:(b)energy spectrum of the center:(c)energy spec- trum of the periphery 2实验室研究 10%,w(Si02)=8%~12%,w(Caf2)=0~15%. 实验用轧制好的45mm轴承钢，每炉约7kg, 2.1实验方法 配渣约500q,将钢样和渣一起在中频感应炉中熔化 本实验选用某特殊钢厂生产的轴承钢轧制样， 后，加入适当的合金，取渣样，测温，然后将钢水浇注 设计了不同成分的炉渣，在10kg感应炉中进行熔 成小钢锭，成型后在空气中冷却，对取得的渣样和钢 炼，探索轴承钢中D类夹杂物形成规律及影响条 样进行成分分析（钢样主要分析了酸溶Al、全Ca、全 件，重点考虑炉钢中Al,Ca、Mg含量对轴承钢中夹 Mg),并制备钢样进行宏微观组织观察和扫描电镜 杂物的影响，A!含量以金属纯铝加入钢液的形式调 观察[ 整，Ca含量以添加硅钙合金来控制，Mg含量则是治 2.2实验结果与讨论 炼过程中主要由于Al还原Mg0炉衬进入钢液而变 2.2.1[A1]含量的影响 化.实验的炉渣成分设计范围为：w(Ca0)=50%~ 钢样的分析结果表明，不加铝的钢样微量成分 60%,w(Al203)=25%~35%,D(Mg0)=5%~ 与初始样比较，变化都不太大，A1的质量分数为
图2 独立 MgO·Al2O3 夹杂物 Fig．2 Pure MgO·Al2O3inclusions 图3 （CaMgAl） xOy 复合态夹杂物 Fig．3 （CaMgAl） xOy complicated inclusions 图4 外面包有硫化物复合球形夹杂物．（a） 夹杂物形貌；（b） 中心部分能谱；（c） 外围部分能谱 Fig．4 Complicated globular inclusions enclosed by sulphides： （a） appearance of inclusions；（b） energy spectrum of the center；（c） energy spectrum of the periphery 2 实验室研究 2∙1 实验方法 本实验选用某特殊钢厂生产的轴承钢轧制样 设计了不同成分的炉渣在10kg 感应炉中进行熔 炼探索轴承钢中 D 类夹杂物形成规律及影响条 件重点考虑炉钢中 Al、Ca、Mg 含量对轴承钢中夹 杂物的影响Al 含量以金属纯铝加入钢液的形式调 整Ca 含量以添加硅钙合金来控制Mg 含量则是冶 炼过程中主要由于 Al 还原 MgO 炉衬进入钢液而变 化．实验的炉渣成分设计范围为：w（CaO）＝50％～ 60％w（Al2O3）＝25％～35％w （MgO）＝5％～ 10％w（SiO2）＝8％～12％w（CaF2）＝0～15％． 实验用轧制好的●45mm 轴承钢每炉约7kg 配渣约500g将钢样和渣一起在中频感应炉中熔化 后加入适当的合金取渣样测温然后将钢水浇注 成小钢锭成型后在空气中冷却对取得的渣样和钢 样进行成分分析（钢样主要分析了酸溶 Al、全 Ca、全 Mg）并制备钢样进行宏微观组织观察和扫描电镜 观察［9］． 2∙2 实验结果与讨论 2∙2∙1 ［Al］含量的影响 钢样的分析结果表明不加铝的钢样微量成分 与初始样比较变化都不太大Al 的质量分数为 ·772· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第8期 缪新德等：轴承钢中钙铝酸盐夹杂物的形成及控制 .773. 0.01%左右，Mg的质量分数在0.0005%左右，Ca A 的质量分数为0.0005%以下；加铝后由于加铝量的 不同，A1的质量分数为0.1%~0.4%，Mg的质量 分数为0.0042~0.0057%，Ca的质量分数为 0 0.0005%左右，从电镜扫描结果发现，感应炉重熔 但没有加A!的钢样中夹杂物的类型与实际生产情 Mo Ti Cr 2 况比较相似，其中发现了许多A1z03夹杂，如图5所 5 um 能量keV 示；加A1熔炼的钢中A1明显升高，都在0.1%~ 图7加CaF:钢中Mg0AlO3夹杂 0.4%,在钢中却没有找到单独Al203夹杂，而找到 Fig-7 MgO.Al2O3 inclusions in steel with CaF 一些Mg0Al203夹杂，并发现有大量的Mg0夹杂 存在，如图6所示；在这些钢中都没有找到钙铝 渣中Mg0成分对钢中Mg0·Al2O3夹杂的生成 酸盐 影响比较小.在渣系中Mg0含量最高的钢中，由于 酸溶Al不高，其中没有发现Mg0·A2O3和Mg0夹 杂；而在渣中MgO含量并不高的钢中，由于酸溶Al 比较高，能发现很多的MgO·Al2O3和Mg0夹杂 0 生成 2.2.3[Ca]含量的影响 4 未经钙处理的钢中，A1的质量分数为0.01%左 2um 能量keV 右，Mg的质量分数在0.0005%左右，Ca的质量分 数为0.0005%以下；经电镜观察，发现了许多Al203 图5低AM钢中ANO3夹杂 Fig-5 Al2Os inclusions in low-Al steel 单独存在，如图8所示，进行微量钙处理后，钢样A! 的质量分数在0.01%~0.08%左右，Mg的质量分 Mg 数在0.0005%以下，Ca的质量分数在0.0018%~ 0.0037%;发现钢中只存在大量规则的球形 xCa0yAl203,如图9所示 0 s Ca Cr Fe 4 10μm 能量keV 0 图6高A1钢中MgO夹杂 Fig-6 MgO inclusions in high-Al steel A!的加入量对夹杂物有很大的影响，控制着夹 2um 能量keV 杂物性质的变化：当钢中A!比较低时（质量分数为 0.01%左右)，能找到许多Al203夹杂；当A比较高 图8非钙处理钢中A山2O2夹杂 时(0.1%0.4%)，A1能够和Mg0炉衬反应，置 Fig.8 Al:Os inclusions in noncalcium treatment steel 换出其中的Mg进入钢液，钢液凝固后就形成 Mg0·AlzO3和Mg0夹杂；同时钢中过高的Mg含量 抑制了xCa0yAl203的生成 2.2.2渣中CaF2和Mg0的影响 渣中各成分中，CaF2对夹杂物的形成作用也比 较大，无论在铝含量高或者低的时候，加入CF2都 生成了许多Mg0·Al2O3夹杂；这有可能是CaFz 能量keV 能侵蚀炉衬，使Mg0入钢液中，从而有利于 图9钙处理钢中xCa0yAzO3夹杂 Mg0A203夹杂的生成，如图7所示. Fig.9 xCaOyAl2Os inclusions in calcium treatment steel
0∙01％左右Mg 的质量分数在0∙0005％左右Ca 的质量分数为0∙0005％以下；加铝后由于加铝量的 不同Al 的质量分数为0∙1％～0∙4％Mg 的质量 分数 为 0∙0042～0∙0057％Ca 的 质 量 分 数 为 0∙0005％左右．从电镜扫描结果发现感应炉重熔 但没有加 Al 的钢样中夹杂物的类型与实际生产情 况比较相似其中发现了许多 Al2O3 夹杂如图5所 示；加 Al 熔炼的钢中 Al 明显升高都在0∙1％～ 0∙4％在钢中却没有找到单独 Al2O3 夹杂而找到 一些 MgO·Al2O3 夹杂并发现有大量的 MgO 夹杂 存在如图6所示；在这些钢中都没有找到钙铝 酸盐． 图5 低 Al 钢中 Al2O3 夹杂 Fig．5 Al2O3inclusions in low-Al steel 图6 高 Al 钢中 MgO 夹杂 Fig．6 MgO inclusions in high-Al steel Al 的加入量对夹杂物有很大的影响控制着夹 杂物性质的变化：当钢中 Al 比较低时（质量分数为 0∙01％左右）能找到许多 Al2O3 夹杂；当 Al 比较高 时（0∙1％～0∙4％）Al 能够和 MgO 炉衬反应置 换出其中 的 Mg 进 入 钢 液钢 液 凝 固 后 就 形 成 MgO·Al2O3和 MgO 夹杂；同时钢中过高的 Mg 含量 抑制了 xCaO·yAl2O3 的生成． 2∙2∙2 渣中 CaF2 和 MgO 的影响 渣中各成分中CaF2 对夹杂物的形成作用也比 较大．无论在铝含量高或者低的时候加入 CaF2 都 生成了许多 MgO·Al2O3 夹杂；这有可能是 CaF2 能侵蚀炉 衬使 MgO 入 钢 液 中从 而 有 利 于 MgO·Al2O3夹杂的生成如图7所示． 图7 加 CaF2 钢中 MgO·Al2O3 夹杂 Fig．7 MgO·Al2O3inclusions in steel with CaF2 渣中 MgO 成分对钢中 MgO·Al2O3 夹杂的生成 影响比较小．在渣系中 MgO 含量最高的钢中由于 酸溶 Al 不高其中没有发现 MgO·Al2O3 和 MgO 夹 杂；而在渣中 MgO 含量并不高的钢中由于酸溶 Al 比较高能发现很多的 MgO·Al2O3 和 MgO 夹杂 生成． 2∙2∙3 ［Ca］含量的影响 未经钙处理的钢中Al 的质量分数为0∙01％左 右Mg 的质量分数在0∙0005％左右Ca 的质量分 数为0∙0005％以下；经电镜观察发现了许多 Al2O3 单独存在如图8所示．进行微量钙处理后钢样 Al 的质量分数在0∙01％～0∙08％左右Mg 的质量分 数在0∙0005％以下Ca 的质量分数在0∙0018％～ 0∙0037％；发 现 钢 中 只 存 在 大 量 规 则 的 球 形 xCaO·yAl2O3如图9所示． 图8 非钙处理钢中 Al2O3 夹杂 Fig．8 Al2O3inclusions in non-calcium treatment steel 图9 钙处理钢中 xCaO·yAl2O3 夹杂 Fig．9 xCaO·yAl2O3inclusions in calcium treatment steel 第8期 缪新德等： 轴承钢中钙铝酸盐夹杂物的形成及控制 ·773·
.774 北京科技大学学报 第29卷 钙对夹杂物变性作用非常明显，高Ca含量的 炉分别取LF前、LF炉毕，以及VD后钢样渣样各 轴承钢，其夹杂物都变性为球形钙铝酸盐夹杂，没有 一个，微合金处理的两炉要在真空处理前、后取样. 生成Mg0·Al2O3,这说明Mg、Ca有一定的牵制作 试验后取钢样渣样进行化学成分分析，并制备电镜 用；当Mg占优势的时候，能大量生成Mg0·Al203, 样进行夹杂物形貌观察和能谱分析8]. 反之则大量生成钙铝酸盐夹杂 3.2试验结果与讨论 通过实验发现，钢中Al、Ca和Mg含量对D类 从成分分析结果可以看出，采用第1种方案，炉 夹杂物的影响比较重要，因此控制D类夹杂，要从 渣碱度明显提高，渣中A203含量也提高，而钢中 控制钢中Al、Ca和Mg含量入手.研究表明，随着 钙、镁的质量分数为10-数量级，改变不大；采用第 钢中A1含量的增加，Mg含量增加，并且在高碱度2种方案，渣中Mg0含量不高，但钢中的钙含量不 渣(w(Ca0)/w(Si0z)≥3)条件下，钢中Mg含量增 均匀；采用第3种方案，炉渣碱度提高，渣中Mg0含 加的趋势更加明显，从而导致轴承钢中Mg0·Al203 量变化不大，但钢中钙、镁含量明显提高， 形成的可能性提高，同样，随着钢中酸溶A1的增 为了进一步验证钢中氧化物夹杂的种类、形貌 加，Ca含量也增加，尤其是在高碱度条件下影响更 和大小分布情况，本研究采用$EM进行观察，并结 加显著，在钢中低Mg的情况下，就会生成球状的 合能谱分析，发现第1种及第2种方案，轴承钢夹杂 xCa0yAl2O3夹杂物 物中仍存在较多Mg0·Al203、钙铝酸盐及其复合态 实验还表明，钙铝酸盐与Mg0Al03的生成有 脆性不变形夹杂，大多呈现为规则的球形，大小在 定的相关联系，根据反应： 3~10m左右（见图10~12），说明这两种实验方 [Ca]+Mgo.Al203()=CaOAl203(+[Mg], 案对降低轴承钢中D类夹杂物的作用不大，而采用 △Ge=43807-53.33 T J'moli-1(1) 第3种方案（见图12），在提高炉渣碱度的同时增加 炉渣的流动性和吸附性能，使钢中的大颗粒D类夹 据炉渣结构的共存理论]和热力学平衡，推导 杂物减少，主要钢中生成以较细小的镁铝尖晶石为 了炉渣成分对轴承钢中Ca、Mg含量影响的理论模 主、(Ca,Mg,Al),0,复合夹杂共存的D类夹杂物， 型，得出1773K时： 轴承钢质量有较明显的提高 lg[%Ca]/[%Mg]= Ig Nca0Al,0一lgNg0Al,0十0.57 (2) 式中，Nca0L,0,和NMg0AL,0,为组元Ca0·Al03、 Mg0Al2O3的作用浓度[3]. 0 可见：在高碱度条件下，钙铝酸盐与Mg0·Al203 很容易相互转换，当[%Ca]较高时，就会生成钙铝 2 能量eV 酸盐，当[%Mg]较高时就会生成Mg0·Alz03,其中 Ca、Mg之间的精确关系有待于进一步深入研究.因 图10第1种方案典型(Ca,g,A)0,复合夹杂物 此，在实际生产中要充分优化地控制钢中Ca、Mg和 Fig-10 Typical (Ca.Mg,Al)O,complicated inclusions in the A含量，达到D类夹杂物的最低化山. first project 3工厂试验研究 3.1试验方法 在保证原基本工艺不变的前提下，强调工艺、炉 渣成分和钢中铝含量稳定.分为三种试验方案：一 是在LF炉完成精炼后，在渣面添加复合改渣剂1 0 (金属脱氧剂和氧化物)，化渣后，进入VD:二是VD 后微合金处理（喂入少量复合合金添加剂）；三是在 5 um 能量keV LF炉完成精炼后，添加复合添渣剂2，化渣后，进入 VD. 图11第2种方案典型钙铝酸盐夹杂物 每个方案试验一个浇次(7炉)，取2炉试样.每 Fig-11 Typical calcium-aluminates inclusions in the second project
钙对夹杂物变性作用非常明显．高 Ca 含量的 轴承钢其夹杂物都变性为球形钙铝酸盐夹杂没有 生成 MgO·Al2O3这说明 Mg、Ca 有一定的牵制作 用；当 Mg 占优势的时候能大量生成 MgO·Al2O3 反之则大量生成钙铝酸盐夹杂． 通过实验发现钢中 Al、Ca 和 Mg 含量对 D 类 夹杂物的影响比较重要因此控制 D 类夹杂要从 控制钢中 Al、Ca 和 Mg 含量入手．研究表明随着 钢中 Al 含量的增加Mg 含量增加并且在高碱度 渣（ w（CaO）／w（SiO2）≥3）条件下钢中 Mg 含量增 加的趋势更加明显从而导致轴承钢中 MgO·Al2O3 形成的可能性提高．同样随着钢中酸溶 Al 的增 加Ca 含量也增加尤其是在高碱度条件下影响更 加显著在钢中低 Mg 的情况下就会生成球状的 xCaO·yAl2O3 夹杂物． 实验还表明钙铝酸盐与 MgO·Al2O3 的生成有 一定的相关联系根据反应： ［Ca］＋MgO·Al2O3（s）＝CaO·Al2O3（s）＋［Mg］ ΔG ○—＝43807—53∙33T J·mol —1 （1） 据炉渣结构的共存理论［2］和热力学平衡推导 了炉渣成分对轴承钢中 Ca、Mg 含量影响的理论模 型得出1773K 时： lg［％Ca］／［％Mg］＝ lg NCaO·Al2 O3—lg NMgO·Al2 O3＋0∙57 （2） 式中NCaO·Al2 O3 和 NMgO·Al2 O3 为组元 CaO·Al2O3、 MgO·Al2O3 的作用浓度［3］． 可见：在高碱度条件下钙铝酸盐与MgO·Al2O3 很容易相互转换．当［％Ca ］较高时就会生成钙铝 酸盐当［％Mg］较高时就会生成 MgO·Al2O3其中 Ca、Mg 之间的精确关系有待于进一步深入研究．因 此在实际生产中要充分优化地控制钢中 Ca、Mg 和 Al 含量达到 D 类夹杂物的最低化［11］． 3 工厂试验研究 3∙1 试验方法 在保证原基本工艺不变的前提下强调工艺、炉 渣成分和钢中铝含量稳定．分为三种试验方案：一 是在 LF 炉完成精炼后在渣面添加复合改渣剂1 （金属脱氧剂和氧化物）化渣后进入 VD；二是 VD 后微合金处理（喂入少量复合合金添加剂）；三是在 LF 炉完成精炼后添加复合添渣剂2化渣后进入 VD． 每个方案试验一个浇次（7炉）取2炉试样．每 炉分别取 LF 前、LF 炉毕以及 VD 后钢样渣样各 一个微合金处理的两炉要在真空处理前、后取样． 试验后取钢样渣样进行化学成分分析并制备电镜 样进行夹杂物形貌观察和能谱分析［8］． 3∙2 试验结果与讨论 从成分分析结果可以看出采用第1种方案炉 渣碱度明显提高渣中 Al2O3 含量也提高而钢中 钙、镁的质量分数为10—6数量级改变不大；采用第 2种方案渣中 MgO 含量不高但钢中的钙含量不 均匀；采用第3种方案炉渣碱度提高渣中 MgO 含 量变化不大但钢中钙、镁含量明显提高． 为了进一步验证钢中氧化物夹杂的种类、形貌 和大小分布情况本研究采用 SEM 进行观察并结 合能谱分析发现第1种及第2种方案轴承钢夹杂 物中仍存在较多 MgO·Al2O3、钙铝酸盐及其复合态 脆性不变形夹杂大多呈现为规则的球形大小在 3～10μm 左右（见图10～12）．说明这两种实验方 案对降低轴承钢中 D 类夹杂物的作用不大．而采用 第3种方案（见图12）在提高炉渣碱度的同时增加 炉渣的流动性和吸附性能使钢中的大颗粒 D 类夹 杂物减少主要钢中生成以较细小的镁铝尖晶石为 主、（CaMgAl）xOy 复合夹杂共存的 D 类夹杂物 轴承钢质量有较明显的提高． 图10 第1种方案典型（CaMgAl） xOy 复合夹杂物 Fig．10 Typical （CaMgAl） xOy complicated inclusions in the first project 图11 第2种方案典型钙铝酸盐夹杂物 Fig．11 Typical calcium-aluminates inclusions in the second project ·774· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第8期 缪新德等：轴承钢中钙铝酸盐夹杂物的形成及控制 .775. 散，有关其形成和控制机理需要进一步深入研究， A (4)通过控制VD炉炉渣的综合性能，增加钢 中夹杂物的吸附作用，能够有效地降低钢中大颗粒 夹杂物，且对钢中D类夹杂物有较好的改善作用. 参考文献 5 um 能量keV [1】杨念祖，朱良.轴承钢钙处理时点状夹杂物生成及转变的热力 学分析.钢铁，1988,2(3)：41 图12第3种方案典型镁铝尖晶石夹杂 [2]王忠英，韩建淮，王重海.CCl5轴承钢治炼工艺分析和讨论. Fig-12 Typical MgO-Al2Os spinel inclusions in the third project 特殊钢，2003,24(1)：33 [3]张鉴，成国光，王力军，等.治金熔体的计算热力学.北京：治 4结论 金工业出版社，1998.360 [4]潘辉，张婕，从玉伟，等.炉渣精炼技术的应用研究∥冶金研 (1)国内某特钢厂实际生产的轴承钢中D类夹 究.北京：治金工业出版社，2005：281 杂大致可分为4种：独立钙铝酸盐夹杂物，独立 [5]Seo J D,Kim S H.Thermodynamic assessment of Mg deoxida- Mg0Al203夹杂物，(Ca,Mg,Al)x0,复合态夹杂 tion reaction of liquid iron and equilibria of [MgAlO]and 物，外面包有硫化物的复合夹杂物：其中独立 [Mg{[SHo]Steel Res,2000,71(4):101 Mg0·AzO3夹杂物在钢中含量最多. [6]于平，陈伟庆，冯军，等，高碱度渣精炼的轴承钢中夹杂物研 究钢铁，2004,7.41 (2)A1含量对钢中夹杂物的生成有很大影响， [7]于春梅，缪新德，石超民，等.轴承钢中镁铝尖晶石夹杂物行为 在Mg0炉衬条件下，当有足够多的A1时，可使钢中 研究.北京科技大学学报，2005,27（增刊）：37 形成Mg0·A1203,甚至生成Mg0. [8]于春梅，轴承钢中镁铝尖晶石的形成机理和控制工艺[学位论 (③)Mg的存在可以抑制钙铝酸盐的生成：同时 文】北京：北京科技大学，2006 在含钙较高时，也能抑制Mg0·Al2O3的生成，在 [9]石超民.轴承钢中钙铝酸盐夹杂形成及其控制工艺[学位论 文]北京：北京科技大学，2006 Mg、Ca含量都低的情况下，容易生成Al2O3夹杂 [10]Ohta H.Suito H.Activities of SiOz and Al2Os and activity coef- 因此要控制适当的Mg、Ca、Al,使轴承钢中Al2O3、 ficients of Feto and Mno in Cao-Si02-Al203-Mgo slags. Mg0·A203、xCa0·yAl203夹杂总量较少细小而分 Metall Mater Trans B.1998.29B:119 Formation and controlling of calcium aluminates inclusions in bearing steel MIAO Xinde),YU Chunmei,SHI Chaomin,DU Jianfeng).ZHU Huigang),CHENG Guoguang） 1)Metallurgical and Ecological Engineering School,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Xingcheng Special Steel Co.,Jiangyin 214429.China ABSTRACI The formation and transformation of non metallic globular inclusions (Type-D inclusions)in bear- ing steel production were studied.There were different kinds of Type-D inclusions in the commercial specimens of bearing steel from SEM inspection.Al content had important effect on the inclusion formation in the experi- ment of an induction furnace.A great amount of MgO.Al2O3 formed with high Al deoxidation in MgO crucible melting.With high content of Ca,the inclusions of MgO.Al2O3 spinel will become calcium-aluminates entirely. The results show that the contents of Ca,Mg and Al in liquid steel have important effect on the formation of D- type inclusions.It is tested in the experiment of bearing steel production that Type-D inclusions can be improved by specific slag modification and composition optimization. KEY WORDS bearing steel:inclusion;calcium-aluminates;basicity
图12 第3种方案典型镁铝尖晶石夹杂 Fig．12 Typical MgO·Al2O3spinel inclusions in the third project 4 结论 （1） 国内某特钢厂实际生产的轴承钢中 D 类夹 杂大致可分为4种：独立钙铝酸盐夹杂物独立 MgO·Al2O3 夹杂物（CaMgAl）xOy 复合态夹杂 物外 面 包 有 硫 化 物 的 复 合 夹 杂 物；其 中 独 立 MgO·Al2O3夹杂物在钢中含量最多． （2） Al 含量对钢中夹杂物的生成有很大影响． 在 MgO 炉衬条件下当有足够多的 Al 时可使钢中 形成 MgO·Al2O3甚至生成 MgO． （3） Mg 的存在可以抑制钙铝酸盐的生成；同时 在含钙较高时也能抑制 MgO·Al2O3 的生成．在 Mg、Ca 含量都低的情况下容易生成 Al2O3 夹杂． 因此要控制适当的 Mg、Ca、Al使轴承钢中 Al2O3、 MgO·Al2O3、xCaO·yAl2O3 夹杂总量较少细小而分 散．有关其形成和控制机理需要进一步深入研究． （4） 通过控制 VD 炉炉渣的综合性能增加钢 中夹杂物的吸附作用能够有效地降低钢中大颗粒 夹杂物且对钢中 D 类夹杂物有较好的改善作用． 参 考 文 献 ［1］ 杨念祖朱良．轴承钢钙处理时点状夹杂物生成及转变的热力 学分析．钢铁19882（3）：41 ［2］ 王忠英韩建淮王重海．CCr15轴承钢冶炼工艺分析和讨论． 特殊钢200324（1）：33 ［3］ 张鉴成国光王力军等．冶金熔体的计算热力学．北京：冶 金工业出版社1998：360 ［4］ 潘辉张婕从玉伟等．炉渣精炼技术的应用研究∥冶金研 究．北京：冶金工业出版社2005：281 ［5］ Seo J DKim S H．Thermodynamic assessment of Mg deoxidation reaction of liquid iron and equilibria of ［Mg］—［Al］—［O］ and ［Mg］—［S ］—［O］．Steel Res200071（4）：101 ［6］ 于平陈伟庆冯军等．高碱度渣精炼的轴承钢中夹杂物研 究．钢铁20047：41 ［7］ 于春梅缪新德石超民等．轴承钢中镁铝尖晶石夹杂物行为 研究．北京科技大学学报200527（增刊）：37 ［8］ 于春梅．轴承钢中镁铝尖晶石的形成机理和控制工艺［学位论 文］．北京：北京科技大学2006 ［9］ 石超民．轴承钢中钙铝酸盐夹杂形成及其控制工艺 ［学位论 文］．北京：北京科技大学2006 ［10］ Ohta HSuito H．Activities of SiO2and Al2O3and activity coefficients of FetO and MnO in CaO—SiO2—Al2O3—MgO slags． Metall Mater Trans B199829B：119 Formation and controlling of calcium-aluminates inclusions in bearing steel MIAO Xinde 12） Y U Chunmei 1） SHI Chaomin 1） DU Jianfeng 12） ZHU Huigang 12） CHENG Guoguang 1） 1） Metallurgical and Ecological Engineering SchoolUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Xingcheng Special Steel Co．Jiangyin214429China ABSTRACT The formation and transformation of non-metallic globular inclusions （Type-D inclusions） in bearing steel production were studied．There were different kinds of Type-D inclusions in the commercial specimens of bearing steel from SEM inspection．Al content had important effect on the inclusion formation in the experiment of an induction furnace．A great amount of MgO·Al2O3formed with high Al deoxidation in MgO crucible melting．With high content of Cathe inclusions of MgO·Al2O3spinel will become calcium-aluminates entirely． The results show that the contents of CaMg and Al in liquid steel have important effect on the formation of Dtype inclusions．It is tested in the experiment of bearing steel production that Type-D inclusions can be improved by specific slag modification and composition optimization． KEY WORDS bearing steel；inclusion；calcium-aluminates；basicity 第8期 缪新德等： 轴承钢中钙铝酸盐夹杂物的形成及控制 ·775·