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转炉冶炼轴承钢过程中钛的行为热力学分析研究

宋明娟，孙斌煜，徐绍明

（太原科技大学，山西 太原 030024）

摘 要：对转炉流程冶炼轴承钢的生产工艺进行理论分析。以热力学基本原理为基础，计算分析了转炉冶炼轴承钢的各个环节中钛的行为，并建立了钛行为的数学模型。

关 键 词：转炉；轴承钢；钛含量；热力学分析

轴承钢是专用钢中质量要求非常苛刻的钢种。轴承钢的用途和工作条件决定了高质量轴承钢必须具有高洁净度，而影响轴承钢洁净度的关键因素是钢中氧化物夹杂和氮化物夹杂。轴承钢的冶炼实践表明，降低钢液中的氧含量与钛含量是保证轴承钢洁净度的重点和难点。

随着轴承钢中氧含量的不断降低，氧化物夹杂对轴承钢质量的影响程度降低，可见氮化物夹杂对轴承钢质量的影响变得相对突出。轴承钢中的氮化物以TiN和Ti（CN）为主，它们是一种硬度很高的不变形夹杂物，在交变应力的作用下会造成应力集中而损坏轴承钢，严重影响轴承钢的工作寿命。当w（Ti）≥30×10-6时，钛含量对轴承钢的寿命影响巨大［1］。

1 转炉流程冶炼轴承钢的生产工艺特点

传统工艺利用电弧炉生产轴承钢，由于原料为废钢铁料和部分铁水，入炉原材料常带入较多的杂质元素，钢的洁净度较难达标，质量往往不能满足高寿命的使用。目前，国内外逐渐探索出了转炉冶炼轴承钢的工艺流程，即，高炉—转炉—LF—RH/VD—连铸—轧钢，取得了较好的效果。

由于转炉流程生产节奏快，精炼脱硫的时间相对较少，为减轻 LF 炉脱硫的负担，必须控制入炉铁水具有较低的硫含量。转炉终点采用高拉碳法，并严格控制出钢下渣量，保证下渣量小于 5 kg/t 钢。在出钢过程中向钢包内依次投入脱氧剂和合金料进行脱氧及合金化。脱氧剂以先强后弱的顺序被加入，以保证硅、锰等元素的收得率。轴承钢精炼脱氧的工艺路线是：出钢过程应采用硅、锰、碳弱脱氧工艺；精炼过程采用炉渣强化铝脱氧工艺。

LF 炉的功能是炉内还原性气氛，底吹氩气搅拌，大气压下石墨电极埋弧加热，高碱度合成渣精炼，微调合金成分。LF 炉一般工作时间在 45~50 min左右，精炼轴承钢的渣系一般为 CaO- SiO2- CaF2系，精炼渣要在保持w（FeO+MnO）低于10％的前提下提高碱度，以保证较低的氧势、硫的有效脱除和夹杂的吸附去除。

RH真空精炼系统，通过钢水循环，达到均匀成分、脱气、脱氮、脱氢及深度脱氧的效果。RH脱氮效果可以达到 50％，脱氧效果可达60％。

由于轴承钢碳含量与铬含量高，连铸过程需增强电磁搅拌，提高铸坯的截面积，并且全程进行吹氩等保护浇注措施，以减弱连铸过程中的二次氧化［2~3］。2钢中钛的来源及冶炼各工序钢中钛含量的变化钛元素是影响高碳铬轴承钢质量的有害元素，它与溶解于钢中的氮形成氮化物夹杂，严重影响轴承钢的疲劳寿命。

控制钛含量是目前转炉流程冶炼轴承钢的主要难点之一。终钢钛含量包括三个方面：一是转炉终点钢水残留的钛含量；二是在钢包脱氧及铬的合金化时直接进入钢液的钛含量；三是精炼过程渣中还原进入钢液的钛的氧化物。

下页表1给出了转炉流程生产轴承钢11炉次钢水钛含量来源的统计结果［4］。大量的数据统计及实验分析表明钢中钛的来源主要有两个方面：一是轴承钢常用合金料带入钢液中的钛；二是精炼过程中，在钢液中氧含量较低的条件下，渣中被还原进入钢液的钛的氧化物。轴承钢常用合金料中钛含量如下页表2所示。以典型的轴承钢GCr15为例，其在不同的冶炼阶段钢液中 Ti 含量的变化趋势［5］

如下页图1所示。

由图1可知：

1）转炉吹炼终点钢液中的钛含量最低。

2）从转炉出钢到 LF 进站之前，钢液通常会先后经历钢包内脱氧合金化与吹氩处理，转炉出钢下渣后部分钛的氧化物随少量残留渣进入后续系统，另外脱氧剂及合金料所含钛含量直接进入钢液。二者导致系统中钛含量增加，吹氩搅拌作用有利于钢液中夹杂上浮而进入渣中，因此此阶段钢液中钛含量的增加主要来自脱氧剂与合金料中直接进入钢液的钛含量。

3）由于 LF 精炼过程强化脱氧，钢液氧含量不断降低，精炼系统中的还原性不断增强，使得精炼渣中钛的氧化物被大量还原进入钢液，因此此阶段钢液中钛含量剧增。

4）在后续的精炼过程中，随着钢液脱氧的继续进行，渣中钛被逐步还原进入钢中。但由于受系统总钛含量的限制，此阶段增钛不明显。

因此，在冶炼过程中控制轴承钢中钛含量的关键环节是从转炉终点到 LF 终点这一阶段。

3 冶炼过程中钛的热力学行为

3.1 钛在钢液中的热力学行为

钛是一种较强的脱氧剂，由炼钢辅助材料带入的钛在转炉冶炼过程中氧化进入渣中。钢液中的钛氧平衡反应［6］如下所示：

由式（6）可知，在平衡条件下，钢液中的钛含量与氧含量的平方成负相关，而且钛含量随氧含量的变化很敏感。

当钢中氧含量相对较高时，钢液中的钛能被最大程度地氧化进入渣层。因此，在冶炼过程中，加强控制转炉出钢下渣量，可以尽量降低由残余炉渣带入后续工艺过程中的钛含量。

3.2钛的氧化物被还原的热力学行为

研究认为，精炼过程钛化合物的钢渣反应［7，8］有：

上述三个反应在冶金温度为1800 K 时，ΔG均小于0，均能自发反应。在LF精炼过程中，渣中存在TiO2，在石墨电极化渣过程中钢-渣-气间还发生如下反应：

由于Ti3O5是大离子半径的原子团，一旦生成，则难以分散，在渣 - 金界面阻碍氧的传质，间接保钛，并影响其他精炼效果。轴承钢通常采用铝强化脱氧。对于铝脱氧的轴承钢，用钢液中的酸溶铝含量来确定钢液中的钛含量。在精炼过程中，渣中钛的氧化物在钢液和炉渣氧含量较低的情况下，被冶炼终点铝脱氧时钢液中保有的酸溶铝还原。钢中铝、钛、氧结合的平衡反应［8，9］如下：

由式（19）可知，影响精炼过程中钢液钛含量的因素主要是[%Al]s与M值。钢液中酸溶铝含量升高，则钢中钛含量升高，因此实际生产中应控制钢中的酸溶铝含量。但从脱氧的角度来说，降低钢水酸溶铝含量不利于钢液中氧含量的控制。因此需在各个冶炼过程始末将钢中酸溶铝含量控制在适当的水平。

若要保证较低的钛含量，需使M值尽可能大，即保证炉渣中较高的氧化铝含量和较低的氧化钛含量。这表明炉渣中Al2O3含量对TiO2的还原有一定的抑制作用。另外，TiO2在强碱性渣中呈酸性。由此可知，保持精炼渣较低的碱度，有利于抑制TiO2的还原。

3.3 轴承钢中Ti含量在析出过程中的热力学行为

有研究表明，当钢中钛含量较低时，主要形成氮化钛［10］。

其热力学生成条件如下：

钢液中其他元素相对 Fe 来说含量很少，为简化讨论，忽略钢中其他元素对Ti和N的活度相互作用系数的影响，则式（24）可简化为：

由式（24）可以计算出在炼钢和浇注过程中析出氮化钛夹杂物所需要的最低氮含量和钛含量。当钢中w（Ti）为 0.005％的情况下，1600 ℃时析出 TiN需要的最低w（N）为0.448％，1500 ℃时需要w（N）为0.226％，在轴承钢液相线温度1460 ℃时需要w（N）为0.143％，远高于实际生产时钢中的氮含量。冶炼温度均在在轴承钢的液相线温度（1450 ℃）以上，所以在冶炼过程中轴承钢中不可能生成 TiN。

4 结论

1）转炉流程冶炼轴承钢过程中有害元素钛的含量在各个工序中不断增加。

2）炼钢辅助材料带入的钛在转炉冶炼过程中氧化进入渣中，随着精炼脱氧的进行，钢中氧含量较低时，钛含量升高。

3）影响钢中精炼过程中钛含量的主要因素是钢中酸溶铝含量和炉渣碱度。控制钢液中的酸溶铝含量，保证较低的熔渣碱度，有利于抑制钛的氧化物的还原。

4）冶炼过程中轴承钢中不可能生成 TiN，最终钢液中钛含量主要以氮化钛的形式析出，形成氮化物夹杂。

参 考 文 献

［1］   张慧峰，张纬，王坤，等.转炉生产轴承钢中钛含量的控制［J］.特钢技术，2009（3）：15- 17.

［2］   王治钧，袁守谦，姚成功.轴承钢冶炼工艺的对比与浅析［J］.金属材料与冶金工程，2011（6）：59- 61.

［3］   刘颖，赵瑞华，席军良.转炉冶炼低钛轴承钢的生产实践［J］.河北冶金，2011（5）：10.

［4］   吴伟，刘浏，刘跃，等.转炉冶炼轴承钢钢中钛的热力学行为的研究［G］.中国特殊钢年会 2005 论文集，2005：82.

［5］   吴巍，吴伟，刘浏，等.转炉冶炼轴承钢 GCrl5 的生产工艺研究［G］.2006 中国金属学会青年学术年会论文集，2006（12）：185.

［6］   龚伟，姜周华，战东平，等.轴承钢中镁的行为热力学分析［J］.过程工程报，2009（6）：118.

［7］   郑少波，洪新，徐建伦.高碳轴承钢 Ti 含量的控制［G］.中国特殊钢年会 2005 论文集，2005：145- 147.

［8］   李京社，李涛，阮小江，等.兴澄特钢 GCrl5 轴承钢中 TiN析出与控制［G］.2009 特钢年会论文集，2009（9）：139.

［9］   李小明，石磊，薛正良.GCr15 轴承钢中 Ti 含量的控制［J］.炼钢，2011（4）：30- 32.

［10］   战东平，姜周华，龚伟，等.轴承钢中氮化钛的生成与控制［J］.过程工程报，2009（6）：238- 240.