劉玉峰¹，白東坤¹，李斌²

（1.內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司棒材廠，內蒙古包頭 014010；2.內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司技術中心，內蒙古包頭 014010）

　　摘　要：介紹了包鋼采用Φ180mm連鑄圓坯在棒材生產線試制GCr15軸承圓鋼的生產工藝，闡述了從煉鋼工序到軋制工序的質量控制關鍵因素。生產實踐表明，在包鋼現有設備及工藝條件下，軸承鋼產品的質量指標均滿足相關標準要求。

　　關鍵詞：Φ180mm連鑄圓坯；GCr15軸承鋼；質量控制

　　滾動軸承必須具備高的疲勞壽命、良好的耐磨性能、高且均勻的硬度、適宜的沖擊韌性，一定的耐大氣和油脂腐蝕能力，能夠承受長期交變載荷。因此，軸承鋼也是特殊鋼中質量要求較高的鋼種之一^[1]。近年來，中國軸承市場逐漸看好，行業發展較快，從而帶動軸承鋼的需求量逐漸增加。軸承鋼市場的特點就是總體用量大且穩定。目前國內的年需求量大約為300萬t，其中GCr15占85%，GCr15SiMn占10%，其它如滲碳軸承鋼等占5%。軸承鋼的冶煉方法，從20世紀30—40年代傳統的酸性平爐、堿性平爐、堿性電弧爐冶煉，發展到今天的綜合爐外精煉工藝（LF+RH、LF+VD、SKF－MR法等）。生產工藝歸納起來有3種：一是電爐流程，即電爐—二次精煉—連鑄或模鑄—軋制；二是轉爐流程，即高爐—鐵水預處理—轉爐—二次精煉—連鑄—軋制；三是特種冶金，即真空感應熔煉（VIM）、電渣重熔（ESR）—軋制或鍛造^[2]。包鋼2009年開展了軸承鋼的試制工作，相繼開發了連鑄大方坯二火成材、連鑄圓坯直接軋制等工藝路線，均獲得了成功。文章介紹了采用連鑄圓坯軋制GCrl5軸承鋼的生產控制及產品質量等。

　　1　包鋼軸承鋼生產工藝路線的確定

　　根據目前的裝備現狀，棒材廠軸承鋼的生產可以選擇以下3種工藝路線：

　　工藝路線Ⅰ：轉爐—LF爐—VD—大方坯連鑄—軌梁開坯152mm方坯—棒材廠軋制（直徑不超過100mm）。

　　工藝路線Ⅱ：轉爐—LF爐—VD—大方坯連鑄—特鋼分公司開坯152mm方坯—棒材廠軋制（直徑小于100mm）。

　　工藝路線Ⅲ：轉爐—LF爐—VD—Φ180mm連鑄圓坯—棒材廠軋制（直徑不超過100mm）工藝路線Ⅰ和Ⅱ都是走二火成材的工藝路線，噸鋼成本將增加270元/t。工藝路線Ⅲ可以實現一火成材，通過對棒材廠現有軋機裝備能力核算，重新設計粗軋孔型系統，可以實現Φ180mm圓坯的軋制。因此，棒材廠軸承圓鋼軋制采用一火成材的工藝路線Ⅲ。

　　2　GCr15軸承鋼冶煉過程質量控制

　　2.1轉爐冶煉

　　采用120t復吹轉爐生產GCrl5軸承鋼，為降低鋼中初始氧含量，轉爐終點采用高拉碳，將轉爐終點鋼中碳含量控制在0.1%以上。為減少出鋼過程下渣，出鋼時在出鋼口進行擋渣。在出鋼過程中全程吹Ar，并加入適量小粒白灰以利于精煉爐的造渣操作。

　　2.2LF爐外精煉

　　在精煉工序主要采取了優化精煉渣系、控制合適的鋁含量及精煉結束的軟吹時間等措施，精煉過程中全程吹氬，以保證LF爐的精煉效果和生產節奏。

　　2.3VD真空脫氣處理

　　LF鋼包爐完成造渣、成分和溫度的調整后，將鋼包運送到VD工位。冶煉軸承鋼時，采用較弱的吹氬模式，在保證鋼液面不裸露前提下，將軟吹時間控制在10min以上，這樣可使鋼液和爐渣充分均勻化和反應，使鋼中的夾雜物充分上浮并被爐渣吸收。有利于脫氧、脫硫、去除非金屬夾雜物，均勻鋼液成分及溫度。

　　2.4連鑄控制

　　軸承鋼的w［O］要求嚴格，GB/T18254—2002^[3]中要求連鑄鋼中w［O］≤12×10^-6，因此，生產軸承鋼時采用全程保護澆注，鋼包到中間包采用長水口，并進行吹氬保護，中間包到結晶器采用浸入式水口，中間包和結晶器分別采用中包覆蓋劑和結晶器保護渣，減少了連鑄過程中的二次氧化，并使鋼中夾雜物得到充分的上浮和吸收。為有效控制鋼的低倍質量，加強了連鑄中包過熱度的控制，要求過熱度控制在30℃以內。VD后的鋼水經五機五流圓坯連鑄機拉成Φ180mm連鑄坯，鑄坯拉速1.8～2.0m/min，采用結晶器電磁攪拌，使用軸承鋼專用保護渣。

　　2.5氣體及夾雜物控制

　　2.5.1w［H］的控制

　　氫為間隙元素，對軸承鋼有害無益，鋼中較多的氫在鋼材上會產生白點及氫脆，且分布極不均勻。白點破壞鋼體的連續性，惡化了鋼的物理特性，為此，采取以下措施：

　　（1）在高真空度下適當增大攪拌強度；

　　（2）提高裝備水平，增大真空設備的抽氣能力；

　　（3）采用M–EMS，電磁攪拌使鋼水旋轉，旋轉的鋼水使氣體集聚長大并上浮，鋼中氫含量也得到相應減少；

　　（4）鑄坯及軋后緩冷是避免由［H］引起白點的有效措施。

　　2.5.2w［O］的控制

　　氧化物夾雜是軸承鋼中非常具有危害性的，對疲勞破壞有顯著的影響。氧化物夾雜尺寸越大，引起的應力集中也越強。鋼中的w［O］越高，不僅造成氧化物夾雜數量增多，而且氧化物夾雜尺寸增大，偏析嚴重，夾雜級別增高，因而對疲勞壽命的危害也就加劇。因此，降低軸承鋼氧含量是各鋼廠共同追求的目標。

　　通過轉爐終點控制、轉爐出鋼下渣控制、轉爐出鋼采用鋁錳鐵終脫氧，鋁錳鐵加入量根據轉爐終點碳含量決定、精煉過程控制鋼中w［A1s］、控制爐渣堿度、VD弱吹氬的軟吹時間和連鑄保護澆注等工序采取的各項措施，氧含量控制在12×10^-6以下。

　　3　GCr15軸承鋼軋制過程質量控制

　　以試軋Φ60mm軸承鋼為例，闡述軸承圓鋼質量控制。

　　試軋軸承鋼化學成分見表1。

表1 試軋軸承鋼圓坯化學成分（質量分數） %

　　3.1原料驗收

　　鋼坯表面不得有目視可見的重迭、翻皮、結疤和夾雜缺陷，不得有深度或高度大于2mm的劃痕、壓痕、擦傷、氣孔、皺紋、冷濺、凸塊和凹坑等缺陷。

　　3.2加熱制度

　　碳化物不均勻性一直以來都是軸承鋼控制的難題，其組織是馬氏體基體上分布著過剩的碳化物。由于區域偏析和枝晶偏析而造成的碳化物的不均勻，對軸承鋼的質量造成極大的危害。碳化物的不均勻性具體表現為：碳化物液析、碳化物帶狀和碳化物網狀^[4]。

　　生產實踐證明足夠長的高溫擴散時間，可以有效的降低鋼坯的偏析現象，消除碳化物液析，改善碳化物帶狀，并保證后續的軋材上碳化物網狀的析出更加均勻彌散，防止碳化物網狀的大量聚集，提高產品的質量水平。試軋Φ60mm軸承圓鋼時采取的加熱制度為：加熱時間4h，預熱段溫度850～900℃，加熱段1140～1190℃，均熱段1120～1180℃。不允許急劇升溫和降溫，防止坯料過熱、過燒、炸裂、粘鋼、低溫、黑印及脫碳等事故，出現停軋事故按規程及時降溫。

　　3.3軋制

　　對1—4架粗軋孔型重新設計，制作相應導衛裝置，滿足Φ180mm圓坯軋制。Φ180mm軸承圓坯經8道次軋制成Φ60mm圓鋼。由于軸承鋼表面質量要求高，軋前準備工作要對活套、過橋、夾板和輥道進行打磨，避免軋制過程中產生劃傷。軋制中勤測料型，避免產生耳子、折疊等有害缺陷。軸承鋼開軋溫度為（1000±20）℃，終軋溫度為950～980℃。

　　3.4緩冷

　　軋后鋼材通過冷床快速移鋼，輸送到輸出輥道進行定尺鋸切打捆后，快速將鋼材吊運至緩冷坑。入緩冷坑溫度高于550℃，保溫30h以上。軸承鋼鋼溫低于200℃后，打開緩冷坑罩子，再將軸承鋼吊裝出來再次進行質量檢查、矯直、倒棱、打捆、稱重、入庫。

　　4　檢驗結果

　　4.1軸承鋼碳化物

　　經檢驗，試制的GCr15軸承鋼圓鋼碳化物帶狀為0～1級，液析Z高為2級，無顯微孔隙。由此可以看出，加熱時間4h的碳化物帶狀和液析指標均滿足GB18254—2002^[3]標準要求。這主要是由于在較高的溫度下進行充分的高溫擴散，使得基體中的碳元素等偏析大大減輕，碳化物帶狀和液析級別優化，在后續軋制和冷卻的過程中，由于此時圓鋼的偏析較小，碳化物帶狀和液析的析出也相對比較分散，不會出現碳化物帶狀和液析的大量聚集等現象，也達到了降低碳化物帶狀和液析級別的目的。

　　4.2脫碳層

　　經檢驗，試制的GCr15軸承鋼圓鋼的表面脫碳層為0～0.14mm，說明4h的加熱時間可以滿足軸承鋼質量要求。

　　4.3低倍

　　對軋制的軸承鋼逐爐進行了低倍檢驗。中心疏松、一般疏松及偏析均不大于1.0級，滿足GB/T18254—2002^[3]標準中心疏松不大于1.5級，一般疏松及偏析均不大于1.0級的要求。

　　4.4非金屬夾雜

　　非金屬夾雜檢驗結果見表2。

表2 非金屬夾雜檢驗結果（細系） 級

　　非金屬夾雜滿足GB18254—2002^[3]標準要求。

　　5　結論

　　（1）采用Φ180mm圓坯在棒材生產線試制GCr15軸承圓鋼，碳化物液析、帶狀、顯微孔隙、脫碳層均滿足GB18254—2002^[3]標準要求，生產工藝可行。

　　（2）包鋼生產的軸承鋼中氧含量控制雖滿足標準要求，但偏上限，鋼中氧含量控制技術仍需進一步提高。

　　參考文獻

　　[1]王剛，張小華，許正周.降低軸承鋼液析級別的技術措施[J].江蘇冶金，2008，36（4）：69-70.

　　[2]劉興洪，許曉紅，張旭東，等.GCrl5軸承鋼的冶煉過程質量控制[J].江蘇冶金，2008，36（4）：11-12.

　　[3]GB/T18254—2002，高碳鉻軸承鋼[S].

　　[4]王德炯，孫華，趙海洋，南鋼軸承鋼工藝研究[J].南鋼科技與管理，2011，（3）：7-8.