2021 年 2 月炼钢Feb.2021
第 37 卷第 1 期 Steelmaking Vol.37 No. 1•33 •GCrl5轴承钢LF精炼过程中夹杂物的演变机理研究 雷家柳1，杨玲2，李德胜3，刘月云3，袁龙飞1
(1.湖北理工学院材料科学与工程学院冶金工程系，湖北黄石435003;
2.湖北省黄石市产品质量监督检验所，湖北黄石435000;
3.大冶特殊钢股份有限公司高品质特殊钢湖北省重点实验室，湖北黄石435000)
摘要：为了探索国内某钢厂GCrl5轴承钢L F精炼过程中夹杂物的存在形式及形成机理，针对L F精
炼过程进行了系统取样，利用ASPEX自动扫描电镜并结合FE-SEM，研究分析了L F精炼过程中夹杂物 的演变过程。研究发现，G Crl5轴承钢LF精炼开始稳定时，非金属夹杂物主要为Al2f t类夹杂物，到LF
精炼终点逐渐演变成近似球形的D类夹杂物。D夹杂物的主要存在形式为Al-Mg-Ca-(S)类复合夹杂
物，其次为少部分被CaS包裹的镁铝尖晶石类夹杂物。根据FE-SEM面扫描分析结果，Al-Mg-Ca-(S)类
复合夹杂物存在两种形式，一种为CaS包裹的中心均匀分布的Ca〇MgaAl2a夹杂；另一种中心为
MgO* A I2a夹杂，外围被CaOAl203夹杂包裹，彼此界面清晰。同时，提出了精炼终点D类夹杂物的形
成机理。
关键词：GCrl5轴承钢;L F精炼;D类夹杂物；演变机理
中图分类号：T F769.2文献标志码：A文章编号：10()2-1()43(2()21)01-()033-06
Evolution mechanism of inclusions during LF refining process of GCrl5 bearing
steel
LEI Jialiu1，YANG Ling2，LI Desheng3，LIU Yueyun3，YUAN Longfei1
1. Department of Metallurgy Engineering, School of Materials Science and Engineering, Hubei
Polytechnic University,Huangshi 435003,China
2. Hubei Huangshi Product Quality Supervision and Inspection Institute.Huangshi 435000,China
3. Hubei Key Laboratory for High Quality Special Steel, Daye Special Steel C o.，L td.，Huangshi
435000, China
Abstract ：In order to explore the existence form and formation mechanism of inclusions in LF refining
process of GCrl5 bearing steel in a domestic steel plant, the LF refining process was systematically
sampled, and the evolution of inclusions in LF refining process was studied and analyzed using ASPEX
automatic scanning electron microscope combined with FE-SEM in this paper. It is found that when
the LF refining starts to become stable, the non-metallic inclusions are mainly A1203inclusions, and
then evolve into the approximately spherical D inclusions at the end of LF refining process gradually.
The main form of D inclusions is Al-Mg-Ca-(S) type composite inclusions,followed by a small part of
magnesium aluminum spinel inclusions wrapped by CaS. According to the results of FE-SEM surfac
e
scanning analysis, the Al-Mg-Ca-(S) type composite inclusions exist in two forms, one is CaO-MgO-
A1203inclusion,distributed in the center uniformly and wrapped by CaS. The other inclusion’s center
is MgO • A1203 »which is surrounded by Ca0-Al203inclusion in the periphery with clear interface. At
the same time, the formation mechanism of D type inclusions at the end of LF refining process is
proposed.
Key words：GCrl5 bearing steel；LF refining；D type inclusions；evolution mechanism
轴承钢是“工业的心脏”，被广泛应用于机械 GCrl5钢为代表的高碳铬轴承钢系列使用量最制造、运输工业、国防工业等领域其中以多。轴承钢的工作环境极为复杂，承受着各种高
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51704105)；湖北理工学院引进人才项目（17xjz〇7R)
通信作者：雷家柳（1987—)男，博士，副教授；E-mail:******************；收稿曰期：2020-07-13
•34 •炼钢第37卷
废盐酸回收的交变应力，其质量好坏直接影响到设备使用寿 命及安全可靠度。轴承钢质量的主要检验指标为 疲劳强度和冲击韧性，其中高熔点不变形的镁铝 尖晶石、钙铝酸盐等D类氧化物夹杂是影响轴承 疲劳寿命的主要原因[w]。因此，控制轴承钢中的 D类夹杂物是轴承钢冶炼控制的关键任务。2(>16 年，中国各个轴承制造厂商就已经开始提高夹杂 物评级质量标准:4:，并对轴承钢中D类夹杂物的 大小要求做出了严格的界定。
对于D类夹杂的形成机理，有研究认为，镁铝 尖晶石是D类夹杂物析出的关键，8() %的D类夹 杂物的形核核心都是MgOA^f t.周围被铝酸钙或 硫化物包裹:5]。另有研究认为，钢液中高液态化的 铝酸钙夹杂物相互碰撞及其与镁铝尖晶石之间的 碰撞融合长大是形成D类夹杂的关键原因。另外，兴澄特钢研究表明[8]，D类夹杂物还可能来源 于耐火材料溶损、铁合金以及造渣剂等。
为了探索国内某钢厂GCr15轴承钢L F精炼过程中D类夹杂物的存在形式及形成机理，针对 L F精炼过程进行了系统取样.使用ASPEX自动 扫描电镜结合FE-SEM扫描电镜对试样进行扫描 检测，重点讨论轴承钢L F精炼过程中夹杂物的 变化及D类夹杂物的存在形式，并提出了 D类夹 杂物的形成机理。
1试验过程及分析方法
GCrl5轴承钢的生产流程为BOF—LF—RH —软吹一连铸一轧钢一成品。L F精炼过程采用 无铝取样器取球拍样，球拍样取样要求为：钢液进 人LF，加人渣料后达到一定温度，并且钢液中成 分达到稳定
时取第一过程样，记为LF1；待后续成 分调整后，在L F终点换坑前取第二过程样，记为 LF2。通过CS-88IM)碳硫仪分析碳含量和硫含量，LEC0-TC5()()氧氮分析仪分析氧含量和氮含 量，使用ICP-AES分析仪及扫描光谱仪分析钢中 其他元素的含量，化学成分见表1所示。
表1试验钢化学成分(叫）%
Table 1Chemical components of sample steel
试样C Cr Si Mn P s Al Ti Ca T.O N
LF10.949 1.450.230.390.010.0070.0410.0020().()()()50.00210.003 9 LF20.984 1.640.290.410.010.0040.0270.0021().()()()50.001 30.004 0
取球拍样中心区域切割成边长为1()m m的立方体样，然后进行预磨、抛光，制成金相试样。试样分别做场发射扫描电镜（FE-SEM)分析及全 自动夹杂物分析系统（ASPEX)分析。其中，ASPEX分析面积为50 mm2，分析起始尺寸大于 等于1ym。
同时.取该炉次的L F精炼终点渣样，分析得 到精炼渣的成分，如表2所示。
表2 GCH5轴承钢I.F精炼终渣成分（％) %
Table 2Composition of LF refining slag of
GCrl5 bearing steel
CaO SiO：Al2〇3MgO FeO MnO S CaF：43. 15 6.0636.05 3.190.72 0.031 1.53 7.85
2试验结果及讨论含有少量的Si02，部分夹杂还含有少量CaO或 MgO。此时，夹杂物主要呈不规则簇状形貌。
m
7 850-,
6 280-
4 710-
3 140-
3 jim
1570-
三合一连接件
8 650-,
鴻
6 920-
5 190-
3 460-
3 fim1730-
0-
0 I2
»
….,-J u keV
3 4 5 6 7 8 9
keV
7^9~图1部分近似纯A I2O3夹杂的ASPEX扫描图及能谱图Fig. 1The ASPEX scanning analysis of partial
approximately pure Al： 0^ inclusion
2.1 L F精炼开始稳定时夹杂物分析
喷香器
图1为LF1试样中部分夹杂的ASPEX扫描 图.根据ASPEX分析结果，在L F冶炼开始达到 稳定时，钢中夹杂物以含A1:0，夹杂物为主，其次
图2为根据ASPEX分析结果得到的LF1试样 中夹杂物的质量百分比统计图。由图2可知，其中 质量百分比达86 %〜98 %，S iQ质量百分 比达2%〜8%，属于近似纯的处0^夹杂
。由于
第1期雷家柳，等:G C rl 5轴承钢L F 精炼过程中夹杂物的演变机理研究• 35 •
Al2〇3 Si 〇2 MgO CaO
夹杂物
图2 LF1试样中夹杂物的质量百分比统计图
Fig. 2 The statistical chart of mass fraction of
inclusions in LFl sample
终点夹杂的F &SEM 能谱图及面扫描图。
轴承钢转炉出钢采用铝脱氧，进人L F 时钢液中主 要存在的是A 12Q 3夹杂。待其稳定后，基于钢液与 精炼淹以及耐火材料中的相关组分已经开始发生 相关反应，再加上轴承钢精炼采用的是高碱度精炼
渣，所以在LF 1试样中S if t 含量较少，同时部分夹 杂开始出现少量的CaO 或MgO 。
2.2 L F 精炼终点夹杂物分析
随着精炼过程的进行，夹杂物的形貌及成分会 发生明显的变化。根据F &SEM 扫描结果，精炼终 点
夹杂物形貌近似为球形的D 类夹杂物，能谱分析 及面扫描结果表明，其主要存在类型为A l -Mg -Ca - (S )类复合夹杂。ASPEX 扫描统计结果显示，此类 夹杂数量百分比达85_7 %，其次为被CaS 包裹的 镁铝尖晶石类夹杂。图3〜图5为部分典型精炼
图3 CaOMgaAl2 a 夹杂的FE-SEM 能谱图及面扫描图
Fig. 3 The energy spectrum and mapping analysis of CaO-MgO-Al2 C b inclusion
图6为根据ASPEX 分析结果得到的LF 2试 样中夹杂物的质量百分比统计图。从图中可以 看出，无论是哪种类型的夹杂物依旧是
夹杂物中的主要存在成分，同时夹杂物中CaO 或MgO 含量明显增加。其中，镁铝尖晶石类夹 杂中A 1203质量百分比为65 %〜71 %,MgO 质 量百分比达25 %〜29 %。Al -Mg -Ca -(S )类复合 夹杂中A 1203质量百分比为61 %〜69 %，MgO 质量百分比达15 %〜22 %，CaO 质量百分比达 12 %〜16 %，属于高氧化铝含量的Al -Mg -Ca -
(S )复合夹杂。
由于轴承钢精炼采用的是高碱度精炼渣，渣
中Si 02含量很低，因此精炼过程中存在的夹杂物 尚未发现硅酸盐C 类夹杂物。但是，高碱度渣中
MgO 的活度会比较大，渣中以及包衬里的MgO 易被钢中的A 1还原而生成M g 进入钢液，M g 又 被氧化生成MgO ，继而会与钢液中的A 1203夹杂 结合生成镁铝尖晶石。另外，淹中高含量CaO 也 会被A 1还原生成C a 进人钢液，继而与镁铝尖晶 石结合形成Al -Mg -C a 复合夹杂物。若钢液中存
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• 36 •
炼钢第37卷
在CaS 的形成条件，镁铝尖晶石和Al -Mg -C a 复合 夹杂物还会与CaS 结合，从而外围包裹着一层少 量的CaS 。对于镁含量较高的Al -Mg -C a 复合夹 杂，由元素的面扫描分布图像可知（如图4和图
5)，有些存在明显的界限，其中夹杂物中颜较深 的一部分为镁铝尖晶石.被颜较浅的钙铝酸盐 包裹其中.有些夹杂物中镁铝酸盐和钙铝酸盐的 成分完全混合在一起。
图4 CaOMgO-MA-CaS 夹杂的FE-SEM 能谱图及面扫描图
Fig. 4 The energy spectrum and mapping analysis of CaO-MgO-Al2Q ? -CaS inclusion
图5 MgaAl2a -C a S 夹杂的FE-SEM 能谱图及面扫描图
Fig. 5 The The energy spectrum and mapping analysis of MgO-Al2 〇3
-CaS inclusion
第1期
雷家柳，等:GCrl 5轴承钢L F 精炼过程中夹杂物的演变机理研究
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10
a i 2o 3
MgO CaO 夹杂物
CaS SiO,
图6 LF2试样中夹杂物的质量百分比统计图
Fig. 6 The statistical chart of mass percent
of inclusions in LF2 sample
3 D 类夹杂物的形成机理
由于轴承钢转炉出钢采用铝脱氧，L F 精炼前 期钢液中铝含量较高。此时，钢液中的酸溶铝能
够还原耐火材料和精炼渣中的MgO ，发生如下反 应生成MgOAl 203类夹杂物。
[A 1] + 3/2(MgO ) = 3/2[Mg ] + 1/2(Al 2 03)
(1)
[Mg ]+ m /3 (Al 2 03)i …c =
{MgO - (m - 1)/3A 1, 03}t a c + 2/3[Al ] (2)而后，由于精炼渣中CaO 含量较高，钢液中
水性聚氨酯墙漆的酸溶铝能够还原渣中部分CaO ，生成的C a 进入 钢液可以和MgO •A 1203夹杂物结合生成CaO -
Mg 0-Al 203类复合夹杂物，同时，还可与部分未转
化成镁铝尖晶石的A 1203夹杂反应生成CaO - 八12〇3夹杂。从而将高溶点的镁招尖晶石或氧化 招夹杂改性为成分均匀的低熔点球状液态夹杂 物[g ]，此时渣中被还原进入钢液中的钙，产生了类 似钙处理的效果。相关反应式如下所示。
[Al ] + 3/2(CaO ) = 3/2[Ca ] + 1/2(A 12 03) (3)
x [Ca ] + (?/MgO » z A 12〇3 )in c =
{xCaO *(?/- ic )MgO * zALOj }i …c + x [Mg ]
(4)
x [Ca ] + (y + a ;/3)(Al 2 〇3)i n C =(xCaO - ?/ Al 2〇3 )i …c + 2x /3[Al ]
(5)
此外，若钢液中存在C aS 的形成条件，镁铝 尖晶石和Al -Mg -C a 复合夹杂物还会与CaS 结合， 从而形成被CaS 包裹的D 夹杂物。CaS 在钢液中 的形成，存在如下反应式[1°]。
[Ca ] + [S ] = (CaS )^
(6)
2[A 1] + 3[S ] + 3 (CaO )j^in c =3(CaS)—c + (Al 2 03V m c
dmx512协议(7)
根据上述精炼过程中夹杂物演变的分析结
果，L F 精炼终点夹杂的形成机理可描述为如下过 程，如图7所7K 。
图7 L F 精炼终点D 类夹杂物的形成机理示意图
Fig. 7 The schematic diagram formation mechanism for D type inclusions at LF refining end point
M g0-Al20r CaS Ca0-Mg0-Al203
Ca0-Mg0-Al203-CaS
o o o o o o
防辐射手机o 8 7 6 5 4 3 2
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Kn ¥
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豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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