精炼渣组分对轴承钢钢液组分的影响

2023-10-27白少勋曾亚南宁鑫唐国章

华北理工大学学报(自然科学版) 2023年4期

白少勋,曾亚南,宁鑫,唐国章

(华北理工大学冶金与能源学院,河北唐山 063210)

引言

GCr15轴承钢作为当代洁净钢的代表钢种之一,主要用于航空发动机轴承、大型薄板轧机设备用轴承、风力发电装备用轴承等方面,在钢生产中占据重要地位[1]。随着社会的发展,对其质量要求越来越高,然而钢中的非金属夹杂物严重降低了轴承钢的疲劳寿命,影响其钢质量[2-4]。研究结果表明,轴承钢的疲劳寿命基本取决于夹杂物的含量,且含量越高,疲劳寿命越低[5]。由于夹杂物的组成与钢液的组分息息相关,DENG[6]等人研究炉渣碱度对渣组分作用的浓度的影响规律,发现随着碱度的增加,渣中氧化铝和二氧化硅的作用浓度不断降低,氧化镁的作用浓度先增加后降低,钢中氧含量不断降低。张倩[7]等人的研究结果表明,随着精炼渣碱度的增加,钢液中钙镁元素含量逐渐增加;姜周华[8]等人的研究结果显示,精炼渣碱度使得钢中全氧含量降低,且精炼渣组分直接影响着夹杂物的平均组分。付国强[9]等人模拟了四元渣系的渣金反应,发现精炼渣的碱度对钢液组分的影响相对较大。孙伟[10]等人的研究结果表明,当轴承钢中铝含量在0.025%时,只要钢中的镁含量高于0.63 ppm,就可以达到对氧化铝改性的作用;Joo Hyun PARK[11]等人表示当钢液中的钙元素含量高于2 ppm时,就可以影响尖晶石夹杂的稳定,使其由固态夹杂改性为液态夹杂。该研究根据实验室的坩埚大小的实际情况,设计了合适CaO-MgO-SiO2-Al2O3-FeO五元渣系以及钢渣配比,运用FactSage软件,研究了不同精炼渣组分对钢液中钙镁铝氧元素含量的影响规律,为计算精炼渣组分对轴承钢中夹杂物生成的热力学行为提供准确的理论指导。

1 试验

1.1 试验材料

试验采用某厂的GCr15轴承钢料,具体组分如表1所示;精炼渣系为五元渣系,通过彭波[12,13,14]等人对精炼渣冶金性能的研究,并根据实验室的坩埚情况,确定五元渣系CaO-MgO-SiO2-Al2O3-FeO的组分如表2所示,且精炼渣均由纯化学试剂配制而成。试验所用原料:GCr15轴承钢1 600 g,渣量40 g,铝粒2.46 g(钢渣总量的0.15%)。

表1 GCr15轴承钢成分表/%

表2 精炼渣组分

1.2 模拟方案

运用FactSage软件的Equilib板块,选取数据库为FactPS、FToxid和FSstel,采用控制变量的方法,对1 600 ℃不同精炼渣组分下的渣金反应进行模拟计算,研究精炼渣碱度、MgO含量、Al2O3含量以及FeO含量对轴承钢中[Ca]、[Mg]、[Al]、[O]成分的影响规律。

2 结果与分析

2.1 精炼渣碱度对钢液组分的影响

在研究碱度对钢液组分含量影响时,确定精炼渣中w(Al2O3)=26%,w(MgO)=7%,w(FeO)=0.8%,碱度变化范围为3～7,步长为1。通过控制变量法,运用FactSage软件模拟1 600 ℃的渣金反应,计算结果如图(1)所示。由图1(a)发现,随着精炼渣碱度由3增加7,钢液中的[Ca]含量逐渐增加,由2.59 ppm增加到4.53 ppm,且在碱度大于5时,变化逐渐趋于平缓。这是由于随着碱度的增加,渣中氧化钙的活度逐渐增加,导致[Ca]含量也随之逐渐增加;由图1(b)发现,随着精炼渣碱度由3增加到7,钢液中[Mg]含量逐渐增加,由6.33 ppm增加到10.35 ppm,通过计算可以发现碱度的增加使得渣中氧化镁的活度增加,进而使得钢液中镁元素含量也逐渐增加;由图1(c)发现,随着精炼渣碱度的增加,a(Al2O3)活度增加,使得钢液中[Al]含量逐渐增加。由图1(d)发现,可随着精炼渣碱度由3增加到7,钢中的氧含量呈现出先增加后逐渐降低的趋势。其中在碱度由3增加到4,氧含量处于增加阶段,氧含量由5.4 ppm增加到6.21 ppm;这是由于在钢中氧含量相对较低时,精炼渣会向钢液中供氧以保持反应平衡,所以氧含量略微升高;碱度由4增加到7时,氧含量处于降低阶段,氧含量由6.21 ppm降低到6.12 ppm;这是由于精炼渣碱度的增加使得Al2O3活度降低,促进Al-O反应向生成Al2O3的方向进行,使得氧含量逐渐降低。综上可以看出,随着碱度由3增加到7,钢液中Ca、Mg、O元素变化较明显,而铝元素含量变化相对较小。

图1 精炼渣碱度对钢液组分的影响

2.2 精炼渣中MgO含量对钢液组分的影响

在研究精炼渣中氧化镁含量对钢液组分含量影响时,确定精炼渣中R=5,w(Al2O3)=26%,w(FeO)=0.8%,w(MgO)%变化范围为5%～9%,步长为1%。通过控制变量法,运用FactSage软件模拟1600℃的渣金反应,计算结果如图(2)所示。

由图2(a)可知,随着精炼渣中氧化镁含量由5%增加到9%,渣中氧化钙的活度降低,使得钢液中的[Ca]含量逐渐降低,由4.55 ppm降低到4.51 ppm,其中在精炼渣中氧化镁含量大于5%时,钢液中钙元素含量变化不明显。由图2(b)可知,随着精炼渣中氧化镁含量的增加,钢液中的镁元素含量逐渐增加后趋于平缓,其中在氧化镁由5%增加到8%时,镁含量处于增加阶段,由7.57 ppm增加到9.66 ppm;这是由于渣中氧化镁含量的增加,使得氧化镁活度增加,使得钢液中镁元素含量逐渐增加;氧化镁含量由8%增加到9%时,钢液中镁元素含量虽然呈现出增加趋势,但是变化不大,这主要是由于钢中镁元素含量达到饱和状态所致。由图2(c)可知,随着精炼渣中氧化镁含量由5%增加到9%,钢液中铝元素含量呈现出逐渐增加的趋势,其中氧化镁含量由5%增加到6%,钢液中铝元素含量变化不大;在氧化镁含量由6%增加到9%时,钢液中铝元素含量变化较明显。由图2(d)可知,随着氧化镁含量的增加,钢中的氧含量呈现出逐渐增加后趋于平缓的趋势。其中在氧化镁含量由5%增加到7%时,钢液中氧含量呈现出逐渐增加的趋势,且变化较明显,其含量由5.44 ppm增加到6.20 ppm;在氧化镁含量大于7%时,氧含量变化不明显,大约在6.2 ppm左右。综上所述可以看出,随着精炼渣中氧化镁含量5%增加到9%,钢液中镁元素含量变化较明显,钢液中钙铝氧元素含量变化相对较小。

图2 精炼渣中MgO含量对钢液组分的影响

2.3 精炼渣中Al2O3含量对钢液组分的影响

在研究精炼渣中氧化铝含量对钢液组分含量影响时,确定精炼渣中R=5,w(MgO)=7%,w(FeO)=0.8%,w(Al2O3)%变化范围为22%～30%,步长为2%。通过控制变量法,运用FactSage软件模拟1 600 ℃的渣金反应,计算结果如图(3)所示。

由图3(a)可以发现,随着氧化铝含量的增加,钢液中钙元素含量逐渐降低;其中氧化铝含量由22%增加到28%,钢液中钙元素含量变化不明显;在氧化铝含量大于28%时,钢液中钙元素含量下降比较明显,由4.51 ppm降低到4.09 ppm;这是由于钢液中镁元素会抑制钙铝酸盐夹杂的生成,在氧化铝含量大于28%时,钢中镁元素含量降低,促进了钙铝酸盐的生成,使得钢液中钙元素含量逐渐降低且变化明显。由图3(b)可知,随着氧化铝含量逐渐增加,钢液中镁元素含量呈现出先逐渐增加后降低的趋势;其中在氧化铝含量由22%增加到28%时,钢液中镁元素变化不明显;在氧化铝含量大于28%时,这是由于随着氧化铝增加,氧化镁的活度逐渐降低,使得镁含量有所降低,且变化不明显,由9.73 ppm降低到9.38 ppm;由图3(c)可以发现,随着氧化铝含量由22%增加到30%,氧化铝的活度逐渐增加,导致钢液中铝元素含量逐渐升高。由图3(d)可以发现,随着氧化铝含量的增加,钢中氧含量逐渐降低,但是变化不明显。这是由于随着氧化铝含量的增加,钢中铝含量活度增加,使得Al-O反应向氧含量低的方向进行,所以氧含量降低;综上所示,随着氧化铝含量由22%增加到30%,钢液中铝元素含量变化相对较大,钙镁氧元素含量变化相对不明显。

图3 精炼渣中Al2O3含量对钢液组分的影响

2.4 精炼渣中FeO含量对钢液组分的影响

在研究精炼渣中氧化亚铁含量对钢液组分含量影响时,确定精炼渣中R=5,w(MgO)=7%,w(Al2O3)=26%,w(FeO)%变化范围为0.4%～1.2%,步长为0.2%。通过控制变量法,运用FactSage软件模拟1 600 ℃的渣金反应,计算结果如图(4)所示。

由图4(a)发现随着精炼渣中FeO含量由0.4%增加到1.2%,钢中钙元素含量逐渐降低,但是变化不明显,大约在4.51 ppm左右;这是由于随着精炼渣中FeO对钢液由、有供氧作用,使得钢液中的钙元素与氧结合造成钙元素含量降低。由图4(b)发现随着精炼渣中FeO含量由0.4%增加到1.2%,钢中镁元素含量逐渐降低,但是变化不明显,由9.66 ppm降低到9.60 ppm;这是由于随着精炼渣中FeO对钢液有供氧作用,使得钢液中的镁元素与氧结合造成镁元素含量降低。由图4(c)发现随着精炼渣中FeO含量由0.4%增加到1.2%,钢中铝元素含量逐渐降低,但是变化不明显;这是由于随着精炼渣中FeO对钢液有供氧作用,使得钢液中的铝元素与氧结合造成铝元素含量降低。由图4(d)发现随着精炼渣中FeO含量由0.4%增加到1.2%,钢中氧元素含量逐渐增加,但是变化不明显;虽然精炼中FeO对钢液有供氧作用,但是由于钙镁铝元素与氧元素的结合,使得钢中氧元素含量增加不明显。