Effect of ESR on oxygen content and inclusions in GCr15 bearing steel
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摘要: 电渣重熔对于提高钢的纯净度有明显的效果，但对于低氧含量钢种存在增氧现象。通过采用GCr15轴承钢作为自耗电极，研究在大气环境下和Ar保护下使用不同渣系对轴承钢中氧含量及夹杂物的变化规律。研究发现，采用CaF2-Al2O3-CaO三元渣系在氩气保护下电渣重熔GCr15轴承钢时，电渣锭中的氧含量随渣系中的Al2O3含量下降而降低，而使用不含Al2O3渣系重熔的电渣锭中氧含量最低；氩气保护下重熔的电渣锭中的夹杂物直径均比使用同种渣系在空气中重熔的电渣锭要小。氧含量增加主要是因为电渣重熔过程渣池温度过高，导致渣中Al2O3稳定性变差所致。Abstract: Electroslag remelting has a positive effect on improving the purity of steel, but it will increase oxygen for low oxygen content steel. In this paper, GCr15 bearing steel was used as consumable electrode to study the variation of oxygen content and inclusions in bearing steel with different slag systems under atmospheric environment and Ar protection. It is found out that the oxygen content in ESR ingot decreases with the decrease of the alumina content in the slag system when the CaF2-Al2O3-CaO ternary slag system is used for ESR of GCr15 bearing steel under the protection of argon, while the oxygen content in ESR ingot remelted with the slag system without Al2O3 is the lowest. The diameter of inclusions in ESR ingot remelted under the protection of argon is smaller than that of steel remelted with the same slag system in air. The increase of oxygen content is mainly due to the high temperature of slag pool during ESR, which leads to the poor stability of Al2O3 in slag.
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Key words:
- electroslag remelting /
- GCr15 bearing steel /
- oxygen /
- inclusion
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0. 引言
炼钢过程对氧含量有着严格的限制，特别是在轴承钢中，氧含量对其疲劳寿命具有重要的影响[1]。氧含量越低，轴承钢疲劳寿命越高。然而近年来研究及生产实践发现，当自耗电极中的氧含量极低时，经过电渣重熔之后会出现氧含量增加的现象。周德光[2]等在电渣重熔GCr15轴承钢时发现，电渣锭中的氧含量由自耗电极的10 ×10−6增加至32 ×10−6。其认为电渣锭中的氧含量与电极中氧含量没有直接关系，不论自耗电极中氧含量高低，电渣钢氧含量一般都稳定在15×10−6～32 ×10−6。王昊等[3]在氩气保护下进行了电渣重熔H13热作模具钢实验，电极氧含量为15 ×10−6，未添加脱氧剂电渣重熔后，电渣锭中氧含量为34 ×10−6，添加Al-Mg（Al94.2%-Mg4.0%）脱氧剂脱氧后，电渣锭中氧含量16×10−6～18 ×10−6，仍然高于电极中的氧含量。文献[4-11]通过研究也发现电渣重熔过程存在增氧这一现象，并对其机理进行了探讨。
氧之所以对钢有危害，原因在于氧是以不溶于钢基体的非金属夹杂物的形式存在。氧含量高，意味着夹杂物含量也高。然而，衡量氧的危害不能单单以其含量多少为尺度，更重要的是形成的夹杂物的尺寸，特别是大尺寸的夹杂物其危害更大。尽管电渣重熔以后氧含量增加，但是其中夹杂物的分布、尺寸如何变化还有待于进一步深入研究。为此，笔者以GCr15轴承钢为研究对象，采用CaF2-Al2O3-CaO三元渣系，通过改变渣系中Al2O3和CaO的含量研究渣系对氧含量及夹杂物的影响，并进一步研究了不同气氛（大气条件及氩气保护）对电渣锭中氧含量及夹杂物的影响。
1. 试验过程
1.1 试验材料
试验钢种为GCr15轴承钢，采用EAF-LF-RH-CC工艺生产，并锻造成自耗电极。钢种主要化学成分如表1所示。重熔渣组成为CaF2-Al2O3-CaO渣系，Al2O3、CaO均为化学试剂，CaF2为工业原料。
表 1 GCr15轴承钢主要化学成分Table 1. Main chemical compositions of GCr15 bearing steel% C Si Mn Cr Al P S O N 0.99 0.21 0.35 1.47 0.02 0.009 0.001 0.00075 0.0039 1.2 试验设备
试验所用电渣炉主要参数如下：结晶器断面为圆形，直径为100 mm，高度为250 mm。变压器容量为100 kV，一次端电源为380 V，二次端电源为28～40 V，最大电流不超过2500 A。重熔过程为人工控制，通过自耗电极的上下移动来调整电流。试验设备如图1所示。
1.3 试验过程
试验采用液渣启动，重熔过程中保持电压为28～34 V，电流1500～2 000 A。试验开始前，将电极用车床车去外层氧化皮，在试验正式开始前再用砂纸打磨，排除由于氧化铁皮带入对钢中氧含量造成的影响。将渣料按照配比放置在石墨坩埚中，渣量为1.2 kg，渣系成分及试验方案如表2所示。将石墨坩埚置于硅钼棒高温炉中加热，加热到1650 ℃后保温一段时间，保证渣子完全熔化。待渣子熔化后，迅速倒入结晶器内，通入电流开始进行电渣重熔。
表 2 试验用渣系化学成分及试验方案Table 2. Chemical compositions and experimental scheme of experimental slag system研究方案 渣系 成分 气氛 1 S1 70%CaF2+30%Al2O3 大气 2 S2 65% CaF2+25% Al2O3+10%CaO 大气 3 S3 60% CaF2+20%Al2O3+20%CaO 大气 4 S4 60% CaF2+15%Al2O3+25%CaO 大气 5 S5 70% CaF2+30%CaO 大气 6 S1 70%CaF2+30%Al2O3 Ar 7 S3 60%CaF2+20%Al2O3+20%CaO Ar 8 S5 70%CaF2+30%CaO Ar 1.4 结果检测
试验结束后，在距电渣锭顶部50 mm的截面切开，在截面中心部位取样品进行检测，如图2所示。所取氧氮样品直径5 mm，金相样品大小为15 mm×15 mm×15 mm，金相样品经打磨抛光后通过扫描电镜进行能谱分析，并采用Aspex电镜对样品的夹杂物进行统计。
2. 结果与分析
2.1 大气下电渣重熔的结果分析
2.1.1 氧氮含量的变化
图3是电渣重熔前后钢中氧氮含量的变化趋势。电渣重熔前自耗电极的氧含量为7.5 ×10−6，经过电渣重熔后氧含量显著增加，氧含量最高的是方案4，所用的渣系为60%CaF2+15%Al2O3+25%CaO，氧含量为62.7 ×10−6。从方案1至方案4氧含量逐渐增加，从36.3 ×10−6增加到62.7 ×10−6，而方案5电渣锭的氧含量又降低至44.5 ×10−6。
相比于氧含量的变化氮含量变化并不明显，方案1至方案5电渣锭中氮含量分别为41.6 ×10−6 、38.3 ×10−6 、37.8 ×10−6 、36.4 ×10−6、36.3 ×10−6，变化幅度很小。
2.1.2 夹杂物直径的变化
使用Aspex扫描电镜对夹杂物数量及直径进行统计，结果如图4所示。图4中包括了电极中不同直径的夹杂物分布情况和电渣重熔后电渣锭中的夹杂物分布情况。数据表明，电极中大颗粒夹杂物较多，其中15 μm以上的大颗粒夹杂物占比达到4.8%。
图 4 电渣重熔前后不同直径夹杂物分布变化Figure 4. Variation of inclusion distribution before and after ESR经过电渣重熔之后夹杂物的直径明显降低，15 μm以上的大颗粒夹杂物几乎完全消失，尤其是采用方案5重熔后，电渣锭中夹杂物最小，最大直径仅有11.21 μm。从整体分布来看，进过电渣重熔以后，电渣锭中10 μm以下夹杂物占比增加，其中采用方案5重熔后夹杂物更加细小，10 μm以下夹杂物占比高达99.4%。
2.1.3 夹杂物种类的变化
根据SEM-EDS及Aspex电镜分析发现，金属自耗电极中非金属夹杂物种类很多，包括TiN，Al2O3，CaS·MnS，MnS，CaO·MgO·Al2O3，MgO·Al2O3，CaO·Al2O3等。图5是电极中夹杂物种类及数量分布状况。
由图5可以看出，电极中夹杂物最多的是硫化物，包括MnS、CaS、CaS·MnS以及MnS和其他种类夹杂物复合而成的，其次是TiN类的夹杂物，而氧化物含量很少。
图6是自耗电极中一个较为典型的夹杂物形貌及成分分布。
由图6可以看出，Al2O3夹杂镶嵌在TiN夹杂之中，边缘吸附了一个MnS的夹杂物，表明这个夹杂物是由Al2O3夹杂物、TiN夹杂物、MnS夹杂物复合而成的。
图 5 电极中夹杂物种类及数量分布Figure 5. Distribution of type and quantity of inclusions in electrode电渣重熔后夹杂物的种类如图7所示。
从图7可知，电渣重熔后夹杂物的种类发生了极为明显的变化，主要由Al2O3、含钛夹杂物、硫化物、Ca-Mg-Al-O类夹杂物、其他复合氧化物组成，但是不同的夹杂物的数量差距很大。方案1～方案4电渣锭中夹杂物种类明显减少，Al2O3夹杂物占比极高，均在73%以上，其它种类的夹杂物数量占比很低。而采用方案5重熔后，电渣锭中的Al2O3夹杂仅占6.65%，数量最多的是多种氧化物复合形成的夹杂物，夹杂物主要以Al2O3为主和少量的MnO、CaO、TiO2等复合而成，占比达80.04%以上。
2.2 Ar保护下电渣重熔
根据上述的实验结果，综合氧含量以及夹杂物的变化，选择S1、S3、S5渣系作为重熔渣系，进一步研究Ar保护下电渣锭中氧含量及夹杂物的变化规律。
2.2.1 Ar保护下氧含量的变化
图8是在Ar保护下电渣重熔后电极中的氧含量发生的变化。从图8中可以明显看出，Ar保护下电渣重熔避免了空气中氧的影响，氧含量的变化随渣系的改变呈现逐渐下降的趋势。电极中的氧含量很低只有7.5 ×10−6，采用方案6电渣重熔后氧含量增加至75.8 ×10−6。而采用方案7和方案8重熔后，电渣锭中氧含量分别为61.6 ×10−6、31.7 ×10−6。
2.2.2 Ar保护下电渣锭中夹杂物直径的变化
Ar保护下电渣锭中夹杂物直径分布如图9所示。
由图9可知，采用方案6电渣重熔的电渣锭中最大直径为18.57 μm，平均直径为4.87 μm。方案7电渣锭中的夹杂物颗粒最大，最大直径和平均直径分别为20.24 μm和5.16 μm。当渣系中不含有Al2O3时，电渣锭中的夹杂物直径明显减小，方案8电渣锭中的夹杂物最大直径仅9.8 μm，平均直径为4.22 μm。Ar保护下夹杂物直径的变化规律和大气下的规律一致，而且使用相同的渣系，Ar保护下电渣锭的夹杂物直径更小。
图 9 Ar保护下电渣锭中夹杂物直径的变化Figure 9. Variation of inclusion diameter in ESR ingot under Ar protection2.2.3 Ar保护下电渣重熔夹杂物种类的变化
图10是电渣重熔后电渣锭不同种类的夹杂物分布。由图10可以看出，在Ar保护下电渣重熔后夹杂物由于体积更小，弥散程度增加，数量有所上升。在使用含有Al2O3的渣系进行电渣重熔后，对应的电渣锭中夹杂物的种类主要仍是以Al2O3夹杂物为主，而使用不含Al2O3的S5渣系后，电渣锭中的夹杂物则以MgO-Al2O3夹杂物为主。
图11是采用方案8重熔后电渣锭中的一个典型夹杂物的面扫描元素分布，由图11可以看出，这个夹杂物主要是以镁铝尖晶石类夹杂物为主，外围包裹小部分TiN夹杂物。
图 10 电渣重熔后电渣锭夹杂物种类及数量Figure 10. Types and number of inclusions in ESR ingot under Ar protection2.3 结果分析
采用Ar保护电渣重熔后，基本避免了空气中的氧将电极氧化，隔绝了空气中的氧气进入熔池中对电渣锭氧含量造成的影响。氩气保护在试验中的实际应用效果如图12所示。采用Ar保护以后，氧的来源和去向就只介于钢液和渣系中，电渣锭中氧含量的变化主要原因就是渣金反应，电渣锭中氧含量增加，即是渣系中的氧进入到了钢液中导致的增氧。
Chang Lizhong[12-13]等人在试验中证实：在氩气保护下电渣重熔，电渣锭中的氧含量主要受两方面的因素影响：电极中氧化物夹杂分解带走的氧和渣系中不稳定氧化物分解产生的氧。研究表明，在电渣重熔过程中，熔池的温度为1800 ℃左右，且随着渣系的改变还会逐渐升高。在渣池中存在着如下反应：
$$\frac{{\rm{2}}}{{\rm{3}}}{\rm{[Al] + [O] = }}\frac{{\rm{1}}}{{\rm{3}}}{\rm{(A}}{{\rm{l}}_{\rm{2}}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}}{\rm{)}}$$ (1) $${\rm{lg}}K = \frac{{19\;440}}{T} - 6$$ (2) Al-O平衡关系如图13所示。
由图13可知，传统炼钢温度下，Al-O平衡时对应的氧含量很低，而在电渣重熔过程中温度达1 850～2 000 ℃，Al含量相同时，电渣重熔温度下的平衡氧浓度远高于电极中的氧含量。当渣系中Al2O3较高时，Al2O3活度较高，会分解进入金属熔池，从而导致钢液中氧含量的升高。分解产生的[Al]进入到钢液中，和分解产生的部分氧留存于钢液中，在随后的冷却过程中逐渐析出，形成了Al2O3夹杂物。而当渣中不稳定氧化物分解产生的氧大于自耗电极中氧化物夹杂分解带走的氧时，就会导致电渣锭中氧含量增加，出现增氧现象。
图 11 方案8重熔后电渣锭中典型夹杂物形貌及成分分布Figure 11. Morphology and composition distribution of typical inclusions in ESR ingot after remelting under scheme 8在电渣重熔过程，在熔滴形成阶段，由于渣-金接触面积巨大，自耗电极中的夹杂物被大量吸附[14]。因此电极中的氮化物、硫化物、尖晶石类、钙铝酸盐类夹杂被大量吸附。而采用含氧化铝的渣系重熔以后，由于氧化铝的分解，导致电渣锭中的氧含量增加，同时也导致了电渣锭氧化铝夹杂物的增加，如图7、10所示。
3. 结论
1）电渣重熔GCr15轴承钢，增氧现象明显，且采用不同的渣系增氧量也不同。在氩气保护下使用CaF2-CaO渣系重熔的电渣锭中增氧量最低，氧含量只有31.7 ×10−6。
2）电渣重熔GCr15轴承钢可以显著降低钢中的夹杂物直径，有效减轻大颗粒夹杂物对钢种寿命的影响，Ar保护可以进一步降低夹杂物的直径。电渣重熔可以有效减少夹杂物的种类。
3）电渣重熔过程可以将电极中的夹杂物吸附、溶解，减少夹杂物的种类并减小夹杂物的直径；电渣锭中的夹杂物主要是渣中的氧化铝的分解后进入熔池中形成的，渣中的氧化铝分解也是导致氧含量增加的主要原因。
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图 4 电渣重熔前后不同直径夹杂物分布变化
Figure 4. Variation of inclusion distribution before and after ESR
图 5 电极中夹杂物种类及数量分布
Figure 5. Distribution of type and quantity of inclusions in electrode
图 9 Ar保护下电渣锭中夹杂物直径的变化
Figure 9. Variation of inclusion diameter in ESR ingot under Ar protection
图 10 电渣重熔后电渣锭夹杂物种类及数量
Figure 10. Types and number of inclusions in ESR ingot under Ar protection
图 11 方案8重熔后电渣锭中典型夹杂物形貌及成分分布
Figure 11. Morphology and composition distribution of typical inclusions in ESR ingot after remelting under scheme 8
表 1 GCr15轴承钢主要化学成分
Table 1. Main chemical compositions of GCr15 bearing steel
% C Si Mn Cr Al P S O N 0.99 0.21 0.35 1.47 0.02 0.009 0.001 0.00075 0.0039 
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表 2 试验用渣系化学成分及试验方案
Table 2. Chemical compositions and experimental scheme of experimental slag system
研究方案 渣系 成分 气氛 1 S1 70%CaF2+30%Al2O3 大气 2 S2 65% CaF2+25% Al2O3+10%CaO 大气 3 S3 60% CaF2+20%Al2O3+20%CaO 大气 4 S4 60% CaF2+15%Al2O3+25%CaO 大气 5 S5 70% CaF2+30%CaO 大气 6 S1 70%CaF2+30%Al2O3 Ar 7 S3 60%CaF2+20%Al2O3+20%CaO Ar 8 S5 70%CaF2+30%CaO Ar
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