第45卷 第4期华北理工大学学报(自然科学版)V o l .45 N o .42023年10月J o u r n a l o fN o r t hC h i n aU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y (N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n )O c t .2023收稿日期:2023-03-17 修回日期:2023-09-27基金项目:高等学校科学技术研究项目重点项目(Z D 2019001),唐山市重点研发计划项(19140255F )㊂ 第一作者:白少勋,男,硕士研究生㊂E -m a i l :b a i s h a o x u n 98@163.c o m.通讯作者:曾亚南,男,博士,副教授㊂研究方向:炼钢新技术㊂E -m a i l :z e n g ya n a n n @126.c o m. D O I :10.3969/j.i s s n .2095-2716.2023.04.015文章编号:2095-2716(2023)04-0114-07精炼渣组分对轴承钢钢液组分的影响白少勋,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)关键词:G C r 15轴承钢;F a c t S a ge ;精炼渣;钢液组分;热力学摘 要:以G C r 15轴承钢为研究对象,设计了C a O -M g O -S i O 2-A l 2O 3-F e O 五元渣系,采用了F a c t S a g e 软件的E qu i l i b 板块,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㊂其中钢液中钙镁铝氧元素含量变化范围为2.59*10-4%ɤ[C a ]ɤ4.53*10-4%㊁6.33*10-4%ɤ[M g ]ɤ10.35*10-4%,3.48*10-2%ɤ[A l ]ɤ7.93*10-2%㊁5.40*10-4%ɤ[O ]ɤ6.21*10-4%㊂通过分析可知,精炼渣中碱度对钢液组分的影响最大,且主要影响钙镁氧元素的含量;其中随着碱度的增加,钢液中钙镁元素含量逐渐增加,分别由2.59p p m 增加到4.53p pm ㊁6.33p p m 增加到10.35p p m ㊂精炼渣中M g O 含量对钢液组分影响次之,渣中A l 2O 3含量以及F e O 含量对钢液组分影响最小㊂中图分类号:T G 142.1+3 文献标识码:A引言G C r 15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㊁大型薄板轧机设备用轴承㊁风力发电装备用轴承等方面,在钢生产中占据重要地位[1]㊂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]㊂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]㊂由于夹杂物的组成与钢液的组分息息相关,D E N G [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㊂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㊂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㊂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0.63p p m ,就可以达到对氧化铝改性的作用;J o oH yu nP A R K [11]等人表示当钢液中的钙元素含量高于2p p m 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㊂该研究根据实验室的坩埚大小的实际情况,设计了合适C a O -M g O -S i O 2-A l 2O 3-F e O 五元渣系以及钢渣配比,运用F a c t S a g e 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㊂1试验1.1 试验材料试验采用某厂的G C r 15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C a O -M g O -S i O 2-A l 2O 3-F e O 的组分如表2所示,且精炼渣均由纯化学试剂配制而成㊂试验所用原料:G C r 15轴承钢1600g ,渣量40g ,铝粒2.46g(钢渣总量的0.15%)㊂表1 G C r 15轴承钢成分表/%元素CS iM nPSC rA l成分0.910.170.330.010.0011.450.027表2 精炼渣组分项目碱度M g O /%A l 2O 3/%F e O /%范围3~75~922~300.4~1.2参考值57260.8步长1120.21.2 模拟方案运用F a c t S a g e 软件的E qu i l i b 板块,选取数据库为F a c t P S ㊁F T o x i d 和F S s t e l ,采用控制变量的方法,对1600ħ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㊁M g O 含量㊁A l 2O 3含量以及Fe O 含量对轴承钢中[C a ]㊁[M g]㊁[A l ]㊁[O ]成分的影响规律㊂2结果与分析图1 精炼渣碱度对钢液组分的影响511 第4期 白少勋,等:精炼渣组分对轴承钢钢液组分的影响611华北理工大学学报(自然科学版)第45卷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(A l2O3)=26%,w(M g O)=7%,w(F e O)=0.8%,碱度变化范围为3~7,步长为1㊂通过控制变量法,运用F a c t S a g e软件模拟1600ħ的渣金反应,计算结果如图(1)所示㊂由图1(a)发现,随着精炼渣碱度由3增加7,钢液中的[C a]含量逐渐增加,由2.59p p m增加到4.53p p m,且在碱度大于5时,变化逐渐趋于平缓㊂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[C a]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[M g]含量逐渐增加,由6.33p p m增加到10.35p p m,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(A l2O3)活度增加,使得钢液中[A l]含量逐渐增加㊂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㊂其中在碱度由3增加到4,氧含量处于增加阶段,氧含量由5.4p p m增加到6.21p p m;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6.21p p m降低到6.12p p m;这是由于精炼渣碱度的增加使得A l2O3活度降低,促进A l-O反应向生成A l2O3的方向进行,使得氧含量逐渐降低㊂综上可以看出,随着碱度由3增加到7,钢液中C a㊁M g㊁O元素变化较明显,而铝元素含量变化相对较小㊂2.2精炼渣中M g O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(A l2O3)=26%,w(F e O)= 0.8%,w(M g O)%变化范围为5%~9%,步长为1%㊂通过控制变量法,运用F a c t S a g e软件模拟1600ħ的渣金反应,计算结果如图(2)所示㊂图2精炼渣中M g O含量对钢液组分的影响由图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[C a ]含量逐渐降低,由4.55p p m 降低到4.51p pm ,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㊂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7.57p p m 增加到9.66p p m ;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㊂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㊂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㊂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5.44p p m 增加到6.20p p m ;在氧化镁含量大于7%时,氧含量变化不明显,大约在6.2p p m 左右㊂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㊂2.3 精炼渣中A l 2O 3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 (M gO )=7%,w (F e O )=0.8%,w (A l 2O 3)%变化范围为22%~30%,步长为2%㊂通过控制变量法,运用F a c t S a g e 软件模拟1600ħ的渣金反应,计算结果如图(3)所示㊂图3 精炼渣中A l 2O 3含量对钢液组分的影响711 第4期 白少勋,等:精炼渣组分对轴承钢钢液组分的影响811华北理工大学学报(自然科学版)第45卷由图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. 51p p m降低到4.09p p m;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㊂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9.73p p m降低到9.38p p m;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㊂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㊂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A l-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㊂2.4精炼渣中F e O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(M g O)=7%,w(A l2O3) =26%,w(F e O)%变化范围为0.4%~1.2%,步长为0.2%㊂通过控制变量法,运用F a c t S a g e软件模拟1 600ħ的渣金反应,计算结果如图(4)所示㊂图4精炼渣中F e O含量对钢液组分的影响由图4(a)发现随着精炼渣中F e O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4.51p p m左右;这是由于随着精炼渣中F e O对钢液由㊁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㊂由图4(b )发现随着精炼渣中F e O 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9.66p p m 降低到9.60p p m ;这是由于随着精炼渣中F e O 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㊂由图4(c )发现随着精炼渣中F e O 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F e O 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㊂由图4(d )发现随着精炼渣中F e O 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F e O 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㊂3结论(1)元素含量变化范围如下:2.59*10-4%ɤ[C a ]ɤ4.53*10-4%㊁6.33*10-4%ɤ[M g]ɤ10.35*10-4%㊁3.48*10-2%ɤ[A l ]ɤ7.93*10-2%㊁5.40*10-4%ɤ[O ]ɤ6.21*10-4%㊂(2)精炼渣碱度对钢液组分影响最大,且主要影响钢液中钙㊁镁㊁氧元素含量;且随着碱度的增加,钢中的钙镁元素含量逐渐增加,氧元素先增加后逐渐降低㊂(3)精炼渣中氧化镁含量对钢液组分影响次之;精炼渣中氧化铝以及氧化亚铁含量对钢液组分影响最小㊂参考文献:[1] 李昭昆,雷建中,徐海峰,等.国内外轴承钢的现状与发展趋势[J ].钢铁研究学报,2016,28(03):1-12.[2] 吕子宇,顾超,包燕平.轴承钢中不同成分钙铝酸盐类夹杂物对疲劳性能的影响[J ].现代交通与冶金材料,2022,2(03):36-40+50.[3] 肖微.基于非铝脱氧的G C r 15轴承钢关键工艺与夹杂物控制研究[D ].北京:北京科技大学,2022.[4] 顾超,王仲亮,肖微,等.高疲劳寿命轴承钢洁净度现状及研究进展[J ].工程科学学报,2021,43(03):299-310.[5] 徐迎铁,陈兆平,杨宝权.轴承钢D s 类大颗粒夹杂物研究[J ].炼钢,2016,32(04):49-53.[6] D E N GZ h i -y i n ,Z HU M i a o -y o n g ,Z H O N GB a o -j u n ,e t .a l .E f f e c t o f B a s i c i t y o nD e o x i d a t i o nC a p a b i l i t y o f R e f i n i n g S l a g[J 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l l u r g y a n dE n e r g y,N o r t hC h i n aU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,T a n g s h a nH e b e i063210,C h i n a) K e y w o r d s:G C r15b e a r i n g s t e e l;F a c t S a g e;r e f i n i n g s l a g;c o m p o s i t i o no f s t e e l;t h e r m o d y n a m i c sA b s t r a c t:T a k i n g G C r15b e a r i n g s t e e l a s t h e r e s e a r c ho b j e c t,t h e f i v e c o m p o n e n t s l a g s y s t e mo f C a O-M g O-S i O2-A l2O3-F e O w a s d e s i g n e d,a n d t h eE q u i l i b p l a t e o f F a c t S a g e s o f t w a r ew a s u s e d t o s t u d y t h e i n f l u e n c e o f d i f f e r e n tr e f i n i n g s l a g c o m p o n e n t so nt h ec o n t e n to fc a l c i u m,m a g n e s i u m,a l u m i n u m a n do x y g e ni n m o l t e n s t e e l.T h e v a r i a t i o n r a n g e o f c a l c i u m m a g n e s i u ma l u m i n u mo x i d e c o n t e n t i nm o l t e n s t e e l i s2.59* 10-4%ɤ[C a]ɤ4.53*10-4%,6.33*10-4%ɤ[M g]ɤ10.35*10-4%,3.48*10-2%ɤ[A l]ɤ7. 93*10-2%,5.40*10-4%ɤ[O]ɤ6.21*10-4%.T h e r e s u l t s h o w s t h a t t h e a l k a l i n i t y o f r e f i n i n g s l a g h a s t h e g r e a t e s t i n f l u e n c e o n t h e c o m p o s i t i o no fm o l t e ns t e e l,a n d m a i n l y a f f e c t s t h e c o n t e n t o f c a l c i u m, m a g n e s i u ma n d o x y g e n e l e m e n t s;W i t h t h e i n c r e a s e o f a l k a l i n i t y,t h e c o n t e n t o f c a l c i u ma n dm a g n e s i u mi n m o l t e n s t e e l i n c r e a s e s g r a d u a l l y f r o m2.59p p mt o4.53p p ma n d6.33p p mt o10.35p p mr e s p e c t i v e l y.T h e c o n t e n t o fM g Oi n r e f i n i n g s l a g h a s t h e s e c o n d e f f e c t o n t h e c o m p o s i t i o n o fm o l t e n s t e e l,w h i l e t h e c o n t e n t o fA l2O3a n dF e Oi n r e f i n i n g s l a g h a s t h e l e a s t e f f e c t o n t h e c o m p o s i t i o no fm o l t e n s t e e l.。
