低頻電源頻率對GCr15 電渣錠中液析碳化物的影響

蘇云龍，朱春麗，張龍飛，王蒙俊，項淼苗，施曉芳，常立忠

（安徽工業大學冶金工程學院,安徽 馬鞍山 243002）

0 引言

近年來，我國經濟的飛速發展帶動了工業水平的迅猛提升，在工業生產中對作為重要材料之一的軸承鋼的質量要求也越來越高[1]。在軸承鋼本身成分確定的前提下，冶金質量成為決定其性能高低的關鍵因素[2]。鋼錠的潔凈度和凝固質量是衡量其冶金質量優劣的主要指標。隨著爐外精煉技術的發展，軸承鋼潔凈度持續提高，我國部分鋼鐵企業生產的軸承鋼中全氧含量(質量分數)能控制在5×10－6左右，已經達到國際先進水平[3]。然而，大部分軸承鋼中的碳含量偏高，其凝固過程不可避免地會造成碳元素的偏析，進而產生液析碳化物，對鋼的質量有非常不利的影響[4?6]。

液析碳化物硬度高、脆性大，在受外力作用時，在液析碳化物晶界處容易產生疲勞裂紋，從而降低軸承的疲勞壽命，液析碳化物比網狀碳化物和帶狀碳化物更難消除，后續所需熱處理時間更長，降低了生產效率，尤其是對大尺寸液析碳化物的消除更難?？刂坪靡何鎏蓟锏臄盗?、尺寸和形貌，可以降低液析碳化物對鋼材的危害，因此如何細化軸承鋼的凝固組織、減少（或避免）液析碳化物的析出成為提高軸承鋼質量的關鍵環節之一。近年來，為消除或細化鋼中液析碳化物，已有冶金工作者進行了大量的研究，如電渣重熔技術[7?10]、高溫擴散退火處理[11?12]、在鋼中添加微量鎂[13]等。電渣重熔（ESR）是目前生產高質量軸承鋼的主要冶煉工藝之一[14?15]。與傳統的連鑄、模鑄工藝相比，電渣重熔由于冷卻速度較快可抑制元素偏析，進而抑制液析碳化物的析出。然而，隨著電渣錠直徑的增大，其芯部冷卻速度減弱，往往會發現液析碳化物的析出，因此亟需采取更有效的措施激發電渣重熔的優勢。另外，傳統電渣重熔使用的電源多為50 Hz 的交流電，隨著電渣錠噸位（直徑）的增加，重熔過程的功率因數下降、電效率下降、能耗增加，并且還會導致電路的三相不平衡[16?19]。冶金工作者提出了低頻電渣重熔的思路，有的鋼鐵企業還設計并制備了低頻電渣重熔爐[20?22]，對提高電效率起到了較好的效果。然而，目前關于低頻電渣重熔對電渣錠凝固質量影響的研究很少。因此，筆者以GCr15軸承鋼為研究對象，詳細研究了不同電源頻率，特別是低頻對GCr15 軸承鋼電渣錠中液析碳化物的影響規律，以期能為提高電渣錠的質量提供一條新的思路。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗采用的GCr15 軸承鋼材料制備工藝為：EAF-LF-RH-CC，然后再將連鑄坯鍛造成直徑55 mm、長度700 mm 的自耗電極供重熔用，其主要化學成分如表1 所示。電渣重熔試驗過程中使用的渣系是傳統的ANF-6 渣，即30%Al2O3和70%CaF2。

表1 GCr15 軸承鋼主要化學成分Table 1 Main chemical composition of GCr15 bearing steel %

1.2 試驗設備

圖1 為低頻電渣重熔爐示意。低頻電源的頻率可通過低頻電源控制柜調整，其工作范圍為0～10 Hz、50 Hz；并且可通過控制柜調整電壓，從而達到精準控制變量。重熔電渣錠的直徑范圍可為50～120 mm，采用直徑100 mm 的結晶器進行低頻電渣重熔試驗。

圖1 低頻電渣重熔爐示意Fig.1 Experimental device of low frequency power supply electroslag furnace

1.3 試驗方案及試驗過程

為了研究不同電源頻率對GCr15 電渣錠液析碳化物的影響，試驗將在0.1、0.4、1、2、50 Hz 頻率下分別進行電渣重熔試驗。具體試驗方案如表2 所示。

表2 試驗方案Table 2 Experimental schemes

試驗過程如下：①試驗前準備：將1 200 g 渣料配好后混勻放入石墨坩堝內，待高溫管式爐的溫度達到1 600～1 650 ℃時將坩堝放入其中保溫，直至渣料完全熔化；將自耗電極表面的氧化物打磨去除；冷卻水壓力調整為0.2～0.3 MPa；設定好低頻電源頻率。②試驗開始：當高溫爐內的渣料完全熔化后，將其取出快速倒入結晶器內，電極下降，電渣重熔試驗開始。通過人工控制自耗電極的下降速度以控制過程電流達到目標值。電渣重熔試驗過程中不加入任何物料。③電渣試驗結束：當剩下5%的自耗電極時，斷電，重熔結束。待熔渣凝固后將電渣錠脫模去除，送入退火爐退火。④試樣檢測。

2 結果與討論

2.1 頻率對電渣錠中液析碳化物的影響

2.1.1 不同頻率下電渣錠中液析碳化物數量及尺寸的變化規律

圖2 為不同電源頻率對液析碳化物數量的影響。從圖2 可以看出，無論采用何種頻率重熔，均是芯部的液析碳化物最多，其次為2/3R處，而邊部的碳化物數量最少。

圖2 GCr15 電渣錠中液析碳化物數量的變化Fig.2 Variation of the number of liquid carbides in GCr15 ESR ingot

在邊部位置，隨著重熔電源頻率的降低，液析碳化物的數量總體呈逐漸減少的趨勢。當頻率為50 Hz 時，邊部液析碳化物的數量為38 個，當頻率逐漸下降至2、1 Hz 和0.4 Hz 時，碳化物的數量減少至20、16 和11 個，當頻率為0.1 Hz 時，碳化物數量又稍微增加至15 個。當處于2/3R位置時，碳化物的變化規律類似于邊部位置。當頻率為50 Hz 時，碳化物的數量為75 個，當頻率為2 Hz 和1 Hz 時，碳化物的數量均有所減少，分別為60 個和68 個，當頻率為0.4 Hz 時，碳化物數量繼續減少至39 個，而頻率為0.1 Hz 時，又增多至68 個；當處于電渣錠芯部時，頻率為0.4 Hz 時液析碳化物數量最少，為69 個，相比于工頻時的81 個減少了12 個；而當頻率為0.1 Hz 時，碳化物數量最多，為98 個，相比于工頻時增加了29 個。

從以上試驗數據可知，合理的低頻頻率可以減少液析碳化物的數量，而且對邊部和2/3R處的影響要大于對芯部的影響。

表3 為不同電源頻率對不同位置處液析碳化物尺寸的影響。

表3 不同頻率下液析碳化物尺寸的變化Table 3 Changes of size of liquidated carbides at different frequencies

將表3 中數據整理作圖，分析不同頻率對液析碳化物尺寸的影響，如圖3～5 所示。

圖3 頻率對邊部液析碳化物尺寸的影響Fig.3 Effect of frequency on size of edge liquid carbides

圖3 為不同頻率對電渣錠邊部位置處液析碳化物尺寸分布的影響。從圖3 可得，低頻電渣重熔可以減少邊部位置大尺寸碳化物的數量，并且可以有效減小碳化物的最大尺寸和平均尺寸。相較于工頻電渣重熔的電渣錠，在1、0.4 Hz 和0.1 Hz 時分別降低了11.25%、21.31%和36.51%，而五組試驗的平均尺寸均很小，在改變頻率后平均尺寸并無多大變化。

圖4 為不同電源頻率對2/3R處液析碳化物尺寸分布的影響。從圖4(a)可以看出，在2/3R位置，五組試驗中液析碳化物均主要集中在5～10 μm 的范圍內，而隨著頻率的降低，從工頻的49 個減少至0.4 Hz 時的30 個，但在0.1 Hz 時又有所增加，為54 個；而分布在10～20 μm 范圍內尺寸稍大的碳化物，隨著頻率的降低，從工頻時的20 個逐漸減少至0.4 Hz 時的4 個，在0.1 Hz 時又上升至8 個。從圖4(b)的變化曲線可得，液析碳化物的平均尺寸稍有降低，總體并無多大變化，其中在0.4 Hz 時平均尺寸最小，為7.35 μm；而最大尺寸的變化趨勢總體呈先減小后增大的趨勢，當工頻重熔時，最大尺寸為20.58 μm，頻率降低至0.4 Hz 時，碳化物最大尺寸減小至12.61 μm，降低了38.73%，但在0.1 Hz 時又增大到22.67 μm，比工頻時增大了10.16%。在合理的頻率范圍內，低頻不僅可以減少碳化物大尺寸的數量，還能減小碳化物的最大尺寸。

圖4 頻率對2/3R 處液析碳化物尺寸的影響Fig.4 Effect of frequency on size of liquid carbides at 2/3R

圖5 為不同電源頻率對芯部液析碳化物尺寸分布的影響。從圖5 (a)可以看出，芯部的尺寸分布類似于2/3R處的尺寸分布，碳化物主要集中在5～10 μm內，相比于工頻，低頻時的數量都有所上升，而隨著頻率的降低，10～20 μm 內的碳化物數量在不斷地減少。從圖5 (b)可得，芯部碳化物平均尺寸和2/3R處平均尺寸的變化曲線也基本一致，隨著頻率的降低，平均尺寸從工頻時的9.62 μm 減小至0.4 Hz 時的7.31 μm，降低了24.01%；而最大尺寸呈先增大后減小，然后再增大的趨勢，從工頻時的15.42 μm 增加至2 Hz 和1 Hz時的17.00 μm 和16.87 μm，后減小至0.4 Hz 時的13.17 μm，降低了14.60%，然后又增大至0.1 Hz 時的15.28 μm，雖然最大尺寸在0.1 Hz 時又有所增加，但還是比工頻時要小。

圖5 頻率對芯部液析碳化物尺寸的影響Fig.5 Effect of frequency on size of liquid carbides in heart

從圖3～5 可以看出，低頻電渣重熔可以減小大尺寸碳化物的數量和最大尺寸，而平均尺寸基本無多大變化，均在小范圍內波動，而且低頻對邊部和2/3R處碳化物尺寸的影響要大于對芯部的影響。

2.1.2 電源頻率對液析碳化物形貌的影響

圖6 為不同頻率下電渣錠不同位置液析碳化物的典型形貌。

圖6 不同頻率下電渣錠中液析碳化物的形貌（×500）Fig.6 Morphology of liquid carbides at different frequencies (×500)

從圖6 可以得出，頻率變化對液析碳化物的形貌影響較小，主要是以球形、條形為主，在此基礎上不規則變化。相對于工頻，總體上低頻重熔電渣錠中碳化物的形狀更為規則，顆粒圓度更高，但頻率并不是越低越好，在0.1 Hz 時，不管是在芯部還是2/3R處，液析碳化物的尺寸又變的粗大且不規則。

圖7 為GCr15 軸承鋼電渣錠中液析碳化物的元素分布。

圖7 典型液析碳化物的元素分布Fig.7 Element distribution of representative liquid carbides

從圖7 可以看出，不管是工頻還是低頻下重熔，液析碳化物并不是獨立存在的，大多依附在Al2O3上析出，少數依附在TiN 或Al2O3-TiN 復合夾雜上析出，且碳化物的成分并無多大變化。因此，減少軸承鋼中的夾雜物對于抑制液析碳化物的析出具有積極意義。

2.2 分析討論

在凝固過程中，由于C、Cr 元素的富集，導致液析碳化物的產生。而采用不同的電源頻率電渣重熔時，雖然不能改變液析碳化物的組成，但能使多棱角的碳化物變得圓潤，而且在合理的頻率范圍內，低頻能減少碳化物的數量及尺寸大小。而液析碳化物的形成與凝固過程息息相關[23?24]，因此低頻操作必然是影響了電渣錠的凝固，進而影響了碳化物的析出。

在電渣重熔時，當電流從電極經過熔渣和金屬熔池流向鋼錠時，在結晶器內部的重熔體系中會產生一個對應的磁場，電場和磁場相互作用會產生相應的電磁力。此電磁力會對重熔體系有一個攪拌作用。電磁力越大，攪拌作用越強。而電源頻率越低，熱源滲透性越好，由于渣池內熔渣的電阻率遠遠大于鋼液，通電后，渣池內的電磁力也遠遠大于金屬熔池，頻率越低，渣池內的電磁力就越強，電磁攪拌所形成的強制對流也越劇烈，因而會帶動金屬熔池的運動，使得熔池內部會有一個攪拌的趨勢，促進了熔池內部的熱交換，使熔池溫度場進一步均勻，熔池深度變淺[25?27]。由于渣池及金屬熔池溫度的均勻，也使得渣皮變薄，從而提升了結晶器的冷卻效果，提高了凝固速率，如圖8 所示。

圖8 不同電源頻率電渣重熔過程示意Fig.8 Schematic diagram of electroslag remelting process at different power frequencies

當采用工頻電渣重熔時，金屬熔池較深，熔池中心區域溫度較高，金屬熔池傳熱能力差，這相當于延長了選分結晶的時間，導致形成發達的柱狀晶組織，樹枝晶之間的間距也會增大，再加上Cr 元素的擴散系數較小，使得C、Cr 元素不斷在樹枝晶間聚集，最終使得大尺寸的碳化物在樹枝晶內形成并析出；同時，在工頻電渣重熔時，渣皮較厚且不均勻，使得凝固過程中的冷卻速率變慢，這進一步導致C、Cr 合金元素有更多時間在樹枝晶內析出和富集，進而有更多時間形成碳化物并長大、變粗。

當采用低頻重熔后，電磁力的攪拌作用使得金屬熔池深度變淺，熔池內的溫度分布也較均勻，軸向傳熱能力加強，凝固速度加快，使得結晶過程能在較快時間內完成，進而減小了樹枝晶之間的間距，使得C、Cr 合金元素在樹枝晶內的富集程度減小，碳化物在樹枝晶內的生長空間和時間都不夠，因而碳化物數量變少，尺寸也變??；同時由于渣皮厚度減小，且均勻性提高，凝固過程的冷卻速度提高，使得固相和液相中的充分擴散受到抑制，減少了夾雜物進入枝晶內的數量，從而減少了形核率，碳化物的數量也隨之減少。

3 結論

主要研究電源頻率變化對電渣重熔GCr15 軸承鋼中的液析碳化物數量、尺寸以及形貌的影響，得出如下結論：

1）與工頻電渣重熔相比，低頻電渣重熔可以有效降低GCr15 軸承鋼中液析碳化物的數量，特別是對于邊部和2/3R處，碳化物數量下降幅度較大，在0.4 Hz 時分別下降71.05%和48.00%。芯部液析碳化物的數量總體稍有增加，在0.1 Hz 時最大增幅為21.00%；

2）不管是邊部、芯部還是2/3R處，低頻均能降低液析碳化物的最大尺寸，特別是對邊部和2/3R處碳化物的影響最大，邊部最大尺寸從工頻時的11.64 μm 減小至0.1 Hz時的7.39 μm，減小了36.51%；2/3R處最大尺寸從工頻時的20.58 μm 減小至0.4 Hz 時的12.61 μm，減小了38.73%；頻率的變化對液析碳化物的平均尺寸影響較小。

3）相對于工頻，總體上低頻重熔電渣錠中碳化物的形貌更為規則，顆粒圓度更高，但頻率并不是越低越好，在0.1 Hz 時，不管是在芯部還是2/3R處，液析碳化物的尺寸又變得粗大且不規則。