低频电源频率对GCr15 电渣锭中液析碳化物的影响

苏云龙，朱春丽，张龙飞，王蒙俊，项淼苗，施晓芳，常立忠

（安徽工业大学冶金工程学院,安徽 马鞍山 243002）

0 引言

近年来，我国经济的飞速发展带动了工业水平的迅猛提升，在工业生产中对作为重要材料之一的轴承钢的质量要求也越来越高[1]。在轴承钢本身成分确定的前提下，冶金质量成为决定其性能高低的关键因素[2]。钢锭的洁净度和凝固质量是衡量其冶金质量优劣的主要指标。随着炉外精炼技术的发展，轴承钢洁净度持续提高，我国部分钢铁企业生产的轴承钢中全氧含量(质量分数)能控制在5×10－6左右，已经达到国际先进水平[3]。然而，大部分轴承钢中的碳含量偏高，其凝固过程不可避免地会造成碳元素的偏析，进而产生液析碳化物，对钢的质量有非常不利的影响[4−6]。

液析碳化物硬度高、脆性大，在受外力作用时，在液析碳化物晶界处容易产生疲劳裂纹，从而降低轴承的疲劳寿命，液析碳化物比网状碳化物和带状碳化物更难消除，后续所需热处理时间更长，降低了生产效率，尤其是对大尺寸液析碳化物的消除更难。控制好液析碳化物的数量、尺寸和形貌，可以降低液析碳化物对钢材的危害，因此如何细化轴承钢的凝固组织、减少（或避免）液析碳化物的析出成为提高轴承钢质量的关键环节之一。近年来，为消除或细化钢中液析碳化物，已有冶金工作者进行了大量的研究，如电渣重熔技术[7−10]、高温扩散退火处理[11−12]、在钢中添加微量镁[13]等。电渣重熔（ESR）是目前生产高质量轴承钢的主要冶炼工艺之一[14−15]。与传统的连铸、模铸工艺相比，电渣重熔由于冷却速度较快可抑制元素偏析，进而抑制液析碳化物的析出。然而，随着电渣锭直径的增大，其芯部冷却速度减弱，往往会发现液析碳化物的析出，因此亟需采取更有效的措施激发电渣重熔的优势。另外，传统电渣重熔使用的电源多为50 Hz 的交流电，随着电渣锭吨位（直径）的增加，重熔过程的功率因数下降、电效率下降、能耗增加，并且还会导致电路的三相不平衡[16−19]。冶金工作者提出了低频电渣重熔的思路，有的钢铁企业还设计并制备了低频电渣重熔炉[20−22]，对提高电效率起到了较好的效果。然而，目前关于低频电渣重熔对电渣锭凝固质量影响的研究很少。因此，笔者以GCr15轴承钢为研究对象，详细研究了不同电源频率，特别是低频对GCr15 轴承钢电渣锭中液析碳化物的影响规律，以期能为提高电渣锭的质量提供一条新的思路。

1 试验

1.1 试验材料

试验采用的GCr15 轴承钢材料制备工艺为：EAF-LF-RH-CC，然后再将连铸坯锻造成直径55 mm、长度700 mm 的自耗电极供重熔用，其主要化学成分如表1 所示。电渣重熔试验过程中使用的渣系是传统的ANF-6 渣，即30%Al2O3和70%CaF2。

表1 GCr15 轴承钢主要化学成分Table 1 Main chemical composition of GCr15 bearing steel %

1.2 试验设备

图1 为低频电渣重熔炉示意。低频电源的频率可通过低频电源控制柜调整，其工作范围为0～10 Hz、50 Hz；并且可通过控制柜调整电压，从而达到精准控制变量。重熔电渣锭的直径范围可为50～120 mm，采用直径100 mm 的结晶器进行低频电渣重熔试验。

图1 低频电渣重熔炉示意Fig.1 Experimental device of low frequency power supply electroslag furnace

1.3 试验方案及试验过程

为了研究不同电源频率对GCr15 电渣锭液析碳化物的影响，试验将在0.1、0.4、1、2、50 Hz 频率下分别进行电渣重熔试验。具体试验方案如表2 所示。

表2 试验方案Table 2 Experimental schemes

试验过程如下：①试验前准备：将1 200 g 渣料配好后混匀放入石墨坩埚内，待高温管式炉的温度达到1 600～1 650 ℃时将坩埚放入其中保温，直至渣料完全熔化；将自耗电极表面的氧化物打磨去除；冷却水压力调整为0.2～0.3 MPa；设定好低频电源频率。②试验开始：当高温炉内的渣料完全熔化后，将其取出快速倒入结晶器内，电极下降，电渣重熔试验开始。通过人工控制自耗电极的下降速度以控制过程电流达到目标值。电渣重熔试验过程中不加入任何物料。③电渣试验结束：当剩下5%的自耗电极时，断电，重熔结束。待熔渣凝固后将电渣锭脱模去除，送入退火炉退火。④试样检测。

2 结果与讨论

2.1 频率对电渣锭中液析碳化物的影响

2.1.1 不同频率下电渣锭中液析碳化物数量及尺寸的变化规律

图2 为不同电源频率对液析碳化物数量的影响。从图2 可以看出，无论采用何种频率重熔，均是芯部的液析碳化物最多，其次为2/3R处，而边部的碳化物数量最少。

图2 GCr15 电渣锭中液析碳化物数量的变化Fig.2 Variation of the number of liquid carbides in GCr15 ESR ingot

在边部位置，随着重熔电源频率的降低，液析碳化物的数量总体呈逐渐减少的趋势。当频率为50 Hz 时，边部液析碳化物的数量为38 个，当频率逐渐下降至2、1 Hz 和0.4 Hz 时，碳化物的数量减少至20、16 和11 个，当频率为0.1 Hz 时，碳化物数量又稍微增加至15 个。当处于2/3R位置时，碳化物的变化规律类似于边部位置。当频率为50 Hz 时，碳化物的数量为75 个，当频率为2 Hz 和1 Hz 时，碳化物的数量均有所减少，分别为60 个和68 个，当频率为0.4 Hz 时，碳化物数量继续减少至39 个，而频率为0.1 Hz 时，又增多至68 个；当处于电渣锭芯部时，频率为0.4 Hz 时液析碳化物数量最少，为69 个，相比于工频时的81 个减少了12 个；而当频率为0.1 Hz 时，碳化物数量最多，为98 个，相比于工频时增加了29 个。

从以上试验数据可知，合理的低频频率可以减少液析碳化物的数量，而且对边部和2/3R处的影响要大于对芯部的影响。

表3 为不同电源频率对不同位置处液析碳化物尺寸的影响。

表3 不同频率下液析碳化物尺寸的变化Table 3 Changes of size of liquidated carbides at different frequencies

将表3 中数据整理作图，分析不同频率对液析碳化物尺寸的影响，如图3～5 所示。

图3 频率对边部液析碳化物尺寸的影响Fig.3 Effect of frequency on size of edge liquid carbides

图3 为不同频率对电渣锭边部位置处液析碳化物尺寸分布的影响。从图3 可得，低频电渣重熔可以减少边部位置大尺寸碳化物的数量，并且可以有效减小碳化物的最大尺寸和平均尺寸。相较于工频电渣重熔的电渣锭，在1、0.4 Hz 和0.1 Hz 时分别降低了11.25%、21.31%和36.51%，而五组试验的平均尺寸均很小，在改变频率后平均尺寸并无多大变化。

图4 为不同电源频率对2/3R处液析碳化物尺寸分布的影响。从图4(a)可以看出，在2/3R位置，五组试验中液析碳化物均主要集中在5～10 μm 的范围内，而随着频率的降低，从工频的49 个减少至0.4 Hz 时的30 个，但在0.1 Hz 时又有所增加，为54 个；而分布在10～20 μm 范围内尺寸稍大的碳化物，随着频率的降低，从工频时的20 个逐渐减少至0.4 Hz 时的4 个，在0.1 Hz 时又上升至8 个。从图4(b)的变化曲线可得，液析碳化物的平均尺寸稍有降低，总体并无多大变化，其中在0.4 Hz 时平均尺寸最小，为7.35 μm；而最大尺寸的变化趋势总体呈先减小后增大的趋势，当工频重熔时，最大尺寸为20.58 μm，频率降低至0.4 Hz 时，碳化物最大尺寸减小至12.61 μm，降低了38.73%，但在0.1 Hz 时又增大到22.67 μm，比工频时增大了10.16%。在合理的频率范围内，低频不仅可以减少碳化物大尺寸的数量，还能减小碳化物的最大尺寸。

图4 频率对2/3R 处液析碳化物尺寸的影响Fig.4 Effect of frequency on size of liquid carbides at 2/3R

图5 为不同电源频率对芯部液析碳化物尺寸分布的影响。从图5 (a)可以看出，芯部的尺寸分布类似于2/3R处的尺寸分布，碳化物主要集中在5～10 μm内，相比于工频，低频时的数量都有所上升，而随着频率的降低，10～20 μm 内的碳化物数量在不断地减少。从图5 (b)可得，芯部碳化物平均尺寸和2/3R处平均尺寸的变化曲线也基本一致，随着频率的降低，平均尺寸从工频时的9.62 μm 减小至0.4 Hz 时的7.31 μm，降低了24.01%；而最大尺寸呈先增大后减小，然后再增大的趋势，从工频时的15.42 μm 增加至2 Hz 和1 Hz时的17.00 μm 和16.87 μm，后减小至0.4 Hz 时的13.17 μm，降低了14.60%，然后又增大至0.1 Hz 时的15.28 μm，虽然最大尺寸在0.1 Hz 时又有所增加，但还是比工频时要小。

图5 频率对芯部液析碳化物尺寸的影响Fig.5 Effect of frequency on size of liquid carbides in heart

从图3～5 可以看出，低频电渣重熔可以减小大尺寸碳化物的数量和最大尺寸，而平均尺寸基本无多大变化，均在小范围内波动，而且低频对边部和2/3R处碳化物尺寸的影响要大于对芯部的影响。

2.1.2 电源频率对液析碳化物形貌的影响

图6 为不同频率下电渣锭不同位置液析碳化物的典型形貌。

图6 不同频率下电渣锭中液析碳化物的形貌（×500）Fig.6 Morphology of liquid carbides at different frequencies (×500)

从图6 可以得出，频率变化对液析碳化物的形貌影响较小，主要是以球形、条形为主，在此基础上不规则变化。相对于工频，总体上低频重熔电渣锭中碳化物的形状更为规则，颗粒圆度更高，但频率并不是越低越好，在0.1 Hz 时，不管是在芯部还是2/3R处，液析碳化物的尺寸又变的粗大且不规则。

图7 为GCr15 轴承钢电渣锭中液析碳化物的元素分布。

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

从图7 可以看出，不管是工频还是低频下重熔，液析碳化物并不是独立存在的，大多依附在Al2O3上析出，少数依附在TiN 或Al2O3-TiN 复合夹杂上析出，且碳化物的成分并无多大变化。因此，减少轴承钢中的夹杂物对于抑制液析碳化物的析出具有积极意义。

2.2 分析讨论

在凝固过程中，由于C、Cr 元素的富集，导致液析碳化物的产生。而采用不同的电源频率电渣重熔时，虽然不能改变液析碳化物的组成，但能使多棱角的碳化物变得圆润，而且在合理的频率范围内，低频能减少碳化物的数量及尺寸大小。而液析碳化物的形成与凝固过程息息相关[23−24]，因此低频操作必然是影响了电渣锭的凝固，进而影响了碳化物的析出。

在电渣重熔时，当电流从电极经过熔渣和金属熔池流向钢锭时，在结晶器内部的重熔体系中会产生一个对应的磁场，电场和磁场相互作用会产生相应的电磁力。此电磁力会对重熔体系有一个搅拌作用。电磁力越大，搅拌作用越强。而电源频率越低，热源渗透性越好，由于渣池内熔渣的电阻率远远大于钢液，通电后，渣池内的电磁力也远远大于金属熔池，频率越低，渣池内的电磁力就越强，电磁搅拌所形成的强制对流也越剧烈，因而会带动金属熔池的运动，使得熔池内部会有一个搅拌的趋势，促进了熔池内部的热交换，使熔池温度场进一步均匀，熔池深度变浅[25−27]。由于渣池及金属熔池温度的均匀，也使得渣皮变薄，从而提升了结晶器的冷却效果，提高了凝固速率，如图8 所示。

图8 不同电源频率电渣重熔过程示意Fig.8 Schematic diagram of electroslag remelting process at different power frequencies

当采用工频电渣重熔时，金属熔池较深，熔池中心区域温度较高，金属熔池传热能力差，这相当于延长了选分结晶的时间，导致形成发达的柱状晶组织，树枝晶之间的间距也会增大，再加上Cr 元素的扩散系数较小，使得C、Cr 元素不断在树枝晶间聚集，最终使得大尺寸的碳化物在树枝晶内形成并析出；同时，在工频电渣重熔时，渣皮较厚且不均匀，使得凝固过程中的冷却速率变慢，这进一步导致C、Cr 合金元素有更多时间在树枝晶内析出和富集，进而有更多时间形成碳化物并长大、变粗。

当采用低频重熔后，电磁力的搅拌作用使得金属熔池深度变浅，熔池内的温度分布也较均匀，轴向传热能力加强，凝固速度加快，使得结晶过程能在较快时间内完成，进而减小了树枝晶之间的间距，使得C、Cr 合金元素在树枝晶内的富集程度减小，碳化物在树枝晶内的生长空间和时间都不够，因而碳化物数量变少，尺寸也变小；同时由于渣皮厚度减小，且均匀性提高，凝固过程的冷却速度提高，使得固相和液相中的充分扩散受到抑制，减少了夹杂物进入枝晶内的数量，从而减少了形核率，碳化物的数量也随之减少。

3 结论

主要研究电源频率变化对电渣重熔GCr15 轴承钢中的液析碳化物数量、尺寸以及形貌的影响，得出如下结论：

1）与工频电渣重熔相比，低频电渣重熔可以有效降低GCr15 轴承钢中液析碳化物的数量，特别是对于边部和2/3R处，碳化物数量下降幅度较大，在0.4 Hz 时分别下降71.05%和48.00%。芯部液析碳化物的数量总体稍有增加，在0.1 Hz 时最大增幅为21.00%；

2）不管是边部、芯部还是2/3R处，低频均能降低液析碳化物的最大尺寸，特别是对边部和2/3R处碳化物的影响最大，边部最大尺寸从工频时的11.64 μm 减小至0.1 Hz时的7.39 μm，减小了36.51%；2/3R处最大尺寸从工频时的20.58 μm 减小至0.4 Hz 时的12.61 μm，减小了38.73%；频率的变化对液析碳化物的平均尺寸影响较小。

3）相对于工频，总体上低频重熔电渣锭中碳化物的形貌更为规则，颗粒圆度更高，但频率并不是越低越好，在0.1 Hz 时，不管是在芯部还是2/3R处，液析碳化物的尺寸又变得粗大且不规则。