随着地铁、铁路、公路等隧道工程中盾构施工技术的广泛应用,盾构机的使用迅速增加。盾构机主轴承是盾构机的关键部件,几乎等同于盾构机的寿命,还未能完全实现国产化。本文以盾构机主轴承滚动体用GCrl5SiMn钢为主要研究对象。GCrl5SiMn钢的冶炼流程为转炉/电炉-LF-VD/RH-模铸-电渣重熔-轧制。在对GCrl5SiMn钢的洁净度分析中,发现在电渣重熔工序自耗电极和电渣锭中存在许多大尺寸单一态TiN夹杂物和复合态TiN夹杂物(以氧化物夹杂物为核心,以TiN夹杂物为外围),这两类夹杂物会严重恶化轴承钢的性能,降低其寿命,限制其在盾构机上的使用。在本文中将利用高温共聚焦显微镜等实验设备并结合相关的数学模型对GCrl5SiMn钢在电渣重熔过程中单一态TiN夹杂物和复合态TiN夹杂物的形成机理及控制工艺进行研究。在高温共聚焦显微镜实验自耗电极试样升温的过程中,当试样温度达到此钢种的固相线温度1583 K(1310℃)时,TiN夹杂物和钢基体间的边界变得模糊,有开始溶解的趋势。从1628 K(1355℃)开始(高于固相线温度45 K),TiN夹杂物的溶解速度加快,在1691 K(1418℃)时,10 μm的TiN夹杂物基本溶解消失,此时试样温度还未达到此钢种的液相线温度1733 K(1460℃)。在电渣锭中所发现的TiN夹杂物是在金属熔池凝固过程中重新析出的,不是来自于自耗电极。通过建立溶质偏析和夹杂物析出长大耦合模型得到在金属熔池凝固过程中,在液相中TiN夹杂物析出前,随固相率的增加,Ti和N的含量不断增加。在液相中TiN夹杂物析出后,随固相率的增加,Ti的含量呈下降趋势,N的含量依然呈增加趋势,但增加的幅度和夹杂物析出前相比下降。缩小钢液凝固区间(液相线与固相线温度之差),会推迟液相中TiN夹杂物的开始析出时刻,并最终降低其长大尺寸和复合态TiN夹杂物的数量。在高温共聚焦显微镜实验中,对于尺寸10 μ的氧化物夹杂物核心,TiN夹杂物在其上开始析出时刻的温度约为1648 K(1375℃),夹杂物的尺寸从10 μm长大到13μm。对于尺寸5 μm的氧化物夹杂物核心,TiN夹杂物在其上开始析出时刻的温度约为1643 K(13700℃),夹杂物的尺寸从5 μm长大到10.5 μm。初始氧化物夹杂物核心的尺寸大小对于TiN夹杂物在其上开始析出时刻的温度和析出量几乎没有影响。在高温共聚焦显微镜实验钢液凝固的后期,TiN夹杂物的尺寸没有发生太大的变化,预示着在氧化物夹杂物核心上非均质形核将导致Ti和N先于钢液凝固结束前消耗完毕。因此氧化物夹杂物核心的呈现扮演着决定TiN夹杂物长大的温度区间的角色,即氧化物夹杂物核心的呈现使TiN夹杂物析出的时间主体提前。在钢液凝固的后期,TiN夹杂物二维平面形貌由圆形转变为近似方形(三维形貌由球形转变为近似立方形)是为了达到与钢液之间的平衡状态。通过工业试验得到,电渣熔渣中不同的SiO2含量对钢液中的Ti含量有较大影响。随着电渣熔渣中的SiO2含量的升高,钢液中的Ti含量下降。对于电渣熔渣中不同的Ti含量,钢液中有相对应的平衡Ti含量。当自耗电极中的Ti含量高于钢液中与电渣熔渣中的Ti含量相对应的平衡Ti含量时,TiN夹杂物溶解产生的Ti将会被氧化并且自耗电极中的Ti含量与平衡Ti含量的差值越大,自耗电极中的Ti含量氧化减少的程度越大。反之,当自耗电极中的Ti含量低于平衡Ti含量时,钢液中将会增Ti。