CN105369013B - 控制GCr15轴承钢中N含量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种控制GCr15轴承钢中N含量的方法，其在出钢关键环节采取“高碳低温出钢”新技术，在精炼时用锹将碳粉均匀铺散加入LF炉，造泡沫渣，使电极埋弧加热，并且采用真空处理、连铸保护浇铸，本发明对GCr15轴承钢冶炼各过程吸N都进行阻止、控制，同时操作简单、节约能源保护环境、降低成本，又提高了产品的性价比和市场竞争力，最终可将GCr15轴承钢中N含量控制在[N]≤0.0050％。
Description
技术领域
本发明涉及炼钢生产过程轴承钢中N含量控制技术领域，具体指一种控制GCr15轴承钢中N含量的方法。
背景技术
GB/T 18254-2002标准中规定高碳铬轴承钢有：GCr4、GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo等5个钢号，钢中碳含量[C]：0.95～1.05％，其中以GCr15为代表钢种，其主要用于制造轴承滚动体、内外套圈的材料，轴承的工作条件极为复杂，承受着各种高的交变应力，如拉力、压力、剪力和摩擦力等，因此对轴承钢的材质也提出了非常严格的质量要求，为了保证轴承钢有较高的疲劳强度、抗压强度、表面硬度和较长的使用寿命，钢中的碳化物夹杂、氧化物夹杂、氮化物夹杂、点状夹杂等各种非金属夹杂物要严格地控制在一定的范围之内，也就是要求对钢中O、N、H元素含量都低。
N元素固溶于铁，形成间隙式固溶体，N在α铁中的溶解度随温度的下降急剧降低，如在590℃时N的溶解度约为0.10％，温度降低到400℃、300℃、200℃、100℃时，其溶解度分别为：0.02％、0.01％、0.005％、0.001％。
N在钢中与金属的亲和力较强，能与Ti、Al、V等形成稳定的化合物，特别是与Ti结合形成TiN、Ti(C，N)等，钢中氮化钛夹杂物具有很高的脆硬性,并呈棱角几何形状,在钢基体热变形时，氮化钛棱角未发生大的变形，因而棱角与在钢基体接触处出现微小空洞，也就是在钢中形成微裂纹，使轴承运行中造成应力集中而诱导疲劳裂纹扩展、掉块，降低轴承寿命。
钢中N元素部分随炉料进入，大部分则在冶炼过程中从炉气中吸入，主要在以下3～4阶段(冶炼阶段)：①转炉、电炉冶炼时，各种原材料带入N元素；②初炼炉钢水出钢过程中，钢液吸气；③精炼炉加热时电弧将空气电离，使部分N-离子进入钢液中，钢液吸附N-离子；④连铸过程中，钢液吸气。
进入钢中的N元素在随后的冶炼过程中较难去除，即使采取对钢液抽真空脱气工艺，也仅能降低钢中N含量的25～30％，故只有从源头杜绝N元素进入钢液才能降低钢中N含量。
现有技术中涉及控制轴承钢GCr15中N含量的专利主要为：专利“一种极纯高碳铬轴承钢的冶炼生产方法”(专利号：ZL 200510027394.3)主要是：采用高纯轴承钢坯料(氧、氮含量≤7ppm、70ppm)+真空感应炉精炼+真空自耗炉精炼工艺，该专利不适合常规大批量轴承钢生产。专利“一种高清洁高碳铬轴承钢的生产方法”(专利号：ZL200410025102.5)采用五步法流程:①精选配料；②)≥30吨电炉初炼钢液；③钢包炉精炼钢液：前期吹氩强度0.4MPa，后期0.3MPa；物料加入量≤8Kg/吨钢；两步喂铝法沉淀脱氧；向渣面加结晶硅粉、荧石(含氟化钙≥98％)的扩散脱氧；④真空炉处理：真空度≤140Pa、25min+底吹氩弱搅拌15min；⑤在惰性气氛下钢液模铸，该专利为常规轴承钢生产工艺，并没有具体针对降低GCr15钢中N含量的工艺措施。
发明内容
本发明的目的在于提供一种控制GCr15轴承钢中N含量的方法，以降低GCr15轴承钢中的N含量。
为实现上述目的，本发明所设计的控制GCr15轴承钢中N含量的方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：
1)首先在初炼炉冶炼GCr15轴承钢时，控制出钢前钢液中碳含量范围在0.40～0.70％；
2)初练炉出钢时，控制钢液温度范围在1560～1610℃；
3)钢包精炼LF炉电极加热起弧后，用锹将碳粉铺散加到精炼渣上面，碳粉重量控制为精炼渣量的2～6％，造泡沫渣；电极埋弧加热钢液10～15min，使精炼钢液温度控制在1545～1585℃；
4)钢液通过RH炉或VD炉进行真空脱气处理，保持系统真空度在67Pa以下12～20min，循环或搅拌促使钢液脱气；真空脱气处理结束后进行软吹Ar，软吹Ar时间控制在20～30min，Ar气压力在0.2～0.3MPa，根据钢包大小，软吹Ar气流量在50～200m3/min；
5)连铸采用保护浇铸，钢包长水口接头采用螺旋吹Ar密封，Ar气压力在0.1～0.2MPa，流量以中间包受钢区渣面轻微波动为准；根据结晶器断面尺寸，控制整体侵入式水口插入结晶器钢水深度在90～140mm。
进一步地，所述步骤1)中，控制出钢前钢液中碳含量范围在0.50～0.70％。
进一步地，所述步骤3)中，碳粉重量控制为精炼渣量的3～5％；精炼钢液温度控制在1550～1575℃。
进一步地，所述步骤4)中，保持系统真空度在67Pa以下12～15min；软吹Ar时间控制在20～25min。
进一步地，所述步骤2)中，控制钢液温度在1570～1600℃。
进一步地，所述步骤5)中，将水口插入结晶器钢水深度控制在：100～140mm。
本发明其核心内容就是利用现在冶金工艺装备、技术、材料等进步，从节能环保角度出发，钢液初炼采用“高拉碳出钢”，即可减少CO、CO2气体排放，又可降低钢中夹杂物原始含量；
“低温出钢”是因为钢液温度越高、吸气量越大，而出钢过程则钢液裸露在大气中，吸气是不可避免的，所以在出钢时将钢液温度控制在下限，这样减少吸N并节约能源，但同时必须保证有足够的热能来溶化脱氧剂、铁合金；
精炼LF炉电极加热钢液时，会产生强烈的电弧光，该电弧光将空气中的N2气电离成N-离子，从而进入钢液，故而在LF炉精炼造渣时加少量碳份，使精炼渣呈泡沫状、增加渣层厚度，阻止弧光外漏、钢液升温快；另外，泡沫渣可使电弧与钢液接触起弧区空气稀薄，弧光高温区电离的N-少，减少钢液吸N。
因此，与现有技术相比，本发明有益效果是：
其一：在出钢关键环节采取“高碳低温出钢”新技术，无需改造任何生产设备、无需对现有生产工艺作重大调整，即可节约能源保护环境、降低成本，又可减少裸露钢液在空气中吸收N2气，从而达到降低轴承钢GCr15中N含量的目的；
其二，在精炼时用锹将碳粉均匀铺散加入LF炉，造泡沫渣，使电极埋弧加热，同样是节能降耗、降低钢液吸N过程，本工序操作简便、实用强；
其三，采用真空处理、连铸保护浇铸均为降低钢中N含量必不可少的措施；
其四，本发明对GCr15轴承钢冶炼各过程吸N都进行阻止、控制，同时操作简单、节约能源保护环境、降低成本，又提高了产品的性价比和市场竞争力。采用本技术，可将GCr15钢中N含量控制在[N]≤0.0050％。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
高碳铬轴承钢GCr15标准成分范围：[C]：0.95～1.05％，[Si]：0.15～0.35％，[Mn]：0.25～0.45％，[Cr]：1.40～1.65％，[P]：≤0.025％，[S]：≤0.025％，[Mo]：≤0.10％，[Ni]：≤0.30％，[Cu]：≤0.25％，[O]：≤0.0012％，其余为铁和杂质，标准中未对[N]做具体要求；
控制GCr15轴承钢中N含量的方法，包括以下步骤：
1)首先在初炼炉冶炼GCr15轴承钢时，控制出钢前钢液中碳含量范围在0.40～0.70％；
2)初练炉出钢时，控制钢液温度范围在1560～1610℃；
3)钢包精炼LF炉电极加热起弧后，用锹将碳粉铺散加到精炼渣上面，碳粉重量控制为精炼渣量的2～6％，造泡沫渣；电极埋弧加热钢液10～15min，使精炼钢液温度控制在1545～1585℃；
4)钢液通过RH炉或VD炉进行真空脱气处理，保持系统真空度在67Pa以下12～20min，循环或搅拌促使钢液脱气；真空脱气处理结束后进行软吹Ar，软吹Ar时间控制在20～30min，Ar气压力在0.2～0.3MPa，根据钢包大小，软吹Ar气流量在50～200m3/min；
5)连铸采用保护浇铸，钢包长水口接头采用螺旋吹Ar密封，Ar气压力在0.1～0.2MPa，流量以中间包受钢区渣面轻微波动为准；根据结晶器断面尺寸，控制整体侵入式水口插入结晶器钢水深度在90～140mm。
具体实施例及相关检测参数如下：
实施例1
转炉冶炼、出钢量约150t，连铸坯断面尺寸为：200×200mm；
转炉出钢前取样分析成分：[C]：0.61％，[P]：0.013％，[S]：0.029％，[N]：0.0032％；
出钢前测温：1600℃；
钢包精炼LF炉渣量约1.8t，加热起弧后用锹将60Kg碳粉铺散加入精炼渣上面(重量比：3.3％)，造泡沫渣，渣厚约450mm；加热钢液13min，钢液温度：1557℃；取样分析：[N]：0.0052％；
钢液在RH炉真空处理，系统真空度在67Pa以下保持12min，整个真空处理时间21min；软吹Ar时间：20min，Ar气压力：0.26MPa、流量：125NL/min；取样分析：[N]：0.0036％；
连铸钢包长水口接头采用螺旋吹Ar密封，Ar气压力0.15MPa；中间包温度分别为：1472℃、1470℃、1467℃(GCr15钢液相线温度为：1450℃，过热度分别为：25℃、20℃、17℃)；水口插入结晶器钢水深度为：120mm，拉速为：1.25m/min；取样分析：[N]：0.0040％；
铸坯轧制成Ф60mm圆钢，在钢材上取成品样分析：[N]：0.0039％，[O]：0.0008％。
实施例2
电炉冶炼、出钢量约70t，连铸坯断面尺寸为：150×150mm；
电炉出钢前取样分析成分：[C]：0.70％，[P]：0.007％，[S]：0.021％，[N]：0.0054％；出钢前测温：1560℃；
钢包精炼LF炉渣量约1.1t，加热起弧后用锹将50Kg碳粉铺散加入精炼渣上面(重量比：4.5％)，造泡沫渣，渣厚约390mm；加热钢液15min，钢液温度：1545℃；取样分析：[N]：0.0061％；
钢液在RH炉真空处理，系统真空度在67Pa以下保持20min，整个真空处理时间25min；软吹Ar时间：30min，Ar气压力：0.20MPa、流量：100NL/min；取样分析：[N]：0.0044％；
连铸钢包长水口接头采用螺旋吹Ar密封，Ar气压力0.15MPa；中间包温度分别为：1469℃、1465℃(过热度分别为：19℃、15℃)；水口插入结晶器钢水深度为：100mm，拉速为：2.2m/min；取样分析：[N]：0.0049％；
铸坯轧制成Ф30mm圆钢，在钢材上取成品样分析：[N]：0.0047％，[O]：0.0006％。
实施例3
转炉冶炼、出钢量约250t，连铸坯断面尺寸为：340×450mm；
转炉出钢前取样分析成分：[C]：0.40％，[P]：0.016％，[S]：0.024％，[N]：0.0030％；出钢前测温：1610℃；
钢包精炼LF炉渣量约3.6t，加热起弧后用锹将216Kg碳粉铺散加入精炼渣上面(重量比：6.0％)，造泡沫渣，渣厚约500mm；加热钢液15min，钢液温度：1562℃；取样分析：[N]：0.0052％；
钢液在RH炉真空处理，系统真空度在67Pa以下保持14min，整个真空处理时间25min；软吹Ar时间：25min，Ar气压力：0.28MPa、流量：200NL/min；取样分析：[N]：0.0041％；
连铸钢包长水口接头采用螺旋吹Ar密封，Ar气压力0.20MPa；中间包温度分别为：1471℃、1473℃、1471℃(过热度分别为：21℃、23℃、21℃)；水口插入结晶器钢水深度为：140mm，拉速为：0.7m/min；取样分析：[N]：0.0044％；
铸坯轧制成Ф90mm圆钢，在钢材上取成品样分析：[N]：0.0045％，[O]：0.0009％。
实施例4
电炉冶炼、出钢量约120t，连铸坯断面尺寸为：240×240mm；
电炉出钢前取样分析成分：[C]：0.50％，[P]：0.007％，[S]：0.014％，[N]：0.0042％；出钢前测温：1582℃；
钢包精炼LF炉渣量约1.5t，加热起弧后用锹将45Kg碳粉铺散加入精炼渣上面(重量比：3.0％)，造泡沫渣，渣厚约420mm；加热钢液14min，钢液温度：1584℃；取样分析：[N]：0.0068％；
钢液在RH炉真空处理，系统真空度在67Pa以下保持12min，整个真空处理时间24min。软吹Ar时间：25min，Ar气压力：0.24MPa、流量：120NL/min；取样分析：[N]：0.0051％；
连铸钢包长水口接头采用螺旋吹Ar密封，Ar气压力0.15MPa；中间包温度分别为：1469℃、1465℃(过热度分别为：19℃、15℃)；水口插入结晶器钢水深度为：90mm，拉速为：0.9m/min；取样分析：[N]：0.0048％；
铸坯轧制成Ф70mm圆钢，在钢材上取成品样分析：[N]：0.0050％，[O]：0.0007％。
原工艺钢种：
电炉冶炼、出钢量约100t，连铸坯断面尺寸为：180×180mm。
电炉出钢前取样分析成分：[C]：0.17％，[P]：0.008％，[S]：0.018％，[N]：0.0049％。出钢前测温：1630℃。
钢包精炼LF炉渣量约1.3t，加热起弧后用锹将30Kg碳粉、30Kg硅粉、100Kg电石造还原渣，渣厚约310mm。加热钢液15min，钢液温度：1612℃。取样分析：[N]：0.0078％。
钢液在RH炉真空处理，系统真空度在67Pa以下保持12min，整个真空处理时间22min。软吹Ar时间：25min，Ar气压力：0.20MPa、流量：100NL/min。取样分析：[N]：0.0057％。
连铸钢包长水口接头采用螺旋吹Ar密封，Ar气压力0.15MPa。中间包温度分别为：1476℃、1472℃(过热度分别为：26℃、22℃)。水口插入结晶器钢水深度为：110mm，拉速为：1.7m/min。取样分析：[N]：0.0066％。
铸坯轧制成Ф45mm圆钢，在钢材上取成品样分析：[N]：0.0064％，[O]：0.0008％。
将采用发明工艺生产的实施例1至4的圆钢检验结果与原工艺钢种进行比较，见下表一，可以看出发明钢种钢中N含量比原工艺生产的钢种要低21.8～39.1％，并且全部能达到≤0.0050％。
表一实例例钢种与原工艺钢种对比
Claims (6)
1.一种控制GCr15轴承钢中N含量的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)首先在初炼炉冶炼GCr15轴承钢时，控制出钢前钢液中碳含量范围在0.40～0.70％；
2)初练炉出钢时，控制钢液温度在1570～1600℃；
3)钢包精炼LF炉电极加热起弧后，用锹将碳粉铺散加到精炼渣上面，碳粉重量控制为精炼渣量的2～6％，造泡沫渣；电极埋弧加热钢液10～15min，使精炼钢液温度控制在1545～1585℃；
4)钢液通过RH炉或VD炉进行真空脱气处理，保持系统真空度在67Pa以下12～20min，循环或搅拌促使钢液脱气；真空脱气处理结束后进行软吹Ar，软吹Ar时间控制在20～30min，Ar气压力在0.2～0.3MPa，根据钢包大小，软吹Ar气流量在50～200m3/min；
5)连铸采用保护浇铸，钢包长水口接头采用螺旋吹Ar密封，Ar气压力在0.1～0.2MPa，流量以中间包受钢区渣面轻微波动为准；根据结晶器断面尺寸，控制整体侵入式水口插入结晶器钢水深度在90～140mm。
2.根据权利要求1所述的控制GCr15轴承钢中N含量的方法，其特征在于：所述步骤1)中，控制出钢前钢液中碳含量范围在0.50～0.70％。
3.根据权利要求1或2所述的控制GCr15轴承钢中N含量的方法，其特征在于：所述步骤3)中，碳粉重量控制为精炼渣量的3～5％；精炼钢液温度控制在1550～1575℃。
4.根据权利要求1或2所述的控制GCr15轴承钢中N含量的方法，其特征在于：所述步骤4)中，保持系统真空度在67Pa以下12～15min；软吹Ar时间控制在20～25min。
5.根据权利要求3所述的控制GCr15轴承钢中N含量的方法，其特征在于：所述步骤4)中，保持系统真空度在67Pa以下12～15min；软吹Ar时间控制在20～25min。
6.根据权利要求1或2所述的控制GCr15轴承钢中N含量的方法，其特征在于：所述步骤5)中，将水口插入结晶器钢水深度控制在：100～140mm。
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