CN110983161A

CN110983161A - 一种控制低铝低钛硅铁加入时机结合中间包电磁搅拌实现轴承钢超高纯净度的冶炼方法

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Publication number: CN110983161A
Application number: CN201911233983.2A
Authority: CN
Inventors: 万文华; 屈志东; 许加陆; 左锦中; 林俊
Original assignee: Zenith Steel Group Co Ltd
Current assignee: Zenith Steel Group Co Ltd
Priority date: 2019-12-05
Filing date: 2019-12-05
Publication date: 2020-04-10
Anticipated expiration: 2039-12-05
Also published as: CN110983161B

Abstract

本发明属于炼钢工艺技术领域，涉及一种控制低铝低钛硅铁加入时机结合中间包电磁搅拌实现轴承钢超高纯净度的冶炼方法，本发明采用“KR‑BOF‑LF‑RH‑(带电磁搅拌的中间包)‑CC”工艺路线。采用常规碱度(碱度≥5.0)进行精炼，通过控制低铝低钛硅铁合金类的加入时机，达到抑制LF过程Al₂O₃夹杂物向低熔点钙铝酸盐夹杂物转变目的，从而实现精炼结束前钢中Al₂O₃系夹杂物控制，然后借助RH真空及带电磁搅拌的中间包，高效去除Al₂O₃系夹杂物，成品T.O可控制在4ppm以内。

Description

一种控制低铝低钛硅铁加入时机结合中间包电磁搅拌实现轴承钢超高纯净度的冶炼方法

技术领域

本发明属于炼钢工艺技术领域，特别涉及到超高纯净度轴承钢的冶炼控制方法，具体涉及一种控制低铝低钛硅铁加入时机结合中间包电磁搅拌实现轴承钢超高纯净度的冶炼方法。

背景技术

轴承钢的纯净度对其疲劳寿命影响极大，其中的氧含量尤为重要。钢中氧含量越低，越容易获得高寿命的轴承钢。因此，如何实现超低氧轴承钢的冶炼，成为轴承钢冶炼行业的重点问题。

经检索，国内外许多人在超低氧方面进行了诸多研究，但均与本专利存在许多差异。文献“Influence of Silicon on Desulfurization of Al-KilledSteel by CaO–Al2O3 Slag Contained FeO and MnO Influence of Silicon on Desulfurization ofAl-KilledSteel by CaO–Al2O3 Slag Contained FeO and MnO”指出，钢液中的Si对钢液的脱硫效率影响显著，主要在于Si的存在促进了渣钢界面间的反应，从而加速了钢液的脱硫效果，这从另方面也可说明Si会促进钢水中的元素同炉渣的反应，因此本专利强调了硅铁合金的加入顺序，以此来控制钢种夹杂物的成分，减少其被炉渣变相变性的可能。文献“Effect of Silica in Slag on Inclusion Compositions in 304 Stainless”指出通过控制炉渣中SiO₂的含量可改变夹杂物的成分，原理在于精炼过程钢水中的Al会还原炉渣中的CaO(反应Al+CaO→Al2O3+Ca)，而当炉渣中SiO₂含量较高时，会促进被还原进入钢水的Ca与SiO₂反应(反应Ca+SiO2→ CaO+Si)，使得Ca重新成为CaO进入炉渣中，这也就可以阻止精炼过程夹杂物转变为低熔点钙铝酸盐夹杂物，文中指出当采用CaO-Al₂O₃-SiO₂-MgO-CaF₂渣系 (SiO₂＝10％)时，加入Al之后迅速生成了氧化铝，之后转变为镁铝尖晶石，就不再继续转变了；但采用CaO-Al₂O₃-MgO-CaF₂渣系(SiO₂＝0％)时，发现夹杂物由氧化铝转变为镁铝尖晶石之后，继续转变为CaO-Al₂O₃-MgO类液态夹杂物。文献“中间包等离子加热和电磁搅拌复合技术的开发与使用”指出通过中间包采用等离子加热结合中间包电磁搅拌的方式能促进夹杂物上浮，达到净化钢水的作用。文中虽然提到可以利用中间包电磁搅拌的技术达到提高钢水洁净度，从而降低钢水氧含量的，但并没有考虑夹杂物的类型(固态还是液态夹杂物)对于去除效率的影响，也没有涉及如何将夹杂物控制为Al₂O₃类夹杂物的方法，因此很难将带电磁搅拌中间包的作用发挥至最佳。文献“1.An Overview of Steel CleanlinessFrom an indursty perspective”指出，普通硅铁合金中含有一定量的Ca(0.1％或＞2％)，这部分Ca会导致精炼过程夹杂物被变相钙处理，进而转变为低熔点钙铝酸盐，因此本发明要求适用低铝低钛硅铁(钙含量约0.025％)，以防止由于普通硅铁带入的Ca的影响。国际专利申请号PCT/IB2015/050493“METHOD AND APPARTUS TO MAINTAIN AHOMOGENIZEDMELTAND CONTROLLED FIELDS OF A MOLTEN METAL(熔融金属流场、均质化控制的方法和装置)”指出，利用中间包电磁搅拌技术可以很好地控制中间包温度场的均匀性，同时可以净化钢水，提高钢水中夹杂物的去除率。国际专利申请号PCT/EP2013/053250 “METHOD,CONTROLLER AND TUNDISH CONTROL SYSTEM FOR A CONTINUOUS CASTING PROCESS(一种连铸过程的方法、控制器和中间包控制系统)”指出，通过中间包电磁搅拌设备可以持续冶炼高质量钢材产品，均匀钢水成分、净化钢水。前面两个专利仅涉及中间包带电磁搅拌后的温度或夹杂物控制好处，并没有涉及前道工序夹杂物的控制方法，因此同本文在控制前道工序夹杂物控制，同时结合RH、带电磁搅拌中间包工序去除高熔点的Al₂O₃夹杂物，进而获得超低氧轴承钢存在明显区别。

为此，针对采用“KR-BOF-LF-(带电磁搅拌的中包)-CC”工艺生产轴承钢，本发明提供一种抑制LF过程Al₂O₃夹杂物向低熔点钙铝酸盐转变方法，然后借助RH和带电磁搅拌的中包高效的去除此类高熔点夹杂物，以实现轴承钢超低氧冶炼目的。

发明内容

本发明目的是开发一种控制低铝低钛硅铁加入时机结合中间包电磁搅拌实现轴承钢超高纯净度的冶炼方法，这种方法能够替代传统的冶炼方法，很容易实现超低氧轴承钢的冶炼，并显著提高产品质量等级。

所述钢种质量百分比成分为:C:0.95～1.05％、Si:0.15～0.35％、Mn:0.25～0.45％、S:≤0.020％、Cr:1.40～1.65％、Al:≤0.050％、Ti:≤0.0050％，其余为铁和杂质元素。

一种超高纯净度轴承钢的冶炼方法，其特征在于该工艺包含以下几个要点：

(一)KR过程，先将铁水渣扒除，重新添加脱硫渣，利用KR工序将铁水硫含量控制在0.012％以内

(二)转炉终点温度控制在1610～1670℃，出钢碳≥0.10％；转炉出钢先加 200kg铝饼进行脱氧(130t钢水)，随后加低钛高碳铬铁合金(作为优选：合金质量百分比要求为C：≤10％，Si≤1％，P≤0.04％，S≤0.05％，Ti≤0.03％，Cr≥ 60％，水份≤0.1％)、高碳锰铁合金(作为优选：合金质量百分比要求为C：≤ 8％，Si≤1.5％，P≤0.20％，S≤0.03％，Mn≥75％，水份≤0.1％)和低氮增碳剂 (作为优选：合金质量百分比要求为Std(硫份)：≤0.04％，N≤0.03％，FCd(固定碳)≥96％，水份≤0.5％)进行合金化，在出钢过程和精炼过程不允许添加含硅合金(如硅铁、硅锰或电解硅)，合金加入后再加入500～600kg/炉石灰、100kg/ 炉精炼渣料(45％CaO-2％SiO₂-40％Al₂O₃)进行造渣。

(三)LF进站先对钢水升温6～10min，升温至1550℃后对钢水进行取样，待成分检测结果反馈到操作室后采用Al线调整Al含量(>0.025％即可)。利用低氮增碳剂、高碳锰铁等合金调整C、Mn等成分的同时，控制炉渣中(TFe+MnO) 含量控制在1.00％以下，精炼渣碱度≥5。LF过程不加任何含硅合金如硅铁、硅锰、电解硅，LF末期若钢液Al含量较低，可加铝线调整钢液Al含量为 0.030～0.045％。钢包底吹氩流量控制在400L/min以下，精炼时间控制在40min 以内。

(四)RH进站开始抽真空，真空度在3000Pa以下时向真空室中加低铝低钛硅铁(合金质量百分比要求为C：≤0.2％，P≤0.02％，S≤0.02％，Al≤0.02％， Ti≤0.02％，Si≥72％，水份≤0.1％)，低铝低钛硅铁一次性加入到成分合格，然后不加任何合金和渣料，真空(<133Pa)总处理时间控制在25～35min，真空处理后软吹时间≥25min。

(五)带电磁搅拌的中包，其与普通中间包相比在中间包整个高度约1/3处 (距离底部)，安装电磁搅拌设备，电磁搅拌电流控制为400A；

(六)连铸采用全程保护浇铸。

由于高Al₂O₃类夹杂物较低熔点钙铝酸盐，更容易聚集长大而被去除。因此，控制LF精炼时钢中夹杂物为高熔点夹杂物，进而在后续过程中创造极多的碰撞机会而促进其碰撞、聚集、长大和去除，是获得超低氧轴承钢的关键。在常规 LF精炼工艺中，尽管LF处理前夹杂物为Al₂O₃，但是通过LF处理，夹杂物很容易向低熔点钙铝酸盐转变，因此降低了其在后续RH、带电磁搅拌的中包过程中的去除效率。为了实现精炼结束时钢中夹杂物仍然为Al₂O₃，本发明考虑了钢水中的Si可以促进渣钢反应，导致炉渣向钢液中传钙进而对钢中夹杂物成分造成影响，提出出钢和LF过程不加任何含硅合金，同时基于RH过程渣钢反应很弱，提出在RH真空处理中加入低铝低钛硅铁进行Si合金化。由于出钢和LF过程不加任何含硅合金，使得LF过程钢水Si含量很低，因此，在炉渣碱度≥5的条件下也可以抑制LF过程Al₂O₃夹杂物向低熔点钙铝酸盐转变，最终实现LF 结束时钢中Al₂O₃系夹杂物的控制，进而利用RH和带电磁搅拌的中间包去除高熔点夹杂物，实现超高纯净度轴承钢的冶炼。

本发明的一种控制低铝低钛硅铁加入时机结合中间包电磁搅拌实现轴承钢超高纯净度的冶炼方法，步骤(一)中终点S控制在0.012％以下，主要是减轻LF 过程脱硫负担。步骤LF精炼及之前的过程中，钢水不加任何含硅合金，主要是因为钢水Si能够促进LF过程渣钢反应，导致钢水中钙含量增加，促进钢中夹杂物向低熔点钙铝酸盐转变的几率增加。步骤(四)中采用低铝低钛硅铁进行Si合金化，主要是因为普通硅铁合金含有一定了的钙，这会导致钢中夹杂物向低熔点钙铝酸盐的转变。

经生产实践检验，实施本发明方法，可以将成品总氧控制到4ppm以内。

本发明的进步效果是:通过对硅铁合金的加入时机等进行控制，可以将精炼结束时夹杂物控制为Al₂O₃,部分夹杂物含有少量CaO和MgO，进而通过后续 RH真空及带电磁搅拌的中间包处理实现超低氧冶炼目的，T.O可以控制在4ppm 以下，经济效果显著。

附图说明

图1为实施例1LF结束钢中夹杂物分析图；

图2为实施例2LF结束钢中夹杂物分析图；

图3为对比例1LF结束钢中夹杂物分析图；

图4为对比例2LF结束钢中夹杂物分析图。

具体实施方式

采用130吨KR脱硫炉、130吨转炉、130吨精炼炉、130吨RH炉、50吨带电磁搅拌的中包生产轴承钢。

实施例1:

成品钢质量百分比成分C:0.99％、Si:0.27％、Mn:0.31％、S:≤0.008％、Cr:1.47％、Al:0.013％、Ti:0.0021％。

采用KR工序对130吨钢水进行铁水预脱硫处理，KR结束硫含量控制在 0.010％。顶底复吹转炉，采用常规吹炼方法，转炉终点温度控制在1627℃，终点C控制在0.15％，转炉出钢时先加200kg铝饼、300kg高碳锰铁、2200kg低钛高碳铬铁、900kg低氮增碳剂，然后加入550kg石灰、100kg/炉精炼渣料。

LF前8min只对钢水进行升温，升温至1550℃进行钢水取样，取样后7min 成分反馈到主控室，然后加入700kg低钛高碳铬铁，230kg高碳锰铁，290kg低氮增碳剂，再加入150kg铝粒进行渣面脱氧，全程底吹Ar流量控制在 300～400L/min。LF末期继续采用Al线调整钢液中Al含量为0.038％。精炼时间控制在37min。

LF结束炉渣成分见表1(组元含量单位：wt％)：

表1：

LF结束钢中夹杂物为固态Al₂O₃，夹杂物中含有少量MgO和CaO，如图1：

RH真空度在1000Pa时向真空室加入430kg低铝低钛硅铁，然后不加任何合金和渣料，真空总处理时间控制在31min，真空处理软吹时间为27min。

带电磁搅拌的中包，电磁搅拌电流控制为400A。

连铸采用全程保护浇铸。

冶炼过程中钢水总氧变化为:LF结束总氧为18.7ppm、RH破空总氧为7.7ppm，中包总氧为4.4ppm，成品总氧为3.8ppm。

实施例2:

成品钢成分C:1.00％、Si:0.26％、Mn:0.33％、S:≤0.007％、Cr:1.52％、 Al:0.012％、Ti:0.0023％。

采用KR工序对130吨钢水进行铁水预脱硫处理，KR结束硫含量控制在 0.009％。顶底复吹转炉，采用常规吹炼方法，转炉终点温度控制在1628℃，终点C控制在0.12％，转炉出钢时先加200kg铝饼、300kg高碳锰铁、2200kg低钛高碳铬铁、900kg低氮增碳剂，然后加入550kg石灰、100kg/炉精炼渣料。

LF前10min只对钢水进行升温，升温至1550℃进行钢水取样，取样后7min 成分反馈到主控室，然后加入712kg低钛高碳铬铁，232kg高碳锰铁，286kg低氮增碳剂，再加入150kg铝粒进行渣面脱氧，全程底吹Ar流量控制在 300～400L/min。LF末期继续采用Al线调整钢液中Al含量为0.039％。精炼时间控制在38min。

LF结束炉渣成分见表2(组元含量单位：wt％)：

表2：

RH真空度在1000Pa时向真空室加入425kg低铝低钛硅铁，然后不加任何合金和渣料，真空总处理时间控制在33min，真空处理软吹时间为29min。

带电磁搅拌的中包，电磁搅拌电流控制为400A。

连铸采用全程保护浇铸。

冶炼过程中钢水总氧变化为:LF结束总氧为16.8ppm、RH破空总氧为 7.4ppm，中包总氧为4.2ppm，成品总氧为3.5ppm。

对比例1

成品钢成分C:0.98％、Si:0.23％、Mn:0.34％、S:≤0.003％、Cr:1.49％、Al:0.015％、Ti:0.0025％。

采用KR工序对130吨钢水进行铁水预脱硫处理，KR结束硫含量控制在 0.010％。顶底复吹转炉，采用常规吹炼方法，转炉终点温度控制在1619℃，终点C控制在0.15％，转炉出钢时先加200kg铝饼、280kg低铝低钛硅铁、300kg 高碳锰铁、2200kg低钛高碳铬铁、900kg低氮增碳剂，然后加入550kg石灰、100kg/ 炉精炼渣料。

LF前11min只对钢水进行升温，升温至1550℃进行钢水取样，取样后7min 成分反馈到主控室，然后加入720kg低钛高碳铬铁，233kg高碳锰铁，280kg低氮增碳剂，70kg低铝低钛硅铁，再加入150kg铝粒、280kg碳化硅进行渣面脱氧，全程底吹Ar流量控制在300～400L/min。LF末期继续采用Al线调整钢液中Al 含量为0.039％。精炼时间控制在39min。

LF结束炉渣成分见表3(组元含量单位：wt％)：

表3：

LF结束钢中夹杂物为液态或半液态的CaO-Al₂O₃-MgO，如图3：

RH不加任何合金和渣料，真空处理时间为29min，真空处理后软吹时间为 35min。

带电磁搅拌的中包，电磁搅拌电流控制为400A。

连铸采用全程保护浇铸。

冶炼过程中钢水总氧变化为:LF结束总氧为17.9ppm、RH破空总氧为9.1ppm，中包总氧为7.3ppm，成品总氧为6.2ppm。

对比例2

成品钢成分C:0.99％、Si:0.25％、Mn:0.34％、S:≤0.004％、Cr:1.50％、 Al:0.015％、Ti:0.0025％。

LF前10min只对钢水进行升温，升温至1550℃进行钢水取样，取样后7min 成分反馈到主控室，然后加入722kg低钛高碳铬铁，241kg高碳锰铁，276kg低氮增碳剂，再加入150kg铝粒进行渣面脱氧，全程底吹Ar流量控制在 300～400L/min。LF末期继续采用Al线调整钢液中Al含量为0.038％。精炼时间控制在38min。

LF结束炉渣成分见表4(组元含量单位：wt％)：

表4：

LF结束钢中夹杂物为固态Al₂O₃，夹杂物中含有少量MgO和CaO，如图4：

RH真空度在1000Pa时向真空室加入438kg低铝低钛硅铁，然后不加任何合金和渣料，真空总处理时间控制在31min，真空处理软吹时间为29min。

带电磁搅拌的中包，电磁搅拌电流控制为100A。

连铸采用全程保护浇铸。

冶炼过程中钢水总氧变化为:LF结束总氧为17.8ppm、RH破空总氧为 7.2ppm，中包总氧为5.9ppm，成品总氧为5.2ppm。

Claims

1.一种超高纯净度轴承钢的冶炼方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)KR过程，利用KR工序将铁水硫含量控制在0.012％以内；

(2)转炉终点温度控制在1610～1660℃，终点S控制在0.015％以下；

(3)转炉出钢先加铝进行脱氧，随后加低钛高碳铬铁、高碳锰铁和低氮增碳剂进行合金化，不加入含硅合金，合金加入后再加入石灰、精炼渣料进行造渣；

(4)LF升温取样，调整Al含量>0.025％，并加入合金调整其余成分，其中不加入含硅合金，控制精炼渣中(TFe+MnO)在1.00％以下，精炼渣碱度控制在≥5，精炼结束钢液中的Al含量控制为0.030～0.045％；

(5)RH进站开始抽真空，真空度在3000Pa以下时向真空室中一次性加低铝低钛硅铁调整至成分合格；

(6)带电磁搅拌的中包，在中间包安装电磁搅拌设备，电磁搅拌电流控制为400A；

(7)连铸采用全程保护浇铸。

2.根据权利要求1所述的超高纯净度轴承钢的冶炼方法，其特征在于：所述的轴承钢成分的质量百分比为：C:0.95～1.05％、Si:0.15～0.35％、Mn:0.25～0.45％、S:≤0.020％、Cr:1.40～1.65％、Al:≤0.050％、Ti:≤0.0050％，其余为铁和残余元素。

3.根据权利要求1所述的超高纯净度轴承钢的冶炼方法，其特征在于：所述步骤(4)LF过程中，全程底吹氩流量控制在400L/min以下，精炼时间控制在40min以内。

4.根据权利要求1所述的超高纯净度轴承钢的冶炼方法，其特征在于：所述的低铝低钛硅铁全部在步骤(5)中加入，出钢和LF过程不加任何含硅合金。

5.根据权利要求1所述的超高纯净度轴承钢的冶炼方法，其特征在于：所述步骤(5)RH真空总处理时间控制在25～35min；真空处理后软吹时间≥25min。

6.根据权利要求1所述的超高纯净度轴承钢的冶炼方法，其特征在于：所述步骤(6)电磁搅拌的中包在中间包整个高度距离底部1/3处安装。