CN113145807B - 一种盾构机用稀土轴承钢钢锭及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种盾构机用稀土轴承钢钢锭及其生产方法，属于轴承钢冶炼技术领域。为解决现有轴承钢无法满足盾构机用轴承钢要求的问题，本发明提供了一种盾构机用稀土轴承钢钢锭及其生产方法，包括电炉冶炼→LF精炼→VD真空精炼→模铸浇铸→罩冷。本发明在现有轴承钢基础上增加了Ni元素及稀土元素，提高了Mn、Mo含量，并控制Al、Cu含量，提高了钢的抗疲劳强度、淬透性、屈服强度、抗拉强度，抗回火稳定性和韧性，通过有效降低钢锭中Al2O3为主的夹杂物和气体含量，使钢锭组织均匀，有效改善了中心疏松、偏析等低倍缺陷，降低了非金属夹杂，所得钢锭具有力学性能好、性能稳定、合格率高等特点，能够满足盾构机发展的需求。

Description

一种盾构机用稀土轴承钢钢锭及其生产方法
技术领域
本发明属于轴承钢冶炼技术领域，尤其涉及一种盾构机用稀土轴承钢钢锭及其生产方法。
背景技术
目前国产盾构机的三大关键部件主轴承、液压件和电气控制组件均长期依赖进口，使国产盾构机生产成本居高不下，制造工期也受制于人，严重限制了国产盾构机的发展和市场竞争力。盾构机制备技术难度大、工序复杂，细微的瑕疵都会导致故障乃至事故的发生，尤其是对盾构机关键部件主轴承所用的轴承钢质量要求最为严格。
轴承钢中夹杂物会遗传到钢锭、锻造、轧制、成品上，破坏钢材基体的连续性，造成钢材组织的不均匀性，会成为内部疲劳源和裂纹源，在轴承使用过程中容易形成裂纹等缺陷，严重恶化轴承内部的组织、结构、硬度等性能，导致轴承失效。为了保证盾构机的性能和使用寿命，必须要严格控制轴承钢钢锭中有害元素氧含量、钛含量和夹杂物数量。但现有轴承钢生产方法得到的轴承钢无法满足盾构机轴承钢的要求，如何降低钢锭中夹杂物含量，使钢锭组织更加均匀，获得满足盾构机要求的轴承钢成为本领域亟待解决的问题。
发明内容
为解决现有轴承钢无法满足盾构机用轴承钢要求的问题，本发明提供了一种盾构机用稀土轴承钢钢锭及其生产方法。
本发明的技术方案：
一种盾构机用稀土轴承钢钢锭的生产方法，包括电炉冶炼→LF精炼→VD真空精炼→模铸浇铸→罩冷，
电炉冶炼过程中：
以优质铁水和废钢为钢材材料，出钢碳含量不低于0.15wt％，出钢先增碳至碳含量0.83～0.93wt％，出钢脱氧将铝含量控制在0.030～0.040wt％，出钢过程合金化按钢种化学成分下限控制，出钢时加入低钛复合精炼渣和白灰，全程氩气搅拌；
LF精炼过程中：
氩气搅拌状态下进行LF精炼，加入低钛复合精炼渣并完成升温化渣，分批加入扩散脱氧剂进行造渣，当炉渣达到精炼渣系的条件，即CaO45～58％、SiO2 6～10％、Al2O3 25～35％、MgO≤8％时开始白渣精炼；钢液温度不低于1580℃且成分合格，吊包倒渣进入VD位；
所述VD真空精炼：
真空条件下控制氩气流量进行VD真空精炼，放散后加入稀土合金和钢包覆盖剂，继续氩气软吹完成精炼；
所述模铸浇铸：
全程在氩气保护下进行浇注，开浇后调整好注流，保证钢液上升平稳，完成浇注后罩冷得到盾构机用稀土轴承钢钢锭。
进一步的，所述优质铁水要求化学成分中P≤0.080wt％、S≤0.040wt％、Ti≤0.060wt％；电炉冶炼过程中出钢温度不低于1580℃，所述氩气搅拌将钢液面裸露面积直径控制在Φ100～150mm。
进一步的，所述低钛复合精炼渣的添加量为10～18.3kg/t、所述白灰的添加量为10kg/t；所述出钢脱氧时当出钢碳含量为0.15～0.30wt％时，脱氧铝添加量为1～1.17kg/t，当出钢碳含量为0.30wt％以上时，脱氧铝添加量为0.67～0.83kg/t。
进一步的，所述精炼过程中氩气流量为10～50NL/min；精炼位加入低钛复合精炼渣0～8.3kg/t。
进一步的，所述精炼过程中的分批加入扩散脱氧剂是指第一次取样前加入等质量混合的铝粒和碳粉1～1.3kg/t进行前期脱氧，取样后加入等质量混合的碳粉和碳化硅份进行后期脱氧，后期脱氧剂用量不低于2kg/t。
进一步的，所述白渣精炼时间不低于30min，精炼时间不低于50min；进入VD位时控制渣层厚度为50～100mm。
进一步的，所述VD真空精炼的真空度为67Pa以下，VD真空精炼时氩气流量为20～40NL/min，保持不少于20min；所述钢包覆盖剂加入量不少于1.67kg/t；所述氩气软吹时间不少于20min，软吹时氩气流量控制在10～40NL/min。
进一步的，所述模铸浇铸时氩气压力为0.02～0.03MPa，浇注过热度按锭型双盘控制为60±5℃，模铸的模温为30～80℃，氩气保护罩下沿与喇叭嘴砖上沿距离≤200mm。
一种盾构机用稀土轴承钢钢锭生产方法生产的盾构机用稀土轴承钢钢锭，化学成分按重量百分含量包括：C：0.95～1.05％、Si：0.15～0.30％、Mn：0.60～0.80％、P≤0.010％、S≤0.005％、Cr：1.60～1.90％、Mo：0.50～0.60％、Ni：0.20～0.30％、Cu≤0.10％、Al≤0.050％，Ce：0.005～0.015％，Ti≤0.0015％、Ca≤0.0010％、As≤0.0050％、Sn≤0.0030％、Sb≤0.0020％、Pb≤0.0010％、Bi≤0.0010％、O≤0.0006％、H≤0.00015％、N≤0.0060％，其余为Fe及不可避免杂质。
本发明的有益效果：
本发明提供的盾构机用稀土轴承钢钢锭与传统高碳铬轴承钢相比，在原材料的基础上增加了Ni元素及稀土元素，提高了Mn、Mo含量，并控制Al、Cu含量，通过元素含量的调整提高了钢的抗疲劳强度、淬透性、屈服强度、抗拉强度，抗回火稳定性和韧性，为轴承钢零部件提供稳定淬火性能、工件切削性能、耐磨性和抗点蚀性。本发明通过有效降低钢锭中Al2O3为主的夹杂物和气体含量，细化组织，使得到的钢锭组织均匀，有效改善了中心疏松、偏析等低倍缺陷，降低了非金属夹杂，使钢锭具有力学性能好、性能稳定、合格率高等特点，能够满足盾构机发展的需求。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置，若未特别指明，本发明实施例中所用的原料等均可市售获得；若未具体指明，本发明实施例中所用的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例1
本实施例提供了一种盾构机用稀土轴承钢钢锭的生产方法，包括电炉冶炼→LF精炼→VD真空精炼→模铸浇铸→罩冷；其中电炉冶炼过程中：
以优质铁水和废钢为钢材材料，出钢碳含量不低于0.15wt％，出钢先增碳至碳含量0.83～0.93wt％，出钢脱氧将铝含量控制在0.030～0.040wt％，出钢过程合金化按钢种化学成分下限控制，出钢时加入低钛复合精炼渣和白灰，全程氩气搅拌；
LF精炼过程中：
氩气搅拌状态下进行LF精炼，加入低钛复合精炼渣并完成升温化渣，分批加入扩散脱氧剂进行造渣，当炉渣达到精炼渣系的条件，即CaO45～58％、SiO2 6～10％、Al2O3 25～35％、MgO≤8％时开始白渣精炼；钢液温度不低于1580℃且成分合格，吊包倒渣进入VD位；
所述VD真空精炼：
真空条件下控制氩气流量进行VD真空精炼，放散后加入稀土合金和钢包覆盖剂，继续氩气软吹完成精炼；
所述模铸浇铸：
全程在氩气保护下进行浇注，开浇后调整好注流，保证钢液上升平稳，完成浇注后罩冷得到盾构机用稀土轴承钢钢锭。
实施例2
本实施例提供了一种盾构机用稀土轴承钢钢锭的生产方法，包括电炉冶炼→LF精炼→VD真空精炼→模铸浇铸→罩冷；其中电炉冶炼过程中：
以优质铁水和废钢为钢材材料，优质铁水要求化学成分中P≤0.080wt％、S≤0.040wt％、Ti≤0.060wt％。出钢碳含量不低于0.15wt％，出钢温度不低于1580℃，出钢先增碳至碳含量0.83～0.95wt％，出钢脱氧将铝含量控制在0.030～0.040wt％，出钢脱氧时当出钢碳含量为0.15～0.30wt％时，脱氧铝添加量为1～1.17kg/t，当出钢碳含量为0.30wt％以上时，脱氧铝添加量为0.67～0.83kg/t。出钢过程合金化按钢种化学成分下限控制，出钢时加入低钛复合精炼渣10～18.3kg/t和白灰10kg/t，全程氩气搅拌并将钢液面裸露面积直径控制在Φ100～150mm。
LF精炼过程中：
氩气搅拌状态下进行LF精炼，加入低钛复合精炼渣0～8.3kg/t并完成升温化渣，分批加入扩散脱氧剂进行造渣，第一次取样前加入等质量混合的铝粒和碳粉1～1.3kg/t进行前期脱氧，取样后加入等质量混合的碳粉和碳化硅份进行后期脱氧，后期脱氧剂用量不低于2kg/t。当炉渣达到精炼渣系的条件，即CaO45～58％、SiO2 6～10％、Al2O3 25～35％、MgO≤8％时开始白渣精炼，白渣精炼时间不低于30min，精炼时间不低于50min。钢液温度不低于1580℃且成分合格，吊包倒渣进入VD位，进入VD位时控制渣层厚度为50～100mm。
所述VD真空精炼：
67Pa以下真空条件下控制氩气流量20～40NL/min进行VD真空精炼不少于20min，放散后加入Ce稀土合金和钢包覆盖剂1.67kg/t，继续10～40NL/min氩气软吹不少于20min完成精炼；
所述模铸浇铸：
全程在压力为0.02～0.03MPa的氩气保护下进行浇注，浇注过热度按锭型双盘控制为60±5℃，模铸的模温为30～80℃，氩气保护罩下沿与喇叭嘴砖上沿距离≤200mm；开浇后调整好注流，保证钢液上升平稳，完成浇注后罩冷得到盾构机用稀土轴承钢钢锭。
实施例3
本实施例提供了一种盾构机用稀土轴承钢，其化学成分按重量百分含量包括：C：0.95～1.05％、Si：0.15～0.30％、Mn：0.60～0.80％、P≤0.010％、S≤0.005％、Cr：1.60～1.90％、Mo：0.50～0.60％、Ni：0.20～0.30％、Cu≤0.10％、Al≤0.050％，Ce：0.005～0.015％，Ti≤0.0015％、Ca≤0.0010％、As≤0.0050％、Sn≤0.0030％、Sb≤0.0020％、Pb≤0.0010％、Bi≤0.0010％、O≤0.0006％、H≤0.00015％、N≤0.0060％，其余为Fe及不可避免杂质。
实施例3提供的盾构机用稀土轴承钢，在现有轴承钢基础上对元素成分做出了调整，增加了Ni元素及稀土Ce元素，提高了Mn、Mo含量，并控制Al、Cu含量。
锰Mn：锰能够显著提高钢的淬透性，部分锰溶于铁素体中提高铁素体的硬度和强度，并且能够固定钢中S的形态并形成对钢的性能危害小的MnS等硫化物，能够减少或者抑制FeS的生成。Mn能提高钢材的强度，削弱和消除硫的不良影响，提高固熔强化作用，并能提高钢的淬透性、屈服强度和抗拉强度。
钼Mo：为了降低锰的不利影响，本发明增加了Mo元素，提高淬透性、抗回火稳定性，细化退火组织，减小淬火变形、提高疲劳强度，改善力学性能。
铌Ni：铌使材料基体本身在低温下易于交叉滑移，可提高韧性。
稀土Ce：铈具有熔点低，并与冶金中的有害气体具有很强的亲合力，且具有极强的脱氧、脱硫作用、净化钢液和合金化作用，使钢中夹杂物变性，进而提高钢的各项性能。
硅Si：硅在有少量钼存在的条件下，由于铬、钼、硅相互激发作用，1％以下的硅含量可提高轴承钢淬透性，可以扩大Cr-Mo类轴承钢淬火温度区间，同时硅对高碳轴承钢抗回火软化性，接触疲劳寿命有良好的作用。
本发明通过元素的调整为轴承钢零部件提供稳定淬火性能、工件切削性能、耐磨性和抗点蚀性。
实施例4
本实施例提供了一种盾构机用稀土轴承钢钢锭的生产方法，包括电炉冶炼→LF精炼→VD真空精炼→模铸浇铸→罩冷。
本实施例盾构机用稀土轴承钢化学成分按重量百分含量包括：C：0.95～1.05％、Si：0.15～0.30％、Mn：0.60～0.80％、P≤0.010％、S≤0.005％、Cr：1.60～1.90％、Mo：0.50～0.60％、Ni：0.20～0.30％、Cu≤0.10％、Al≤0.050％，Ce：0.005～0.015％，Ti≤0.0015％、Ca≤0.0010％、As≤0.0050％、Sn≤0.0030％、Sb≤0.0020％、Pb≤0.0010％、Bi≤0.0010％、O≤0.0006％、H≤0.00015％、N≤0.0060％，其余为Fe及不可避免杂质。
本钢种对氧、Ca、Ti及五害元素含量要求极低，夹杂物要求十分严格。生产时合金、中锰、工业硅、低钛低氮增碳剂和低钛复合精炼渣等合金和辅料要求使用低钛含量的本领域常规合金和辅料，对Ti含量的要求如表1所示。精炼使用精选白灰要求CaO含量≥90wt％、碳化硅要求SiC含量≥85wt％。
表1
合金及辅料 低钛高铬 中锰 工业硅 低钛低氮增碳剂 新型复合渣
Ti含量wt％ 0.0080 0.002 0.01 0.01 0.01
铁水使用优质铁水和优质废钢炼制，其中废钢残余元素含量为Ti：0.0031～0.0064wt％、As：0.005～0.007wt％、Sn：0.004～0.006wt％、Pb：0.001wt％、Sb：0.001wt％、Bi：0.001wt％。优质铁水的化学成分中P≤0.080wt％、S≤0.040wt％、Ti≤0.060wt％。
钢包使用未冶炼“加Ti”或含Ti的钢种的精炼包。
本实施例具体生产方法如下：
电炉冶炼过程中：
电炉冶炼钢铁料采用总重量为30t的优质铁水和优质废钢，电炉生铁装入量不小于电炉容量的40％。
当钢水中碳含量≥0.15wt％时，在不低于1580℃温度下开始出钢，留钢液7t以上。
出钢时加入低钛复合精炼渣和白灰，低钛复合精炼渣的添加量为300kg、所述白灰的添加量为300kg。
出钢随出钢钢水流增碳，增碳至其含量达到0.83～0.93wt％。
出钢脱氧将铝含量控制在0.030～0.040wt％。当出钢碳含量为0.15～0.30wt％时，脱氧铝锭添加量为30kg，当出钢碳含量为0.30wt％以上时，脱氧铝添加量为20kg。
出钢过程合金化按钢种化学成分下限控制。全程氩气搅拌，将钢液面裸露面积直径控制在100～150mm。
LF精炼过程中：
在氩气搅拌状态下进行LF精炼，控制氩气流量10～50NL/min。
精炼位加入低钛复合精炼渣250kg并完成升温化渣，加入等质量混合的铝粒和碳粉30～40kg进行前期脱氧，15min取样后加入等质量混合的碳粉和碳化硅份进行脱氧，后期脱氧剂用量不低于2kg/t。
当炉渣达到精炼渣系的条件，即CaO45～58％、SiO2 6～10％、Al2O3 25～35％、MgO≤8％时开始控制白渣精炼时间，白渣精炼35min，精炼时间共55min。
LF到位钢液温度为1480℃，化渣升温至1580℃，精炼成分合格，吊包倒渣进入VD位，控制渣层厚度为50～100mm。
所述VD真空精炼：
在真空度67Pa以下控制氩气流量为20～40NL/min保持25min；VD真空精炼放散后加入稀土元素Ce合金，加入钢包覆盖剂55kg。控制氩气流量为10～40NL/min继续氩气软吹25min。
所述模铸浇铸：
钢锭模内表面必须清理干净，模温保证在80℃，坐模时尾砖眼与模底水口眼对齐。绝热板装配保证与帽口下沿平齐，缝隙填充严密。采用吊挂方式加入轴承钢专用保护渣，吊挂高度距模底300mm。钢锭模帽口上用铁板盖严，防止粉尘进入钢锭模。
全程在氩气保护下进行浇注，氩气压力为0.02～0.03MPa，浇注过热度按锭型双盘控制为60±5℃。氩气保护罩下沿与喇叭嘴砖上沿距离≤200mm。开浇后调整好注流，保证钢液上升平稳，完成浇注后罩冷得到盾构机用稀土轴承钢钢锭。
对本实施例所得轴承钢钢锭头部、尾部进行成分和钢锭夹杂物检测，检测结果如表2、表3、表4所示。
表2
部位 C Si Mn P S Al Cr Ni Mo Ti Cu Ca
头 0.99 0.26 0.73 0.004 0.002 0.023 1.72 0.25 0.55 0.0019 0.06 0.0004
尾 0.98 0.26 0.72 0.004 0.002 0.024 1.72 0.25 0.54 0.0018 0.06 0.0004
表3
部位 As Sn Pb Sb Bi H O N
头 0.0050 0.0030 0.0010 0.0010 0.0010 0.00005 0.0006 0.0030
尾 0.0050 0.0030 0.0010 0.0010 0.0010 0.00005 0.0006 0.0034
表4
部位 A细 A粗 B细 B粗 C细 C粗 D细 D粗 DS
头 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0.5 0.5 0
尾 0.5 0.5 0.5 0.5 0 0 0.5 0.5 0
本发明通过有效降低钢锭中Al2O3为主的夹杂物和气体含量，细化组织，使得到的钢锭组织均匀，有效改善了中心疏松、偏析等低倍缺陷，降低了非金属夹杂，使钢锭具有力学性能好、性能稳定、合格率高等特点，能够满足盾构机发展的需求。

Claims (4)

1.一种盾构机用稀土轴承钢钢锭的生产方法，包括电炉冶炼→LF精炼→VD真空精炼→模铸浇铸→罩冷，其特征在于，
电炉冶炼过程中：
以优质铁水和废钢为钢材材料，所述优质铁水要求化学成分中P≤0.080 wt%、S≤0.040 wt%、Ti≤0.060 wt%；出钢温度不低于1580℃，出钢碳含量不低于0.15wt%，所述出钢脱氧时当出钢碳含量为0.15~0.30wt%时，脱氧铝添加量为1~1.17kg/t，当出钢碳含量为0.30wt%以上时，脱氧铝添加量为0.67~0.83kg/t，出钢脱氧将铝含量控制在0.030~0.040wt%；出钢先增碳至碳含量0.83~0.93wt%，出钢过程合金化按钢种化学成分下限控制，出钢时加入10~18.3kg/t低钛复合精炼渣和10kg/t白灰，全程氩气搅拌，所述氩气搅拌将钢液面裸露面积直径控制在Φ100~150mm；
LF精炼过程中：
氩气流量为10～50NL/min的氩气搅拌状态下进行LF精炼，加入0~8.3kg/t低钛复合精炼渣并完成升温化渣，分批加入扩散脱氧剂进行造渣，第一次取样前加入等质量混合的铝粒和碳粉1~1.3kg/t进行前期脱氧，取样后加入等质量混合的碳粉和碳化硅份进行后期脱氧，后期脱氧剂用量不低于2kg/t；当炉渣达到精炼渣系的条件，即CaO45~58%、SiO2 6~10%、Al2O3 25~35%、MgO≤8%时开始白渣精炼；钢液温度不低于1580℃且成分合格，吊包倒渣进入VD位；
所述VD真空精炼：
真空条件下控制氩气流量进行VD真空精炼，放散后加入稀土合金和钢包覆盖剂，继续氩气软吹完成精炼；
所述模铸浇铸：
全程在氩气保护下进行浇注，开浇后调整好注流，保证钢液上升平稳，完成浇注后罩冷得到盾构机用稀土轴承钢钢锭；
所述盾构机用稀土轴承钢钢锭的化学成分按重量百分含量包括：C：0.95～1.05%、Si：0.15～0.30%、Mn：0.60～0.80%、P≤0.010%、S≤0.005%、Cr：1.60～1.90%、Mo：0.50～0.60%、Ni：0.20~0.30%、Cu≤0.10%、Al≤0.050%，Ce：0.005~0.015%，Ti≤0.0015%、Ca≤0.0010%、As≤0.0050%、Sn≤0.0030%、Sb≤0.0020%、Pb≤0.0010%、Bi≤0.0010%、O≤0.0006%、H≤0.00015%、N≤0.0060%，其余为Fe及不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述一种盾构机用稀土轴承钢钢锭的生产方法，其特征在于，所述白渣精炼时间不低于30min，精炼时间不低于50min；进入VD位时控制渣层厚度为50~100mm。
3.根据权利要求2所述一种盾构机用稀土轴承钢钢锭的生产方法，其特征在于，所述VD真空精炼的真空度为67Pa以下，VD真空精炼时氩气流量为20～40NL/min，保持不少于20min；所述钢包覆盖剂加入量不少于1.67kg/t；所述氩气软吹时间不少于20min，软吹时氩气流量控制在10～40NL/min。
4.根据权利要求3所述一种盾构机用稀土轴承钢钢锭的生产方法，其特征在于，所述模铸浇铸时氩气压力为0.02～0.03MPa，浇注过热度按锭型双盘控制为60±5℃，模铸的模温为30~80℃，氩气保护罩下沿与喇叭嘴砖上沿距离≤200mm。
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