CN115537637B - 一种无铝脱氧高碳铬轴承钢的冶炼方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无铝脱氧高碳铬轴承钢的冶炼方法，属于冶金技术领域。冶炼方法包括铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、RH真空处理、连铸工序；铁水预脱硫，终点铁水S含量0.002～0.005wt%；转炉工序：终点钢水S含量≤0.015wt%；LF精炼结束终渣碱度1.5～2.5，FeO+MnO＜1.0wt％，Al2O3≤5wt%；RH工序：真空度≤100Pa，高真空时间15～30min；破空后软吹时间10～20min；连铸工序：全程保护浇注，钢包长水口采用氩封保护；采用整体式中间包。本发明使轴承钢中的夹杂物得到了很好的控制，成品氧含量≤10ppm，达到优质轴承钢非金属夹杂物要求。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种无铝脱氧高碳铬轴承钢的冶炼方法。
背景技术
高碳铬轴承钢GCr15是世界上生产量最大的轴承钢，含碳为1wt%左右，含铬量为1.5wt%左右，从1901年诞生至今100多年来，主要成分基本没有改变。随着科学技术的进步，高碳铬轴承钢GCr15的研究工作仍在继续，产品质量不断提高，占世界轴承钢生产总量的80%以上，以至于轴承钢如果没有特殊的说明，那就是指GCr15。
轴承钢是用于制造滚动轴承的滚珠，滚柱和套筒等的钢种，对于化学成分的均匀性、非金属夹杂物的含量和分布、碳化物的分布等要求都十分严格。轴承钢中的氧化物、硅酸盐等有害夹杂物是导致轴承早期疲劳剥落、显著降低轴承寿命的主要原因。特别是脆性夹杂物危害最大，由于在加工过程中容易从金属基体上剥落下来，严重影响轴承零件精加工后的表面质量。因此，为了提高轴承的使用寿命和可靠性，必须降低轴承钢中夹杂物的含量。
常规生产轴承钢的工艺为钢水进行铝脱氧，采用铝脱氧高碱度精炼渣精炼。此外GB/T 18254-2016规定高级优质轴承钢Ca≤0.0010wt%，为了保证轴承钢的钙含量不超标，轴承钢的生产工艺需采取无钙处理，但是无钙处理的铝脱氧轴承钢工艺在小方坯连铸浇铸过程中表现为钢水流动性差，容易导致水口结瘤，从而造成连铸机停浇、钢水回炉或落地等事故，影响炼钢的正常生产，导致生产成本提高，降低了企业效益，此外，铝脱氧工艺生产轴承钢的夹杂物B、D及Ds类夹杂物尺寸控制难度较大，因此提高了轴承钢生产的技术门槛。
采用常规的无铝脱氧工艺，钢材的T[O]含量≤15ppm，不能满足轴承钢T[O]含量≤12ppm的标准。如果钢水中[O]溶≤10ppm也会使得钢水的流动性变差。此外，常规的硅脱氧工艺生产轴承钢，C类夹杂≤1.5级，而轴承钢标准要求C类夹杂≤0.5级。无铝脱氧工艺生产轴承钢技术对于钢材T[O]的控制及C类夹杂物的控制难度较大，因此在行业内应用极少。
发明内容
针对背景技术中指出有铝脱氧工艺生产高碳铬轴承钢可浇性差的问题，本发明提供一种无铝脱氧高碳铬轴承钢的冶炼方法。通过控制钢水成分及精炼渣组分可实现轴承钢高效率、生产稳定顺行，且最终产品成分均匀，非金属夹杂物评级满足标准要求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种无铝脱氧高碳铬轴承钢的冶炼方法，所述冶炼方法包括铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、RH真空处理、连铸工序，具体控制参数如下：
（1）铁水预脱硫工序：终点铁水S含量达到0.002～0.005wt%；
（2）转炉工序：脱硫铁水配加低硫废钢，保证终点钢水S含量≤0.015wt%；出钢过程中，先配加无铝脱氧剂、低铝硅铁、锰铁、低钛铬铁、增碳剂进行脱氧合金化处理，脱氧合金化后按2～3㎏/t钢的比例加入渣洗料对钢包顶渣进行改质处理；所述低硫废钢S含量≤0.03wt%；
（3）LF精炼工序：前期加入石灰6～8㎏/t、萤石2～3㎏/t的渣料，辅助无铝脱氧剂，造高碱度还原性精炼渣，采用钢包底吹氩气强搅拌，快速脱除钢液中的硫；采用低铝硅铁、锰铁、低钛铬铁、增碳剂调整钢水中各元素含量达到控制要求；
确定钢液中硫含量≤0.005%后，向钢包中加入硅灰石调整精炼渣碱度，低碱度还原性精炼渣保持时间10～15分钟，钢水出LF精炼炉，然后依次进行RH、连铸工艺，得到无铝脱氧的低硫的高碳铬轴承钢；
（4）RH工序：真空度≤100Pa，高真空时间15～30min；破空后软吹时间10～20min；
（5）连铸工序：全程保护浇注，中间包钢水温度1480～1510℃。
本发明所述步骤（2）、（3）、（4）中，严禁向钢水中加入铝制品及含铝脱氧剂，保证钢水成分Al含量≤0.0030%。
本发明所述步骤（1）铁水预脱硫之前，进行生产准备，钢包必须周转钢包，而且前一包为盛过硅镇静钢水，生产前RH槽使用硅镇静钢水洗槽1次；钢包耐材为镁炭砖，与钢水接触的耐材中Al2O3含量≤5%。
本发明所述步骤（2）渣洗料主要化学成分为：CaO：38～52%，SiO2：38～52%，Al2O3≤5%，Ti≤0.1%；所述步骤（2）无铝脱氧剂主要化学成分为：SiC≥85%，Si+SiO2＜10%。
本发明所述步骤（2）低铝硅铁主要化学成分为：Si≥72%，Al≤0.5%，Ca≤1%；所述步骤（2）低钛铬铁主要化学成分为：Cr≥69%，Ti≤0.05%，Ca≤0.5%。
本发明所述步骤（3）硅灰石主要化学成分为：CaO：35～46%，SiO2：45～55%，Al2O3≤0.5%。
本发明所述步骤（3）高碱度还原性精炼渣CaO/SiO2控制范围2.5～4.0，FeO+MnO＜1.0wt%；所述低碱度还原性精炼渣CaO/SiO2控制范围1.5～2.5，FeO+MnO＜1.0wt％，Al2O3≤5wt%。
本发明所述步骤（5）连铸工序，钢包长水口采用氩封保护；采用整体式中间包。
本发明所述高碳铬轴承钢铸坯的化学成分及质量百分含量为：C：0.95～1.0%，Si：0.20～0.30%，Mn：0.30～0.40%，S≤0.005%，P≤0.020%，Cr：1.40～1.52%，Al≤0.0030%，Ti≤0.0030%，Ca≤0.0010%，Cu≤0.10%，Mo≤0.10%，Ni≤0.10%，Pb≤0.002%，As≤0.04%，As+Sn+Sb≤0.075%，T[O]≤0.0010%，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
本发明所述冶炼方法生产的高碳铬轴承钢铸坯夹杂物评级：粗系A类≤1.5级，细系A类≤2.5级；粗系B类≤1.0，细系B类≤1.5；粗系C类≤0.5，细系C类≤0.5；粗系D类≤0.5级，细系D类≤1.0级；Ds类≤1.0级，达到优质轴承钢非金属夹杂物要求。
本发明的原理：
（1）硅镇静钢产生的夹杂物是：纯SiO2(固体)、MnO·SiO2（液体）、MnO·FeO（固溶体），以及Al2O3类复合夹杂。现有技术中，一般通过调整钢水的锰硅比大于2.5，来改善钢水的流动性。而锰硅比高时生成典型的MnO·SiO2，夹杂物容易上浮。
（2）轴承钢的成分Mn/Si=1～2。Mn/Si低时形成SiO2夹杂，增加了水口堵塞的可能性。
（3）本发明在LF精炼中前期，采用LF精炼采用白渣操作+氩气搅拌，钢渣精炼扩散脱氧，造较高碱度的白渣，既能把钢水中[O]降低，也能有效地脱硫([S]<0.005%)。
（4）本发明通过在LF精炼中后期加入硅灰石，降低精炼渣碱度，R=1.5～2.5，可改变钢水中的夹杂物类型，进而改善钢水的流动性。在钢渣中Al2O3含量基本固定的情况下，随着钢渣中SiO2 含量的提高，可以有效地降低钢液中Al的含量；降低精炼渣碱度，可以减少炉渣中的Al2O3夹杂的还原，即下述反应式（A）。
[Si]+(Al2O3)=[Al]+(SiO2)（A）
[Al]+(SiO2)=( Al2O3)+[Si]（B）
降低钢水中铝含量可以使得夹杂物成为液态，同时减少钢水在连铸浇注过程发生上述反应（B），减少Al2O3类夹杂产生，防止Al2O3堵塞水口。
（5）由MnO-SiO2- Al2O3相图可知，当其中Al2O3超过25%时，Al2O3将析出；若Al2O3含量低于10%，SiO2将析出，两者均为不变形相。为了控制Al2O3含量以形成20%的Al2O3锰铝榴石夹杂物，必须与渣系中的Al2O3联系起来，通过调整渣的组成防止渣中Al2O3过高导致锰铝榴石中Al2O3析出来平衡钢水中的夹杂物成分。
在钢中Si＝0.2％，Mn＝0.4％，温度为1550℃条件下，根据钢中铝与氧的关系图可知，要把夹杂物成分控制在该图中的阴影区，则必须钢中[Al]≤0.006%，若钢中[Al]≤0.006%，则钢中[O]<20ppm，生成锰铝榴石而无Al2O3析出，钢水可浇性好，不堵水口，铸坯又不产生皮下气孔。
因此本发明控制精炼渣系Al2O3含量≤5%，钢水[Al]含量≤0.003wt%。
（6）轴承钢氧含量的控制，T[O]=[O]夹+[O]溶。
要降低钢中T[O]，就是要减少钢中夹杂物即降低[O]夹，降低[O]夹其方法是：在LF精炼采用白渣操作＋Ar搅拌，钢渣精炼扩散脱氧既能把钢水中[O]溶降到<15ppm，也能有效脱硫，将[S]降到0.005％以下。再通过RH处理，可以将T[O]降到≤10ppm。
（7）铝脱氧轴承钢的夹杂物，以钙铝酸盐为主，钢中Ｄ类、Ds类夹杂物控制难度较大。无铝脱氧工艺生产轴承钢，轴承钢中的主要夹杂物为硅酸盐、尖晶石和钙铝酸盐，其中以硅酸盐最多，尖晶石次之，钙铝酸盐最少，可以有效减少钢中Ｄ类、Ds类夹杂物。
无铝无铝脱氧工艺生产轴承钢，产生的夹杂物主要为两类：一类杂物主要组分为：CaO、SiO2、Al2O3，不含或含少量的MnO；另一类杂物主要组分为：MnO、SiO2、Al2O3，不含或含少量的CaO。该发明通过控制精炼渣组分及工艺，可以将夹杂物组分控制在MnO-SiO2- Al2O3相图或CaO-SiO2- Al2O3相图的液相区，来有效的减少夹杂物的数量及尺寸。
本发明的创新点：本发明生产轴承钢改变以往使用铝脱氧工艺，采用无铝脱氧工艺生产，通过控制钢水铝含量及LF精炼渣组分，可以实现钢水在连铸浇注过程中不会出现钢水流动性差，堵水口的事故，同时有利于控制钢中B、C、D及Ds类夹杂物尺寸。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：1、本发明实现了轴承钢高效快节奏生产；通过采用无铝脱氧工艺，适当控制精炼渣组分及钢水中的Al含量，并通过RH真空处理，可以将成品全氧含量降低至10ppm以下，S含量降低至0.005%以下；连铸生产不会出现因钢水流动性差引起的结晶器液面波动超标及水口结瘤事故。2、本发明使轴承钢中的夹杂物得到了很好的控制，成品氧含量≤10ppm，达到优质轴承钢非金属夹杂物要求，在实现轴承钢高效率、低成本生产的同时，保证成品非金属夹杂物评级及氧含量满足标准要求。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1-5
一种无铝脱氧高碳铬轴承钢的冶炼方法，包括铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、RH真空处理、连铸工序，其他未说明的为常规工艺，按产品要求控制即可。
设备工艺参数为：120t复合喷吹脱硫、120t转炉、120t LF精炼炉、120tRH真空炉、8机8流方坯（200mm×200mm）连铸机，具体控制参数如下：
（1）铁水预脱硫，终点铁水S含量达到0.002～0.005wt%。
铁水预脱硫之前，进行生产准备，每次生产高碳铬轴承钢前，使用生产HRB400E的周转钢包，并用该钢种对双工位RH真空槽各洗一次，钢包耐材为镁炭砖，与钢水接触的耐材中Al2O3含量≤5%；各实施例工艺参数控制见表1。
表1 实施例1-5铁水预脱硫工艺参数
（2）转炉工序：脱硫铁水配加低硫废钢，保证终点钢水S含量≤0.015wt%；出钢过程中，先配加无铝脱氧剂、低铝硅铁、锰铁、低钛铬铁、增碳剂进行脱氧合金化处理，脱氧合金化后按2～3㎏/t钢的比例加入渣洗料对钢包顶渣进行改质处理；低硫废钢S含量≤0.03wt%；各实施例工艺参数控制见表2。
渣洗料主要化学成分为：CaO：38～52%，SiO2：38～52%，Al2O3≤5%，Ti≤0.1%；无铝脱氧剂主要化学成分为：SiC≥85%，Si+SiO2＜10%；各实施例工艺参数控制见表3。
低铝硅铁主要化学成分为：Si≥72%，Al≤0.5%，Ca≤1%；低钛铬铁主要化学成分为：Cr≥69%，Ti≤0.05%，Ca≤0.5%；各实施例工艺参数控制见表4。
表2 实施例1-5转炉工序工艺参数
表3 实施例1-5渣洗料、无铝脱氧剂控制参数
表4 实施例1-5低铝硅铁、低钛铬铁控制参数
（3）LF精炼工序：前期加入石灰6～8㎏/t、萤石2～3㎏/t的渣料，辅助无铝脱氧剂，造高碱度还原性精炼渣，高碱度还原性精炼渣CaO/SiO2控制范围2.5～4.0，FeO+MnO＜1.0wt%；采用钢包底吹氩气强搅拌，快速脱除钢液中的硫；采用低铝硅铁、锰铁、低钛铬铁、增碳剂调整钢水中各元素含量达到控制要求；
确定钢液中硫含量≤0.005%后，向钢包中加入硅灰石调整精炼渣碱度；低碱度还原性精炼渣保持时间10～15分钟。低碱度还原性精炼渣CaO/SiO2控制范围1.5～2.5，FeO+MnO＜1.0wt％，Al2O3≤5wt%。钢水出LF精炼炉，然后依次进行RH、连铸工艺，得到无铝脱氧的低硫的高碳铬轴承钢。各实施例工艺参数控制见表5、6。
硅灰石主要化学成分为：CaO：35～46%，SiO2：45～55%，Al2O3≤0.5%。各实施例工艺参数控制见表7。
表5 实施例1-5 LF精炼工序工艺参数
表6 实施例1-5 LF精炼结束低碱度还原性精炼渣组分及碱度
备注：精炼渣系组分中余量为杂质。
表7 实施例1-5硅灰石组分及碱度
（4）RH工序：真空度≤100Pa，高真空时间15～30min；破空后软吹时间10～20min，各实施例工艺参数控制见表8。
表8 实施例1-5 RH工序主要工艺参数
（5）连铸工序：全程保护浇注，中间包钢水温度1480～1510℃，钢包长水口采用氩封保护；采用整体式中间包，各实施例工艺参数控制见表9。
最终获得的高碳铬轴承钢的化学成分及质量百分含量见表10，残余元素成分及百分含量见表11，夹杂物评级见表12。
表9 实施例1-5 连铸工序主要工艺参数
表10 实施例1-5高碳铬轴承钢坯化学组分及含量（单位：wt%）
表11实施例1-5高碳铬轴承钢坯残余元素及百分含量（单位：wt%）
表12 实施例1-5高碳铬轴承钢坯非金属夹杂物及氧含量情况
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种无铝脱氧高碳铬轴承钢的冶炼方法，其特征在于，所述冶炼方法包括铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、RH真空处理、连铸工序，具体控制参数如下：
（1）铁水预脱硫工序：终点铁水S含量达到0.002～0.005wt%；
（2）转炉工序：脱硫铁水配加低硫废钢，保证终点钢水S含量≤0.015wt%；出钢过程中，先配加无铝脱氧剂、低铝硅铁、锰铁、低钛铬铁、增碳剂进行脱氧合金化处理，脱氧合金化后按2～3㎏/t钢的比例加入渣洗料对钢包顶渣进行改质处理；所述低硫废钢S含量≤0.03wt%；
（3）LF精炼工序：前期加入石灰6～8㎏/t、萤石2～3㎏/t的渣料，辅助无铝脱氧剂，造高碱度还原性精炼渣，采用钢包底吹氩气强搅拌，快速脱除钢液中的硫；采用低铝硅铁、锰铁、低钛铬铁、增碳剂调整钢水中各元素含量达到控制要求；
确定钢液中硫含量≤0.005%后，向钢包中加入硅灰石调整精炼渣碱度，低碱度还原性精炼渣保持时间10～15分钟，钢水出LF精炼炉，然后依次进行RH、连铸工艺，得到无铝脱氧的低硫的高碳铬轴承钢；
（4）RH工序：真空度≤100Pa，高真空时间15～30min；破空后软吹时间10～20min；
（5）连铸工序：全程保护浇注，中间包钢水温度1480～1510℃；
所述步骤（2）、（3）、（4）中，严禁向钢水中加入铝制品及含铝脱氧剂，保证钢水成分Al含量≤0.0030%；
控制精炼渣系Al2O3含量≤5%；
所述轴承钢的成分Mn/Si=1～2。
2.根据权利要求1所述的一种无铝脱氧高碳铬轴承钢的冶炼方法，其特征在于，所述步骤（1）铁水预脱硫之前，进行生产准备，钢包必须周转钢包，而且前一包为盛过硅镇静钢水，生产前RH槽使用硅镇静钢洗槽1次；钢包耐材为镁炭砖，与钢水接触的耐材中Al2O3含量≤5%。
3.根据权利要求1所述的一种无铝脱氧高碳铬轴承钢的冶炼方法，其特征在于，所述步骤（2）渣洗料主要化学成分为：CaO：38～52%，SiO2：38～52%，Al2O3≤5%，Ti≤0.1%；所述步骤（2）无铝脱氧剂主要化学成分为：SiC≥85%，Si+SiO2＜10%。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种无铝脱氧高碳铬轴承钢的冶炼方法，其特征在于，所述步骤（2）低铝硅铁主要化学成分为：Si≥72%，Al≤0.5%，Ca≤1%；所述步骤（2）低钛铬铁主要化学成分为：Cr≥69%，Ti≤0.05%，Ca≤0.5%。
5.根据权利要求1-3任意一项所述的一种无铝脱氧高碳铬轴承钢的冶炼方法，其特征在于，所述步骤（3）硅灰石主要化学成分为：CaO：35～46%，SiO2：45～55%，Al2O3≤0.5%。
6.根据权利要求1-3任意一项所述的一种无铝脱氧高碳铬轴承钢的冶炼方法，其特征在于，所述步骤（3）高碱度还原性精炼渣CaO/SiO2控制范围2.5～4.0，FeO+MnO＜1.0wt%；所述低碱度还原性精炼渣CaO/SiO2控制范围1.5～2.5，FeO+MnO＜1.0wt％，Al2O3≤5wt%。
7.根据权利要求1-3任意一项所述的一种无铝脱氧高碳铬轴承钢的冶炼方法，其特征在于，所述步骤（5）连铸工序，钢包长水口采用氩封保护；采用整体式中间包。
8.根据权利要求1-3任意一项所述的一种无铝脱氧高碳铬轴承钢的冶炼方法，其特征在于，所述高碳铬轴承钢铸坯的化学成分及质量百分含量为：C：0.95～1.0%，Si：0.20～0.30%，Mn：0.30～0.40%，S≤0.005%，P≤0.020%，Cr：1.40～1.52%，Al≤0.0030%，Ti≤0.0030%，Ca≤0.0010%，Cu≤0.10%，Mo≤0.10%，Ni≤0.10%，Pb≤0.002%，As≤0.04%，As+Sn+Sb≤0.075%，T[O]≤0.0010%，余量为Fe和不可避免的杂质元素。
9.根据权利要求1-3任意一项所述的一种无铝脱氧高碳铬轴承钢的冶炼方法，其特征在于，所述冶炼方法生产的高碳铬轴承钢铸坯夹杂物评级：粗系A类≤1.5级，细系A类≤2.5级；粗系B类≤1.0，细系B类≤1.5；粗系C类≤0.5，细系C类≤0.5；粗系D类≤0.5级，细系D类≤1.0级；Ds类≤1.0级。
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