150 mm×150 mm小方坯连铸生产轴承钢工艺开发.pdf

技术工艺452023,Vol.61,No.4452023,Vol.61,No.4收稿日期：2023-05-06作者简介：李维（1982）,女，高级工程师，主要从事炼钢工艺技术研究工作。E-mail：150 mm150 mm小方坯连铸生产轴承钢工艺开发李维（天津钢铁集团有限公司技术中心 天津 300301）摘要：天钢采用铁水预处理 120 t 顶底复吹转炉 LF 炉 VD 炉 150 mm150 mm 小方坯连铸的轴承钢生产工艺生产轴承钢 GCr15。转炉过程采用双渣法和高拉碳出钢模式，实现 P 0.008%的低磷控制；精炼过程造出高碱度精炼渣，VD 过程采用高真空度处理，并保持软吹效果，实现了深脱硫，保证成品 S 0.005%；炼钢过程中全程控铝，实现钢中 O 10 ppm，铸坯质量良好，中心偏析 0.5 级，满足了标准要求，实现了轴承钢 GCr15 稳定生产。关键词：轴承钢；方坯；精炼；夹杂中图分类号：TG142.4文献标识码：B文章编号：1003-0514(2023)04-0045-04Study of 150 mm150 mm bearing steel with the billet caster process Li Wei（Technical Center of Tianjin Iron and Steel Group Co.，Ltd.，Tianjin 300301，China）Abstract：The GCrl5 bearing steel is produced by 120 t BOFLFVD150 mm150 mm CC billet in Tianjin Iron and Steel Group Co.,Ltd.The converter process adopts dual slag method and high carbon tapping mode to achieve P0.008%low phosphorus control.The refining process produces high alkalinity refining slag,and the VD process uses high vacuum treatment to maintain soft blowing effect,achieving deep desulfurization and ensuring that the S of finished product is 0.005%.During the steelmaking process,aluminum is controlled throughout the entire process,achieving O10ppm in the steel,good casting quality,and a center segregation of 0.5 levels,meeting the standard requirements and achieving stable production of bearing steel GCr15.Key words：bearing steel；billet；refining；inclusion0前言中国已成为世界制造大国，尤其是以汽车制造业为代表的高端装备行业已进入了突飞猛进期。轴承作为装备的基础性材料，其市场需求量越来越大。轴承钢是制造滚动轴承的关键零件1。在工作环境中，滚动轴承需要承受较高的交变载荷以保证服役效果，因此对轴承钢产品的疲劳强度、耐磨性能、硬度等性能提出了较高要求。进而，对钢材中夹杂物含量、种类，尤其是非金属夹杂物，以及其它有害元素都提出了非常严格的要求2。目前，轴承钢生产通常采用大方坯二火成材技术，能够较好地控制轴承钢的心部偏析和 1/4 位置偏析，但二火成材的成本较高3。为降低生产技术成本，提升产品的市场竞争力，天钢基于高纯净化、高效率原则，开发铁水预处理 120 t 顶底复吹转炉 LF 炉 VD 炉 150 mm150 mm 小方坯连冶金标准化与质量2023,Vol.61,No.446铸的轴承钢生产工艺，满足客户需求。1化学成分设计钢材产品中的非金属夹杂物，能够破坏金属基体的连续性，导致其在承受大量交变应力情况下，形成应力集中，在夹杂物处形成疲劳裂纹源，降低轴承的疲劳寿命。经研究指出，非金属夹杂物的类型、形态、数量、尺寸和分布，对疲劳寿命的影响程度不同。轴承钢中的非金属夹杂物按其化学成分可以分为氧化物、硫化物3。1）氧化物夹杂。氧在钢材中的主要存在形式是夹杂物形态，如 FeO、SiO2、A12O3等尖晶石类夹杂物和各种铝酸钙等。氧化物夹杂与轴承寿命呈正向关系，其含量越多，轴承的寿命越低，尤其是氧化铝严重影响轴承寿命。2）硫化物夹杂。硫是对疲劳寿命的敏感元素，在凝固过程中，低熔点的硫化物不断形成，并慢慢富集在氧化物表面。硫化物属于塑性夹杂，硫化物夹杂含量与轴承寿命呈反向关系，其含量越多，轴承寿命越短。基于上述分析，为保证材料的金相组织及性能，以高纯净化、高效率、减量化为原则进行成分设计，尤其是重视钢水中低氧、低磷、低硫元素的成分设计思路。表 1GCr15 轴承钢化学成分设计要求 wt%元素CSiMnPSCrMoCuTO标准0.95/1.050.15/0.350.25/0.45 0.025 0.0251.40/1.65 0.10 0.025 1010-4目标0.97/1.010.18/0.230.30/0.40 0.01 0.0051.50/1.55 0.10 0.025 1010-42关键工艺控制针对轴承钢产品对钢水纯净度要求较高的特点，确定了以下关键的工艺控制点：1）采用公司自产的高炉铁水和优质废钢为原料，为钢水洁净度控制创造良好条件，实现源头控制，以减少各类有害元素含量。2）由于磷为易偏析元素，磷在钢材中的晶界聚集会造成冷脆，影响疲劳寿命，因此一般来说，钢中磷的控制要求为越低越好。由于铁水中含磷较高且波动范围较大，采用顶底复吹转炉双渣法工艺强化脱磷。转炉冶炼前期必须造出含高 FeO、高MgO，并含一定量的泡沫渣以便快速脱磷，从而保护避免喷溅，转炉炉衬，提高合金收得率和转炉冶炼效果，提升经济性与钢材产品质量。3）转炉出钢强化挡渣操作，防止钢渣进入钢包引起回磷，冶炼终点采用高拉碳，提高终点的碳含量，降低终点的氧含量，减少合金和脱氧剂消耗。4）LF 精炼过程中，提高精炼渣碱度控制夹杂物，并进一步脱硫。LF 工序采用全程控铝工艺，保证白渣精炼时间不低于 20 min，促使夹杂物上浮。5）VD 真空处理过程中，调整炉渣粘度，提高炉渣流动性，防止水口堵塞。要求在真空度 67 Pa保持 15 min 以上，全程合理控制底吹氩强度。破空后软吹氩、镇静；软吹时间 10 min，促进夹杂物变形夹杂物上浮。6）连铸过程中，使用碱性中包覆盖剂，并采用轴承钢专用的碱性结晶器保护渣，减少外生夹杂，保持钢水洁净度在较高水平；采用合理的拉速、比水量等连铸工艺参数，降低轴承钢铸坯心部碳偏析。3轴承钢试制3.1转炉炼钢工序转炉工序通过合理的枪位调整与控制，适当的造渣和终点高拉碳操作，实现了钢水的良好脱磷效果，终点成分也得到较好控制（见表 2）。从表 2 统计可看出，入炉铁水成分中磷、硫含量略有波动，对转炉操作造成一定影响。转炉终点碳控制的比较稳定，实现了高拉碳出钢；转炉终点平均磷含量为 0.008%，满足了内控要求；但转炉终点发生了不同程度的回硫现象，其主要原因是铁水预处理后脱硫渣扒除效果不好。技术工艺472023,Vol.61,No.43.2LF 炉钢包精炼工序在 LF 炉精炼工序，从进站到出站全程控铝，减少含铝的氧化性夹杂，保证钢水的深脱氧效果；通过采用高碱度的 CaO-Si02-A1203渣系进行白渣精炼，R=7-9，实现了钢水的深脱硫，为减少钢中硫化物夹杂奠定了基础。3.2.1LF 炉进站钢水 LF 炉精炼进站成分见表 3。从表 3 可以看出，LF 炉进站钢水 Si 的控制波动较大，Mn、Cr控制稳定性较好。转炉终点到 LF 炉进站，钢水平均磷含量增加 0.002%，说明转炉出钢挡渣效果需要进一步加强；而钢水 S 含量平均降低 0.003%，转炉出钢过程平均脱硫率达 20%，说明炉后钢包顶渣改质效果良好。随着钢水与熔渣的进一步反应，脱氧产物发生了转化，由(Al2O3)转化为 CaO-Al2O3-MgO 类复合类夹杂物和 Al2O3-MgO 尖晶石类夹杂，其中还夹杂着少量(CaS)。表 2转炉成分控制情况分析项入炉铁水/%一倒情况终点成分/%终点温度/成分/%温度/PSPSCPS最小值0.0820.0110.0120.0151 3750.1610.0050.0111 610最大值0.1130.0350.0230.0231 4660.3780.0120.0211 640平均值0.0850.0300.0190.018 0.2280.0080.0151 615 表 3钢水进 LF 炉成分 wt/%元 素CSiMnPSCrMo最小值0.7780.1030.3180.0100.0101.1320.001 8最大值0.8190.2670.3320.0150.0161.1970.002 7平均值0.7980.1850.3240.0100.0141.1640.002 53.2.2LF 炉出站钢水 LF 炉精炼出站成分见表 4。由表 4 可以看出，LF 炉精炼过程中化学成分波动范围较小，工艺操作稳定。P 含量为 0.010%，S 含量为 0.004%，均控制较好，为保证轴承钢产品稳定的综合性能奠定了基础。表 4 钢水出 LF 炉成分 wt/%元 素CSiMnPSCrMo最小值0.9750.2190.3280.0070.0020.0351.402最大值1.0280.2640.3400.0130.0060.0621.473平均值0.9930.2540.3350.0100.0040.0451.447LF 炉出站钢水中非金属夹杂物形貌见图 1。图 1LF 炉出站钢水中非金属夹杂形貌3.3VD 炉真空脱气工序VD 炉真空工序的主要任务是通过对精炼钢水的真空脱气，在氮气保护环境下脱氮、脱氢；同时，进一步实现钢中 MnS、Al2O3夹杂的变性处理，通过软吹，促进夹杂物聚集、上浮、去除，降低钢中夹杂物含量，提高钢水洁净度。VD炉实际控制情况见表5。表 5VD 炉操作情况VD 工艺参数高真空时间/min软吹氩时间/min出站温度/出站气体情况/ppmNTO平均值16351 5202514最小值15331 510最大值17381 533VD 炉破空后钢水中非金属夹杂物形貌及成分见图 2，夹杂物形貌为球形，部分形状不规则，且夹杂物尺寸较小，多在 2 5 m 之间。经能谱分析，主要成分为 CaO-Al2O3-MgO 型复合型夹杂物和Al2O3-MgO-CaS，即铝酸钙和镁铝尖晶石组成的复合型夹杂物。与 LF 炉精炼结束相比较，经 VD 处理后，氧化2023,Vol.61,No.448冶金标准化与质量2023,Vol.61,No.448性夹杂物中的 MgO 含量明显降低，而 CaO 含量明显升高。主要原因是因为在真空精炼过程中，钢液中残存的溶解态的 Ca 继续与 CaO-Al2O3-MgO 发生反应，导致复合型夹杂物中的 Mg 含量越来越低，而 CaO 含量却越来越高。表 6连铸工序工艺参数工艺参数到站温度/中间包温度/拉速/(mmin-1)平均值1 5151 4801.65波动范围1 5061 5251 4801 4851.51.8 表 7各区水量 L/min二冷水参数123456一区606257624985二区777875758185三区121920361719图 2VD 炉非金属夹杂形貌3.4连铸工序连铸工序重点控制到站钢水温度、钢水过热度，并采用合理的拉速和比水量，使二冷区的冷却均匀，保证铸坯外形的同时降低铸坯心部碳、硫等元素偏析，从而保证铸坯的实物质量。连铸工艺参数见表 6。从表 6 数据可以看出，在连铸生产过程中，到站钢水温度较为温度，中间包温度、拉速均在工艺要求范围内。采用全水冷的冷却工艺，关键是各段冷却合理，避免了轴承钢在连铸过程出现的扭曲、“卡坯”现象，各区水量参数见表 7。3.5铸坯检测对铸坯氧含量分析和夹杂物进行检测，氧含量平均为 6 ppm，最大值为 9 ppm，满足氧含量 10 ppm 的控制要求。铸坯中非金属夹杂物的形貌见图 3，由图可知，夹杂物形态主要为球形，部分夹杂物形状不规则，尺寸集中在 2 5 m 之间，较为细小，其主要成分与 VD 炉破空基本相同。表 8低倍情况分析项中心疏松中心偏析中间裂边 裂角 裂缩 孔夹 杂级 别0.50.50.50000图 3连铸坯中夹杂物形貌对铸坯进行了低倍组织检测，见表8。中心疏松、中心偏析、中间裂纹为 0.5 级，未出现其它缺陷，铸坯整体质量良好，符合 GB/T 18254 及 SGNB 的要求。4结论1）采用铁水预处理 120 t 顶底复吹转炉 LF 炉 VD 炉 150 mm150 mm 小方坯连铸生产轴承钢工艺是可行的。2）在 LF 炉精炼过程采用高碱度白渣精炼，VD过程采用高真空度处理并保持长时间软吹工艺，能够实现钢水的深脱硫，保证成品 S 0.005%，减少了硫化物夹杂。3）在炼钢过程中全程控铝，强化酸溶铝控制，能够抑制夹杂物向不变形夹杂转变，实现钢中总氧含量 10 ppm，提升了产品质量。参考文献1 天津钢铁集团有限公司.一种 GCr15 轴承钢小方坯的生产方法P.中国专利:ZL201410811222.1，2014-12-20.2 潘贻芳，李树庆，候葵，等.小方坯流程高品质轴承钢工艺 J.中国冶金，2015，1（25）：1-6.3 宝山钢铁股份有限公司.一种轴承钢炼钢过程用精炼渣 P.中国专利：ZL201010291744.5，2010-09-24.