转炉流程生产高品质轴承钢实践

转炉流程生产高品质轴承钢实践
 

采用转炉加精炼连铸生产特殊钢具有明显的技术和成本优势，具体体现在：铁水的纯净度和质量稳定性均优于废钢；采用铁水预处理工艺，可进一步提高铁水纯净度，使[S]≤0.005%，[P]≤0.01%；转炉配LF和RH，生产灵活性和效率高、纯净度好，适合生产低碳/超低碳、低残余元素的钢种，尤其是批量很大、合金含量较低的钢种；转炉的终点控制水平高，渣/钢反应比电炉更接近平衡；转炉钢水的气体含量低，[O]≤20ppm，[H]≤3ppm；转炉冶炼周期短，生产效率高，易于与精炼、连铸形成高效化生产。在多年转炉冶炼特殊钢的基础上，本钢于2006年新建投产一台断面尺寸350mm×470mm四流矩形坯连铸机，配合转炉流程生产高质量特殊钢。基于这条生产线，东北大学和本钢合作开发了一系列关键生产工艺技术。本文以轴承钢GCr15为代表钢种介绍试制结果。
　　1 生产工艺及设备概况
　　炼钢厂转炉矩形坯连铸生产GCr15工艺流程为：铁水脱硫扒渣→转炉→LF→RH→矩形坯连铸→热送特钢厂。炼钢厂的主要设备简介如表1所示。
　　2 各工位生产工艺关键点分析
　　2.1 转炉工位
　　2.1.1保证良好的复吹效果
　　1）终点碳氧积
　　顶吹与复吹工艺的终点碳氧关系对比结果，如图1所示。由图1可见，在相同吹炼终点ω[C]含量下，复吹时的定ω[O]值有明显降低（平均降低了105×10-6）。这不仅降低了脱氧铁合金的消耗，而且大幅度减少了脱氧生成的夹杂物。对生产低氧洁净轴承钢非常有利。
　　2）转炉吹炼终点ω[N]含量
　　统计结果显示：复吹炉次终点ω[N]平均含量为23.63×10-6，顶吹炉次终点ω[N]平均含量为26.14×10-6。前者较后者的平均值略有降低（平均降低2.51×10-6）。原因在于复吹转炉在冶炼后期采用了大吹气量底吹氩气搅拌熔池，有脱氮作用。轴承钢对氮化物（如氮化钛）夹杂非常敏感，降低钢中氮含量为生产高品质轴承钢提供有利条件。
　　3）终渣氧化性的控制
　　统计结果表明：采用复吹工艺后，终渣ω（FeO）含量平均为12.75%，比顶吹降低4.23%。这是因为采用复吹时，由于底吹对熔池的搅拌作用，有利于防止钢渣的过氧化。虽然这对脱磷反应有不利影响，但对后续的精炼，特别是LF快速脱硫十分有利。
　　2.1.2高碳品种终点中高碳出钢
　　表2为增碳法和高拉碳转炉冶炼终点熔池碳氧含量测定结果的比较。从表2中可知，对于中高碳特殊钢品种，复吹转炉终点采用高碳出钢技术，降低了转炉终点熔池中钢水的氧化性。既节约了增碳剂和沉淀脱氧剂的成本，同时也减少了脱氧反应生成夹杂物的数量。
　　2.2 LF工位
　　2.2.1优化造渣制度
　　为改善冶金效果及埋弧效果，经过实验室研究，确定最优的高碱度渣渣系。现场采用白灰+预熔型精炼渣造渣。同时，炉渣加铝球、碳粉进行扩散脱氧，分批加入保持炉渣的精炼效果。炉渣组分主要为CaO-Al2O3。
　　2.2.2脱氧和合金化工艺优化
　　为了控制合适的钢水酸溶铝含量，炉后采用大块的铝锭进行脱氧操作，以稳定铝的收得率。为控制钢中的Ti含量，转炉出钢时采用单独采购的低钛高碳铬铁进行合金化。
　　应用石墨粒代替碳粉增碳，提高炉后增碳剂的用量，减少LF精炼过程的碳调整量。这样一方面提高了LF精炼效率，另一方面也减少了增碳过程钢水中氮气和氢气的吸入量。
　　2.3 RH工位
　　RH工位主要是保证足够的真空度以及真空保持时间，提高脱气效果。在100Pa以下保持15min以上。在RH钢水循环过程中，将化学成分调整至目标值。保证RH循环时间大于25min。当温度合格后，负压破真空，保证软吹氩搅拌15min以上。
　　2.4 连铸机
　　中间包包盖要密封好，并向中间包内吹氩气保护浇注；中包渣要勤加，严禁钢液面裸露。做好长水口密封工作，严禁钢包下渣，控制好停浇吨位（按中包液面400mm）。严格按中包过热度控制拉速，拉速范围为0.46-0.50m/min；电磁搅拌电流550Ams；根据过热度、拉速对各流采用轻压下。
　　3 试验结果及分析
　　将350mm×470mm矩形坯轧制成Ø130mm热轧圆钢进行分析，GC15钢的化学成分符合内控要求，残余元素含量远比标准要求低。最终成品的全氧含量达到8×10-6，满足了标准的内控要求。
　　3.1 有害元素的控制
　　3.1.1钢中ω[S]的控制
　　图2 为钢水中硫含量在各个工位的变化情况。从图2中可以看出，经过铁水预处理后将铁水中的硫含量降低到了较低的水平（0.003%），使得后续冶炼过程对硫的控制相对容易。虽然经过转炉冶炼出现了大量回硫。但经过LF精炼，钢水中的硫含量最终控制到0.001%。
　　3.1.2钢中ω[P]的控制
　　图3为整个流程中钢水中P含量的变化。从图3可以看出，P元素的控制关键在于转炉过程有效脱磷，以及精炼过程控制钢水回磷。由于转炉冶炼终点中高碳出钢，使得终点钢水的氧化性降低，因此对转炉冶炼前期的脱磷效率提出了更高的要求。实际生产中根据不同的铁水初始磷含量，选择单渣法或双渣法，提高转炉冶炼前期的脱磷率。
　　3.1.3钢中ω[Ti]的控制
　　近年来，随着冶炼和精炼技术的进步，轴承钢中的氧含量越来越低。在极低氧条件下，钢中钛的含量对于轴承钢疲劳强度的影响开始受到广泛的关注。冶炼过程中各工序ω[Ti]变化如图4所示。由图4可见：经过转炉出钢、合金化、加铝脱氧、加石灰及精炼渣进行顶渣改质操作后，到LF前钢水中ω[Ti]仅为12×10-6，但是经过LF精炼，钢水中ω[Ti]增加很快，达24×10-6。分析认为，钢水中的钛主要来自两个方面：一是合金化过程铬铁合金带入；二是钢水中的铝还原炉渣中的钛的氧化物。RH循环过程加铝后ω[Ti]微量增加，RH结束时略减少。而钢液浇铸过程中ω[Ti]基本无变化。因此，控制LF精炼过程增钛是关键。
　　3.1.4钢中ω[Ca]的控制
　　铝酸钙夹杂物（D类夹杂物）对轴承钢的疲劳寿命影响很大，因此对于轴承钢来讲，钙是有害元素。冶炼过程中钢水ω[Ca]含量的变化如图5所示。由图5可见：在LF精炼过程中，钢液有明显的增Ca现象，这与高碱度、高还原性顶渣有关。RH循环及软吹氩，钢中ω[Ca]含量大幅度降低，仅为2×10-6。铸机浇注过程ω[Ca]无变化。试验表明：LF精炼过程有增ω[Ca]现象，通过RH处理可降低钢中ω[Ca]。
　　3.1.5钢中ω[N]的控制
　　冶炼过程中ω[N]变化如图6所示。由图6可见：LF前钢水ω[N]较高，这与转炉补吹、出钢合金化、增碳剂带入等因素有关。LF精炼增ω[N]为22×10-6，增[N]量较大。RH循环36min后降至ω[N]=25×10-6，脱氮率为41%。说明LF电弧加热、底吹氩、合金化、增碳等操作有增ω[N]倾向，而RH钢水循环脱气能明显降低ω[N]。因此，要充分利用RH脱氮功能。铸机中间包几乎ω[N]无变化，表明铸机中间包保护浇注效果好，增ω[N]不明显。
　　3.2 成品高倍和低倍检验
　　Ø130mm热轧圆钢低倍、夹杂物、碳化物和脱碳检验结果表明：低倍的三项检验指标均合格，但中心疏松级别较高，偏上限；夹杂物检验符合BX550-2007及GB/T 18254- 2002标准要求。碳化物和脱碳检验结果的三项指标均达到标准要求。
　　4 结论
　　1）试验炉次GCr15钢的化学成分全部达到标准要求，其中有害元素ω[Ti]=25×10-6，ω[Ca]=2×10-6，ω[O]=8×10-6，ω[N]=38×10-6，ω[H]=0.8×10-6，均优于GB/T18254-2002标准要求，满足瑞典SKF标准SKF D33的要求。
　　2）Ø130mm热轧圆钢低倍、夹杂物、碳化物和脱碳检验均符合BX550-2007和GB/T 18254-2002标准要求。
　　3）转炉流程生产GCr15过程中，转炉工位重点是提高前期造渣脱磷效率，终点控制钢水较低的氧化性；LF工位重点是保持炉渣强还原性，以及避免增ω[Ti]和增ω[N]；RH重点是充分循环脱气及软吹氩搅拌；连铸机重点则是保护浇注。
表1 　炼钢厂的主要设备简介

设备名称	设备参数及功能
铁水脱硫	脱硫粉剂为钝化镁粉，喷吹速度8-14kg/min，镁粉消耗0.61kg/t。
复吹转炉	顶底复吹转炉，公称容量150t，副枪自动化炼钢，供氧时间14-16min，挡渣标挡渣。
LF	电极旋转式双工位150t LF，变压器容量35MVA，升温速度1-5℃/min。
RH	单工位RH-TB，六级真空泵，67Pa时抽气能力为600kg/h，吸嘴内径600mm。
矩形坯 连铸机	弧形连铸机，四机四流，断面350×470mm，中包容量32t，拉速0.46-0.50m/min。

表2 　转炉冶炼终点碳含量控制比较

	增碳法		高拉碳法
	终点碳含量，%	定氧值，×10-6	终点碳含量，%	定氧值，×10-6
波动范围	0.07-0.11	316-865	0.34-0.59	68-122
平均值	0.09	460	0.47	96