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宣钢转炉生产GCr15轴承钢的工艺实践
关闭】【点击: 】 【发布日期:2017-08-24 15:59】【编辑:东莞市联顺金属材料有限企业】【来源:

       近年来,随着我国制造业的发展,GCr15 轴承钢因价格便宜、可切削性好,耐磨性和抗滚动接触疲劳性好的特点,市场需求量逐渐增加。2015 年 10 月,河钢宣钢企业在 RH 投产后,采用铁水 KR 脱硫-150t 转炉-180tLF—180tRH-连铸方坯(165mm×165mm)连铸工艺进行了 GCr15 轴承钢的生产试验,并逐步优化,达到月产 10000 吨的水平,产品质量达到GB/T18254 标准要求。

1、轴承钢生产工艺流程及生产控制要点

        根据轴承钢的质量要求,确定工艺流程及生产技术方案为:

        铁水脱硫([S]≤0.010%)—150t 顶底复吹转炉—180tLF—180tRH-165mm×165mm 方坯连铸机(全保护浇注、液面自动控制、结晶器电磁搅拌)—铸坯堆垛缓冷 48h—轧制。

        轴承钢要求钢中氧含量不大于 0.0012%,非金属夹杂含量应尽量少,低倍组织要满足低倍对疏松和偏析的要求,钢材不得有显微孔隙及严重的碳化物偏析。此外,轴承钢还要进行顶锻检验,顶锻后试样侧面以目视观察不得有裂纹、扯破、折叠或气泡。

        GCr15 轴承钢试验生产的技术要点为:

        (l)成品成分控制目标。C 按中下限控制,以减小偏析和碳化物的形成,C=0.96%~0.98%,要求各炉次之间钢水碳含量波动按±0.01%控制;Mn 按中上限控制, Mn=O.38%~0.42%;Cr=1.45%~1.49%;Si= O.19%~0.25%。

        (2)转炉终点碳 0.15%~0.30%,底吹 N 2 +Ar,控制钢水终点氧含量。

        (3)控制钢中[N]≤0.0060%。采用低 N 增碳剂,连铸钢水全程保护浇注。

        (4)[O]≤0.0010%,[Ti]≤0.0030%。采用 Al 脱氧降低钢中[O],要求钢中[Al]s≥0.020%。为避免生成钙铝酸盐点状不变形夹杂,钢水不采用 Ca 处理。

        (5)为减轻钢水连铸絮流,要控制钢中夹杂物组成,使其熔点尽量不超过 1500℃。此外,该类夹杂物在轧制过程中还可以轻微变形,有利于改善轴承钢的疲劳性能。通过完善保护浇注,使用φ30mm 大孔径中间包水口,也可减轻钢水的连铸絮流现象。

        (6)采用 RH 真空脱气处理,降低钢中的[O]含量和其它气体含量,并进一步去除脱氧产生的夹杂物。为此要保证 RH 真空精炼的时间。

        (7)为减轻铸坯中心偏析和缩孔等缺陷,要求中包钢水过热度:20~30℃,拉速 1.1~1.4m/min,采用结晶器电磁搅拌,二冷采用弱冷。

        (8)控制连铸坯表面质量,避免因铸坯表面缺陷导致的圆钢顶锻裂纹。该钢控制铸坯表面质量的重点是结晶器内钢水的液面波动,液面波动确保不超过±3mm。除采用塞棒液面自动控制外,其它具体措施有:结晶器振动采用高频小振幅;结晶器采用小锥度铜管;浸入式水口插入深度 100~130mm;恒拉速拉钢;避免中包水口出现钢水絮流现象等。

        (9)连铸采用轴承钢专用结晶器保护渣,结晶器冷却水采用较低的水流量。

2 、转炉生产轴承钢的冶炼控制

2.1  转炉终点控制

        转炉终点控制要同时考虑[C]、[Ti]的控制,要尽量将钢中的[Ti]去除。

        [Ti]与[O]的亲和力极强,在转炉吹氧脱碳的过程中,铁水和废钢中的钛绝大部分能够氧化去除进入氧化渣中。在转炉 1600℃时, [O]与[Ti]的平衡关系如图 1 所示。

        由图 1 可以看出,当钢液中[O]≥0.0035%时, [Ti]≤0.0010% [1] 。

        宣钢转炉冶炼轴承钢的终点控制见图 2。图 2 中曲线为 t=1600℃时钢中碳氧平衡曲线,“▲”点为轴承钢冶炼的终点碳、氧含量(出钢温度为 1600℃~1610℃)。

        由图 2 可以看出,当钢液中[C]=0.50%时, [O]=0.0050%。因此当转炉冶炼时,将终点[C]控制在不超过 0.50%时,能将钢液中[Ti]控制在≤0.0010%水平。同时考虑轴承钢对氧含量的要求,终点碳≤0.10%时,钢液中的氧含量将大幅度提高,应将转炉终点 C 控制在0.15%~0.50%范围内。

        宣钢由于铁水 P 含量约 0.13%,Ti 含量约 0.08-0.13%,为保证终点满足要求,转炉采用双渣大渣量操作,前期造双渣并尽可能多倒渣,保证出钢[C]:0.15-0.30%、[P]≤0.012%、出钢温度达到 1620℃以上。

2.2 出钢及合金化

        转炉出钢过程采用挡渣帽挡前期渣,挡渣球挡后期渣,挡渣球挡住渣后,马上起炉,严禁炉口下渣,减少转炉氧化渣流入大包,控制回钛。

        出钢时大包全程吹氩,吹氩的同时加入铝块及合金,进一步降低钢水氧含量并保证离站Alt 控制在 0.030-0.045%。

        选用含钛低的合金,保证进精炼钛含量达标。使用不同合金时各环节钛含量见图 3。

3 、LF  精炼、RH  脱气

        宣钢轴承钢冶炼采用 LF+RH 精炼工艺。

3.1 LF  精炼

        LF 炉主要任务是脱氧,并控制钢中夹杂物组成。

        精炼渣组成及熔点见图 4。从图 4 看出,CaO- Al 2 O 3 -SiO 2 三元系中有 2 个低熔点区域:

        区域 1 熔点低于 1400℃,其成分范围 SiO 2 为 30%~75%,Al 2 O 3 为 5%~40%,CaO 为 5%~55%;区域 2 熔点低于 1500℃,其成分范围 SiO 2 为 0~17%,Al 2 O 3 为 30%~55%,CaO 为40%~60% [2] 。

        为改善渣的流动性,在精炼过程中加入萤石,但萤石的作用时间较短,因为渣中的(CaF 2 )很快就分解成钙离子和氟,(Ca +2 )很活泼,容易与钢中或渣中的氧结合生成 Ca 的氧化物。因此为保证精炼渣具有较好的流动性,应将渣中 SiO 2 控制在 10%以下。此外 SiO 2 含量低于 10%的高碱度精炼渣,可使钢中夹杂物转变为低熔点的 Al 2 O 3 •xCaO•yMgO 类夹杂 [3] 。

        为避免生成含 Ca 量较高的点状不变形夹杂物,轴承钢冶炼工艺中不采用 Ca 处理,但通过控制钢中合适 Al 含量和渣中各组分含量,通过钢-渣反应使钢液中保持微量 Ca 含量,有利于非金属夹杂物向低熔点区转变。在 LF-RH 精炼温度下,钢-渣发生以下反应:

        3(MgO)+ 2[Al]=(Al 2 O 3 )+3[Mg]

        3(CaO)+2[Al]=(Al 2 O 3 )+3[Ca]

        Al 还原出的[Mg]和[Ca]与钢液中的 Al 2 O 3 反应,生成 Al 2 O 3 •xCaO•yMgO 复合夹杂物。

        为此,控制精炼渣组分如表 1

        LF 精炼时将钢中[Al]控制在 0.02%以上(将钢液溶解氧尽量全部转化为脱氧产物),将炉渣 FeO+MnO 含量控制在 1%以下(基本丧失对钢水的氧化能力),采用高碱度(CaO/SiO 2 ≥4),高 A1 2 0 3 精炼渣,降低渣中 SiO 2 的活度,减少 SiO 2 作为氧源从顶渣向钢水扩散。

        生产中为了控制钢中 Ca, 不使用电石进行脱氧,采用铝粒、碳粉等扩散脱氧,不用碳化硅脱氧,控制渣中 SiO2 含量,提高碱度,白渣保持时间大于 15 分钟。

3.2 RH  脱气

        RH 精炼主要是去除钢中气体及夹杂物。要求 5 分钟内达到深真空,真空度<100pa,纯脱气时间≥15 分钟。

        目标值[ H ]≤1.5ppm,活度[O] ≤4ppm。按目标成分要求调整成分,成分调整后吹氩大于 30 分钟,压力以钢水不裸露为宜,以保证钢水的纯净度和可浇性。

        出站前喂 SiBa 线 2-3m/t。

4、连铸工艺控制

        生产 GCr15 轴承钢的连铸机弧形半径为 R1Om,采用结晶器电磁搅拌,结晶器液面自动控制,汽雾二次冷却,选用φ30mm 大孔径中间包水口。

4.1  过热度控制

        过热度对轴承钢铸坯内部质量影响较大,过热度过高,柱状晶发达,中心疏松比较明显,严重的会导致心部缩孔的产生;过热度高还易使钢液吸气产生二次氧化,增加钢中夹杂物含量;

        过热度过低,钢水粘度增大,易产生连铸絮流现象,只能靠提高拉速来保证连铸顺行,不利于夹杂物的上浮去除。因此宣钢轴承钢中包钢水的过热度控制目标为 25~35℃。

        为此,使用 GCr15 专用中间包,要求中包密封良好。开浇前中间包温度≥1000℃ ,中包全程保护浇注,开浇前中间包内吹入氩气,大包长水口氩封。

4.2  拉速

        根据 GCr15 轴承钢凝固特性,选用小锥度结晶器,结晶器水量:110m3/h;二冷使用弱冷,比水量 0.3 L/kg,确保铸坯矫直温度大于 920℃;拉矫机压力≤2.5Mpa;12 个流拉钢,拉速控制见表 2。

5 、连铸坯质量及轧材质量

        经几个月的工艺实践,所生产的轴承钢连铸坯低倍情况见图 5,低倍检验结果见表 3。

        连铸坯堆垛缓冷后分别轧制了φ20mm、φ40mm 和φ50mm 规格的圆钢,圆钢经热顶锻检验未出现顶锻裂现象。对轧制的圆钢进行取样分析,结果见表 4、表 5 和图 6。

        从圆钢的检验结果看,所生产的 GCr15 轴承钢完全达到国标 GB/T18254 标准要求。

6 、结论

        (1)宣钢采用 150tBOF—180tLF 精炼+180t RH 脱气—连铸—铸坯堆垛缓冷工艺生产GCr15 轴承钢,生产顺利,产品质量达到国标 GB/T18254 标准要求。

        (2)选用合适的精炼渣系,控制碱度≥4,SiO2≤10%,Al2O3:20-30%,在保证脱氧、控钛效果的同时,可改善精炼渣的流动性,同时可使钢中夹杂物形成为低熔点的夹杂物。

        (3)使用低钛物料,完善保护浇注,可控制钢中钛含量≤0.0030%,N 含量≤0.0050%。

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