一种超纯高碳铬轴承钢的生产方法 【技术领域】
本发明涉及冶金行业合金钢的冶炼方法，尤其是指轴承钢的冶炼生产方法。
背景技术
百年历史的高碳铬轴承钢，其纯洁度与轴承寿命息息相关。80年代，纯洁度的主要指标是钢中氧含量：氧含量越低，轴承寿命越高；日本、瑞典等国的高碳铬轴承钢的氧含量已控制在10×10-6以下。90年代初，随着对轴承寿命影响因素的不断研究和精密型的超低音和静音轴承的市场需求，人们发现：影响轴承寿命的主要因素除了氧含量之外，还有钢中钛含量和硫含量；钛含量和硫含量越低，轴承寿命越高。尤其钢中氧含量在10×10-6以下时，钢中钛含量超过20×10-6，精密型的超低音或静音轴承的噪声分贝大大增加。
90年代后期，一些国际知名的精密轴承制造商对高碳铬轴承钢的纯洁度提出了更高的要求：对同一炉次的超纯高碳铬轴承钢，其氧含量和钛含量分别应不大于7×10-6和12×10-6。
目前能满足精密轴承厂家对高碳铬轴承钢的超高纯洁度(钢中氧含量和钛含量分别应不大于7×10-6和12×10-6)要求的轴承钢制造厂商，国内至今未见生产方法的文献报道；国外仅有日本高周波、和歌山两家公司，前者生产高碳铬轴承钢的工艺流程为：交流电炉初炼-ASEA-SKF钢包炉电磁搅拌和吹氩搅拌复合精炼-模铸；后者生产工艺流程为：转炉-RH精炼-连铸；但两者均未有详细报道。(《钢铁》，2000年第12期，P20。)
【发明内容】
本发明开发一种高碳铬轴承钢的冶炼生产方法，通过初炼钢液的低钛化及精炼钢液的低氧、低钛化工艺，使高碳铬轴承钢成品具有超高纯洁度，钢中氧含量和钛含量分别不大于7×10-6和12×10-6，提高了轴承寿命，能满足精密轴承制造厂商的要求。
本发明提供的一种超纯高碳铬轴承钢的冶炼生产方法，其特征在于：采用四步法冶炼工艺流程，60吨以上的直流电炉初炼(EBT出钢，添加精炼渣料、各种必需的铁合金、增碳剂和铝脱氧剂)--相应吨位的钢包炉精炼(底吹氩)--相应吨位的真空炉脱气--模铸。
第一步，在60吨以上的直流电炉中进行初炼钢液的低钛化，将钢中的残余钛含量降至3×10-6以下(如果钢中的残余钛含量大于5×10-6，最终钢材中的残余钛含量必大于12×10-6；如果钢中的残余钛含量在3～5×10-6，最终钢材中的残余钛含量有可能大于12×10-6)：
(1)在60吨以上的直流电炉中(如果其容量小于60吨，那么，电炉出钢时，电炉中的氧化渣不易被挡住而进入钢包中使钢液中的残余钛含量增高)，输入直流电流和氧气，使装入的炉料熔化变成1560～1650℃温度范围内的钢液。
(2)间歇流出氧化性炉渣及补充不大于8公斤/吨钢的石灰。如果石灰用量大于8公斤/吨钢，则在使钢中的残余钛含量降至3×10-6以下的前提下，每炉钢液的冶炼时间延长10分钟以上，电耗增加5％以上。
(3)向钢液中输入20～50立方米/吨钢的氧气。如果氧气供应量小于20立方米/吨钢使钢中的残余钛含量在5×10-6以上，大于50立方米/吨钢使冶炼时间延长10～20分钟，钢铁料消耗增加1～2％。
第二步，在交流式钢包精炼炉(容量与直流电炉相匹配)上，进行精炼钢液的低氧、低钛化，使精炼钢液的氧含量降到10×10-6以下，并使钢中钛含量不大于10×10-6：
(1)盛接钢液的钢包耐火材料是Al2O3-MgO-C砖，渣线为MgO-C砖。如果使用其他钢包耐火材料，则可因其耐火材料中的二氧化钛的含量高，导致钢液中钛含量增高。
(2)钢包使用前完全清理，内表面不得有冷钢和残渣。如果钢包使用前的内表面有冷钢或残渣，则因冷钢或残渣中的残余钛或二氧化钛在钢液精炼过程中溶入或进入钢液，导致导致钢液中钛含量增高。
(3)在直流电炉出钢的同时，在盛接钢液的钢包内，添加特殊渣料、合金、增碳剂和1～3公斤/吨钢的纯铝脱氧剂。特殊渣料成份：60-70％的石灰(CaO大于70％)、5-15％的硅石(SiO2大于80％)、10～20％萤石(CaF2大于85％)；合金包括：10～20公斤/吨钢的中碳铬铁(或等同铬含量的低碳铬铁、微碳铬铁、金属铬)、20～40公斤/吨钢的电解锰(或碳锰铁合金)、含纯硅20～30公斤/吨钢的特殊合金；增碳剂是5～10公斤/吨钢的焦碳(含碳量在80％以上)；脱氧剂是1～3公斤/吨钢的纯铝。
(4)在交流式钢包精炼炉(容量与直流电炉相匹配)上，输入电压在240伏以下、电流在20000～35000安倍之间的交流电。
(5)钢包底部吹入氩气，底吹氩强度分别控制在0.2～0.3MPa。底吹氩强度过大，导致钢渣反应、钢液对钢包耐火材料的冲刷严重，使渣中或耐火材料中的氧化物和钛化物进入钢液而使钢中氧含量和钛含量增加。底吹氩强度过小，钢液温度和成分以及钢渣反应都不均匀和充分，导致钢液的脱氧及其夹杂物不能充分上浮，合金化元素在钢中分布不均匀。
(6)将钢液的温度控制在1500～1630℃，使钢液之上的固体渣料熔化成液态，一边使钢液和炉渣均匀化，一边通过热交换和钢包底部地氩气气泡的不断沸腾上升，使钢渣之间发生化学反应，同时，钢中的脱氧反应及其产物不断吸附上升，达到钢液脱氧的目的。
(7)精炼钢液冶炼时间在40～60分钟之内。如果时间小于40分钟，导致：钢液之上的固体渣料有可能无法完全熔化成液态；钢液中的固态合金及其他材料在钢液中分布不均匀；钢液的脱氧不完全，其脱氧产物无法充分上浮到炉渣中去，钢中氧含量不可能达到10×10-6以下；如果时间大于60分钟，导致：钢包耐火材料的表层被钢液长期冲刷而剥落进入钢液，进入钢液的耐火表层中的氧化物和钛化物和炉渣中的钛化物和氧化物可能被钢中的铝还原，使钢中的钛含量大于10×10-6，钢中氧含量大于10×10-6。
第三步，在真空炉(容量与直流电炉相匹配)上，对精炼钢液进行真空处理，使钢中的钛含量不大于12×10-6和钢中氧含量不大于7×10-6。通过140Pa以下的高真空度(如果真空度达不到140Pa，钢液和炉渣在20～35分钟时间内不能充分均匀化和反应，钢中的脱氧产物不能充分上浮，钢中的氧和氢含量不能分别降至7×10-6以下和1×10-6以下)、20～35分钟的真空时间以及钢包底部吹入氩气(真空底吹氩强度0.1～0.2MPa)，使钢液和炉渣充分均匀化和反应，钢中的脱氧产物充分上浮，使钢中的氧和氢含量分别降至7×10-6以下和1×10-6以下，并使钢中钛含量不大于12×10-6。如果真空时间小于20分钟，导致：钢液脱氧产物无法充分上浮到炉渣中去，钢中氧含量不可能达到7×10-6以下；如果时间大于35分钟，导致：钢包耐火材料的表层被钢液长期冲刷而剥落进入钢液，进入钢液的耐火表层中的氧化物和钛化物和炉渣中的钛化物和氧化物可能被钢中的铝还原，。
第四步，将钢包内的钢液浇进使用前完全清理、内表面不得有结疤、裂纹、氧化铁皮存在的钢锭模中，其浇铸速度为3.5～4.5吨钢液/分钟。浇铸速度过快，钢液对浇注系统的耐火材料的冲刷越严重，使钢液中的耐火材料的组分增加，导致钢中氧含量和钛含量增加。浇铸速度太慢，使浇铸时间延长，钢液的二次氧化程度增加，不利于控制钢中氧含量。
和现有技术相比，本发明具有下列优点：
1、钢液纯洁度高：钢中氧含量和钛含量分别不大于7×10-6和不大于12×10-6。
2、装备和工艺通用性强：不须另添加专用设备；其工艺适合于一般高碳铬轴承钢的生产。
3、工艺适用性广：既适合于一般高碳铬轴承钢的生产，也适用于超纯高碳铬轴承钢的生产。
具体实施方案
某钢铁公司实施本发明专利，冶炼3炉钢(冶炼工艺数据、结果见表一)，其工艺流程是100吨直流电炉初炼(EBT出钢，添加精炼渣料、各种必需的铁合金、增碳剂和铝脱氧剂)--100吨钢包炉精炼(底吹氩)--100吨真空炉脱气--模铸。第一步，在直流电炉中，通过输入直流电流和氧气，使装入的炉料熔化变成1560～1650℃温度范围内的钢液，控制钢液之上的氧化性炉渣的化学成分范围(CaO≥40％：FeO≥15％；SiO2≥20％；MnO≤10％；MgO≤10％；P2O5≥5％)，并通过向钢液中输入在23～37方米左右/吨钢的氧气和间歇流出氧化性炉渣及补充6～8公斤/吨钢的石灰：将钢中的残余钛含量降至3×10-6以下。第二步，(1)盛接钢液的钢包准备：盛接钢液的钢包耐火材料是Al2O3-MgO-C砖，渣线为MgO-C砖；钢包使用前完全清理，内表面没有冷钢和残渣；在直流电炉出钢的同时，在盛接钢液的钢包内，添加特殊渣料、合金、增碳剂和1～3公斤/吨钢的纯铝脱氧剂。特殊渣料组成：550～650KG的石灰(CaO大于70％)、100～150KG的硅石(SiO2大于80％)、50KG的萤石(CaF2大于85％)；合金包括：10～20公斤/吨钢的中碳铬铁或等同铬含量的的低碳铬铁、20～40公斤/吨钢的电解锰、含纯硅20～30公斤/吨钢的特殊合金；增碳剂是6～9公斤/吨钢的焦碳(含碳量在80％以上)；脱氧剂是2～3公斤/吨钢的纯铝。(2)在100吨交流式钢包精炼炉上，通过输入交流电(电压在240伏以下，电流在20000A～35000A之间)和钢包底部吹入强度为0.22～0.28MPa的氩气。将钢液的温度控制在1500～1630，使钢液之上的固体渣料熔化成液态，一边使钢液和炉渣均匀化，一边通过热交换和钢包底部的氩气气泡的不断沸腾上升，使钢渣之间发生化学反应，同时，钢中的脱氧反应及其产物不断吸附上升，达到钢液脱氧的目的，从而在40-60分钟之内，使钢液的氧降到10×10-6以下，并使钢中钛含量不大于10×10-6。第三步，在100吨真空炉上，通过67Pa的高真空度、真空时间为20～30分钟和钢包底部吹入强度为0.11～0.15MPa的氩气，使钢液和炉渣充分均匀化和反应，钢中的脱氧产物充分上浮，使钢中的氧和氢含量分别降至7×10-6以下和1×10-6以下，并使钢中钛含量不大于12×10-6。第四步，将钢包内的钢液浇进使用前完全清理、内表面不得有结疤、裂纹、氧化铁皮存在的3.7吨钢锭模中，其浇铸速度为为4分到6分30秒/每支钢锭(即3.5～4.5吨钢液/分钟)。轴承制造商反映：本发明专利生产的超纯轴承钢成品纯洁度高，国内领先；制成的轴承寿命高，达到国外先进水平。
表一
工序 项目 第一炉 第二炉 第三炉
直流电炉钢液温度，℃ 1580-1650 1600-1650 1595-1650
氧气耗量，M3/吨钢 28 37 23
石灰耗量，KG/吨钢 7 6 8
钢 包 炉钢包耐火材料包体：Al2O3-MgO-C砖；渣线：MgO-C砖包体：Al2O3-MgO-C砖；渣线：MgO-C包体：Al2O3-MgO-C砖；渣线：MgO-C
钢包清理 全部 全部 全部
特殊渣料600公斤石灰∶150公斤萤石∶50公斤硅石650公斤石灰∶100公斤萤石∶50公斤硅石550公斤石灰∶150公斤萤石∶50公斤硅石
合金中碳铬铁和低碳铬铁；电解锰；含硅特殊材料微碳铬铁；电解锰；含硅特殊材料中碳铬铁和金属铬；电解锰；含硅特殊材料
增碳剂，KG/吨钢 焦碳：7 焦碳：6 焦碳：9
纯铝脱氧剂，KG/吨钢 2.2 2.4 2.5
底吹氩强度，MPa 0.22-0.27 0.24-0.27 0.25-0.28
钢液温度，℃ 1510-1620 1505-1600 1515-1605
冶炼时间，min 55 48 57
真 空 炉真空度，Pa 67 67 80
真空冶炼时间，min 25 30 29
真空吹氩强度，MPa 0.11 0.15 0.14
浇 铸浇铸速度，吨钢液/分钟 3.5-4.5 3.5-4.5 3.5-4.5
钢材中氧含量，×10-5 6 6 7
钢材中钛含量，×10-6 10 12 11