一种极纯高碳铬轴承钢的冶炼生产方法

专利名称：一种极纯高碳铬轴承钢的冶炼生产方法
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：
高碳铬轴承钢的纯洁度因与轴承寿命密切相关而一直被关注。20世纪90年代初，随着对轴承寿命影响因素的不断研究和空间技术、精密机械的飞快发展，人们对轴承及其材料质量水平要求越来越高。人们发现影响轴承寿命的主要冶金因素除了氧化物夹杂物(主要与钢中氧含量有关)、硫化物夹杂物(主要与钢中硫含量有关)之外，还有氮化钛夹杂物。氮化钛夹杂物是一种硬而脆的夹杂物，它对钢的疲劳寿命特别有害。在相同的尺寸条件下，氮化钛夹杂物比氧化物夹杂物更有害。因此，人们开始研究减少高碳铬轴承钢中氮化钛夹杂物数量的方法，并发现在钢中钛含量(当钢中钛含量＜0.0012％时，极难继续降低，较高含量的氮与钛易生成氮化钛夹杂物，损害钢的疲劳寿命)和硫含量(钢中硫含量较高时，一方面，生成的硫化物夹杂物会损害钢的疲劳寿命；另一方面，会影响钢中氮含量的下降，理论上，硫含量大于0.003％，氮含量无法降低到0.0015％以下)较低的条件下，氧含量和氮含量越低，钢的纯洁度越好，轴承寿命越高。
减少高碳铬轴承钢中氮化钛夹杂物数量的途径有两种一种是把钢中钛含量降低到很低(例如，控制在0.0012％以下，0.0012％就是12ppm或12×10-6)；另一种是降低钢中氮含量。目前，传统的高碳铬轴承钢的冶炼生产方法(即EF+LF+VD或RH+IC或CC工艺流程)能把钢中氮含量控制在0.0040％～0.0060％(《轴承钢》，P7；P177，2000年11月第1版第223～224页，冶金工业出版社。以下同。)；采用特殊冶炼方法(即VIM+VAR+IC工艺流程)，能把钢中氮含量控制在0.0015％～0.0030％(《轴承钢》，P223；P226)。
20世纪90年代后期，基于特殊用途的轴承寿命从500小时提高到1000小时的超高性能要求，一些特殊轴承制造商对高碳铬轴承钢的氧含量和氮含量提出了更高的要求对同一炉次的极纯高碳铬轴承钢，其氧含量和氮含量分别不大于0.0003％和0.0015％。
目前，能满足特殊轴承制造商对高碳铬轴承钢的极纯要求(钢中氧含量和氮含量分别应不大于0.0003％和0.0015％)的轴承钢制造厂商，国内至今未见其生产方法的文献报道(《轴承钢》，)；国外仅有日本大同特殊钢公司(Daido SteelCo.，Ltd)。后者的的工艺流程为EF-LF-RH-CC-ESR-VAR(超纯洁轴承钢生产工艺的开发——《电气制钢》第73卷1号，2002年1月，P61～66；日文)。

发明内容
本发明开发一种极纯高碳铬轴承钢的冶炼生产方法，通过合适的原材料钢坯选择和超低氧、超低氮化的钢液二次精炼工艺，使高碳铬轴承钢成品材具有极高纯洁度(钢中氧含量≤0.0003％、氮含量≤0.0015％)，提高轴承寿命，能满足特殊轴承制造商的苛刻要求。
本发明提供的一种极纯高碳铬轴承钢的冶炼生产方法，其特征在于第一步，钢铁料(就是钢铁原材料)选择；第二步，1吨以上的真空感应炉冶炼，熔化原材料，精炼钢液，浇铸成电极棒；第三步，2吨以上的真空自耗炉精炼钢液，凝固成钢锭；生产出氧含量≤0.0003％、氮含量≤0.0015％的极纯高碳铬轴承钢。
第一步，钢铁料选择钢铁料是高碳铬轴承钢钢锭或钢坯，钢铁料的化学成分符合高碳铬轴承钢的标准要求，同时，钢铁料的氧含量≤0.0007％(如果钢铁料中氧含量大于0.0007％，则成品材中的氧含量必大于0.0003％)、氮含量≤0.0070％(如果钢铁料中氮含量大于0.0070％，则成品材中的氮含量大于0.0015％)、硫含量≤0.003％(如果钢铁料中硫含量大于0.003％，则成品材中的氮含量必大于0.0015％；)、铝含量＝0.01～0.04％(如果钢铁料中的铝含量大于0.04％，造成真空感应炉熔炼时钢液中的Al2O3量过多，则不利于利用真空下的CO反应的无污染性的特点；如果钢铁料中的铝含量小于0.01％，不利于钢铁料中的氧含量控制。)；另外，钢铁料单重小于300KG(钢铁料单重太重，装炉困难，熔化时间也较长)。
用于钢铁料的高碳铬轴承钢钢锭或钢坯，其生产可以采用宝钢集团上海五钢有限公司的中国发明专利技术《一种超纯高碳轴承钢的生产方法(专利号ZL01132236.5)》和《一种高清洁高碳铬轴承钢的生产方法(专利申请号200410025102.5)》。
第二步，1吨以上的真空感应炉(VIM)冶炼，进行高碳铬轴承钢钢铁料的熔化和钢液的超低氧、低氮化精炼，以及钢液浇铸；冶炼出氧含量＜0.0005％、氮含量＜0.0025％的高碳铬轴承钢电极棒(1)盛放钢铁料的坩埚内衬耐火材料为真空炉用电熔镁砂，其化学成分为MgO≥97％(如果MgO＜97％，则其余成分，如SiO2、Fe2O3、CaO含量增加，即杂质含量增加，电熔镁砂的熔点显著下降，电熔镁砂容易进入钢液，形成夹杂物。采用其他坩埚内衬耐火材料，因其熔点低且在钢液中的溶解度大，容易沾污钢液。MgO中的镁，其蒸汽压高，在钢液中的溶解度很小，不会沾污钢液。)；(2)控制熔化期的送电功率钢铁料盛放在电熔镁砂坩埚内后，即可合炉抽真空，抽真空速率是常规工艺的1150～1250Pa/min(Pa是真空度单位，1个大气压＝760乇，1乇＝133Pa)，同时以130～170kw的低功率通电加热炉料(在边抽真空、边加热熔化炉料的熔化初期，低功率通电加热有利于炉料和低温钢液脱除吸附的气体，从而降低钢中氧含量和氮含量)；在熔化后期，当炉内真空度达到1.3Pa～2.6Pa时，抽真空速率基本为零，也就是说，保持1.3Pa～2.6Pa的真空度，通电功率提高到360～400kw的高功率通电加热炉料，提高钢液温度(在高真空和高温作用下，有利于钢液中的C和O发生反应，生成CO气泡，从熔池中逸出，因而使熔池产生沸腾，去除钢液中的氧、氮等气体含量。当真空度高于1.3Pa，也就是说真空度数值小于1.3Pa时，CO沸腾将过分激烈，可能发生严重喷溅现象，不仅增加合金损耗，影响成分控制，甚至造成坩埚口严重结冷钢，这是非常有害的)；(3)精炼期钢液温度为液相线温度+65～85℃(常规工艺是液相线温度+55～75℃)，如高碳铬轴承钢GCr15的钢液温度＝液相线温度+65～85℃＝1455℃+65～85℃＝1520～1540℃(对高碳铬轴承钢GCr15而言，精炼期温度大于1540℃，有利于脱氮反应的进行，有利于氮化物的分解，可降低钢中氮含量，但是，会使钢液-坩埚反应加剧，易使钢液增氧；温度低于1520℃，不利于CO和脱氮反应，致使钢液脱氧、去气效果差。)；精炼期时间为40～80min(在高温和高真空下，精炼时间过长，会使钢液中氧含量回升，钢液--坩埚反应加剧；反之，CO反应不完全，氧含量不能降到0.0005％以下。这是因为钢液中氧含量在精炼初期，随着时间的推移而逐步下降；经过一段时间后，由于坩埚供氧，钢液中氧含量易上升；精炼时间的选择应在氧含量最低处为佳。)；真空度为1.3Pa～2.6Pa(真空度小于2.6Pa，熔池表面氧化膜较多，不利于CO和脱氮反应；真空度大于1.3Pa，合金元素挥发损失严重，并加剧钢液--坩埚反应)；(4)电极棒铸锭的浇注温度是液相线温度+55～75℃(常规工艺的浇注温度也是液相线温度+55～75℃。从表面来看，本专利技术采用的浇注温度与常规工艺是相同的；实质上是不同的，因为二者的钢液温度是有差异的，效果也是不一样的)，如高碳铬轴承钢GCr15的钢液浇注温度＝1510～1530℃(如果铸温过高，易冲坏锭模；铸温过低，电极棒铸锭表面质量差，甚至造成整根电极棒铸锭浇注不能完成)。
第三步，在2吨以上的真空自耗炉(VAR)中，进行钢液的真空自耗和钢液的极低氧和极低氮化精炼，以及钢液凝固成钢锭；生产出氧含量≤0.0003％、氮含量≤0.0015％的极纯高碳铬轴承钢
(1)控制真空度为0.1～0.6Pa(过高的真空度对质量的提高无明显效果，大大增加成本。过低的真空度影响电弧稳定性，导致辉光放电或者电弧过长形成边弧，使电弧能量集中在结晶器壁上造成其烧穿，引发爆炸事故)；熔炼电压在20～27V之间(熔炼电压过小，熔炼电弧长度过短，电弧会被熔化的钢液液滴所短路；熔炼电压过大，熔炼电弧长度过长，容易造成熄弧和边弧)；(2)真空自耗的各个阶段的熔炼电流制度为A)通电引弧初期熔炼电流I1＝(40～80)％×I(熔炼电流I1较小，可以保护结晶器模底，不被烧坏和沾污钢液；避免电极材料加热剧烈而发生炸裂。)；I是真空自耗炉的额定工作电流，其数值根据真空自耗炉的吨位、结晶器容量等而定(如2.5吨的VAR炉，额定工作电流I＝6KA，额定最高电流＝18KA)；B)电弧稳定期熔炼电流I2＝(110～130)％×I，保持10～15min(迅速形成熔池，有利于钢中夹杂去除和钢中氮含量下降。)；C)熔池形成后～封顶之前期熔炼电流I3＝(90～110)％×I(熔炼电流过大，熔化速度加快，熔池深度较深，熔池表面温度上升，一方面有利于金属脱气去夹杂和成分均匀化，但另一方面使夹杂物未来得及上浮到熔池表面，就可能被凝固在钢锭中，增加夹杂物含量，而且容易产生水平穿晶，其宏观组织变坏。熔炼电流过小，熔池深度过小，熔池温度过低，不利于钢液脱气和夹杂去除以及成分均匀化，同时使熔池四周凝固层变厚，锭冠表面粗糙，钢锭表面质量恶化。)；D)开始封顶～结束期熔炼电流I4按常规工艺分级降低(其目的是获得良好的结晶组织，并使钢锭头部收缩尽可能平坦。)，进行钢液补缩(金属凝固时会产生收缩现象，如纯铁收缩2.2％，高碳铬轴承钢GCr15收缩4％，形成缩孔；为了提高成材率，应尽量减少或消除缩孔，为此，必须在熔炼结束前进行头部的加热补缩。真空自耗熔炼时，为了减少或消除缩孔而采取的电极锭头部加热补缩的时间及封顶的熔炼电流，可根据熔池深度、具体钢种、电极锭粗细来确定)。
和现有技术相比，本发明具有下列优点1、钢液纯洁度极高钢中氧含量和氮含量分别不大于0.0003％和不大于0.0015％。
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，也适用于极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)，其工艺流程是第一步，钢铁料选择；第二步，1吨以上的真空感应炉冶炼，熔化原材料，精炼钢液，浇铸成电极棒；第三步，2吨以上的真空自耗炉精炼钢液，凝固成钢锭；生产出氧含量≤0.0003％、氮含量≤0.0015％的极纯高碳铬轴承钢。第一步，钢铁料选择钢铁料是高碳铬轴承钢钢坯，钢坯的化学成分符合高碳铬轴承钢的标准要求，同时，氧含量≤0.0007％、氮含量≤0.0070％、硫含量≤0.003％、铝含量＝0.01～0.04％；另外，钢坯单重小于300KG；高碳铬轴承钢钢坯的制备，其生产采用宝钢集团上海五钢有限公司的中国发明专利技术《一种超纯高碳轴承钢的生产方法(专利号ZL 01132236.5)》。第二步，1吨真空感应炉(VIM)冶炼，进行高碳铬轴承钢钢铁料的熔化和钢液的超低氧、低氮化精炼，以及钢液浇铸；冶炼出氧含量＜0.0005％、氮含量＜0.0025％的高碳铬轴承钢电极棒(1)盛放钢铁料的坩埚内衬耐火材料为真空炉用电熔镁砂，其化学成分为MgO≥97％；(2)控制熔化期的送电功率钢铁料盛放在电熔镁砂坩埚内后，即可合炉抽真空，抽真空速率是常规工艺的1200Pa/min，同时以130～170kw的低功率通电加热炉料；在熔化后期，当炉内真空度达到1.3Pa～2.6Pa时，保持1.3Pa～2.6Pa的真空度，通电功率提高到360～400kw的高功率通电加热炉料，提高钢液温度。(3)精炼期钢液温度为液相线温度+65～85℃，如高碳铬轴承钢GCr15的钢液温度＝1520～1540℃；精炼期时间为40～80min；真空度为1.3Pa～2.6Pa；(4)电极棒铸锭的浇注温度是液相线温度+55～75℃，如高碳铬轴承钢GCr15的钢液浇注温度＝1510～1530℃。第三步，在2.5吨(2吨以上)的真空自耗炉(VAR)中，进行钢液的真空自耗和钢液的极低氧和极低氮化精炼，以及钢液凝固成钢锭；生产出氧含量≤0.0003％、氮含量≤0.0015％的极纯高碳铬轴承钢(1)控制真空度为0.1-0.6Pa；熔炼电压在20-27V之间；(2)真空自耗的各个阶段的熔炼电流制度为通电引弧初期的熔炼电流I1＝(40～80)％×I＝3～4KA(I是真空自耗炉的额定工作电流，其数值根据真空自耗炉的吨位、结晶器容量等而定，如2.5吨的VAR炉，额定工作电流I＝6KA，额定最高电流＝18KA。)；电弧稳定期的熔炼电流I2＝(110～130)％×I＝7KA，保持10～15min；熔池形成后～封顶之前期的熔炼电流I3＝(90～110)％×I＝5～6KA；开始封顶～结束期的熔炼电流I4，按常规工艺分级降低(I4降低速度250A/min；3KA保持14min、2.5KA保持10min、2KA保持7min、1.5KA保持5min)，进行钢液补缩。特殊轴承制造商反映本发明专利生产的极纯轴承钢成品纯洁度极高，国内领先。
表一

权利要求
1.一种极纯高碳铬轴承钢的冶炼生产方法，其特征在于第一步，钢铁料选择；第二步，1吨以上的真空感应炉冶炼，熔化原材料，精炼钢液，浇铸成电极棒；第三步，2吨以上的真空自耗炉精炼钢液，凝固成钢锭；生产出氧含量≤0.0003％、氮含量≤0.0015％的极纯高碳铬轴承钢；第一步，钢铁料选择，就是钢铁原材料钢铁料是高碳铬轴承钢钢锭或钢坯，钢铁料的化学成分符合高碳铬轴承钢的标准要求，同时，钢铁料的氧含量≤0.0007％、氮含量≤0.0070％、硫含量≤0.003％、铝含量＝0.01～0.04％；另外，钢铁料单重小于300KG；第二步，1吨以上的真空感应炉(VIM)冶炼，进行高碳铬轴承钢钢铁料的熔化和钢液的超低氧、低氮化精炼，以及钢液浇铸；冶炼出氧含量＜0.0005％、氮含量＜0.0025％的高碳铬轴承钢电极棒(1)盛放钢铁料的坩埚内衬耐火材料为真空炉用电熔镁砂，其化学成分为MgO≥97％；(2)控制熔化期的送电功率钢铁料盛放在电熔镁砂坩埚内后，即可合炉抽真空，抽真空速率是常规工艺的1150～1250Pa/min，Pa是真空度单位，1个大气压＝760乇，1乇＝133Pa，同时以130～170kw的低功率通电加热炉料；在熔化后期，当炉内真空度达到1.3Pa～2.6Pa时，抽真空速率基本为零，也就是说，保持1.3Pa～2.6Pa的真空度，通电功率提高到360～400kw的高功率通电加热炉料，提高钢液温度；(3)精炼期钢液温度为液相线温度+65～85℃，如高碳铬轴承钢GCr15的钢液温度＝液相线温度+65～85℃＝1455℃+65～85℃＝1520～1540℃；精炼期时间为40～80min；真空度为1.3Pa～2.6Pa；(4)电极棒铸锭的浇注温度是液相线温度+55～75℃，如高碳铬轴承钢GCr15的钢液浇注温度＝1510～1530℃；第三步，在2吨以上的真空自耗炉(VAR)中，进行钢液的真空自耗和钢液的极低氧和极低氮化精炼，以及钢液凝固成钢锭；生产出氧含量≤0.0003％、氮含量≤0.0015％的极纯高碳铬轴承钢(1)控制真空度为0.1～0.6Pa；熔炼电压在20～27V之间；(2)真空自耗的各个阶段的熔炼电流制度为A)通电引弧初期熔炼电流I1＝(40～80)％×I；I是真空自耗炉的额定工作电流；B)电弧稳定期熔炼电流I2＝(110～130)％×I，保持10～15min；C)熔池形成后～封顶之前期熔炼电流I3＝(90～110)％×I；D)开始封顶～结束期熔炼电流I4按常规工艺分级降低。
2.根据权利要求1所述的一种极纯高碳铬轴承钢的冶炼生产方法，其特征在于用于钢铁料的高碳铬轴承钢钢锭或钢坯，其生产可以采用宝钢集团上海五钢有限公司的中国发明专利技术《一种超纯高碳轴承钢的生产方法(专利号ZL 01132236.5)》或《一种高清洁高碳铬轴承钢的生产方法(专利申请号200410025102.5)》。
全文摘要
一种极纯高碳铬轴承钢的冶炼生产方法，其特征是采用三步法工艺流程(1)钢铁料是高碳铬轴承钢坯，氧、氮、硫、铝含量≤0.0007％、0.0070％、0.003％、0.04％(2)真空感应炉精炼出氧＜0.0005％、氮＜0.0025％的电极棒(a)盛放钢铁料的坩埚内衬耐火材料为MgO≥97％的电熔镁砂(b)熔化前期，抽真空速率1200Pa/min，送电功率150kw；熔化后期，保持炉内真空度≤2.6Pa，通电功率380kw(c)精炼期钢液温度液相线+65～85℃；时间60min，真空度≤2.6Pa(d)浇注温度液相线+55～75℃(3)真空自耗炉精炼出极纯高碳铬轴承钢(a)真空度≤0.6Pa，电压24V(b)熔炼电流通电引弧初期是0.6I，I是额定工作电流；电弧稳定期是1.2I，保持15min；熔池形成后～封顶之前期是I；开始封顶～结束期，按常规工艺分级降低。轴承制造商反映本发明生产的高碳铬轴承钢纯洁度极高(氧≤0.0003％、氮≤0.0015％)，轴承寿命高，国内领先。
文档编号C21C5/52GK1718817SQ20051002739
公开日2006年1月11日 申请日期2005年6月30日 优先权日2005年6月30日
发明者虞明全, 须毅民, 陈杰 申请人:宝山钢铁股份有限公司