本发明属于钢材的生产制造领域，具体来说涉及一种含硫超低钛高标轴承钢的制备方法。
背景技术：
：轴承钢是用于制造滚动轴承的滚珠，滚柱和套筒等的钢种，属于优特钢品种，也可用于制作精密量具、冷冲模、机床丝杠及柴油机油泵的精密偶件。由于轴承在工作时承受着极大的压力和摩擦力，所以要求轴承钢具有高而均匀的硬度、耐磨性、高的弹性极限、高的疲劳强度、良好的防锈性能、良好的切削性能等特点，是所有钢铁生产中要求最严格的钢种之一。近年来轴承钢主成份无太大的变化，随着技术装备和工艺的不断进步，其冶金质量得到了很大的提高。氧含量与氧化物夹杂会对轴承钢的性能、质量产生影响的。提高轴承钢的洁净度，特别是降低钢中氧含量可以明显地延长轴承的寿命，氧含量由28ppm降低到5ppm时，钢的疲劳寿命可以延长一个数量级。除氧含量之外，钢中Ti含量越低，轴承钢寿命就越高，尤其钢中氧含量在10ppm以下时，Ti含量超过20ppm，会对高标轴承钢质量带来更不利的影响，大大增加了精密轴承的噪音分贝，钛在轴承钢中被视为有害元素，它与溶解于钢中的氮、硫、氧有着极强的亲和力，多以钛类夹杂物(TiN、Ti4C2S2、TiO2等)的形式残留于钢中。这种夹杂物坚硬、呈棱角状，严重影响轴承的疲劳寿命，特别是在洁净度显著提高，其它氧化物夹杂数量很少的情况下，含钛夹杂物的危害尤为突出。因此，为了提高轴承钢的疲劳寿命，获得更佳的机械性能，一般要求轴承钢中的Ti含量越低越好。另外，由于圆钢成份中含有一定的硫含量，硫可以适当提高轴承钢的切削性能，但若生产过程中采用工艺不当，会对夹杂物等指标造成不利影响，加大疲劳性能合格的难度。技术实现要素：本发明的目的在于针对以上技术难题，通过合理选择工艺路线、合理设计工艺参数和合理选择硫铁线的加入时机等手段，提供了一种含硫超低钛高标轴承钢的制备方法，钢的纯净度极高、夹杂物级别低；可浇性好，不进行喂硅钡线处理，可连浇10炉以上，大大提高了生产效率；切削性能好，耐腐蚀性好，钛含量可控制到10ppm以内、氧含量可控制到6ppm以内，圆钢的表面质量良好，且质量稳定，完全满足国内外含硫超低钛高标轴承钢客户的需求。本发明的制备方法，包括转炉冶炼工序、LF精炼工序、VD真空精炼工序、大方坯连铸工序和轧制工序步骤，具体操作如下：(1)转炉冶炼选用优质铁水(每炉120吨)，采用双渣法操作，冶炼前加入废铜，冶炼过程中保持向转炉内通入氧气，终点[C]控制在0.15％～0.25％，终点[P]≤0.007％，出钢过程采用挡渣球(密度为4.6g/cm)和滑板双重挡渣操作，出钢1/4随钢液依次加入1/2脱氧剂铝块、低氮增碳剂、剩余1/2铝块、低钛合金和渣料，出钢时间为4～5min，出钢完毕后进行扒渣处理，选择前两炉未冶炼过含钛钢种的无残渣和残钢的钢包，转炉冶炼采用双渣法操作及出钢过程采用挡渣球和滑板双重挡渣操作能进一步稀释氧化渣中钛氧化物的浓度，同时大大减少转炉下渣量，减少渣中回钛，对降低钢中Ti含量和提高钢的纯净度十分有利，由于钛是易氧化元素，因此除钛是在整个转炉冶炼过程中保持向钢液中通入氧气实现的，95％以上的钛元素被氧化进入渣中，通过挡渣、扒渣操作使钛的氧化物与钢水产生分离，由碳氧浓度积可知：出钢碳较高时，钢水中的自由氧含量将大大降低，同时钢中Ti元素氧化物的比例会减少，成品中Ti含量将会增加；出钢碳较低时，钢水中的自由氧含量将大幅度提高，随着钢水中氧浓度的提高，钛含量将相应降低，为避免钢液中的氧含量给后续的脱氧任务带来极大的困难，同时确保成品钛含量，所以需将转炉终点C控制在一定范围，转炉终点时钢水中仅有极少钛含量从而无法与氧发生反应并生成氧化物进入渣料中，本发明同时将出钢氧含量和出钢钛含量控制到较低水平，这是生产洁净轴承钢的重要步骤，作为优选，步骤(1)的采用优质铁水作为炼钢原料，要求[Si]:0.35％～0.65％、[P]≤0.09％、[Ti]≤0.03％，温度T≥1300℃，出钢温度为1630～1670℃，废铜的加入量为0.88～0.93kg/t，增Cu目标至0.09％，添加适量铜元素，可以提高钢的耐蚀性能；由脱磷的基本条件可知，温度过高，不利于脱磷，因此应选择合适的出钢温度；由于铜元素不易氧化，稳定性好，因此可以选择在转炉冶炼前加入，便于后续节奏的控制，作为优选，出钢1/4时随钢液依次加脱氧剂铝块50～60kg/炉、低氮增碳剂6.0～6.6kg/t、铝块50～60kg/炉、低钛低铝硅铁2.4～2.8kg/t、金属锰2.6～3.0kg/t、低钛高碳铬铁20.0～20.5kg/t，渣料石灰的加入量为500kg/炉，低钛预熔渣的加入量为800kg/炉；扒渣量为50～100kg/炉，由于转炉出钢过程经过双重挡渣作用，下渣量已经比较少，为了进一步减少钢中的氧化渣需进行扒渣处理，但是扒渣过多会造成钢液裸露，钢水被氧化的风险，因此，需要严格控制扒渣量，确保钢液不裸露，加入铝块进行深脱氧，可以进一步脱除钢水的氧含量，并在软吹的过程中上浮至渣中，由于钛容易被氧化，转炉冶炼的过程中95％以上的钛元素被氧化并进入渣中，因此，转炉渣中含有大量的氧化钛，若不进行扒渣操作，钛可以回到钢水中，增加钢水的钛含量；(2)LF精炼炉密封良好，确保炉内还原性气氛，精炼前喂铝线调铝至0.040～0.050％，保证LF到位时钢水条件，即合金成分接近目标值，避免精炼中大量加入合金料从而带入钛，前期加入碳化硅和铝粒进行钢渣界面脱氧，中期、后期及末期不补加铝，用碳化硅进行脱氧操作造泡沫渣，渣子流动性良好，尽快形成白渣操作，在保证足够的白渣保持时间的前提下，缩短精炼时间以减少精炼过程中Ti的还原；精炼后期用碳线代替增碳剂进行调整碳含量，避免了精炼后期用增碳剂增碳造成的卷渣，影响轴承钢的纯净度；精炼完成后迅速转入VD炉真空精炼工序，精炼过程中严格执行吹氩制度，精炼前期和调整成分时采用大的吹氩强度，纯升温和造渣阶段要控制好吹氩流量，防止钢水外露吸氮，步骤(2)中，铝线的喂入量为300～400m/炉；碳化硅的加入量为250～280kg/炉；精炼前期和调成分时底吹大氩气量搅拌压力1.0～1.2MPa，流量300～400NL/min，纯升温阶段底吹氩气量搅拌压力0.8～1.0MPa，流量200～300NL/min；白渣保持时间30～40分钟，精炼时间40～50分钟，步骤(2)中，中期、后期及末期不补加铝，用碳化硅进行脱氧操作的目的是避免进入钢渣中的Ti被铝还原进入钢液，同时避免生成过多的铝类夹杂物来不及上浮影响钢的质量，加碳化硅的目的是为了进行钢渣界面脱氧，保证LF精炼炉中、后期的脱氧能力，精炼前期、中期为合金成分调整时期，采用大氩气量搅拌可以吹开渣面，提高合金收得率，加速合金熔化，均匀成分，同时能有效促进脱氧产物上浮；精炼后期、末期由于还原性渣的形成，炉渣会变得较稀，且没有调整合金阶段，适当调小氩气流量是为了防止钢液裸露、钢水吸氮的风险，同时还可以促进钢液中夹杂物进一步上浮，总之，本发明采取使夹杂物尽可能在前期生成，精炼中后期不补加铝，尽快造白渣脱氧，为夹杂物的上浮争取足够的时间，同时合理调整不同时期氩气的流量，并适当延长了后续VD破真空后的软吹时间等措施来避免缩短精炼时间后可能带来的夹杂物上浮不充分等缺陷；(3)对VD小炉盖上的冷渣及时进行清理，确保钢包中渣层厚度10-14mm，真空状态下全程大氩气量搅拌，真空度在67Pa以下保持15～18min，随后破真空后喂入硫铁线，加入覆盖剂进行软吹氩操作，覆盖剂厚度大于100mm，不加变性材料如硅钡等，软吹时间35～45min，软吹后吊包温度为，开浇炉次1525～1535℃、连浇炉次1505～1515℃，对VD小炉盖上的冷渣进行清理，是为了防止在抽真空过程中增钛和卷渣，VD时钢包中应保证一定的渣层厚度，过高时会造成VD抽真空时溢渣和脱气效果不好，过少又起不到应有的精炼效果，且增加钢水吸氮的风险，步骤(3)中，硫铁线的喂入量为15～35m/炉增硫至0.004～0.007％；大氩气量搅拌，搅拌压力0.9～1.1MPa，流量250～350NL/min，软吹氩流量80～100NL/min，VD破空后钢水完成了深脱氧，钢液中的氧含量较低，硫的收得率稳定，此时喂入硫铁线可以充分避免硫元素与氧接触，最大程度上避免两者在渣中铁离子的媒介下，发生反应生成二氧化硫从而离开钢水体系；并且氧高时，在氧离子的媒介下，硫易与渣中的金属离子发生反应，形成化合物，同时易与其他氧化物形成复合夹杂物，使硫的吸收率不稳定，吸收率不高，再配合合理的软吹时间，可有效促进硫化物上浮，满足用户的要求，硫在钢液中主要以游离态[S]和硫化物形式存在，其中，早期形成的硫化物及与其他夹杂物形成的钙硫系复合夹杂物，颗粒尺寸粗大、不均匀，不溶于钢液，需要去除，否则将对轴承钢质量带来十分不利的影响，此类夹杂物仅带走少量的硫元素，在钢水凝固过程中，大部分硫元素和锰元素结合形成硫化锰，颗粒尺寸细小、均匀，可改善轴承钢的切削加工性能，本发明中成品硫含量控制在0.005％左右，在低氧、低钛的条件下，优先与锰元素结合形成高熔点(1620℃)的硫化锰，呈粒状分布在晶粒内，并且细小、均匀，它在高温下具有一定的可塑造性，从而避免了硫元素与铁结合、形成FeS的形态存在于钢中导致热脆性；并且，在切削加工中，MnS能起断屑作用，可改善钢的切削加工性；同时，本发明不喂钙类线、钡类线，避免了硫与钙或钡结合形成易堵塞水口的夹杂物硫化钙(硫化钡)及其复合氧化物，其中，覆盖剂为碳化稻壳覆盖剂，属于大包覆盖剂，加入的目的是保温且避免钢水被二次氧化的风险，严格的软吹氩工艺和确保适当软吹时间，以实现有效促进夹杂物上浮，减少钢中夹杂物含量，达到净化钢水的目的；(4)连铸做好保护浇注工作，大包水口氩封、中包水口使用整体内装四孔镁质水口，做好中包烘烤工作，在开浇前做好充氩工作，中包温度大于1000℃；连铸开浇时中包液面400mm，中包连浇时间不大于8小时；采用低过热度、低拉速浇注，过热度控制在≤35℃，拉速0.65～0.75m/min，二冷采用全水冷却模式，比水量为0.25L/Kg，采用结晶器电磁搅拌，并使用结晶器保护渣，钢包浇铸末期采用留钢渣操作，留钢渣量为4.0～6.0t/包，连铸采用整体式密封镁质干式料中间包，中间包与包盖之间垫放耐火棉并在各接缝处用涂抹料涂抹密封，使用西宝专用轴承钢保护渣，保护渣自动加入，确保加入量均匀，连铸浇铸末期大包留钢渣3.5～4.5t/炉，钢包浇铸末期采用留钢渣操作，可以避免钢包中的渣进入中间包中，进而可以提高钢水的纯净度，步骤(4)中，结晶器保护渣为西宝专用轴承钢保护渣，其中碱度为R＝0.60～0.68，熔点1020～1060℃，粘度为0.30～0.35Pa.S/1300℃，H2O≤0.30％；每隔2小时测量一次液渣层厚度，确保液渣层深度为7～9mm；结晶器一冷水流量为1850±100L/min，确保一冷水温差7.5～8.5℃；中包水口直径Φ40mm，水口插入深度为90～110mm，使用5.5～6h进行更换，结晶器电磁搅拌为180A/3Hz，末端电磁搅拌为300A/6Hz；频率(mm)65+65V、振幅(mm)±2.5，硫本身不能形成针孔缺陷，但是其负面影响主要是因为硫是表面活性元素，极易在结晶器壁、弯月面等铸坯的表面富集，一方面在气泡形成过程中，富集的硫元素通过降低钢液表面张力，使气泡容易形成；另一方面形成的气孔只有移动到铸坯的表面才能形成针孔。由于钢液的表面于内部存在张力梯度，这是气泡向铸坯表面移动的驱动力，表面富集的硫元素加大了界面张力梯度，加速了气泡向表面移动的速度，容易在表面形成针孔。因此，含硫钢需要配置合理的连铸工艺参数来确保连铸坯的表面质量，对于表面质量要求高的轴承钢而言，硫含量不易过高，连铸坯采用“一”字型加盖坑冷48h以上，温度≤150℃转运，中包选用镁质挡墙，使用碱性覆盖剂，加优质稻壳灰，保持中包黑渣操作，采用“一”字型加盖坑冷，可以大大降低钢中的[H]含量，避免轧材出现白点现象，采用中包碱性覆盖剂，可避免连铸过程中因钢渣反应而引起钢种夹杂物增加，还起到避免钢液被氧化的风险；(5)轧制铸坯采用冷装，加强控轧控冷工艺控制，均热炉温度1200～1230℃，开轧温度1140～1160℃，总加热时间5～5.5h，采用高压水除磷，压力18MPa～23MPa，确保连铸坯表面氧化铁皮清除干净；出钢节奏3～3.5min，轧制完成后圆钢及时缓冷，确保圆钢在≥400℃入坑缓冷，入坑时间不得小于36小时，且温度≤150℃方可揭盖，铸坯采用冷装可以使[H]有扩散的时间，有效降低钢中的[H]含量；采用高压水除磷可以有效提高轧材的表面质量，圆钢坑冷可以大大降低钢中的[H]含量，避免出现白点现象，延长加热时间，可以增加碳扩散动力，有效提高圆钢的内部质量。本发明的有益效果在于：通过合理设计化学成分、硫铁线的加入时机选择、工序选择、严格执行标准化操作和生产工艺中各参数等手段，使钢液中夹杂物来源减少，且使脱氧产物等夹杂物尽可能提前生成，使其充分上浮，从而无需喂钙、钡线处理，解决了目前生产的含硫超低钛高标轴承圆钢存在的切削性能不好、耐蚀性不好、纯净度不高，夹杂物超标、连浇性不好，易出现结瘤、硫化物的形成量大、气体含量高、表面质量不好，质量不稳定等技术难题；提供了纯净度极高、切削性能好、硫铁线的收得率稳定、吸收率高，可浇性好，不进行喂钙、钡线处理，可连浇10炉以上，且质量稳定，可保证氧含量不大于6ppm，Ti含量不大于10ppm；夹杂物平均级别：A粗≤1.0、A细≤1.5、B粗≤0.5、B细≤1.0、C粗(细)≤0.0，D粗≤0.5、D细≤0.5级、Ds≤0.5级，完全满足轴承钢用户的使用性要求的含硫超低钛高标轴承钢的制备方法，得到一种含硫、超低氧、超低钛、洁净的轴承钢。具体实施方式生产工艺简述如下：转炉冶炼→LF钢包精炼→VD炉真空精炼→大方坯连铸→轧机轧制。实施例1(炉号816020415)(1)转炉冶炼工序转炉冶炼采用双渣法操作，采用优质铁水(每炉120吨)，其中，入炉铁水中组分质量含量要求：Si：0.52％、P：0.085％、S：0.025％，Ti：0.025％，入炉铁水温度T＝1308℃，冶炼前加入废铜，其中，废铜的加入量为0.90kg/t，增Cu至0.09％；转炉冶炼控制出钢终点[C]＝0.20％，终点[P]＝0.006％，出钢温度1645℃，出钢过程采用挡渣球和滑板双重挡渣操作，出钢时间为4.5分钟，出钢1/4时依次加入出钢1/4时随钢液依次加脱氧剂铝块55kg/炉、低氮增碳剂6.4kg/t、铝块55kg/炉、低钛低铝硅铁2.6kg/t、金属锰2.8kg/t、低钛高碳铬铁20.2kg/t，、渣料石灰500kg/、低钛预熔渣800kg；出钢完毕后进行扒渣处理，扒渣量为70kg；(2)LF精炼工序LF精炼炉密封良好，确保炉内还原性气氛，精炼前喂铝线350m调铝至0.045％，前期加入碳化硅和铝粒进行钢渣界面脱氧，中期、后期及末期不补加铝，用碳化硅进行脱氧操作造泡沫渣，碳化硅的加入量为260kg，精炼后期用碳线调整碳含量，白渣保持时间35分钟，精炼时间45分钟，精炼完成后迅速转入VD炉真空精炼工序；严格执行吹氩制度，精炼前期和调整成分时采用大的吹氩强度，搅拌压力1.1MPa，流量350NL/min，纯升温和造渣阶段要控制好吹氩流量，搅拌压力0.9MPa，流量250NL/min，防止钢水外露吸氮；(3)VD真空精炼工序VD确保渣面渣层厚度11-13mm，真空状态下全程大氩气量搅拌，搅拌压力1.0MPa，流量300NL/min，真空度在67Pa以下保持17min，随后破真空喂入20m硫铁线增硫至0.006％，加入覆盖剂进行软吹氩操作，覆盖剂厚度大于100mm，不加变性材料如硅钡等，软吹时间40min，吹氩流量85NL/min，软吹后进行测温操作，本炉为开浇炉次，软吹后吊包温度为1530℃；(4)连铸工序连铸做好保护浇注工作，大包水口氩封、中包水口使用整体内装四孔镁质水口，做好中包烘烤工作，在开浇前做好充氩工作，中包温度1100℃；连铸开浇时中包液面400mm，中包连浇时间不大于8小时；采用低过热度、低拉速浇注，过热度36℃，拉速0.68m/min，二冷采用全水冷却模式，比水量为0.25L/Kg，采用结晶器电磁搅拌，并使用结晶器保护渣，钢包浇铸末期采用留钢渣操作，留钢渣量为5.0吨/包；结晶器保护渣使用西宝专用轴承钢保护渣，其中碱度为R＝0.63，熔点1040℃，粘度为0.32Pa.S/1300℃，H2O≤0.30％；每隔2小时测量一次液渣层厚度，确保液渣层深度为8.0mm；结晶器一冷水流量为1850±100L/min，一冷水温差8.0℃；中包水口直径Φ40mm，水口插入深度为100mm，使用5.5～6h进行更换，结晶器电磁搅拌为180A/3Hz，末端电磁搅拌为300A/6Hz；频率(mm)65+65V、振幅(mm)±2.5。连铸坯采用“一”字型加盖坑冷50h，在铸坯温度为120℃转运，中包选用镁质挡墙，使用碱性覆盖剂，加优质稻壳灰，保持中包黑渣操作，(5)轧制工序轧制铸坯采用冷装，加强控轧控冷工艺控制，均热炉温度1215℃，开轧温度1150℃，总加热时间5.2h，采用高压水除磷，压力20MPa，确保连铸坯表面氧化铁皮清除干净；出钢节奏3.2min，轧制完成后圆钢及时缓冷，确保圆钢在≥410℃入坑缓冷，入坑时间40小时，且在温度降至100℃时揭盖。实施例2(炉号816020416)本炉为连浇炉次，软吹后吊包温度设置为1510℃，过热度为28℃，拉速0.70m/min，其余操作与实施例1相同。实施例3(炉号816020417)入炉铁水中组分质量含量要求：Si：0.48％、P：0.086％、S：0.022％，入炉铁水温度T＝1310℃，其余操作与实施例2相同。实施例4(炉号816020418)钢包底软吹氩时间36分钟，本炉为连浇炉次，软吹后吊包温度设置为1508℃，过热度为25℃，拉速0.70m/min，其余操作与实施例2相同。实施例5(炉号816020419)轧制均热段炉温：1218℃，开轧温度：1152℃，其余操作与实施例2相同。实施例1-5所制得钢的化学成分、非金属夹杂物、气体含量分别见表1、表2和表3所示：表1实例1-5所制备的铝的收得率炉号CSiMnPSCrCuTi8160204150.970.250.340.0110.0051.440.090.00098160204160.960.240.340.0100.0041.450.090.00088160204170.970.240.350.0120.0051.440.090.00088160204180.980.250.350.0090.0041.450.090.00098160204190.970.260.350.0100.0051.450.090.0008表2非金属夹杂物级别(针对实例1-5所制备的钢所进行的测试)炉号A(细)A(粗)B(细)B(粗)C(细)C(粗)D(细)D(粗)DS8160204150.00.00.00.00.00.00.50.50.08160204160.50.00.00.00.00.00.00.00.08160204170.00.00.50.00.00.00.50.00.08160204180.50.00.00.00.00.00.50.50.08160204190.50.00.00.00.00.00.00.00.0表3成品气体含量(针对实例1-5制备得到钢进行的测试)对比例1将实例1步骤(1)中“出钢完毕后进行扒渣处理，扒渣量为70kg”修改为“出钢完毕后不进行扒渣处理”，其他条件同实施实例1。Ti含量达到0.0015％，远高于本发明实施例中Ti含量，且最终制得的钢材中夹杂物级别超标，不能满足用户的需求。对比例2将实例1步骤(3)中“VD破空喂入20m硫铁线增硫至0.006％”修改为“精炼完成后喂入20m硫铁线增硫至0.008％”(在真空条件下，有一部分硫元素会不可避免地上浮至渣料中而离开钢水，因此这两种加入方法是为了确保最终制得的钢材中硫含量基本一致)，其他条件同实施实例1。仅连续浇铸3炉便出现结瘤现象，远低于本发明实施例中的连浇炉数，对最终制得的钢材进行检测，经检测A细类夹杂物存在3.0级情况，远高于本发明实施例中制备的钢材的夹杂物级别。对比例3将实例1步骤(3)中“VD确保渣面渣层厚度11-13mm”修改为“VD确保渣面渣层厚度15-17mm，”，其他条件同实施实例1。抽真空过程中VD溢渣，对最终制得的钢材进行检测，氧含量为9ppm，远大于本发明实施例中的氧含量，且DS夹杂存在2.0级情况，严重超标，远高于本发明实施例中的DS夹杂级别。对比例4将实例1步骤(2)中“精炼时间50分钟”修改为“精炼时间60分钟”，其他条件同实施实例1。对最终制得的钢材进行检测，钛含量为15ppm，远高于本发明实施例中的钛含量，且存在钛类夹杂物，不能满足用户要求。对比例5将实例1步骤(2)中“精炼后期用碳线调整碳含量”修改为“精炼后期用低氮增碳剂调整碳含量”，其他条件同实施实例1。对最终制得的钢材进行检测，氧含量为8.5ppm，远大于本发明实施例中的氧含量，且DS夹杂存在1.5级情况，严重超标，远高于本发明实施例中的DS夹杂级别。当前第1页1 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