本发明涉及钢铁冶金生产领域，尤其涉及到一种单嘴精炼炉冶炼高洁净轴承钢精炼工艺。本发明工艺特别适用于冶炼高洁净轴承钢品种。
背景技术：
轴承钢以其良好的抗疲劳性能、耐磨性能和冷热加工性能等优点，广泛用于轴承滚动体和套圈材料。随着现代科学技术的发展，对轴承质量提出了更高更严的要求，不断提高轴承钢质量是冶金工作者的一项重要任务。轴承钢洁净度是影响轴承寿命最关键的因素之一，以含[c]1.0％、[cr]l.5％的gcrl5轴承钢为例，该钢种发明于19世纪末，100多年来，其成分基本没变，而其疲劳寿命却成倍提高，事实证明不断改进的冶炼方法和制备工艺可使轴承钢的洁净度大幅度提高。
目前，轴承钢冶炼普遍采用“初炼炉+lf+vd/rh+浇注”的工艺路线，其中初炼炉主要实现高效脱磷、脱碳及升温等任务，lf精炼主要利用高碱度炉渣及al脱氧等精炼工艺降低钢中氧含量，vd或rh真空精炼主要进行n、h等杂质元素及夹杂物的去除，因其固有的炉型特点，目前采用vd、rh设备精炼钢液仍存在一些不足。vd精炼的不足之处在于：(1)真空过程渣-钢之间的反应剧烈，造成钢液铝烧损严重；(2)真空过程搅拌剧烈，溢渣现象严重，同时，易发生钢液卷渣，产生较多的大颗粒夹杂物；(3)vd中间过程不能进行测温、取样操作，无法对冶炼过程的变化进行在线跟踪；(4)vd炉真空室体积大，真空压降速率低，无法快速达到目标真空度。rh精炼的不足之处在于：(1)装备复杂，投资及生产维护成本较高；(2)对80t以下的小钢包不适用；(3)提升气体吹氩量大，浸渍管耐材冲刷侵蚀严重。
单嘴精炼炉(singlesnorkelrefiningfurnace)，简称ssrf，最早是在1976年由北京钢铁学院张鉴教授等与原大连钢厂合作将其1座13trh改造为成的一种新型真空炉外精炼设备，改造后的单嘴精炼炉在当时消除45crnimova(坦克轴钢)的缺陷(代替电渣重熔)、节电和缩短冶炼时间方面取得了优异成绩[文献1：北京钢铁学院，大连钢厂试验小组(张鉴执笔)：单咀插入式真空吹氩试验结果，大连特殊钢，1978，no.1，p5-26]。1983年，北京科技大学、长城特殊钢公司、北京冶金设计院合作，将长城特殊钢公司四分厂1台一直未投产的30～35trh脱气装置改造成了单嘴精炼炉，并于1989年申请了中国专利cn2040910u《一种单嘴真空精炼设备》，通过3阶段102炉的轴承钢工业试验，结果表明，正常炉钢中总氧质量分数全部在20×10-6以下，最低为10×10-6，平均为16.1×10-6，无点状夹杂物[文献2：北京科技大学，张鉴，成国光等：单嘴精炼炉处理轴承钢的脱氧工艺，钢铁，1995，no.5，p19-21]。随后，作为对中国专利cn2040910u的进一步改进，2001年中国专利cn2432219y公开了一种《多功能复吹单嘴精炼炉》，在cn2040910u公开的精炼炉结构的基础上，增加了顶枪吹氧、二次燃烧、喷粉、喂线等装置，使单嘴精炼炉的精炼功能更加多样化。2008年，北京科技大学与太原钢铁公司合作，将太原钢铁公司第二炼钢厂的1座80trh改造成单嘴精炼炉用来冶炼无取向硅钢，试验中先后应用3个浸渍管，在普碳钢、低牌号、中牌号、高牌号无取向硅钢上分5个阶段共进行了143炉的超低碳钢的工业生产试验，试验结果表明单嘴精炼炉的脱碳、脱硫效率明显优于rh精炼炉[文献3：北京科技大学，秦哲：单嘴精炼炉真空精炼无取向硅钢研究，博士论文，2011]。
在此基础上，2011年中国专利cn101921895b公开了《单嘴精炼炉冶炼高洁净钢工艺》，该精炼工艺主要采用单嘴精炼炉作为冶炼高洁净钢的真空精炼设备，能够在较短的精炼时间内将钢液中碳、硫、氮、氢杂质元素同时降低到极低水平，精炼效率显著优于目前广泛使用及的rh精炼。尽管如此，以上原有的单嘴精炼炉精炼工艺仍存在以下不足：(1)大连钢厂、长城特特钢仅采用单嘴精炼炉对钢液进行精炼，没有lf精炼炉，精炼效率明显降低，温度和冶炼时间也难以保证；(2)原有的单嘴精炼炉精炼工艺没有严格控制炉渣成分及脱氧剂加入量；(3)长城特钢采用真空碳脱氧工艺，尽管产生的夹杂物少，但其脱氧程度有限，无法达到极低氧水平；(4)太原钢铁公司的生产试验主要针对电工钢进行脱碳、脱硫冶炼，与本专利轴承钢的冶炼有着显著差别。
技术实现要素：
针对目前轴承钢冶炼过程中存在的设备及工艺的不足，本发明提出了一种使用单嘴精炼炉冶炼高洁净轴承钢精炼工艺。该工艺主要采用“初炼炉(转炉或电弧炉)+lf精炼炉+单嘴精炼炉+软搅拌+保护浇注”的工艺路线，通过严格控制精炼过程的炉渣成分、钢中al含量及软搅拌等精炼工艺参数，有效降低了钢中氧、氮、氢等杂质元素及夹杂物的含量，为我国生产高洁净轴承钢提供技术保障。
为实现上述精炼效果，本发明提出的单嘴精炼炉冶炼高洁净轴承钢工艺，采用如下技术方案：
(1)冶炼轴承钢的初炼炉可采用电弧炉或转炉，初炼炉主要实现高效脱磷、脱碳及升温等任务，包括如下工序：将原料在初炼炉中进行脱磷、脱碳和升温，初炼结束时，控制钢液终点c含量满足ω[c]0.08～0.30％,出钢温度为1620～1660℃；出钢过程中添加铝进行脱氧，加入量为0.5～2.5kg/吨钢，添加含cao、al2o3、caf2等成分的调渣剂，其中cao加入量为5～12kg/吨钢，al2o3加入量为2～4kg/吨钢，caf2加入量不大于2kg/吨钢；控制出钢下渣量小于2kg/吨钢。
(2)lf炉精炼工艺主要利用电极加热、底吹氩气搅拌及高位料仓加料等冶炼功能对钢液进行造渣、升温、搅拌及合金化等精炼操作，包括如下工序：将钢包送至lf炉精炼工位，从钢包底部吹入氩气，随后送电进行造渣、合金化操作；lf炉精炼开始后10min，炉渣成分需达到：ω(cao)52～60％、ω(al2o3)20～35％、ω(sio2)≤10％、ω(mgo)≤8％、ω(caf2)≤3％、ω(feo)≤0.8％，并维持该成分至lf炉精炼结束；精炼过程吹氩量控制在2～5l/min/吨钢；lf精炼结束时钢中al含量应控制在ω[al]0.020～0.04％，钢液温度为1600～1640℃；lf炉精炼总时间为35～60min。
(3)单嘴精炼炉工艺主要对钢液进行真空处理，达到快速去气、去夹杂的冶金效果，包括如下工序：将lf炉精炼后钢液送至单嘴精炼炉工位，真空处理前，流量控制在5-8l/min/吨钢，通过大流量吹氩将炉渣表面吹开，防止单嘴浸渍管插入钢液时将炉渣卷入真空室，将浸渍管插入至渣面以下600～700mm；开启真空泵进行抽真空，真空室压力需在精炼开始5min内，降至100pa以下；精炼过程吹氩量维持在2～5l/min/吨钢；精炼时间为20～35min；精炼结束时，钢中铝含量应控制在0.010～0.025％，钢液温度控制在1550～1590℃。
(4)软搅拌工艺主要对精炼后的钢液进行弱氩搅拌，使钢液温度、成分更加均匀，进一步去除钢中细小夹杂物，包括如下工序：单嘴精炼炉处理结束，降低钢包位，使单嘴浸渍管脱离钢包，采用较小的吹氩流量进行软搅拌，吹氩流量应控制在1～2l/min/吨钢，吹氩时间为30～50min，软搅拌结束时钢液温度应控制在1520～1560℃。
(5)保护浇注工艺主要对浇注过程中的钢液进行气氛保护，防止钢液在浇注过程中发生二次氧化。当采用模铸进行轴承钢的浇注时，开浇时，需对钢包出钢口进行吹氩气氛保护，防止钢液与空气直接接触氧化；当采用连铸进行轴承钢的浇注时，连铸过程中需保证中间包覆盖渣、结晶器保护渣完整覆盖钢液，防止中间包及结晶器钢液裸露，发生钢液二次氧化。
相比目前普遍采用的轴承钢冶炼工艺，本发明工艺的先进性体现为：
(1)采用本发明工艺生产的轴承钢，氧含量更低，洁净度更高。通过采用“初炼炉出钢+lf精炼”铝沉淀脱氧工艺，有效地去除了钢中的溶解氧，结合“单嘴精炼炉+软搅拌”工艺，为钢中n、h等杂质元素及夹杂物的去除提供良好的动力学条件。
(2)相比vd，真空精炼过程均可进行测温、取样操作，更容易对真空精炼过程变化进行在线跟踪。
(3)相比vd，单嘴精炼炉真空室内精炼为无渣精炼，减少了由卷渣产生的大颗粒夹杂物，同时降低了钢中铝的烧损。
(4)单嘴精炼炉真空室体积小，抽真空过程压降速率快，可更快地达到目标真空度，缩短了精炼时间，温降低，提高了精炼效率，氩气消耗低，耐材寿命长。
(5)本工艺采用单嘴精炼炉真空精炼适用性广，对大小钢包都适用。
具体实施方式
为使本发明工艺要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例对本发明工艺进行详细描述。
本发明单嘴精炼炉冶炼高洁净轴承钢精炼工艺，该精炼工艺采用“初炼炉+lf精炼炉+单嘴精炼炉+软搅拌+保护浇注”的工艺路线，通过严格控制精炼过程炉渣成分、钢液成分、钢液温度及软搅拌等精炼工艺参数，有效降低了钢中氧、氮、氢、杂质元素及夹杂物含量。
进一步，所述初炼炉采用转炉或电弧炉进行冶炼，实现高效的脱磷、脱碳及升温任务，初炼结束时钢液需满足以下出钢要求：
(1)出钢条件：ω[c]0.08～0.30％,钢液温度1620～1660℃；
(2)出钢过程：添加铝进行脱氧，加入量为0.5～2.5kg/吨钢；添加含cao、al2o3、caf2等成分的调渣剂，其中cao加入量为5～12kg/吨钢，al2o3加入量为2～4kg/吨钢，caf2加入量不大于2kg/吨钢；控制出钢下渣量小于2kg/吨钢。
进一步，所述lf精炼炉的工艺为：
首先，lf炉精炼开始后10min，炉渣成分达到：ω(cao)52～60％、ω(al2o3)20～35％、ω(sio2)≤10％、ω(mgo)≤8％、ω(caf2)≤3％、ω(feo)≤0.8％；
其次，lf炉精炼过程吹氩量2～5l/min/吨钢；精炼时间35～60min；
最后，lf炉精炼结束：钢中ω[al]0.02～0.04％，钢液温度1600～1640℃；炉渣成分达到：ω(cao)52～60％、ω(al2o3)20～35％、ω(sio2)≤10％、ω(mgo)≤8％、ω(caf2)≤3％、ω(feo)≤0.8％。
进一步，所述单嘴精炼炉的工艺处理为：
(1)真空处理前，流量控制在5-8l/min/吨钢，将钢包内炉渣表面吹开；
(2)浸渍管插入至渣面以下600～700mm；
(3)精炼开始5min内，真空室压力降至100pa以下；
(4)过程吹氩量维持在2～5l/min/吨钢；
(5)精炼时间为20～35min；
(6)精炼结束，钢中铝含量控制在0.010～0.025％，钢液温度控制在1550～1590℃。
进一步，所述软搅拌的工艺为：单嘴精炼炉处理结束，吹氩流量控制在1～2l/min/吨钢，吹氩时间30～50min，软搅拌结束时钢液温度为1520～1560℃。
该工艺适用于冶炼gcr15轴承钢及类似的轴承钢品种或包含其他有类似质量要求的特殊钢品种。
实施例一：
采用“电炉+lf精炼炉+单嘴精炼炉+软搅拌+连铸”生产流程冶炼gcr15高洁净轴承钢。
①电炉冶炼工序：向电炉中加入40t废钢冷料，兑入36t铁水，电炉供电对炉料进行充分熔化，随后启动氧枪吹氧进行脱碳、脱磷、升温，同时加石灰、白云石进行造渣。电炉冶炼结束钢液成分为：ω[c]0.10％，ω[si]0.01％，ω[mn]0.08％，ω[p]0.020％，ω[s]0.025％，ω[cr]0.12％，ω[ni]0.03％，ω[mo]0.02％，ω[ti]0.001％，出钢温度1640℃，出钢过程中添加高锰合金109kg，低钛高铬1155kg，铝锭40kg，增碳剂500kg，石灰405kg，预熔渣150kg，出钢下渣量小于120kg，出钢量62吨，钢包自由空间700mm。
②lf炉精炼工序：钢包到位，接氩气管吹氩，吹氩流量为170nl/min，送电，加si-c30kg，喂铝线150m；10min后停电，测温1510℃，取样，送样，送电，10min后检样钢液成分为：ω[c]0.72％，ω[si]0.12％，ω[mn]0.19％，ω[p]0.017％，ω[s]0.012％，ω[cr]1.30％，ω[ni]0.04％，ω[mo]0.01％，ω[ti]0.0019％，ω[al]0.023％，炉渣成分为：ω(cao)58.9％，ω(al2o3)22.8％，ω(sio2)8.6％，ω(mgo)4.5％，ω(caf2)1.7％，ω(feo)0.54％。停电，加c粉80kg，硅铁70kg，高锰110kg，低钛高铬230kg，铝线70m，石灰100kg，调整吹氩量为270nl/min，送电10min后测温1590℃，取分析样，送样，送电，调整吹氩量为180nl/min，10min后检样钢液成分为：ω[c]0.95％，ω[si]0.25％，ω[mn]0.33％，ω[p]0.017％，ω[s]0.012％，ω[cr]1.54％，ω[ni]0.04％，ω[mo]0.01％，ω[ti]0.0025％，ω[al]0.027％，停电，调整吹氩量为130nl/min，测温1609℃，渣厚110mm，精炼时间48min，出站。
③单嘴精炼炉工序：钢包到位，接氩气管吹氩，吹氩流量为420nl/min，将钢包表面覆盖渣吹开，抬升钢包位，然后将吸嘴插入钢包中，深度为渣面下700mm，启动真空泵开始抽真空，调整吹氩量为130nl/min，真空室内压力在精炼开始后5min内降至100pa以下并保持稳定，调整吹氩量为180nl/min，真空处理11min后，调整吹氩量为270nl/min，9min后真空处理结束，调整吹氩量为60nl/min，破真空，确保熔渣均匀地将真空室内钢液覆盖，防止钢液从空气中吸氧导致二次氧化。单嘴精炼炉真空精炼时间为33min，精炼结束时钢液温度为1570℃，钢中al含量为0.020％，其他成分均满足技术要求。
④软搅拌工序：真空处理结束，降低钢包位，使单嘴浸渍管脱离钢包，调整吹氩量为80l/min，吹氩时间32min，软搅拌结束时，钢液温度1540℃，吊包出站，上浇注台。
⑤连铸：连铸过程采取全保护浇注，防止钢液与空气接触发生二次氧化。连铸过程中保持中间包及结晶器内液面稳定，防止发生卷渣。
本实施例中，以本发明工艺路线生产的轴承钢中全氧含量平均值为7.1ppm，夹杂物金相评级平均值为0～0.52级，与采用rh、vd精炼工艺的生产效果对比如表1所示。从表中可以看出，采用单嘴精炼炉(ssrf)并结合本发明工艺与vd、rh精炼效果相比有显著的优越性。
表1本发明工艺与普通工艺进行轴承钢冶炼的生产效果对比
注：a类为硫化物类夹杂，b类氧化铝类夹杂，c类为硅酸盐类夹杂，d类为球状氧化物类夹杂，评级范围从0到3，
级别随夹杂物的长度，数量，直径的增加递增，评级方法详见gb/t10561-2005。
实施例二：
采用“转炉+lf精炼炉+单嘴精炼炉+软搅拌+连铸”生产流程冶炼gcr15高洁净轴承钢。
①转炉冶炼工序：将70t预处理铁水及8t废钢冷料装入转炉进行吹炼，加石灰、白云石等造渣剂，完成脱磷、脱碳、升温任务，转炉吹炼结束时钢液成分为：ω[c]0.11％，ω[si]0.01％，ω[mn]0.08％，ω[p]0.018％，ω[s]0.022％，ω[cr]0.02％，出钢温度1630℃，出钢过程中添加高锰合金118kg，低钛高铬1210kg，铝锭50kg，增碳剂520kg，石灰455kg，预熔渣160kg，出钢下渣量小于120kg，出钢量66吨，钢包自由空间650mm。
②lf炉精炼工序：在本实施例中，lf精炼工序与实施例一大体相同。lf炉精炼开始10min后停电，测温1518℃，取样，送样，送电，10min后检样钢液成分为：ω[c]0.79％，ω[si]0.09％，ω[mn]0.26％，ω[p]0.012％，ω[s]0.008％，ω[cr]1.12％，ω[ni]0.05％，ω[mo]0.01％，ω[ti]0.0018％，ω[al]0.023％，炉渣成分为：ω(cao)59.6％，ω(al2o3)21.7％，ω(sio2)9.2％，ω(mgo)4.8％，ω(caf2)1.8％，ω(feo)0.44％。调整钢液及钢渣成分后钢液成分为：ω[c]0.99％，ω[si]0.22％，ω[mn]0.31％，ω[p]0.013％，ω[s]0.002％，ω[cr]1.48％，ω[ni]0.05％，ω[mo]0.01％，ω[ti]0.0022％，ω[al]0.025％，测温1612℃，渣厚120mm，精炼时间46min，出站。
③单嘴精炼炉工序：本实施例中，单嘴精炼炉精炼工序与实施例一大体相同，单嘴精炼炉真空精炼时间为34min，精炼结束时钢液温度为1573℃，钢中al含量为0.021％，其他成分均满足技术要求。
④软搅拌：真空处理结束，降低钢包位，使单嘴浸渍管脱离钢包，调整吹氩量为85l/min，吹氩时间31min，软搅拌结束时，钢液温度为1542℃，吊包出站，上连铸大包回转台。
⑤连铸：连铸过程采取全保护浇注，防止钢液与空气接触发生二次氧化。连铸过程中保持中间包及结晶器内液面稳定，防止发生卷渣。
本实施例的冶炼效果达到了与表1中所体现的本发明工艺同等水平。