一种高纯净度GCr15SiMn轴承钢的精炼工艺
阅读说明：本技术 一种高纯净度GCr15SiMn轴承钢的精炼工艺 (Refining process of high-purity GCr15SiMn bearing steel ) 是由 成国光 张国磊 王云鹏 王启明 李尧 于 2021-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种GCr15SiMn轴承钢的精炼工艺,采用“EAF+扒渣+LF+RH+模铸”的工艺路线,具体内容如下：Si-Fe合金和扒渣剂在EAF出钢过程中添加,Mn-Fe合金和LF合成渣精炼剂在钢包扒渣后到LF工位添加；在不同工序间优化Al的添加,即EAF出钢过程中不添加Al,控制Al含量≤0.003％；LF过程中少添加Al,控制其含量为0.005％～0.008％；RH脱气过程中添加Al,控制其含量为0.015％～0.025％；RH脱气结束后,钢水镇静8～12min。本发明生产的GCr15SiMn轴承钢中的O、Ti含量可分别控制6ppm和15ppm以内,且夹杂物细小,DS类夹杂物≤0.5级。(The invention discloses a refining process of GCr15SiMn bearing steel, which adopts a process route of 'EAF + slagging-off + LF + RH + die casting', and comprises the following specific contents: adding the Si-Fe alloy and a slag skimming agent in the EAF tapping process, and adding the Mn-Fe alloy and an LF synthetic slag refining agent to an LF station after ladle slag skimming; optimizing Al addition among different working procedures, namely not adding Al in the EAF tapping process, and controlling the Al content to be less than or equal to 0.003%; less Al is added in the LF process, and the content of the Al is controlled to be 0.005-0.008%; al is added in the RH degassing process, and the content of the Al is controlled to be 0.015-0.025 percent; and (4) after RH degassing is finished, calming the molten steel for 8-12 min. The content of O, Ti in the GCr15SiMn bearing steel produced by the invention can be controlled within 6ppm and 15ppm respectively, the inclusions are fine, and the DS type inclusions are less than or equal to 0.5 grade.)
技术领域
本发明属于高质量高碳铬轴承钢的生产技术领域，尤其涉及一种低氧、低钛、少夹杂物GCr15SiMn轴承钢的精炼工艺。
背景技术
GCr15SiMn属于高碳铬轴承钢，其主要成分为：0.95～1.05％C、1.4～1.65％Cr、0.45～0.75％Si、0.95～1.25％Mn，它是在GCr15轴承钢的基础上，通过提高Si、Mn合金元素，使钢材具有了更好的淬透性、耐磨性和弹性极限，被广泛应用于风电、重型机械、矿山机械等领域。近年来，随着现代科学技术的发展，对轴承钢的质量提出了更高更严的要求，同时高纯净度轴承钢是目前冶金工作者所追求的重要任务之一。轴承钢洁净度是影响疲劳寿命最重要的因素之一，除了氧化类夹杂物的影响外，钢中含钛类夹杂物(如：TiN、Ti(CN)等)的危害也是非常显著的，这类夹杂物呈棱角状且坚硬，严重影响轴承钢的疲劳寿命。因此，冶炼特优质GCr15SiMn轴承钢，务必要控制钢中的氧、钛含量，以及夹杂物数量。
由于GCr15SiMn轴承钢所需Si-Fe、Mn-Fe、Cr-Fe合金添加量大，因此在其冶炼过程中将面临着诸多的技术难点。主要概括为以下三点：(1)容易出现低熔点Si、Mn氧化物类大颗粒夹杂物，此类夹杂物一旦形成，在后续的工序中难以去除；(2)Si-Fe、Cr-Fe合金含残余Ti含量较高且使用量大，这使得降低钢液中的Ti含量非常困难；(3)精炼过程中进一步添加Al进行深脱氧时，在高碱度精炼渣工艺下，不仅容易将炉渣中的Ti还原进入钢液，而且还很容易将炉渣CaO中的Ca还原进入钢液，形成低熔点的钙铝酸盐类夹杂物，此类夹杂物不易去除，对钢材的疲劳寿命非常有害。
为了解决以上问题，目前现有技术有：为了减少Si和Mn氧化物夹杂物的形成，在出钢过程中添加Al是目前广泛接受的一种方法。Al的加入虽然可以起到脱氧以及减少Si、Mn大颗粒夹杂物的作用，但也会引起精炼过程中炉渣中TiO2的还原，同时造成炉渣中Ca的还原，进而形成铝酸钙夹杂物，不利于冶炼低钛、高洁净度轴承钢；为了减低合金带入的Ti含量，目前各钢液企业很容易考虑到使用低钛合金，然而低钛铁合金价格昂贵，如果完全采用低钛合金必将增加生产成本、降低市场竞争力；此外，为了控制LF精炼过程的Ti含量，有学者提出在LF精炼前期采用高碱度炉渣用Al进行脱O，在精炼末期通过添加硅石制造低碱度炉渣进行控Ti，但在LF后期添加硅石，会对钢液造成二次污染。
发明内容
为满足高碳铬轴承钢冶炼过程中低氧、低钛、高洁净度的技术要求，本发明提出了一种高纯净度GCr15SiMn轴承钢的精炼工艺。该工艺采用“EAF+扒渣+LF+RH+模铸”的工艺路线，通过严格控制冶炼过程中Si-Fe、Mn-Fe合金加入顺序、Al含量在不同工序间的优化搭配添加，以及优选扒渣剂和LF炉合成渣精炼剂等，有效降低了钢中O、Ti元素以及夹杂物数量，为我国生产优质特钢提供技术支持。
具体精炼工艺，
在EAF工序中，
出钢过程向钢包先加入Si-Fe合金，其次加入一定量的扒渣剂；
在扒渣工序中，
进行“扒渣”操作，控制扒渣量；
在LF工序中，
先加入Mn-Fe合金，再加入LF合成渣精炼剂，在精炼一段时间后，添加一定量的Al进行脱氧；
在RH工序中，
真空压力降低至一定值，加入一定量的Al进行钢水的终脱氧；RH脱气结束后，保持钢水镇静一段时间，得到高纯净度GCr15SiMn轴承钢。
进一步，出钢过程中Si-Fe合金加入量以GCr15SiMn钢合金成分要求的下限加入，无Al加入，控制Al含量≤0.003％；
所述扒渣剂加入量为2kg/吨钢。
进一步，在扒渣工序中，扒渣量控制在≥90％。
进一步，所述扒渣剂的成分为CaO和CaF2，二者之间的重量比为(3～5):1，加入量为2kg/吨钢。
进一步，在LF工序时，所述LF合成渣精炼剂的加入量为8～10kg/吨钢；
LF精炼过程以0.1～0.3kg/吨钢加入Al，实现控制Al含量在0.005％～0.008％。
进一步，所述LF合成渣精炼剂的各个组分的质量百分数为：50～60％CaO，15～25％SiO2，10～20％Al2O3，5～10％CaF2，≤6％MgO，≤0.12％TiO2。
进一步，在RH工序中，真空压力降低至≤100Pa后，添加0.5～1.0kg/吨钢Al，控制Al含量在0.015％～0.025％。
进一步，所述钢水镇静时间为8～12min。
进一步，所述得到高纯净度GCr15SiMn轴承钢中且O含量≤6ppm，Ti含量≤15ppm，夹杂物DS≤0.5级。
一种高纯净度GCr15SiMn轴承钢，所述GCr15SiMn轴承钢采用上述的工艺精炼得到。
本发明的技术原理为：
(1)Si-Fe、Mn-Fe合金的添加顺序
首先，在EAF出钢过程中，按钢种成分要求的下限添加Si-Fe合金；其次，在LF站前采用“扒渣”操作，钢包扒渣量要求≥90％；钢包到LF到位后再添加Mn-Fe合金。
如果此过程中采用：①出钢或LF过程Si-Fe、Mn-Fe合金一起加，很容易在钢液中形成低熔点Si、Mn氧化物类大型夹杂物，此类夹杂物一旦形成，很难去除；②出钢过程加Mn-Fe合金，在后续LF过程加Si-Fe合金，由于Si-Fe比Mn-Fe合金中的残余Ti含量高，这会导致Si-Fe合金中的Ti元素无法被氧化去除，进而导致钢液Ti含量升高。
(2)控制Al在不同工序间添加量
首先，EAF出钢，不添加Al，控制其含量≤0.003％，容易在后续工序中降低钢中Ti含量；如果此过程中Al添加，则不容易达到降低钢中Ti含量的目的；
其次，LF精炼过程，添加0.1～0.3kg/吨钢Al，控制Al含量在0.005％～0.008％，用于降低钢中氧含量和维持精炼过程中钢液与炉渣间Al-Al2O3平衡。如果LF过程加入太多Al，会导致炉渣中Ca、Ti被还原进入钢液；
最后，RH脱气过程中，当真空压力降低至100Pa后，添加0.5～1.0kg/吨钢Al，控制其含量在0.015％～0.025％，进行钢水的深脱氧；同时，由于RH脱气过程钢水与炉渣基本不发生反应，可以大幅度降低Al与炉渣反应产生夹杂物的风险。
(3)EAF出钢过程中优选的扒渣剂
扒渣剂的成分为CaO和CaF2，二者重量比优选(3～5):1，加入量为2kg/吨钢，主要用于去除Si-Fe合金加入后生成的TiO2等酸性夹杂物。
如果按照其他成分添加，会造成钢包炉渣太干或太稀；如果出钢过程不加或少加扒渣剂，在后续的扒渣操作过程中，不易扒去钢包浮渣。
(4)LF到位后添加优选的合成渣精炼剂
合成渣精炼剂的成分要求为50～60％CaO，15～25％SiO2，10～20％Al2O3，5～10％CaF2，≤6％MgO，≤0.12％TiO2，加入量为8～10kg/吨钢。
如果选用其他合成渣精炼剂成分，可能会导致钢中Ti含量增加、炉渣流动性不好，以及产生较多的钙铝酸盐类夹杂物等。
(5)为了防止引起钢水的二次污染，RH脱气结束后，保持钢水镇静10min，取消钢包的底吹软搅拌。
与现有技术相比，本发明工艺在冶炼高纯净轴承钢的有益效果体现在：
(1)LF精炼过程少加Al，进行钢液的初步脱氧；RH过程中添加Al进行深度脱氧，可使最终钢材中的O降低至6ppm。
(2)本发明通过全流程控制炉渣中TiO2还原，使GCr15SiMn钢中的Ti含量降低至15ppm。具体方法为：①通过“扒渣”操作，防止含较高TiO2炉渣进入LF精炼渣中；②LF精炼过程中少添加Al，避免Al还原炉渣中的TiO2；③利用RH炉钢水与炉渣不发生反应的特点，可以预防炉渣中TiO2的还原。
(3)本发明生产的高纯净轴承钢中夹杂物细小且DS≤0.5级。具体采用的方法：①Si-Fe、Mn-Fe合金分开添加，可避免钢液出现低熔点Si、Mn氧化物类大颗粒夹杂物；②Al选择在RH过程中添加，避免其还原炉渣中Ca、Si进入钢液形成钙铝酸盐、硅酸盐类夹杂物；③RH结束，取消底吹软搅拌，可减少夹杂物生成。
(4)本发明降低了Si-Fe合金对Ti含量的要求，节约原辅材料成本。
附图说明
图1为本发明一种高纯净度GCr15SiMn轴承钢的精炼工艺的流程框图。
图2为本发明实施例GCr15SiMn轴承钢的典型夹杂物成分、尺寸和形貌示意图。
图3为对比例中大颗粒CaAl2O4类以及Si-Mn氧化物类夹杂物的尺寸和形貌示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明要解决的技术问题、技术方案以及优点，结合具体实施例对本发明的工艺进行详细描述。
如图1所示，本发明一种高纯净度GCr15SiMn轴承钢的精炼工艺，采用“EAF+扒渣+LF+RH+浇注”的工艺路线，通过进一步控制：Si-Fe、Mn-Fe合金加入顺序，Al在不同工序间的搭配以及扒渣剂、合成渣精炼剂优选添加等，可有效降低了钢中O、Ti含量以及夹杂物数量。
(1)所述的EAF工序为：
当钢水满足终点C含量为0.1～0.3％，温度为1620～1660℃时，出钢；
在出钢过程中，添加6～7kg/吨钢Si-Fe合金，以及其他合金；
加完合金后，再添加2kg/吨钢的扒渣剂，选用的扒渣剂中CaO:CaF2重量比为4:1；
(2)所述的扒渣工艺为：
钢包到“扒渣”工位，使用扒渣机去除钢包上方90％以上的炉渣，避免炉渣中过多TiO2带进到LF工序中。
(3)所述的LF炉精炼工艺为：
钢包到LF工位后，添加8～9.5kg/吨钢Mn-Fe合金；
合金加完后，再添加预先配好的8～10kg/吨钢的合成渣精炼剂；
在精炼20～30min，LF炉渣成分达到CaO：50～60％，SiO2：15～25％，Al2O3：10～20％，CaF2：5～10％，MgO：≤6％，并维持该精炼渣成分至LF结束，出站。
(4)所述RH炉脱气工艺为：
当真空压力降低至≤100Pa后，加入0.5～1.0kg/吨钢Al合金；保持极限真空25～35min后，破空。
RH脱气结束后，关闭吹氩阀门，镇静10min，当钢液温度为1500～1530℃，吊包。
(5)所述模铸工艺为：
采用模铸浇注时，全程吹氩气进行保护浇注。
该工艺适合冶炼GCr15SiMn轴承钢及类似的轴承钢或包含类似质量要求的特殊钢品种。
实施例1
采用“EAF+扒渣+LF+RH+模铸”生产工艺流程可冶炼低氧、低钛、少夹杂物GCr15SiMn轴承钢。
(1)EAF初炼：冶炼结束时，温度为1658℃，钢液成分为：[C]0.19％，[Si]0.01％，[Mn]0.21％，[Al]0.003％，出钢量129.5t；
出钢过程中，添加6.5kg/吨钢Si-Fe合金(Ti含量为0.05％)，以及按照钢种的成分设计要求添加Cr-Fe以及其他合金；然后加入1.6kg/吨钢石灰、0.4kg/吨钢CaF2；此时不加Al,避免将炉渣中TiO2的还原。
(2)扒渣操作：出钢结束后，将盛有钢水的钢包送至扒渣站，用扒渣机清除钢包上方炉渣，去除量为95％左右。
(3)LF精炼：钢包到位，向钢液依次加入8.5kg/吨钢金属锰(Ti含量为0.015％)、9kg/吨钢合成渣精炼剂。精炼25min后，测温、取样、送样，10min后检测的钢样成分：[C]0.78％，[Si]0.47％，[Mn]1.11％。加入0.2kg/吨钢Al，并微调合金后，送电15min后，测温、取LF中期试样；10min后检测的钢样成分为：[C]0.97％，[Si]0.56％，[Mn]1.10％，[Al]0.006％，其炉渣成分为CaO：54.4％，SiO2：18.1％，Al2O3：13.3％，CaF2：5.8％，MgO：4.1％；维持该炉渣成分40min后，测温，出站。
(4)RH脱气：RH进站后，启动真空泵抽气6min后，压力降低至100Pa，然后加入0.9kg/吨钢Al进行最终脱氧；精炼10min后，测温、取样、送样，测得钢液中[Al]0.020％；继续保持真空时间15min后，破空。RH结束后，钢水镇静10min后，测温1510℃，出站。
(5)模铸浇注：钢包到站后，在浇注水口和中注管之间通入氩气进行保护浇注，浇注温度为1490℃。
本发明冶炼的GCr15SiMn轴承钢钢材中的O和Ti含量分别为5.5ppm、14ppm，且夹杂物细小，DS类夹杂物≤0.5级(见图2所示)。
实施例2
同样采用“EAF+扒渣+LF+RH+模铸”生产工艺流程生产GCr15SiMn轴承钢。
(1)EAF初炼：冶炼结束时，温度为1650℃，钢液成分为：[C]0.16％，[Si]0.01％，[Mn]0.15％，[Al]0.002％，出钢量130t；
出钢过程中，添加6.5kg/吨钢Si-Fe合金，以及按照钢种的成分设计要求添加Cr-Fe以及其他合金；然后加入1.5kg/吨钢石灰、0.5kg/吨钢CaF2。
(2)扒渣操作：操作与实施例1基本相同，炉渣去除量为92％左右。
(3)LF精炼：钢包到位，向钢液依次加入8.8kg/吨钢金属锰、9kg/吨钢合成渣精炼剂。精炼25min后，测温、取样、送样，10min后检测的钢样成分：[C]0.96％，[Si]0.52％，[Mn]1.01％。加入0.25kg/吨钢Al，并微调合金后，送电15min后，测温、取LF中期试样；10min后检测的钢样成分为：[C]0.98％，[Si]0.55％，[Mn]1.10％，[Al]0.008％，其炉渣成分为CaO：53.4％，SiO2：18.5％，Al2O3：13.5％，CaF2：5.3％，MgO：4.7％；维持该炉渣成分45min后，测温，出站。
(4)RH脱气：RH进站后，启动真空泵抽气，压力降低至95Pa，加入0.8kg/吨钢Al；精炼10min后，测温、取样、送样，测得钢液中[Al]0.018％；继续保持极真空15min后，破空。RH结束后，钢水镇静10min后，测温，出站。
(5)模铸浇注：操作与实施例1基本相同。
本实施例冶炼的GCr15SiMn轴承钢钢材中的O和Ti含量分别为6.0ppm、15ppm，且夹杂物细小。
实施例3
同样采用“EAF+扒渣+LF+RH+模铸”生产工艺流程生产GCr15SiMn轴承钢。
(1)EAF初炼：冶炼结束时，温度为1658℃，钢液成分为：[C]0.22％，[Si]0.02％，[Mn]0.20％，[Al]0.003％，出钢量130t；
出钢过程中，添加6.4kg/吨钢Si-Fe合金，以及其他合金；然后加入1.6kg/吨钢石灰、0.4kg/吨钢CaF2。
(2)扒渣操作：操作与实施例1基本相同。
(3)LF精炼：钢包到位，向钢液依次加入8.5kg/吨钢金属锰、9.5kg/吨钢合成渣精炼剂。精炼22min后，测温、取样、送样，10min后检测的钢样成分：[C]0.88％，[Si]0.57％，[Mn]1.05％。加入0.2kg/吨钢Al，并微调合金后，送电15min后，测温、取LF中期试样；10min后检测的钢样成分为：[C]0.98％，[Si]0.56％，[Mn]1.08％，[Al]0.007％，其炉渣成分为CaO：56.5％，SiO2：16.2％，Al2O3：14.6％，CaF2：5.5％，MgO：4.2％；维持该炉渣成分43min后，测温，出站。
(4)RH脱气：RH进站后，当真空压力降低至100Pa，加入0.85kg/吨钢Al；精炼10min后，取样、送样，测得钢液中[Al]0.020％；继续保持真空时间18min后，破空。RH结束后，钢水镇静12min后，测温，出站。
(5)模铸浇注：操作与实施例1基本相同。
本发明冶炼的GCr15SiMn轴承钢钢材中的O、Ti含量分别为5.8ppm、14ppm，且夹杂物细小，DS类夹杂物≤0.5级。
对比例
采用“EAF+LF+VD+弱搅拌+模铸”生产工艺流程冶炼低氧、低钛GCr15SiMn轴承钢。
(1)EAF初炼：操作与实施例基本相同，冶炼结束时，温度为1648℃，终点[C]0.18％，出钢量130t。与实施例的主要区别为：
出钢过程中，添加6.5kg/吨钢Si-Fe、8.5kg/吨钢Mn-Fe以及其他合金。
(2)LF精炼：钢包到位，添加LF成渣精炼剂(精炼剂成分：CaO：55～65％，SiO2：10～20％，Al2O3：15～25％，MgO：≤6％)。精炼25min后，测温、取样、送样，10min后检测的钢样成分：[C]0.85％，[Si]0.55％，[Mn]1.04％。加入1.2kg/吨钢Al，并微调合金后，送电15min后，测温、取LF中期试样；10min后检测的钢样成分为：[C]0.97％，[Si]0.56％，[Mn]1.10％，[Al]0.035％，其炉渣成分为CaO：60.4％，SiO2：13.1％，Al2O3：18.3％，MgO：4.1％；维持该炉渣成分40min后，测温，出站。
(3)VD脱气：抽真空10min后，当真空度降低至67Pa以下并保持稳定，调整吹氩流量为1～2NL/min/吨钢，保持极限真空20min后，破真空。
(4)弱氩搅拌：到位后，添加40kg覆盖剂进行保温处理，吹入氩气流量为60NL/min进行弱氩搅拌，搅拌30min后，测温为1500℃，吊包。
(5)模铸浇注：操作与实施例1基本相同。
本对比例冶炼的GCr15SiMn轴承钢钢材中的O和Ti含量分别为8.5ppm、28ppm，而且在最终轴承钢成材中存在有明显的CaAl2O4类及Si-Mn氧化物类大颗粒夹杂物(见图3所示)。
以上对本申请实施例所提供的一种高纯净度GCr15SiMn轴承钢的精炼工艺，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。
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