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国外超纯净轴承钢的工艺特点

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白瓷为纸丶载往昔 发布于:2017年3月14日 来源: 已被浏览:340次,

轴承钢质量的优劣主要从三个方面来衡量:一是纯净度,即钢中夹杂物的含量,主要是氧化物的含量;二是轴承钢的均匀性,一般指夹杂物的形态和分布;三是钢材的表面质量,包括尺寸精度和表面裂纹等。

材料的纯净度是指材料中的夹杂物含量。目前国内外轴承钢生产企业都严格控制钢中的含氧量,因为钢中的氧基本上是以夹杂物的形式存在的。瑞典SKF公司和日本山阳特殊钢公司在轴承钢氧含量与疲劳寿命关系方面的大量试验研究明确表明:当氧含量从非精炼钢的40×10-6降到精炼钢的10×10-6时,轴承的疲劳寿命可延长10倍,降到5×10-6时可延长30倍,与真空自耗和电渣重熔钢的疲劳寿命相当。轴承钢的均匀性是指材料的化学成分、内部组织等的均匀程度。

对于纯净度、均匀性的控制是提高轴承钢质量、延长其使用寿命的关键,也是国外企业轴承钢生产研究的重点。

日本山阳特钢降氧工艺“延寿”显著

以降氧为特点的超纯净轴承钢生产工艺。日本山阳特殊钢公司对轴承钢的生产工艺和质量要求精益求精,为获得更高质量的轴承钢,近几年来他们开发出SNRP(SanyoNewRefiningProcess)超纯净轴承钢的生产工艺,使钢中的氧含量达到5×10-6以下,钢中氧化物夹杂的尺寸达到11μm以下。SNRP超纯净轴承钢的生产工艺如下:高功率电炉初炼(90t~150t)→钢包炉精炼→偏心炉底出钢→RH精炼→完全垂直连铸CC/模铸IC→均热→初轧开坯→钢坯清理→行星轧机、连轧精轧→无损在线检测→连续炉球化退火→检验入库。

该工艺的要点为:

第一,在电弧炉冶炼时采用较高的出钢温度(1670℃)以便延长真空处理时间,钢水在氧化状态下由偏心炉底出钢;第二,在LF炉精炼过程中,采用高碱度操作,钢液温度为1520℃~1570℃,LF精炼时间大于45分钟,以便脱硫、调整化学成分和加热;第三,采用高碱性渣和高搅拌能量;第四,在RH精炼操作过程中,做到真空室内不进渣,真空度达到13.33Pa,RH真空脱气时间大于40分钟;第五,完全保护浇铸,采用全封闭连铸。

轴承钢疲劳寿命大大延长。山阳特钢把这种SNRP工艺生产出的轴承钢称为超纯净(Super-CleanSteel)轴承钢,把按传统工艺生产的氧含量为(4~6)×10-6,氧化物夹杂尺寸在20μm以下的轴承钢称为高纯净(High-CleanSteel)轴承钢。通过对比发现,经SNRP工艺生产的超纯净轴承钢的接触疲劳寿命明显延长。

山阳特钢生产的轴承钢质量水平整体较高,主要表现在:第一,轴承钢中氧含量很低,为5×10-6,从而必然减少了氧化物夹杂的数量。第二,连铸材的钢中氧含量比模铸材的钢中氧含量平均可降低2.6×10-6,达到真空电弧炉氧含量的水平,并且连铸轴承钢的接触疲劳寿命至少是模铸钢的2倍。第三,钢中夹杂物少,用SAM评级法测定连铸材和模铸材的非金属夹杂物级别,结果表明:连铸钢的B类夹杂物级别是0.06,模铸钢的B类夹杂物级别是0.4级,前者约为后者1/7;连铸钢的D类夹杂物为0.06级,模铸钢的D类夹杂物为0.8级,前者约为后者的1/13。第四,钢中的化学成分控制准确,波动范围小,有害元素含量少。

采用SNRP生产的轴承钢,其钢中氧含量和接触疲劳寿命与采用VAR法(真空自耗电弧熔炼)熔炼的钢相同。SNRP工艺生产的超纯净轴承钢与标准工艺生产的6206型深沟球轴承钢的轴承寿命试验表明,由于减少了大量的氧化物夹杂,SNRP工艺轴承钢的疲劳寿命较传统工艺生产的轴承钢延长了5倍。

日本大同特钢减少钛系夹杂减轻“疲劳度”

大同特钢的知多工厂及其研究所最近开发出MRAC-SSS工艺(Multi-functionRefining&AdvancedCasting-Special&Soaking)生产轴承钢,其生产工艺具有如下特点:

第一,使钢液实现低氧含量化。电弧炉出钢时去除100%氧化渣,LF钢包精炼炉用CaO·CaF2造渣,并采用铝终脱氧,因此在LF处理后钢中氧含量达到极低的状态。然后在RH炉中采用极高的真空度,并且进行长时间的脱气处理,实现低氧含量化。同时严格控制钢水再氧化,在整个浇铸阶段实现保护,在全封闭的中间包中进行连铸,通过低氧含量化工艺和保护性浇铸达到氧含量≤5×10-6。

第二,促进夹杂物上浮,减少钢中夹杂物含量。在生产过程中的每个步骤都注意对夹杂物上浮的控制:精炼时在RH炉中通过确保循环时间促进夹杂物的上浮分离;在连铸过程中通过中间包内配备合适的堰坝促进夹杂物上浮分离;同时采用立弯式连铸机、圆形结晶器内的电磁搅拌以及适当的铸造速度,也可以使夹杂物在结晶器内上浮分离。

第三,减少钛系夹杂物。严格选用低钛含量的废钢及炉料,电弧炉炼钢时在氧化期设法把Ti以TiO2的形式去除,以降低钢中的钛含量,并在LF炉中采用适当的炉渣组成进行脱钛。同时,降低钢中氮含量,在LF炉中彻底去除钢中的硫和氧,有利于去除氮元素,在RH炉中充分保证搅拌时间和脱氧时间,有利于脱氮反应,确保钢中氮含量达到30×10-6以下。由于钢中钛和氮的含量降低,保证了钢中具有低含量的钛系夹杂物。

大同特钢生产采用MRAC-SSS工艺生产的高质量轴承钢,其钢中氧含量≤5×10-6,可以低到3.4×10-6;钛含量≤5×10-6;氮含量≤30×10-6,并且可以得到极细小的氧化物夹杂和钛系夹杂物。采用MARC工艺后,钢中未发现≥7.5μm的Al2O3氧化物夹杂,并且钢中几乎不存在CaO-Al2O3系夹杂物。钢中钛的夹杂物含量少,尺寸细小。采用MRAC-SSS工艺生产的超纯净轴承钢的接触疲劳寿命得到延长,较传统精炼工艺生产的轴承钢长25%以上。

日本神户和JFE铁水预处理“提纯”

神户制钢是日本五大钢铁公司中生产规模最小的钢铁企业,但它的特殊钢比例最高,也是世界上特殊钢的主要生产厂之一。

该公司生产轴承钢的工艺流程是:高炉→铁水预处理→转炉复合吹炼→除渣→LF精炼→RH处理→连铸→轧制。此工艺所炼轴承钢中,氧含量约为9×10-6,钛含量约为15×10-6。

该工艺首先通过炉外铁水预处理进行除硫、除磷,铁水中的硫和磷含量被预先降低到0.010%以下。随后在顶吹转炉中脱碳和除钛,减少钢中的总氧量和钛含量。脱碳后,将钢水倒入钢包,尽可能地从钢包中除掉含有较多FeO-MnO-Al2O3的炉渣,然后在LF炉中进行精炼和脱气。连铸机的中间包处安装了一台感应加热器,以保证合适的浇注温度,进一步减少氧含量和降低偏析。在连铸机出口处钢水完全凝固之前,采用在线轻压下的方法进一步降低中心偏析。

该工艺的特点之一是,尽量降低氧化物夹杂和钛系夹杂物。该公司采用铁水预处理工艺,经充分脱磷、脱硫后的铁水,在转炉中脱碳。转炉的炉渣属于氧化性炉渣,为降低氧化物夹杂,须进行炉渣分离(排渣),尽可能做到不使氧化物夹杂流入钢包。在随后的钢包精炼(加热、脱气)以及连铸工序中,为防止大气引起的再氧化,要用惰性气体进行密封,其管理也比普通钢材更加严格。在调包精炼时,采用适当的炉渣,并进行充分的搅拌而使氧化物夹杂(主要为含有Al2O3的物质)从钢液中上浮分离。在连铸工序中采用串联碟形加热器,促使钢液中的夹杂物上浮分离。降低钛系夹杂物最主要的解决方法就是使钢中的含钛量尽可能少。铁合金中常常会带入钛元素,因此在冶炼时必须设法去除。通常情况下,铬铁是在钢包精炼工序中添加到钢液中的,但在这一阶段,由于钢液中的氧浓度低,因此把钛作为氧化物去除是困难的。神户钢铁公司采取在氧浓度较高的转炉中,在脱碳精炼时向钢液中加人铬铁,使铬铁中的钛作为氧化物(TiO2)被吸收到转炉渣中从而被去除,使钢液中的钛含量降低到7×10-6左右。

采用连铸工艺,减少连铸坯的中心偏析。为改善轴承钢连铸坯的中心偏析,该公司采用的是弯曲型大方坯连铸机,同时在结晶器内和凝固末期安装了电磁搅拌装置。对于SUJ2之类的钢种来说,由于固液共存区较广,凝固末期可以移动的黏稠钢区也较广,容易产生明显的中心偏析,仅在结晶器内或结晶器下方搅拌所增加的等轴晶对中心偏析的改善效果不大。在轴承钢钢水平均固相率占0.1%~0.2%时,凝固末期是搅拌的最佳时间。由于阻碍了黏稠钢水的等轴晶区移动,改善中心偏析的效果非常好。

神户制钢开发出的超纯净钢,其钢中氧含量为4×10-6,钛含量为7×10-6。超纯净轴承钢的夹杂物个数少,最大夹杂物粒径也小。对非金属夹杂物采用酸溶解法进行评价,超纯净轴承钢的非金属夹杂物最大粒径为23μm~27μm,按传统工艺生产的轴承钢的非金属夹杂物最大粒径为50μm~52μm,两者相差在1倍左右,超纯净轴承钢的非金属夹杂物的晶粒尺寸更为细小。超纯净轴承钢不仅Al2O3夹杂物的粒径更小,而且钛系夹杂物的含量也较少,颗粒也较细小。接触疲劳寿命试验结果表明,超纯净轴承钢的接触疲劳寿命是传统钢的2.6倍。

JFE钢铁公司川崎制铁厂转炉生产轴承钢的工艺流程为:高炉→铁水预处理(脱硫、脱磷)→转炉吹炼(顶底复吹每次装载180t)→除渣→钢包精炼→真空处理(RH)→连铸(4流连铸机,400mm×560mm)→均热→开坯(150mm方坯)→钢坯修磨(研磨修理)→棒材轧制。

该公司在铁水预处理阶段分别将磷含量和硫含量降至≤0.015%和0.005%的超低水平,故在随后的转炉吹炼中可确保最终碳含量达到0.90%左右的高水平,从而尽可能减少钢中的氧和氧化物夹杂含量,确保钢的高纯净度。此外采用挡渣出钢技术,尽量使渣不流入钢包中。在钢包精炼中,加入CaO-SiO2-Al2O3精炼渣实现碱度、黏度和熔点的最佳化,随后吹入氩气进行强搅拌,再在RH炉中进行大循环量的脱气,使钢液中非金属夹杂物上浮,提高钢的洁净度。连铸工序中实施密封连铸,铸出400mm×560mm的大断面连铸坯。

瑞典OVAKO熔炼+精炼工艺减少夹杂物

瑞典OVAKO钢铁公司冶炼轴承钢有着悠久的历史。OVAKO公司生产的轴承钢以高的纯净度、化学成分的稳定性、钢材的疲劳强度及均匀一致的淬透性和良好的切削加工性闻名于世。其SKF公司钢厂开发出双壳型电弧炉(有2个炉体)熔炼工艺与装备,并且与SAEA-SKF钢包精炼二者相匹配的双联工艺,形成举世闻名的SKF-MR(熔炼+精炼)炼钢工艺。该工艺的流程是:双壳炉熔炼(碳,磷含量调整到允许值)→除渣→加铝脱氧→合金化→加热→脱硫→真空或非真空电磁搅拌加吹氢搅拌→钢锭模铸锭→钢锭均热→初轧机开坯→行星轧机、精轧机→在线无损检测→连续炉球化退火→检验入库。

在该工艺中,除了脱磷外,熔炼后所有的工序均可在钢包炉内完成。在钢包炉内加热,利用铝沉淀脱氧,配以强烈的电磁搅拌,使脱氧产物有充分的时间分离,可以使氧含量和夹杂物含量达到极低的程度。

OVAKO公司生产的超纯净轴承钢的质量有以下特点:第一,钢中氧含量很低。OVAKO公司的轴承钢中氧含量逐年下降,并且其标准偏差值也在逐年下降,说明含氧量在不断下降的同时其氧含量的稳定性也在不断增强。分析得出,OVAKO公司的轴承钢氧含量波动范围均在(3.5~6)×10-6。第二,钢中钛含量很低。OVAKO公司生产的轴承钢中钛含量波动在(8~12)×10-6的范围内。第三,钢中氢含量很低。氢为间隙元素,对轴承钢有害无益。溶解于钢水中的一定量氢经凝固后,在压力加工应力条件下,会产生白点缺陷,且分布极不均匀,常规检验不易发现。氢一般应在钢液条件下进行测定,在钢材中测定无意义,这是因为氢会在钢坯、材加热或退火时以极快速度逸出,而所形成的白点却依然存在。OVAKO公司钢液中的氢含量均≤1×10-6。

德国蒂森克虏伯无预处理真空脱气

德国蒂森克虏伯公司是欧洲的主要轴承钢生产厂家之一,该公司在生产过程中未采纳铁水预处理过程,其主要轴承钢生产工艺路线有两种:一是EAF(110t,EPT)熔池搅拌、中心底出钢→钢包精炼LF→VD→连铸CC(2流连铸机,265mm×385mm);二是BOF(140t)→TBM→RH脱气和钢包精炼LF→连铸CC(6流连铸机,265mm×385mm)。

在第一种工艺中,钢桶处理采用真空碳脱氧,在处理结束时,在真空下铝脱氧,最后用平稳的氢气清洗以去除脱氧产物。对于第二种工艺,采用无渣出钢,在出钢过程中,进行合金化,并一次性加足脱氧剂。出钢后,钢液分成二步:RH真空脱气,使氢小于2×10-6;同时按标准合金化,在白云石衬钢桶中在规定渣下弱搅拌处理。两种工艺都配有喂线装置,可以加钙、铝等。

总结其工艺特点为:第一,由于没有铁水预处理,为降低钢水中磷的含量,140吨转炉采用低碳出钢,吹炼后期脱磷,终点碳控制在0.03%~0.04%。第二,转炉无渣出钢至白云石衬钢包内。第三,出钢过程合金化,加少量铝脱氧;第四,RH脱气处理。采用这二种工艺生产的轴承钢氧含量都在(6~10)×10-6,氢含量≤2×10-6。由于氧含量和氢含量的大幅降低,其形成的氧化物夹杂的量减少,使轴承钢的疲劳寿命得到了延长。

编后

总结上述国外企业轴承钢生产工艺,最主要的工艺路线有两种:以日本山阳特钢为代表的大型超高功率电弧炉→LF→RH→完全垂直连铸的生产工艺路线;以OVAKO公司为代表的SKF双壳型电弧炉→ASEA-SKF钢包精炼炉→模铸的生产工艺路线。这两种工艺路线都可以生产出超纯净轴承钢,其关键点就是要控制轴承钢中氧化物夹杂和钛系夹杂的数量、形状和分布,其主要手段就是控制钢中的氧含量和钛含量。瑞典和日本的轴承钢代表当代世界轴承钢生产质量的最高水平。从夹杂物的角度而言,日本主要侧重从降低氧含量着手,通过氧含量降低来达到减少夹杂物的目的。而瑞典重在控制夹杂物的形状和分布。

这些企业的生产工艺实践给予我们一定的启示:我国的轴承钢生产应进一步降低钢中氧含量,缩小其波动范围,还应在降低夹杂物的含量,使钢中夹杂物特别是氧化物夹杂的颗粒比较细小,分布比较均匀等方面进行深入的研究,从而提高钢材的均匀性和稳定性,生产出高质耐用的超纯净轴承钢。

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