高品质轴承钢的冶炼工艺和理论研究.docx

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高品质轴承钢的冶炼工艺和理论研究

高品质轴承钢的冶炼工艺和理论研究

于平

北京科技大学

分类号:

____________密级:

______________

UDC:

____________

单位代码:

______________

北京科技大学

博士学位论文

论文题目:

高品质轴承钢的冶炼工艺和理论研究

学号:

_________________________作者:

_________________________专业名称:

_________________________

2004年05月20日

于平10008钢铁冶金B20000040

TF741.3

北京科技大学博士学位论文

论文题目:

作者:

_________________________

指导教师:

单位:

指导小组成员:

单位:

单位:

论文提交日期:

2004年05月20日学位授予单位:

北京科技大学

李士琦教授北京科技大学高品质轴承钢的冶炼工艺和理论研究

于平

高品质轴承钢的冶炼工艺和理论研究ResearchonTechniqueandTheoryofHighQuality

BearingSteelMaking

研究生姓名:

于平

指导教师姓名:

李士琦

北京科技大学冶金与生态工程学院

北京100083,中国

DoctorDegreeCandidate:

YuPing

Supervisor:

LiShiqi

SchoolofMetallurgicalandEcologicalEngineering

UniversityofScienceandTechnologyBeijing

30XueyuanRoad,HaidianDistrict

Beijing100083,P.R.CHINA

独创性说明

本人郑重声明:

所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。

尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含为获得北京科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。

签名:

___________日期:

____________

关于论文使用授权的说明

本人完全了解北京科技大学有关保留、使用学位论文的规定,即:

学校有权保留送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。

（保密的论文在解密后应遵循此规定

签名:

___________导师签名:

___________日期:

____________

北京科技大学博士学位论文

摘要

大冶特殊钢股份有限公司（以下简称大冶特钢是我国高碳铬轴承钢生产基地。

高碳铬轴承钢是代表着优质洁净钢生产技术水平的重要特殊钢品种。

本论文研究在于对大冶特钢新的电弧炉流程冶炼高品质轴承钢进行工艺及理论研究。

所依托工程的主要工艺和装备是:

容量为60t的直流电弧炉EAF（ABB制造,60t钢包炉LF和真空脱气装置VD（DANIELI制造,断面为350×470mm2、半径为16m的三机三流（矩形方坯连铸机CCM（自制。

以大冶特钢第四炼钢厂的生产工艺条件为基础,就电弧炉生产高品质轴承钢的工艺进行了理论研究和工业试验的研究。

通过研究,显著提高了大冶特钢轴承钢的质量,使之达到了国内一流,国际领先的水平。

本论文研究方法有理论研究、实验研究、工艺试验研究和工业应用研究。

研究内容有①电弧炉炼钢炉料结构最佳化;②二次精炼渣系和工艺制度;③中间包冶金学;④连铸拉速和保护渣;⑤连铸电磁搅拌的应用。

将上述五个专题研究成果,在大冶特钢多年来冶炼轴承钢积累的理论和实践经验的基础上进行技术系统集成研究,建立了自有的大冶特钢冶炼高品质轴承钢工艺技术体系。

本论文的创新点在于:

①经电弧炉炼钢炉料结构最佳化研究使轴承钢中残余元素控制在很低的水平,特别是残钛量的控制,与国际名牌产品实物质量相当;②经钢包炉专用高碱度精炼渣和吹氩搅拌工艺研究,使轴承钢棒材中氧含量达到6~8×10-6,D类夹杂物评级稳定地低于0.5级,达到国内领先,国际先进水平;③通过对中包冶金和连铸技术的综合研究,使国内最大断面（350×470mm2的轴承钢铸坯的表面质量、内部质量满足一火成材的要求,中心碳偏析达到1.06~1.08的优异水平。

依据本论文研究的成果,大冶特钢建立了自有的冶炼高品质轴承钢工艺技术体系,经近一年的生产应用,效果良好,生产高品质轴承钢3万余吨,吨钢成本大幅度降低,直接经济效益明显。

关键词:

电弧炉炼钢,轴承钢,品质,工艺及理论

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北京科技大学博士学位论文

ResearchonTechniqueandTheoryofHighQualityBearing

Steelmaking

Abstract

DayeSpecialSteelCo.,Ltd.（forshortDayesteelisoneofthebaseforbearingsteelproductioninChina.Highcarbonbearingsteelisanimportantsteelgrade,whichrepresentstechnologylevelofhighqualitycleansteel.ABB60tUHP-EAF—Daniel60tLF/VD—threestrandscontinuouscastingmachinewith350×470mm2bloominDeyesteel,withwhichresearchingontheoryandprocessforhighqualitybearingsteelproductioninEAFprocessismadeinthispaper.

BasedonconditionsofNo.4steelmakingplantinDayesteel,researchoftheoryandindustrialexperimentforhighqualitybearingsteelinEAFprocessaremade.ThequalityofbearingsteelinDayesteelisobviouslyimproved,whichhasreachedthetopindomesticandleadinglevelininternational.

Thestudyingmethodoftheoryandlaboratory,processtestandindustrialapplicationareusedinthisresearch.Thestudyinclude:

①optimizingofburdenstructureinEAF;②refiningslagandprocesssystem;③tundishmetallurgy;④velocityandprotectingslagofcontinuouscasting;⑤EMS（ElectricalMagneticStirringusing.TheaboveresultsoffivesubjectsandmanyyearsoftheoryandpracticeexperienceforbearingsteelmakinginDayesteelareintegrated,thespecialprocessandtechnologysystemforhighqualitybearingsteelproductionissetup.

Theinnovationpointsofthispaperinclude:

①withoptimizationofburdeninEAF,[Ti]ofbearingsteelcanbecontrolledtotheverylowpoint,whichisequaltothequalityofthefamousinternationalbrand;②withLFslagofhighbasicityandstirringofargonblowing,[O]TandDtypeinclusioncanbecontrolledat（6~8×10-6,0.5graderespectively,whichisthetopindomesticandleadinglevelininternational;③withthesyntheticalresearchoftundishmetallurgyandcontinuouscastingtechnology,thesurfaceandinternalqualityofbearingsteelbloom（350×470mm2,whosedimensionisthelargestinChina,meettherequirementforDR（directrolling,centercarbonsegregationparameteris1.06~1.08.

Basedonachievementofthisresearch,thespecialtechnologysystemforhighqualitybearingsteelproductioninDayesteelisbuilt,whichhasrunaboutoneyearandobtainedgood

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results,thatis,about3×104tofhighqualitybearingsteelhasbeenproduced,costofpertonhasbeengreatlyreduced,thedirecteconomicalbenefitisobvious.

KeyWords:

EAFSteelmaking,BearingSteel,Quality,TechniqueandTheory

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摘要（1

Abstract（2

主要符号及其意义（1

引言（3

1文献综述（4

1.1我国钢铁工业的现状（4

1.1.1二十世纪九十年代我国钢铁工业取得的重大成就（4

1.1.2进入21世纪我国钢铁业与发达国家钢铁业的主要差距（5

1.1.3迎接二十一世纪世界钢铁工业新的挑战（6

1.2高品质轴承钢对洁净度的要求（7

1.2.1洁净钢的由来（7

1.2.2高品质轴承钢对洁净度的要求（8

1.3高品质轴承钢生产工艺的进步（8

1.3.1冶炼工艺和装备的进步（8

1.3.2传统电弧炉炼钢技术的进步（9

1.3.3国内外轴承钢生产厂采用电弧炉的现状（12

1.3.4生产高品质轴承钢采用的炉外精炼技术（12

1.3.5轴承钢连铸技术的发展（16

1.3.6两种典型工艺路线的建立（23

1.4残余元素的控制（27

1.4.1轴承钢中残余元素对产品性能的有害影响（27

1.4.2废钢残余元素（29

1.5精炼炉渣对轴承钢夹杂物的影响（30

1.5.1高碱度渣精炼（31

1.5.2酸性渣处理（31

1.5.3低碱度渣精炼（34

1.6中间包冶金对钢液净化的影响（37

1.6.1优化中间包设计是钢液净化的基础（37

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1.6.2中间包合理设置挡渣墙是提高钢质的重要保证（37

1.6.3优化操作工艺是钢液净化的核心（38

1.7课题研究的目的及内容（39

1.7.1课题来源及研究的目的和意义（39

1.7.2课题的主要研究内容（40

2高品质轴承钢（GCr15冶金质量目标的研究（42

2.1引言（42

2.2电弧炉冶炼GCr15的成份、氧含量及非金属夹杂物（42

2.2.1瑞典SKF3轴承钢化学成份、氧含量及有害残余元素含量标准（42

2.2.2国外生产GCr15的全氧量和非金属夹杂物达到的水平（43

2.3高品质轴承钢（GCr15的冶金质量目标（45

2.3.1高品质轴承钢化学成分目标（45

2.3.2高品质轴承钢中氧含量目标（45

2.3.3高品质轴承钢的夹杂物碳偏析目标（46

2.3.4高品质轴承钢中残余元素目标值（47

2.4本章小结（47

3高品质轴承钢电弧炉工艺制度的研究（48

3.1电弧炉炉料结构的研究（48

3.1.1电弧炉冶炼高品质轴承钢炉料的基本状况（49

3.1.2电弧炉冶炼高品质轴承钢炉料结构模型（50

3.2炉料结构对钢中钛含量的影响（58

3.3本章小结（59

4高品质轴承钢钢包炉精炼渣系的研究（60

4.1钢包炉精炼渣的冶金特性理论基础（60

4.1.1精炼渣的脱硫特性（60

4.1.2钢包炉精炼渣的脱氧特性（63

4.1.3钢包炉精炼渣脱氧和脱硫的工业试验（66

4.2钢包炉精炼合成渣的研究及精炼工艺的优化（67

4.2.1精炼合成渣的成份选择（68

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4.2.2精炼合成渣的配制（80

4.2.3高品质轴承钢冶炼工艺的优化研究（84

4.3本章小结（92

5高品质轴承钢连铸工艺的研究（93

5.1中间包冶金过程的研究（93

5.1.1中间包容量及钢水液面高度（93

5.1.2中间包挡渣墙（94

5.1.3中间包覆盖剂（96

5.2大方坯结晶器保护渣的研究（97

5.2.1保护渣的粘度对大方坯表面质量的影响（97

5.2.2保护渣熔化温度对大方坯表面质量的影响（99

5.2.3保护渣熔速对大方坯表面质量的影响（100

5.2.4结晶器振动的影响（102

5.3大方坯连铸浇注速度的研究（102

5.4结晶器电磁搅拌应用的研究（109

5.4.1电磁搅拌在连铸中的应用（109

5.4.2电磁搅拌原理（111

5.4.3结晶器电磁搅拌的效果（113

5.4.4末端电磁搅拌技术的应用研究（117

5.5本章小结（118

6系统集成技术的研究（119

6.1系统集成技术的研究（119

6.2应用效果（120

6.3本章小结（123

结论（124

参考文献（125

在学研究成果（132

致谢（133

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主要符号及其意义

符号物理意义单位符号物理意义单位A等轴晶区边长mmV钢液中夹杂的上浮速度m/sA/Vm钢-渣接触比面积1/mVn出口前氩气体积m3

a活度vs拉坯速度m/minB铸坯宽度mmW1出口处的膨胀功率wD视场系数W2上浮产生的膨胀功率wdi夹杂物的直径μmW3浮力功率wG总炉料量tW4氩气动能（功率wGj第j种废钢的质量tW5压力降低产生的功率wGscrap废钢总质量tw0（s炉渣中初始硫质量分数%△G自由能变化J/molw0[s]钢液中初始硫质量分数%

h气体上升距离mw[s]钢液中硫的质量分数%

g重力加速度m/s2w（s炉渣中硫的质量分数%h0吹氩深度mXi炉料中元素i的含量%

I当量直径的夹杂物个数个/mm2XCu钢材中的Cu含量%Ks脱硫反应常数XNi钢材中的Ni含量%ks硫的传质系数%XTi钢材中的Ti含量%L0氧在精炼钢渣的分配比%XMo钢材中的Mo含量%LS精炼渣钢间硫的分配比XSn钢材中的Sn含量%ML钢液质量tZ配料成本函数元/tm（s熔渣质量tσ渣精炼渣表面张力N/mN视场数σ金-渣金渣界面张力N/m[N]0炉料中的氮×10-6σ固-气固气界面张力N/mΔ[N]1电弧炉冶炼中的脱氮量×10-6σ固-液固液界面张力N/mΔ[N]2出钢过程增氮量×10-6σ液-气液气界面张力N/m

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Δ[N]3LF过程的增氮量×10-6θ润湿角度Δ[N]4LF-CC过程的增氮量×10-6ρl,液体密度t/m3Δ[N]5CC过程的增氮量×10-6ρm金属液体密度t/m3Pn出口氩气压力Paρi夹杂物密度t/m3P1钢包底部静压力Pa•ε吨钢比搅拌功率W/tP2钢液面处气氛压力Paτ1到空包撤离所需时间minPSR生铁废钢比τ2钢包回转所需时间minPscrap废钢的单价元/tτ3打开水口前所需时间minPiron生铁或铁水的单价元/tηi金属i的收得率%PDRI/HBIDRI/HBI的单价元/tμ钢液的动力学粘度Pa・sQAr氩气流量L/minμl夹杂物的粘度Pa・sQ中间包存放钢水量tscrapi（%废钢中i的含量%Q1每吨铁水具有的物理热kJ/tironi（%生铁中i的含量%r夹杂物半径mHBIDRIi/（%DRI/HBI中i的含量%TL钢液温度K%Scrap废钢量与总炉料量比值%Tn气体的温度K%Iron生铁量与总炉料量比值%Vs夹杂物临界上升速度m/s%DRI

DRI与与总炉料量比值%

引言

1996年以来我国年钢产量已经连续八年高于1亿吨,2003年产钢量超过2.1亿吨,高于美国、日本两国的钢产量总和。

其中,2002年轴承钢GCr15的年钢产量为80万吨,预计到2005年可以达到180万吨,将与日本、瑞典等国产量相当。

轴承钢用于制造机械基础件,产品的精度、性能、寿命及可靠性对其质量依赖程度很高,随着科学技术的发展,对轴承钢的质量和寿命等指标的要求将更高更严。

作为重要的特钢品种,对轴承钢的洁净度、组织均匀性等影响使用寿命的冶金质量要求也更为严格。

可以说,一个国家轴承钢的生产水平已经成为反映其钢铁乃至整个工业先进水平的重要标志之一。

瑞典、日本和德国等国的轴承钢生产代表着当今世界轴承钢生产质量的水平和发展方向。

由于不断开发和使用了使钢水更加洁净的新技术新工艺,轴承钢的氧含量及其他有害元素的含量不断降低,洁净度不断提高。

因此,轴承钢是洁净的高品质钢,必须采用洁净钢的冶炼生产工艺进行生产,才能达到高质量的要求。

20世纪初,开发出含碳1.0%和含铬1.5%的高碳铬轴承钢。

因其具有良好的使用性能、加工性能以及经济性而得到广泛的应用,一百年来高碳轴承钢一直占轴承钢总量的95%左右。

多年来其主要成分没有大的变化,但其生产技术装备和工艺水平不断改进,冶金质量不断提高,特别是钢中氧含量降低,钢的洁净度和均匀性提高,接触疲劳强度也大幅度提高,轴承钢的洁净度是直接影响其产品的使用寿命和可靠性的重要因素。

我国轴承钢冶炼工艺历经平炉、碱性电弧炉单炼的早期阶段,20世纪60年代引进二次精炼技术,后发展为今天的综合炉外精炼工艺,对于高品质轴承钢采用模铸加电渣重熔炉的工艺,轴承钢的氧含量降到了10×10-6左右（以上钢五厂和大冶特钢为代表。

各特钢企业广泛采用了低碱度渣进行精炼,以降低点状夹杂物,特别是在电弧炉单炼的情况下,低碱度渣精炼在解决点状夹杂物方面取得了良好的结果。

本论文以高品质轴承钢GCr15作为研究对象,结合大冶特钢建立洁净钢生产工艺的要求,对现行工艺进行分析,开展理论研究、实验室研究、工业试验和技术集成研究,使轴承钢的冶金质量稳定提高,达到了国内领先水平。

本论文研究依托企业的主要冶炼装备是380m3高炉BF、60t直流电弧炉DC-EAF、60t钢包炉LF、60t钢包真空脱气装置VD、R=16m断面为350×470mm2大方坯连铸机CCM。

1文献综述

1.1我国钢铁工业的现状

1.1.1二十世纪九十年代我国钢铁工业取得的重大成就

我国改革开放以来,特别是20世纪90年代,冶金行业的结构调整和战略投资、技术进步、引进现代化的设备装备、材料的国产化促进了整个钢铁工业的快速发展。

1996年钢产量超过了1亿吨。

2003年我国钢铁企业的连铸坯产量已经超过了2.09亿吨;钢产量达到了2.22亿吨,约占世界年钢产量的24.8%;钢材、粗钢和生铁产量连续八年居世界第一位,见图1.1[1,2]。

图1.11990~2003年中国粗钢产量增长情况

20世纪90年代,我国钢铁工业的结构呈现出明显的优化,其主要标志是:

（110年左右的时间实现了钢产量的翻番。

全国粗钢产量由1990年的6535万吨增长到2000年的1.276亿吨,到2003年更是突破了2.2亿吨。

（2全国钢的综合成材率大幅度提高。

全国钢的综合成材率从1990年的83.2%提高到2000年的92.8%,提高了近10个百分点。

（3全国钢铁企业吨钢可比能耗大幅度下降。

1990年全国钢铁吨钢可比能耗为0.997吨标煤/吨钢,2000年下降为0.781吨标煤/吨钢,到2003年更降至0.709吨标煤/吨钢。

1.1.2进入21世纪我国钢铁业与发达国家钢铁业的主要差距

我国铁、钢材产量连续多年居世界第一位,是依靠科学技术进步取得的成绩。

通过钢铁行业的技术改造、引进技术的消化吸收,大大缩短了与发达国家的差距。

但是从总体看来,我们的钢铁工业结构不合理,工艺技术水平和经济效益不高,还不完全适应市场竞争的需要,在国际市场上的竞争力还很弱,产品的成本高和劳动生产率低,特别是钢铁产品的实物质量差,洁净度不高,企业经济效益不好,而市场竞争愈演愈烈,集中体现在品种质量、产品成本和劳动生产率以及其自身可持续发展构成的综合能力等方面,使得可持续发展构成的综合竞争力面临挑战和压力[3-5]。

与国际发达国家相比,我国钢铁工业目前存在的主要差距为:

（1钢材的品种不足,质量水平不高。

随着工业化和现代化水平提高,市场对钢材的品种结构和质量水平提出了新的更高的要求。

即:

要求钢材的品质向优质、多功能、高技术含量和高附加值方向发展。

目前,我国钢铁工业为国民经济所提供的钢材只占需要的关键品种的三分之二。

如在铁路提速后（160km/h对重轨和车轮的高质量要求目前尚不能满足;小轿车用的冷轧深冲优质薄板当前在数量上和质量上不能满足市场要求。

对国内急需的高附加值产品,如:

管线用钢、高质量硅钢、不锈钢、齿轮钢等机械工业、高速铁路、钢帘线用钢等钢材我国基本上还是依赖进口[6]。

上述钢种不能生产的主要原因是钢的纯净度达不到用户的要求,实物质量的差距太大。

在20世纪90年代初期,我国在国际钢材市场上占有的出口份额仅为1.5%,在世界排序为24位。

国内市场也被进口产品占据了大量份额。

按国际实物质量标准衡量