科技新進展：綠色高效大載荷軸承鋼球用鋼關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化

一、研究的背景與問題

國家“雙碳”發(fā)展戰(zhàn)略促進清潔能源、高端裝備等領(lǐng)域快速發(fā)展，例如風(fēng)光發(fā)電量將從當(dāng)前的不足10%提升至2060年的50%以上。大載荷軸承鋼球是風(fēng)力發(fā)電等重大工程與裝備的關(guān)鍵核心部件，是實現(xiàn)中國制造、能源安全等國家戰(zhàn)略的重要保障。眾所周知，軸承材料中滾動體的技術(shù)難度大于套圈，鋼球的難度又大于滾子和滾針，而大載荷軸承鋼球與其它用途軸承鋼球相比具有以下技術(shù)難點：①更大載荷：壓碎負荷2500kN以上，工作應(yīng)力1250kN以上，因此對于疲勞失效更加敏感；②更大規(guī)格：大載荷鋼球規(guī)格高達Φ89mm(對應(yīng)棒材規(guī)格為Φ60mm)，鋼材組織均勻性控制難度大；③更惡劣服役環(huán)境：風(fēng)電軸承全壽命周期免維護，服役于低溫、腐蝕等惡劣環(huán)境，要求鋼材P含量≤0.010%。

基于以上特點，大載荷軸承鋼球要求鋼中夾雜物數(shù)量少且尺寸小、碳化物細小均勻、P等有害元含量低，目前國內(nèi)外只能采用模鑄工藝生產(chǎn)，但這一工藝存在能耗排放高、生產(chǎn)效率低、制造成本高等問題。因此，開發(fā)綠色高效化煉鋼-連鑄工藝生產(chǎn)大載荷軸承鋼球用鋼成為行業(yè)的追求目標(biāo)，如能成功攻克可填補國內(nèi)空白，僅金屬收得率從模鑄的約83%提升至連鑄的96%以上。

盡管隨著冶金行業(yè)的技術(shù)不斷進步，軸承鋼的磷含量、鋼水純凈度已不再成為軸承鋼質(zhì)量提升的限制性環(huán)節(jié)，部分特鋼企業(yè)也能夠采用連鑄工藝生產(chǎn)小規(guī)格(Φ30mm以下)軸承鋼球用鋼，但是，如何在高效化轉(zhuǎn)爐(供氧強度達到5.0Nm³/min/t)、快節(jié)奏精煉模式下快速將鋼水P含量控制到0.010%以內(nèi)、鋼材總氧控制到5ppm以內(nèi)，同時采用連鑄工藝即可穩(wěn)定生產(chǎn)出大規(guī)格長壽命軸承鋼球用鋼，目前很少有這方面的研究報道。因此，江蘇中天鋼鐵集團特鋼公司針對綠色高效化煉鋼-連鑄工藝生產(chǎn)大載荷軸承鋼球用鋼，本項目需要解決轉(zhuǎn)爐高效率低磷含量控制、快節(jié)奏精煉鋼水純凈度控制以及低中心偏析和高組織均勻性控制等科學(xué)技術(shù)問題及行業(yè)共性難題。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

大載荷軸承鋼球長期在承受沖擊、壓縮、剪切等高交變應(yīng)力下服役工作，同時，部分服役于寒冷地區(qū)，如風(fēng)電機組軸承鋼球，具有“大載荷、大規(guī)格、長壽命”的特點，為了滿足大載荷軸承鋼球嚴苛的質(zhì)量性能，要求鋼材的質(zhì)量指標(biāo)為：①高潔凈度，夾雜物細小Ds≤0.5級、數(shù)量少、低氧T.O≤5ppm、低鈣[Ca]≤2ppm、水浸高頻超聲探傷合格(10MHz+21dB增益)；②組織性能均勻，軋坯碳偏析指數(shù)≤1.05，網(wǎng)狀≤2.5級、帶狀≤2.0級等；③P≤0.010%。

因此，本項目重點圍繞“綠色高效化、超潔凈度、高組織均勻性”三個核心開展關(guān)鍵技術(shù)研究，主要研究思路及內(nèi)容如下：

1、高效率轉(zhuǎn)爐的低磷控制技術(shù)研究

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)爐冶煉低磷軸承鋼(磷含量≤0.01%)普遍采用雙渣法或雙聯(lián)法，同時供氧強度≤3.5Nm³/(min·t)。此種冶煉模式生產(chǎn)效率低，冶煉周期將延長5min以上。采用單渣法并提高轉(zhuǎn)爐供氧強度是縮短轉(zhuǎn)爐冶煉周期Z有效的方法，但會導(dǎo)致一系列問題，如脫碳速率加快、爐內(nèi)容易返干，惡化脫磷效果并增加噴濺發(fā)生幾率?；谵D(zhuǎn)爐高強度冶煉所存在的問題，通過對轉(zhuǎn)爐冶煉過程的脫磷規(guī)律進行研究，并結(jié)合多相渣脫磷技術(shù)，開發(fā)了轉(zhuǎn)爐高效率超低磷冶煉工藝。

針對轉(zhuǎn)爐脫磷機理，研究了磷在轉(zhuǎn)爐渣中分布規(guī)律，圖1給出了轉(zhuǎn)爐渣礦相組成，可以看出，P主要存在于C2S-C3P相中，因此，提高C2S-C3P相比例,可以提高爐渣脫磷效果。

圖1 轉(zhuǎn)爐渣礦相組成

借助熱力學(xué)軟件FactSage，并結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，得出降低渣中FeO含量，可以提高渣中C2S-C3P相比例，例如以50%CaO+20%SiO2+10%MgO+XFeO+5%P2O5為例，發(fā)現(xiàn)隨著渣中FeO含量的降低，C2S-C3P相比例逐漸升高，如圖2。

圖2 FeO對C2S-C3P相比例影響

圖3為轉(zhuǎn)爐渣C2S-C3P相控制結(jié)果，可以看出，通過在吹煉結(jié)束前壓槍1~2min來降低爐渣FeO含量，將渣中FeO含量由優(yōu)化前16~20%降低至10~12%，在適當(dāng)降低轉(zhuǎn)爐渣堿度條件下，仍然可以獲得更高比例的C2S-C3P相。

圖3 優(yōu)化前后轉(zhuǎn)爐渣中C2S-C3P相比例

圖4為供氧強度對供氧時間的影響，可以看出，當(dāng)供氧強度由3.5Nm³/min/t提高至5.0Nm³/t/min，平均供氧時間可以縮短3.1min。

圖4 供氧強度對供氧時間的影響

圖5 供氧強度對脫磷影響

圖5為供氧強度對脫磷的影響，可以看出，通過提高轉(zhuǎn)爐渣中C2S-C3P相比例，即便供氧強度由3.5Nm³/min/t提高至5.0Nm³/t/min，轉(zhuǎn)爐渣脫磷能力相比原工藝得到進一步提升，Z終實現(xiàn)了低磷鋼種轉(zhuǎn)爐高效低成本冶煉。

2、快節(jié)奏超潔凈爐外精煉技術(shù)研究

傳統(tǒng)認為長時間精煉更容易提高鋼水純凈度，因此軸承鋼精煉時間通?？刂茷?0~120min。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)精煉時間超過30min，隨精煉時間延長，夾雜物去除效果并不顯著，同時，長時間渣鋼反應(yīng)會導(dǎo)致夾雜物由初始固態(tài)氧化鋁或鎂鋁尖晶石夾雜物向低熔點鈣鋁酸鹽轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致后續(xù)RH工序不能高效化去除夾雜物，Z終影響鋼水純凈度。

本研究打破傳統(tǒng)思維，一方面開發(fā)了快節(jié)奏高效化精煉工藝，通過將精煉時間控制在40min以內(nèi)來抑制精煉過程渣鋼反應(yīng)，同時研究了合金對夾雜物成分的影響，并找到消除合金對夾雜物影響的方法，Z終實現(xiàn)固態(tài)氧化鋁和鎂鋁尖晶石夾雜物的控制，并借助RH強有力的真空處理，實現(xiàn)固態(tài)氧化鋁和鎂鋁尖晶石夾雜物高效化去除，由于固態(tài)氧化鋁和鎂鋁尖晶石夾雜物在RH過程去除效率極高，即便RH高真空(<67Pa)處理時間由Z初的25~30min縮短至15min，鋼材平均總氧可由Z初的6ppm降至5ppm。

圖6為優(yōu)化后工藝實施效果，可以看出，通過優(yōu)化，精煉時間由原工藝80~120min縮短至30~40min，并且精煉過程控制鋼水?dāng)嚢鑿姸?，精煉結(jié)束實現(xiàn)固態(tài)鎂鋁尖晶石夾雜物控制。

(a)LF結(jié)束夾雜物成分； (b)軸承鋼鋼材總氧(2021年)

圖6 工藝優(yōu)化后控制結(jié)果

3、新型中間包冶金技術(shù)研究

通過將軸承鋼夾雜物控制為固態(tài)氧化鋁和鎂鋁尖晶石，在連鑄過程將發(fā)生結(jié)瘤，影響生產(chǎn)順行(連續(xù)穩(wěn)定澆注爐數(shù)普遍≤6爐)，同時，部分結(jié)瘤物會隨機性的剝落到鋼中，形成宏觀大尺寸夾雜物，嚴重惡化鋼的潔凈度。針對這一問題，開發(fā)了新型中間包冶金技術(shù)，即在中包安裝一個水平電磁攪拌(名稱：中間包均質(zhì)器)，其目的驅(qū)動中間包內(nèi)鋼水的高效流動，促進夾雜物上浮，進一步改善鋼水純凈度，達到減少水口結(jié)瘤的目的，解決軸承鋼可澆性差及宏觀夾雜物合格率低的技術(shù)難題。同時，在電磁力作用下，實現(xiàn)各流間溫度均勻，中包兩側(cè)溫差可由原工藝的3~5℃降至1~2℃。

圖7為鑄坯夾雜物數(shù)量檢測結(jié)果，可以看出，當(dāng)中包施加電磁攪拌后，鑄坯夾雜物數(shù)量得到進一步降低，這說明中包施加電磁攪拌，鋼水純凈度可以得到進一步提高。圖8為中包施加電磁攪拌對塞棒上漲速度的影響，由于中包內(nèi)鋼液純凈度得到進一步提高，施加電磁攪拌后，塞棒上漲速度得到顯著降低，當(dāng)中包施加電磁攪拌后，鋼水連澆爐數(shù)可由6爐提高至8爐。圖9給出了中包兩側(cè)鋼水溫差，可以看出，當(dāng)中包施加電磁攪拌后，中包兩端鋼液溫差可由原工藝3~5℃降至1~2℃。

圖7 中包電磁攪拌對鑄坯夾雜物數(shù)量影響

圖8 中包電磁攪拌對塞棒上漲速度影響

圖9 中包電磁攪拌對鋼水溫度均勻性影響

4、精準(zhǔn)動態(tài)大壓下連鑄工藝及高溫擴散技術(shù)研究

傳統(tǒng)大載荷軸承鋼球用鋼采用模鑄工藝生產(chǎn)，主要原因在于連鑄工藝生產(chǎn)的軸承鋼球用鋼碳化物不均勻性控制無法滿足要求。隨著輕壓下技術(shù)的普及，碳偏析控制能力雖有所增強，但仍面臨無法準(zhǔn)確找到凝固終點，并施加合理壓下的問題。本項目通過建立大方坯動態(tài)凝固仿真?型，結(jié)合灌鉛試驗及壓下裂紋分析，掌握凝固末端位置及固相率變化規(guī)律，解決了“在哪壓、如何壓”的關(guān)鍵工藝理論問題，研發(fā)出“過熱度、二冷強度、?速、動態(tài)大壓下”多因子相耦合的工藝技術(shù)，攻克連鑄工藝中心偏析的控制難題，總壓下量達到20~25mm時鑄坯碳偏析指數(shù)控制在1.06~1.10。通過研究保溫溫度與時間對高溫擴散效果的影響，開發(fā)出高效節(jié)能與高溫擴散兼顧的柔性化工藝，大壓下的連鑄坯均熱溫度1240℃+均熱保溫時間8h時，中心碳偏析指數(shù)達到1.05，帶狀≤2.0級。

圖10為施加大壓后的鑄坯碳偏析控制結(jié)果，可以看出，鑄坯碳偏析指數(shù)平均值可以達到1.06~1.10。

圖10 軸承鋼鑄坯碳偏析控制結(jié)果

圖11給出了大載荷軸承鋼球用鋼應(yīng)用連鑄大壓下+高溫擴散工藝(1240℃保溫8h)優(yōu)化前后的碳化物帶狀組織形貌，其中，通過高溫擴散退火工藝，鑄坯碳偏析由1.06~1.10進一步降至1.05，軋材碳化物帶狀組織由改善前的3.0級下降至≤2.0級。

圖11 Φ60mm改進前后碳化物帶狀形貌：

(a)改善前100×；(b)改善前500×；(c)改善后100×；(d)改善后500×

5、大規(guī)格軸承鋼棒材在線組織調(diào)控技術(shù)研究

大規(guī)格連鑄軸承鋼棒材網(wǎng)碳控制是行業(yè)共性的技術(shù)難題，針對芯部溫度“黑箱”、芯表溫差大、控軋能力和控冷能力不足等因素造成組織不均勻的關(guān)鍵工藝理論問題，通過GLEEBLE熱力模擬試驗研究動態(tài)CCT、動態(tài)相變及采用MARC、DEFORM仿真模擬控軋控冷過程的溫度場，開發(fā)了大規(guī)格軸承鋼棒材以芯部溫度控制的γ+Fe3C兩相區(qū)、高溫再結(jié)晶區(qū)控軋及軋后分段超快控冷的在線組織調(diào)控技術(shù)，網(wǎng)狀碳化物穩(wěn)定控制≤2.5級。

圖12 100CrMnSi6-4兩道次熱壓縮顯微組織

(a)850+840℃；(b)850+800℃；(c)850+760℃；(d)850+720℃-20℃/s冷卻至600℃

三、主要創(chuàng)新性成果

本項目首創(chuàng)連鑄工藝替代模鑄和進口，重點開展綠色減排，高質(zhì)高效，節(jié)能降耗的工藝研究與創(chuàng)新，成功攻克大載荷軸承鋼球用鋼的關(guān)鍵控制技術(shù)，并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。本項目的主要技術(shù)創(chuàng)新：

1、首創(chuàng)連鑄替代模鑄工藝制造大載荷軸承鋼球用棒材的成套關(guān)鍵技術(shù)。成材率提升約13%，產(chǎn)品生命周期碳排放量降低105.3kg/t，降幅4.3%(數(shù)據(jù)來自于中國冶金規(guī)劃研究院),并實現(xiàn)大批量產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用；

2、開發(fā)了“轉(zhuǎn)爐高效率化脫磷+LF夾雜物大潤濕角控制+RH強循環(huán)”相結(jié)合的快節(jié)奏高潔凈冶煉工藝技術(shù)，效率提升了約30%，實現(xiàn)了軸承鋼Ds≤0.5級、低氧T.O≤5ppm、低鈣[Ca]≤2ppm、高頻水浸探傷合格率≥99%(10MHz+21dB增益)；

3、開發(fā)了“中間包均質(zhì)化技術(shù)+連鑄坯精準(zhǔn)動態(tài)大壓下+高溫擴散工藝”多因子耦合的工藝技術(shù)，攻克了連鑄工藝中心偏析的技術(shù)難題，軋坯碳偏析指數(shù)≤1.05，帶狀碳化物≤2.0級；

4、開發(fā)了大規(guī)格軸承鋼棒材以芯部溫度控制的γ+Fe3C兩相區(qū)、再結(jié)晶區(qū)控軋及軋后分段超快控冷的在線組織調(diào)控技術(shù)，網(wǎng)狀碳化物穩(wěn)定控制≤2.5級。

四、應(yīng)用情況與效果

本項目集成多種創(chuàng)新技術(shù)，首創(chuàng)采用“高爐鐵水→轉(zhuǎn)爐→精煉→真空脫氣→大方坯連鑄→加熱開坯→控軋控冷”的連鑄軋制工藝流程，成功攻克大載荷軸承鋼球用鋼的關(guān)鍵控制技術(shù)，實現(xiàn)替代模鑄、替代進口。

項目成果評價委員會認為，該成果總體上達到了領(lǐng)先水平，本項目產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于風(fēng)電、盾構(gòu)機、大型挖掘機等重大工程裝備的大載荷軸承鋼球，為國內(nèi)知名軸承鋼球客戶提供了優(yōu)質(zhì)原材料，近3年，共計銷售10.2萬噸，累計凈利潤達1.53億元，為我國高端軸承制造產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)進步作出積極貢獻。

（信息來源：中天鋼鐵集團有限公司）