一.研究的背景和問題

　　我國“雙碳”促進綠色能源發(fā)展戰(zhàn)略.隨著高端設備等領域的快速發(fā)展，如風景發(fā)電將從不到10%增加到2060年的50%以上。大載荷軸承鋼球是風能發(fā)電等重大工程設備的關鍵組成部分，是實現中國制造的關鍵組成部分.能源安全等國家戰(zhàn)略的重要保障。眾所周知，軸承材料中的滾動體技術難度大于套圈，鋼球難度大于滾子和滾針。與其他用途相比，大載荷軸承鋼球具有以下技術難點：①更大載荷:壓碎載荷2500kN以上工作應力1250kN因此，對疲勞失效更為敏感;②更大規(guī)格：大載荷鋼球規(guī)格高達Φ89mm(對應棒料的規(guī)格為Φ60mm)，難以控制鋼組織均勻性;③更極端的服務環(huán)境:風電軸承全壽命周期免維護，低溫服務.腐蝕等惡劣環(huán)境要求鋼的P含量≤0.010%。

　　基于上述特點，大載荷軸承鋼球要求鋼中夾雜物數量少，尺寸小.細小勻稱的滲碳體.P有害元含量低，目前國內外只能采用模鑄工藝生產，但該工藝能耗高.生產效率低.制造成本高。因此，開發(fā)綠色高效煉鋼-連鑄工藝生產大載荷軸承鋼球鋼已成為行業(yè)的追求目標。如果能成功突破，就能填補國際國內空白，只有金屬收益率從83%左右提高到96%以上。

　　盡管隨著冶金工業(yè)技術的不斷發(fā)展，軸承鋼的磷含量.鋼液純度不再成為軸承鋼質量改進的限制環(huán)節(jié)，一些特鋼企業(yè)也可以選擇連鑄工藝生產小規(guī)格(Φ30mm軸承鋼球何在高效轉爐中使用軸承鋼球鋼(供氧強度達到5).0Nm3/min/t).在快節(jié)奏精煉模式下，鋼水P含量迅速控制在0.010%以內.鋼材總氧控制到5ppm在此期間，大型長壽命軸承鋼球鋼可以通過連鑄工藝順利生產，這方面的研究報告很少。因此，江蘇中天鋼鐵集團特種鋼鐵公司生產綠色高效煉鋼-連鑄工藝的大載荷軸承鋼球鋼。本項目需要解決高效低磷含量控制問題.科節(jié)奏精煉鋼液純度控制、低中心偏析、高組織均勻性控制等科技問題及行業(yè)常見問題。

　　二.解決問題的思路和技術規(guī)范

　　大載荷軸承鋼球長期承受沖擊.壓縮.在高交變應力下工作，如切割，同時在寒冷地區(qū)工作，如風電機組軸承鋼球，“大載荷.大規(guī)格.長壽命”為材的質量標準為：①清潔度高，夾雜物小Ds≤0.5級.數量少.低氧T.O≤5ppm.低鈣[Ca]≤2ppm.水浸高頻超聲探傷合格(10)MHz21dB增益);②軋坯碳縮松指數組織性能均勻≤1.05，網狀≤2.5級.帶狀≤2.0級等;③P≤0.010%。

　　因此，本項目的重點是“綠色高效化.超潔凈度.組織均勻性高”關鍵技術研究的三容如下：

　　1.高效轉爐低磷控制技術研究

　　低磷軸承鋼(磷含量)≤0.01%)一般采用雙渣法或雙連法，同時供氧強度≤3.5Nm3/(min·t)。這種冶煉方法生產效率低，冶煉周期加5min以上?？s短轉爐冶煉周期最有效的方法是選擇單渣法，提高轉爐供氧強度，但會導致脫碳速度加速等一系列問題.爐內容易干燥，惡化脫磷效果，增加飛濺概率。根據轉爐高強度冶煉中存在的問題，研究了轉爐冶煉過程中的脫磷規(guī)律，結合多相渣脫磷技術，開發(fā)了高效低磷冶煉工藝。

　　針對轉爐脫磷機理，探討了轉爐渣磷的分布規(guī)律，圖1顯示了轉爐渣礦的組成，P主要存在C2S-C3P因此，提升C2S-C3P可提高爐渣脫磷效果。

　　借助熱學軟件FactSage，結合工業(yè)生產數據，減少渣中FeO含量，能提高渣中C2S-C3P比較，O20%SiO210%MgOXFeO5%P2O以5為例，發(fā)現在渣中FeO含量降低，C2S-C3P比例逐漸上升，如圖2所示。

　　圖5顯示了供氧強度對脫磷的影響，通過提高轉爐渣C2S-C3P相比之下，即使供氧強度為3.5Nm3/min/t提升至5.0Nm3/t/min，與原工藝相比，轉爐渣脫磷能力進一步提高，實現了低磷鋼種轉爐高效、低成本、低冶煉。

　　2.節(jié)奏快超潔凈爐外精煉技術研究

　　傳統(tǒng)上認為長期精煉更容易提高鋼液的純度，所以軸承鋼的精煉時間一般控制在80~120min。研究表明，精煉時間超過300次min，隨著精煉時間的延長，去除夾雜物的效果并不明顯。同時，渣鋼的長期反應會導致夾雜物從初始固體氧化鋁或鎂鋁尖晶石夾雜物轉變?yōu)榈腿埸c鈣鋁酸鹽，導致后續(xù)RH該過程不能有效去除夾雜物，最終影響鋼液的純度。

　　本研究打破了傳統(tǒng)思維。一方面，通過將精煉時間控制在40，開發(fā)了快速高效的精煉工藝min抑制精煉過程中渣鋼的反應，探討合金對夾雜物成分的影響，找到去除合金對夾雜物影響的方法，實現固體氧化鋁和鎂鋁尖晶石夾雜物的控制RH由于固體氧化鋁和鎂鋁尖晶石夾雜物在固體氧化鋁和鎂鋁尖晶石夾雜物的高效去除中RH即使工藝去除效率極高，RH高真空(<67Pa)處理時間時間為25~30min縮短至15min，鋼材均值總氧可通過原來的6ppm降到5ppm。

　　圖6顯示了優(yōu)化后的工藝實施效果，精煉時間由原工藝80~120提升min縮短至30~40min,此外，鋼液混合強度的精煉過程管理，實現固體鎂鋁尖晶石夾雜物的控制。

　　(a)LF結束夾雜物成分(b)軸承鋼總氧(2021年)

　　3.新型中間包冶金技術研究

　　通過將軸承鋼夾雜物控制為固體氧化鋁和鎂鋁尖晶石，在連鑄過程中會出現結瘤，影響生產順利(澆筑爐數量一般持續(xù)穩(wěn)定)≤6爐)，同時，部分結瘤會隨機脫落到鋼中，產生大型宏觀夾雜物，嚴重惡化鋼的清潔度。針對這一問題，開發(fā)了新的中間包冶金技術，安裝了水平電磁攪拌(名稱：中間包裝均質器)，目的驅動中間包裝鋼液的高效流動，促進夾雜物的浮動，進一步提高鋼液純度，達到降低出口結瘤的目的，處理軸承鋼澆筑能力差、宏觀夾雜物標準率低的瓶頸。同時，在電磁力的影響下，各流間的溫度均勻，包裝兩側的溫差可通過原工藝的3~5℃降到1~2℃。

　　圖7顯示了鋼坯夾雜物數量的測試結果。可以看出，電磁混合后，鋼坯夾雜物的數量進一步減少，表明電磁混合可以進一步提高鋼液的純度。圖8顯示了電磁混合對塞桿上升速度的影響，因為鋼液純度進一步提高。電磁混合后，塞桿的上升速率顯著降低。電磁混合后，鋼液連鑄爐的數量可從6個爐提高到8個爐。圖9顯示了中包兩側鋼的水溫