轴承钢中非金属夹杂物控制关键技术

随着我国国民经济的不断发展，对轴承钢性能提出了更高的要求。

超纯净轴承钢被广泛地应用于高速铁路、风电装备、航空发动机、高档轿车变速箱、高速精密机床和长寿命冶金轧机等对使用寿命、可靠性、承载能力严格要求的领域。

超纯净轴承钢炼钢冶炼难度极高，主要是由于其钢中非金属夹杂物控制存在以下两个难题：

1. 超高洁净度，总氧含量低于5 ppm；
2. 大颗粒夹杂物数量要求少，尺寸小于15 μm。

近30年来，通过引进、消化和吸收，实现了大部分高端装备的国产化，但对高端装备用高可靠长寿命轴承的国产化一直没有解决。因此，开发超纯净轴承钢中非金属夹杂物控制关键技术，为打破此领域国外产品及技术垄断、实现国内自主生产有重要意义。

1. 超纯净轴承钢精炼渣成分设计技术：

铝脱氧轴承钢都是通过高碱度精炼渣提升钢材的洁净度，减少钢中夹杂物数量。高碱度精炼渣具有很高的脱氧脱硫能力，效率高，可生产超低硫轴承钢。由于高碱度精炼渣中CaO含量高，易被钢中[Al]还原而进入钢液，从而生成Ds类夹杂，对轴承钢性能产生不利影响。另外，高碱度使精炼渣熔点变高，成渣慢，炉渣流动性变差，会影响脱氧脱硫效果，有可能引起卷渣。低碱度精炼渣由于碱度低，降低了CaO-AL2O3类夹杂的影响，但脱氧能力下降使得氧化物夹杂上升。本项目研究应用FactSage热力学计算软件，研究了不同精炼渣成分对钢液成分、夹杂物成分的影响，通过对不同精炼渣系进行设计优化，确定精炼渣成分；同时，本项目在碱度7-12范围内进行工业试验，考虑了不同碱度精炼渣对轴承钢洁净度和夹杂物成分的影响，从而更系统准确地确定了有利于超纯净轴承钢夹杂物控制的最优精炼渣成分。图1精炼渣碱度对渣中Al2O3和CaO活度的影响

2. 超纯净轴承钢VD精炼控制技术：

在真空状态下吹氩搅拌钢液，促使夹杂物从钢液内排除，使钢的洁净度提高。VD精炼过程渣钢剧烈反应，渣中CaO、MgO被还原为[Ca]和[Mg]进入钢液，与钢中Al2O3夹杂物反应生成镁铝尖晶石和钙铝酸盐，导致钢中Ds类夹杂数量增加，可能导致水口结瘤和最终轧材中出现Ds类夹杂缺陷，影响轴承钢的质量水平，VD精炼真空度的控制对于夹杂物的上浮去除和夹杂物成分非常重要。本项目对VD真空度进行了优化，使得最终产品夹杂物中的CaO含量由30%左右降低至5%以下，显著减少了CaO-AL2O3和CaO-Al2O3-MgO复合夹杂物的生成，使钢中夹杂物由CaO-AL2O3类转变为镁铝尖晶石类，减轻了Ds类夹杂的危害。优化前夹杂物 优化后夹杂物 优化前平均成分 优化后平均成分 1873 Kliquidus

3. 热处理过程夹杂物成分控制技术：

对于轴承钢钢液中的夹杂物已经形成了一系列脱氧、精炼渣改性、真空精炼等成熟的夹杂物控制方法，可以较好实现冶炼过程从精炼到连铸过程夹杂物的有效控制。轴承钢轧制热处理过程不仅可以改变钢的组织结构和性能，也会使得氧化物夹杂与钢基体发生高温反应，造成钢基体成分偏析、原有氧化物夹杂的改变和新氧化物夹杂的析出。同时，热处理过程钢基体中氧化物夹杂的种类、性质、尺寸及形貌特征变化直接影响着最终轴承钢产品的组织和性能。本项目研究了在不同热处理温度（1225 °C、1300 °C和1375 °C）和热处理时间条件下，GCr15轴承钢中非金属夹杂物的演变规律，并且发现热处理过程轴承钢中的MgO-Al2O3-CaO会逐渐转变为MgO-Al2O3-CaS夹杂物，小尺寸夹杂物完成转变所需时间较短，而大尺寸夹杂物完成转变所需时间较长。在不同热处理温度下，钢中夹杂物尺寸基本不变，但夹杂物转变速率不同。通过热力学计算和动力学模型，对轴承钢热处理过程中夹杂物的转变机理进行揭示。图3热处理对轴承钢中夹杂物成分的影响

成熟程度及推广应用情况：已经经过实验室试验和工业应用；该成果目前已经成功应用于南京钢铁有限公司，该应用改善了GCr15轴承钢轧材探伤不合缺陷，生产的GCr15轴承钢可部分替代进口产品。本项目成果发表文章4篇，项目成果对于降低生产成本，提高产品质量，促进企业经济效益，满足下游用户需求，提升同行之间的竞争力，产生了非常巨大的改善意义，最终对推动企业轴承钢产品制造能力与质量水平的整体提升做出了重要贡献。

投资估算和经济效益分析：此前的应用和推广成功的为企业改善了大颗粒夹杂物引起的轴承钢探伤不合格缺陷率，显著提升了企业产品的质量，为企业带来了可观的经济效益。

成果亮点：

开发了一套超纯净轴承钢冶炼创新集成技术，与国内外先进企业技术相比，具有以下创新性：

（1）开发了超纯净轴承钢VD精炼控制技术。通过VD精炼真空度优化工业试验，抑制钢中CaO-AL2O3类夹杂的生成，有效地改善了轴承钢探伤不合格缺陷率。

（2）建立了轴承钢热处理过程夹杂物转变动力学模型。提出通过热处理控制夹杂物成分的创新思路，可在改善元素偏析、析出相均匀性的同时控制夹杂物的类型。

随着我国国民经济的不断发展，对轴承钢性能提出了更高的要求。超纯净轴承钢被广泛地应用于高速铁路、风电装备、航空发动机、高档轿车变速箱、高速精密机床和长寿命冶金轧机等对使用寿命、可靠性、承载能力严格要求的领域。

超纯净轴承钢炼钢冶炼难度极高，主要是由于其钢中非金属夹杂物控制存在以下两个难题：(1)超高洁净度，总氧含量低于5 ppm；(2)大颗粒夹杂物数量要求 少，尺寸小于15 um。近30年来，通过引进、消化和吸收，实现了大部分高端装备的国产化，但对高端装备用高可靠长寿命轴承的国产化一直没有解决。因此，开发超纯净轴承钢中非金属夹杂物控制关键技术，为打破此领域国外产品及技术垄断、实现国内自主生产有重要意义。

(1)超纯净轴承钢精炼渣成分设计技术.铝脱氧轴承钢都是通过高碱度精 炼渣提升钢材的洁净度，减少钢中夹杂物数量。高碱度精炼渣具有很高的脱氧脱硫能力，效率高，可生产超低硫轴承钢。由于高碱度精炼渣中CaO含量高，易被钢中［Al］还原而进入钢液，从而生成Ds类夹杂，对轴承钢性能产生不利影响。另外，高碱度使精炼渣熔点变高，成渣慢，炉渣流动性变差，会影响脱氧脱硫效果，有可能引起卷渣。低碱度精炼渣由于碱度低，降低了CaO-ALO,类夹杂的影响，但脱氧能力下降使得氧化物夹杂上升。本项目研究应用FactSage热力学计 算软件，研究了不同精炼渣成分对钢液成分、夹杂物成分的影响，通过对不同精 炼渣系进行设计优化，确定精炼渣成分；同时，本项目在碱度7-12范围内进行 工业试验，考虑了不同碱度精炼渣对轴承钢洁净度和夹杂物成分的影响，从而更 系统准确地确定了有利于超纯净轴承钢夹杂物控制的最优精炼渣成分。

图1精炼渣碱度对渣中AI2O3和CaO活度的影响

(2)超纯净轴承钢VD精炼控制技术.在真空状态下吹氩搅拌钢液，促使夹 杂物从钢液内排除，使钢的洁净度提高。VD精炼过程渣钢剧烈反应，渣中CaO、MgO被还原为［Ca］和［Mg ］进入钢液，与钢中AI2O3夹杂物反应生成镁铝尖晶石和钙铝酸盐，导致钢中Ds类夹杂数量增加，可能导致水口结瘤和最终轧材中出现Ds类夹杂缺陷，影响轴承钢的质量水平，VD精炼真空度的控制对于夹杂物的上浮去除和夹杂物成分非常重要。本项目对VD真空度进行了优化，使得最终产品夹杂物中的CaO含量由30%左右降低至5%以下，显著减少了CaO-ALO,和CaO-Al₂O3-MgO复合夹杂物的生成，使钢中夹杂物由CaO-ALO,类转变为镁铝尖晶石类，减轻了Ds类夹杂的危害。

优化前夹杂物 优化后夹杂物 优化前平均成分优化后平均成分1873 Kliquidus

（3）热处理过程夹杂物成分控制技术。对于轴承钢钢液中的夹杂物已经形 成了一系列脱氧、精炼渣改性、真空精炼等成熟的夹杂物控制方法，可以较好实 现冶炼过程从精炼到连铸过程夹杂物的有效控制。轴承钢轧制热处理过程不仅能 够改变钢的组织结构和性能，也会使得氧化物夹杂与钢基体发生高温反应，造成 钢基体成分偏析、原有氧化物夹杂的改变和新氧化物夹杂的析出。同时，热处理 过程钢基体中氧化物夹杂的种类、性质、尺寸及形貌特征变化直接影响着最终轴 承钢产品的组织和性能。本项目研究了在不同热处理温度（1225°C、1300^oC和 1375°）和热处理时间条件下，GCr15轴承钢中非金属夹杂物的演变规律，并且 发现热处理过程轴承钢中的MgO-Al2O3-CaO会逐渐转变为MgO-Al2O3-CaS夹杂物， 小尺寸夹杂物完成转变所需时间较短，而大尺寸夹杂物完成转变所需时间较长。 在不同热处理温度下，钢中夹杂物尺寸基本不变，但夹杂物转变速率不同。通过 热力学计算和动力学模型，对轴承钢热处理过程中夹杂物的转变机理进行揭示。

图3热处理对轴承钢中夹杂物成分的影响

成熟程度及推广应用情况：

已经经过实验室试验和工业应用；

该成果目前已经成功应用于南京钢铁有限公司，该应用改善了GCr15轴承钢轧材探伤不合缺陷，生产的GCr15轴承钢可部分替代进口产品。本项目成果发表文章4篇，项目成果对于降低生产成本，提高产品质量，促进企业经济效益，满足下游用户需求，提升同行之间的竞争力，产生了非常巨大的改善意义，最终对推动企业轴承钢产品制造能力与质量水平的整体提升做出了重要贡献。

投资估算和经济效益分析：

此前的应用和推广成功的为企业改善了大颗粒夹杂物引起的轴承钢探伤不台缺陷率，显著提升了企业产品的质量，为企业带来了可观的经济效益。

成果亮点：

开发了一套超纯净轴承钢冶炼创新集成技术，与国内外先进企业技术相比，具有以下创新性：（1）开发了超纯净轴承钢VD精炼控制技术。通过VD精炼真空度优化工业试验，抑制钢中CaO-ALO,类夹杂的生成，有效地改善了轴承钢探伤不合缺陷率。（2）建立了轴承钢热处理过程夹杂物转变动力学模型。提出通过热处理控制夹杂物成分的创新思路，可在改善元素偏析、析出相均匀性的同时控制夹杂物的类型。