世界轴承钢生产现状及发展
2002-08-26 00:00 来源： 我的钢铁 作者：mysteel
轴承钢冶炼技术的发展是探索净化钢水、减少气体和非金属夹杂物含量的新技术，它的生产和科研包括冶炼方法、脱氧工艺、夹杂物、碳化物以及疲劳寿命的研究，是我国特殊钢生产中投入人力、物力、财力最多的钢种。我国特钢生产的特点是炉容小、模铸比例高、轧制及热处理工艺落后。经过“六五”、“七五”、“八五”、“九五”的课题攻关，我国特殊钢生产技术进入了精炼的时代，氧含量从电弧炉大气熔炼下的30X10-6-40X10-6降到了10X10-6，其纯净度已接近国际先进水平。但按国际一般YJZ84标准交货，满足要求的产品仅占一半，其余都是低质产品，并且约有三分之一的生产厂家仍然采用电炉单炼加模铸生产特殊钢种，氧含量在30X10-6”以上，距先进国家差距很大。目前国际上先进工业国家均采用电炉-精炼-大方坯连铸的工艺生产以轴承钢、齿轮钢等为主要产品的特殊钢。
为了适应特殊钢(以轴承钢和齿轮钢为主)零件疲劳寿命持续提高的需要，必须探索新的生产工艺，通过其冶炼与精炼、连铸技术的进步，改善产品的质量。
1、 轴承钢的生产质量
瑞典、苏联、日本、德国是世界主要轴承钢生产国。瑞典采用SKF-MR最新的冶炼技术，使轴承钢氧含量低，碳化物颗粒均匀、细小，氧化物少而分散。SKF轴承钢的氧含量在5.2X10-6-12.7X10-6，平均为8.2X10-6。
前苏联中央黑色冶金研究院和顿涅茨冶金厂开发的氩气-真空提升精炼工艺可得到较纯的轴承钢，钢中的氧含量从3.5XlO-6-4.0X10-6下降到1.9X10-6-2.3X10-6。它们采用大方坯连铸将轴向液析区聚集在一定区域或者将其消除。控制钢中的铜和氮含量不大于0.16％，磷和碱含量不大于0.015%和0.010％；炉子的出钢温度为1630℃，连铸中间包温度为1570℃。铸速为0.35-0.45 m/min；结晶器振动幅度lO-20mm；振动频率为30-60次/min；采用85％无定形石墨+15％萤石结晶器保护渣；物理-化学不均匀性质的宽度为40-60mm和35-55mm。横向和纵向液析带分别为O-0.5级和2-2.3级，非金屑夹杂污染减少了2/3-3/4，中心疏松和点状不均匀性下降1/2-3/4。当连铸坯的侧面比由2降至1.3时，低倍组织得到明显改善。
日本大同特殊钢知多钢铁厂采用电弧冶炼-钢包炉精炼-真空脱气-连铸工艺生产轴承钢，后面配备了精密轧制和精整配套，使轴承钢的主要技术质量指标达到了世界领先的地位。1985年日本山阳特殊钢公司生产的高碳铬轴承钢氧含量降低到5.4X10-6，之后又降低到5X10-6，最低为3X10-6，氢含量达到1X10-6，并可批量生产。日本爱知钢厂开发的小方坯轴承钢(JIS-SUJ2)生产技术，其技术关键是在初炼、精炼过程中尽可能降低钢中氧含量并在连铸中防止钢液的二次氧化。轴承钢的生产流程为EAF→AR(隔绝空气强化型钢包炉)精炼→LVD(真空脱气)→BT/CC浇注成小方坯。
由于采用了以上设备和工艺，使轴承钢成品总氧含量达到了7X10-6-10X10-6的先进水平；而且，由160方坯轧成的（5）62轴承钢棒材与由480mmX370mm大方坯轧成160方再轧成(5)62轴承钢棒材的低倍组织一样好。说明工艺可行，产品质量优良。
比利时阿尔兹钢厂采用曼内斯曼.德马克技术生产不锈钢和高合金钢，其偏心炉底出钢电炉为85t，碳含量可控制在0.005％左右。
由达涅利公司提供设备和工艺的美国共和工程钢公司直接轧制生产线于1995年投产达到100％热装。主要设备是钢包炉、真空脱气装置、四流方坯连铸机、均热炉和9机架轧制生产线。
我国生产的轴承钢在产量和质量方面都有很大的提高。大冶钢厂的真空脱气精炼GCrl5钢的氧含量已由电弧炉大气下熔炼的30X10-6降到11X10-6，材料的疲劳寿命提高两倍以上。与SKF轴承钢相比，无明显差异，接近ESR钢水平，达到国际优质钢水平；上钢五厂在电弧炉中氧化、精炼、将磷、钛降到较低水平；用钢包炉真空脱气，把氢降到3X10-6以下，然后供氩综合精炼，生产出氢、氧、硫、钛含量总计小于70X10-6的超纯轴承钢。两家轴承钢的D型夹杂物也达到了国际高标准水平。
2、生产工艺流程
国外轴承钢的生产，大体上都采用了冶炼-炉外精炼-连铸的生产工艺，但在每个环节上所采用的设备和技术有所不同。国内部分厂家也采用冶炼-炉外精炼-连铸的生产工艺流程，如陕西钢厂、大冶钢厂。实践表明，轴承钢的非金属夹杂物评级、氧含量和表面质量优于电炉单炼-模铸钢，是生产优质轴承钢材的先进工艺路线。但是，就我国大部分轴承钢生产厂家而言，仍未具备这一条件，还需作很大努力。
3、冶炼技术与无渣出钢技术
目前电炉正在朝着大容量，(超)高功率化的方向发展，同时采用了不少新技术。近年来，我国特钢企业在炼钢新工艺、新技术、新设备方面取得了不少进展。例如，大冶钢厂采用电炉低碱度-吹氩工艺生产的轴承钢具有较高接触疲劳寿命。
偏心炉底出钢(EBT)不仅可以缩短出钢时间提高生产率，而且可以在出钢时隔离氧化渣，实现无渣出钢，提高和稳定钢的质量。日本山阳特殊钢公司采用偏心炉底出钢系统，生产的轴承钢夹杂物得到明显改善，氧含量降低了0.4X10-6，含Si、Mn的氧化夹杂物比例显著降低，同时抑制了电炉渣的流出，减少夹杂物。
埋入式出钢口在欧洲，特别是在德国较为流行。主要是因为它同传统的出钢口相比，结构差别不大，容易在现有电炉改造上实现。大冶钢厂在50t高功率电炉上采用埋入式出钢口无渣出钢工艺，使全炉冶炼缩短26min，减少电耗57-70kW.h/t，提高了合金收得率。
据文献报道，国内电炉中电耗最低的是张家港钢铁集团，根据碳含量的不同，90t电炉电耗为337-379kW.h/t，冶炼时间为57-68min，而国外电炉的电耗指标已降到200kW.h/t以下。
4、精炼技术
炉外精炼是炼钢的关键技术，是现代炼钢流程的一个重要工序，是保证钢质量的重要手段。世界各国的冶金工作者在降低氧含量和夹杂物数量方面做了大量的试验研究工作，取得了突破性的进展。国内外的技术进步表明，炉外精炼技术是生产优质轴承钢的重要手段，具有很好的冶金效果。炉外精炼可以提高钢的质量和生产能力，缩短冶炼时间，有效地提高钢的纯净度，确保化学成分和组织的均匀性。有些国家已能生产“极低氧含量”或“超纯”轴承钢。
目前我国特钢厂还存在着精炼设备利用率低、精炼比低的问题。据统计全国15家钢厂GCrl5、GCrl5SiMn钢精炼比为62.83％。其中上海五钢集团100％；齐齐哈尔钢厂34.2％，大冶钢厂100％，大连钢厂54.62％，长城特钢厂100％，抚顺钢厂86.85％，陕西钢厂38.94％，西宁钢厂32.82％，无锡钢厂100％，还有不少钢厂为零。
5、连铸技术
目前我国部分厂家已采用了连铸技术来生产轴承钢。陕西钢厂的GCrl5轴承钢连铸坯经轧制后(∮≤40mm钢材)质量符合国内YJZ84(I)标准要求，纯洁度和表面质量优于模铸钢。连铸与模铸相比，容易实现封闭浇铸，而且与耐火材料接触少，污染更少，可以获得更低的氧含量数值。实践表明，连铸材的氧含量比模铸材氧含量低2.5X10-6，滚动疲劳寿命比模铸材滚动疲劳寿命提高1-2倍。国外轴承钢生产大部分采用了连铸技术。如日本采用了“90tUH电炉-EBT出钢-LF炉-RH脱气-连铸”的工艺路线。俄罗斯奥斯科尔钢厂用R12m、4流连铸机生产300mmX360mm轴承钢坯，化学成分波动范围窄，也减少了非金属夹杂物。
6、热装与直接轧制
随着连铸技术的发展，特钢厂也要走热装和直接轧制这一工艺路线。目前特钢厂亦有应用，但与普钢相比差距较大，特别是直接轧制技术尚处于研究和开发阶段，因此特钢借鉴普钢的经验很有必要。由于特殊钢生产具有规格多，批量小，质量要求各异的特点，所以连铸机与轧机的匹配较为困难。目前，特殊钢的热装和直接轧制效果还不太令人满意。连铸机与轧机的匹配要考虑以下几个问题：
(1)采用炉外精炼技术和装备，为连铸机提供优质钢水；
(2)设置缓冲或贮存设施，以适应铸机与轧机在生产能力上的差别，并在停产时把铸坯保持在热状态；
(3)铸坯可以脱离流水线，并能从冷态加热。
目前，热装方式有以下几种：
(1)热贮存室的热装；
(2)热贮存室和预热炉的热装；
(3)感应加热装置的热装；
(4)间接热装工艺。
经济分析结果表明，间接热装工艺加热成本低、节能效果好。
7、轧材主要工艺参数
大断面(∮34-55mm)轴承钢棒材，由于轧后热容量大，空冷时温降比较慢，快冷时钢材表面与中心温差比较大，因此，在冷却制度方面同小断面轴承钢棒材有所不同。I50mmGCr轴承钢棒材定尺剪切，横移，再经一次、二次水冷器快速冷却。开始冷却的最低温度为860-870℃，最高温度920℃。圆钢表面温度为920℃时，进入1号水冷器，出水冷器后表面温度降低到400-500℃，经一定时间后，钢温返红到600-700℃，进入2号水冷器二次冷却。出2号水冷器，钢材表面温度一般在400-460℃，经辊道到收集台，钢温回升到550-650℃，然后钢温下降。为防止钢材表面形成马氏体组织，在水冷器中快冷时，表面温度不应低于300℃。由于∮50mm轴承钢水冷后退火材的碳化物颗粒比空冷后退火材的碳化物颗粒细小、均匀，前者直径为0.53μm，后者为0.63μm，碳化物颗粒平均距离分别为1.28μm和1.34μm。大断面GCrl5轴承钢棒材采用合适的轧后快速冷却工艺，可以降低网状碳化物级别，降低硬度，提高疲劳寿命12倍，缩短球化退火时间。
为了适应特殊钢(以轴承钢和齿轮钢为主)零件疲劳寿命持续提高的需要，必须探索新的生产工艺，通过其冶炼与精炼、连铸技术的进步，改善产品的质量。
1、 轴承钢的生产质量
瑞典、苏联、日本、德国是世界主要轴承钢生产国。瑞典采用SKF-MR最新的冶炼技术，使轴承钢氧含量低，碳化物颗粒均匀、细小，氧化物少而分散。SKF轴承钢的氧含量在5.2X10-6-12.7X10-6，平均为8.2X10-6。
前苏联中央黑色冶金研究院和顿涅茨冶金厂开发的氩气-真空提升精炼工艺可得到较纯的轴承钢，钢中的氧含量从3.5XlO-6-4.0X10-6下降到1.9X10-6-2.3X10-6。它们采用大方坯连铸将轴向液析区聚集在一定区域或者将其消除。控制钢中的铜和氮含量不大于0.16％，磷和碱含量不大于0.015%和0.010％；炉子的出钢温度为1630℃，连铸中间包温度为1570℃。铸速为0.35-0.45 m/min；结晶器振动幅度lO-20mm；振动频率为30-60次/min；采用85％无定形石墨+15％萤石结晶器保护渣；物理-化学不均匀性质的宽度为40-60mm和35-55mm。横向和纵向液析带分别为O-0.5级和2-2.3级，非金屑夹杂污染减少了2/3-3/4，中心疏松和点状不均匀性下降1/2-3/4。当连铸坯的侧面比由2降至1.3时，低倍组织得到明显改善。
日本大同特殊钢知多钢铁厂采用电弧冶炼-钢包炉精炼-真空脱气-连铸工艺生产轴承钢，后面配备了精密轧制和精整配套，使轴承钢的主要技术质量指标达到了世界领先的地位。1985年日本山阳特殊钢公司生产的高碳铬轴承钢氧含量降低到5.4X10-6，之后又降低到5X10-6，最低为3X10-6，氢含量达到1X10-6，并可批量生产。日本爱知钢厂开发的小方坯轴承钢(JIS-SUJ2)生产技术，其技术关键是在初炼、精炼过程中尽可能降低钢中氧含量并在连铸中防止钢液的二次氧化。轴承钢的生产流程为EAF→AR(隔绝空气强化型钢包炉)精炼→LVD(真空脱气)→BT/CC浇注成小方坯。
由于采用了以上设备和工艺，使轴承钢成品总氧含量达到了7X10-6-10X10-6的先进水平；而且，由160方坯轧成的（5）62轴承钢棒材与由480mmX370mm大方坯轧成160方再轧成(5)62轴承钢棒材的低倍组织一样好。说明工艺可行，产品质量优良。
比利时阿尔兹钢厂采用曼内斯曼.德马克技术生产不锈钢和高合金钢，其偏心炉底出钢电炉为85t，碳含量可控制在0.005％左右。
由达涅利公司提供设备和工艺的美国共和工程钢公司直接轧制生产线于1995年投产达到100％热装。主要设备是钢包炉、真空脱气装置、四流方坯连铸机、均热炉和9机架轧制生产线。
我国生产的轴承钢在产量和质量方面都有很大的提高。大冶钢厂的真空脱气精炼GCrl5钢的氧含量已由电弧炉大气下熔炼的30X10-6降到11X10-6，材料的疲劳寿命提高两倍以上。与SKF轴承钢相比，无明显差异，接近ESR钢水平，达到国际优质钢水平；上钢五厂在电弧炉中氧化、精炼、将磷、钛降到较低水平；用钢包炉真空脱气，把氢降到3X10-6以下，然后供氩综合精炼，生产出氢、氧、硫、钛含量总计小于70X10-6的超纯轴承钢。两家轴承钢的D型夹杂物也达到了国际高标准水平。
2、生产工艺流程
国外轴承钢的生产，大体上都采用了冶炼-炉外精炼-连铸的生产工艺，但在每个环节上所采用的设备和技术有所不同。国内部分厂家也采用冶炼-炉外精炼-连铸的生产工艺流程，如陕西钢厂、大冶钢厂。实践表明，轴承钢的非金属夹杂物评级、氧含量和表面质量优于电炉单炼-模铸钢，是生产优质轴承钢材的先进工艺路线。但是，就我国大部分轴承钢生产厂家而言，仍未具备这一条件，还需作很大努力。
3、冶炼技术与无渣出钢技术
目前电炉正在朝着大容量，(超)高功率化的方向发展，同时采用了不少新技术。近年来，我国特钢企业在炼钢新工艺、新技术、新设备方面取得了不少进展。例如，大冶钢厂采用电炉低碱度-吹氩工艺生产的轴承钢具有较高接触疲劳寿命。
偏心炉底出钢(EBT)不仅可以缩短出钢时间提高生产率，而且可以在出钢时隔离氧化渣，实现无渣出钢，提高和稳定钢的质量。日本山阳特殊钢公司采用偏心炉底出钢系统，生产的轴承钢夹杂物得到明显改善，氧含量降低了0.4X10-6，含Si、Mn的氧化夹杂物比例显著降低，同时抑制了电炉渣的流出，减少夹杂物。
埋入式出钢口在欧洲，特别是在德国较为流行。主要是因为它同传统的出钢口相比，结构差别不大，容易在现有电炉改造上实现。大冶钢厂在50t高功率电炉上采用埋入式出钢口无渣出钢工艺，使全炉冶炼缩短26min，减少电耗57-70kW.h/t，提高了合金收得率。
据文献报道，国内电炉中电耗最低的是张家港钢铁集团，根据碳含量的不同，90t电炉电耗为337-379kW.h/t，冶炼时间为57-68min，而国外电炉的电耗指标已降到200kW.h/t以下。
4、精炼技术
炉外精炼是炼钢的关键技术，是现代炼钢流程的一个重要工序，是保证钢质量的重要手段。世界各国的冶金工作者在降低氧含量和夹杂物数量方面做了大量的试验研究工作，取得了突破性的进展。国内外的技术进步表明，炉外精炼技术是生产优质轴承钢的重要手段，具有很好的冶金效果。炉外精炼可以提高钢的质量和生产能力，缩短冶炼时间，有效地提高钢的纯净度，确保化学成分和组织的均匀性。有些国家已能生产“极低氧含量”或“超纯”轴承钢。
目前我国特钢厂还存在着精炼设备利用率低、精炼比低的问题。据统计全国15家钢厂GCrl5、GCrl5SiMn钢精炼比为62.83％。其中上海五钢集团100％；齐齐哈尔钢厂34.2％，大冶钢厂100％，大连钢厂54.62％，长城特钢厂100％，抚顺钢厂86.85％，陕西钢厂38.94％，西宁钢厂32.82％，无锡钢厂100％，还有不少钢厂为零。
5、连铸技术
目前我国部分厂家已采用了连铸技术来生产轴承钢。陕西钢厂的GCrl5轴承钢连铸坯经轧制后(∮≤40mm钢材)质量符合国内YJZ84(I)标准要求，纯洁度和表面质量优于模铸钢。连铸与模铸相比，容易实现封闭浇铸，而且与耐火材料接触少，污染更少，可以获得更低的氧含量数值。实践表明，连铸材的氧含量比模铸材氧含量低2.5X10-6，滚动疲劳寿命比模铸材滚动疲劳寿命提高1-2倍。国外轴承钢生产大部分采用了连铸技术。如日本采用了“90tUH电炉-EBT出钢-LF炉-RH脱气-连铸”的工艺路线。俄罗斯奥斯科尔钢厂用R12m、4流连铸机生产300mmX360mm轴承钢坯，化学成分波动范围窄，也减少了非金属夹杂物。
6、热装与直接轧制
随着连铸技术的发展，特钢厂也要走热装和直接轧制这一工艺路线。目前特钢厂亦有应用，但与普钢相比差距较大，特别是直接轧制技术尚处于研究和开发阶段，因此特钢借鉴普钢的经验很有必要。由于特殊钢生产具有规格多，批量小，质量要求各异的特点，所以连铸机与轧机的匹配较为困难。目前，特殊钢的热装和直接轧制效果还不太令人满意。连铸机与轧机的匹配要考虑以下几个问题：
(1)采用炉外精炼技术和装备，为连铸机提供优质钢水；
(2)设置缓冲或贮存设施，以适应铸机与轧机在生产能力上的差别，并在停产时把铸坯保持在热状态；
(3)铸坯可以脱离流水线，并能从冷态加热。
目前，热装方式有以下几种：
(1)热贮存室的热装；
(2)热贮存室和预热炉的热装；
(3)感应加热装置的热装；
(4)间接热装工艺。
经济分析结果表明，间接热装工艺加热成本低、节能效果好。
7、轧材主要工艺参数
大断面(∮34-55mm)轴承钢棒材，由于轧后热容量大，空冷时温降比较慢，快冷时钢材表面与中心温差比较大，因此，在冷却制度方面同小断面轴承钢棒材有所不同。I50mmGCr轴承钢棒材定尺剪切，横移，再经一次、二次水冷器快速冷却。开始冷却的最低温度为860-870℃，最高温度920℃。圆钢表面温度为920℃时，进入1号水冷器，出水冷器后表面温度降低到400-500℃，经一定时间后，钢温返红到600-700℃，进入2号水冷器二次冷却。出2号水冷器，钢材表面温度一般在400-460℃，经辊道到收集台，钢温回升到550-650℃，然后钢温下降。为防止钢材表面形成马氏体组织，在水冷器中快冷时，表面温度不应低于300℃。由于∮50mm轴承钢水冷后退火材的碳化物颗粒比空冷后退火材的碳化物颗粒细小、均匀，前者直径为0.53μm，后者为0.63μm，碳化物颗粒平均距离分别为1.28μm和1.34μm。大断面GCrl5轴承钢棒材采用合适的轧后快速冷却工艺，可以降低网状碳化物级别，降低硬度，提高疲劳寿命12倍，缩短球化退火时间。
