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冶金科技�(jiǎng)一等獎(jiǎng) | 基于非鋁脫氧工藝高品�(zhì)軸承鋼關(guān)鍵冶金技�(shù)及產(chǎn)�(yè)�

2022-09-13 11:30    �(lái)源:中國(guó)鋼鐵新聞�(wǎng)
  完成�
  劉 宇、包燕平、黃永生、顧 超、趙 �(yáng)、王 敏、孫光濤、肖 �、陳廷軍、周 苑、莫秉干、王昆鵬、崔宏艷、徐旋旋、沈 �
  完成單位
  中天鋼鐵集團(tuán)有限公司、北京科技大學(xué)
  背景與意�
  “中�(guó)制�2025”先�(jìn)制造基�(chǔ)零部件用鋼發(fā)展重�(diǎn):突破先�(jìn)裝備用高性能軸承、齒�、工具鋼、彈�、緊固件等用鋼材�、設(shè)�(jì)、制造及�(yīng)用評(píng)�(jià)系列�(guān)鍵技�(shù),高效節(jié)能電�(jī)、高端發(fā)�(dòng)�(jī)、高速鐵�、高端精密機(jī)床、高檔汽�(chē)等先�(jìn)裝備用關(guān)鍵零部件用關(guān)鍵材料國(guó)�(nèi)自給�2020年達(dá)�80%�2025年力�(zhēng)全面自給,關(guān)鍵零部件壽命提高1倍以�。因此高品質(zhì)軸承鋼疲勞壽命提�、生�(chǎn)與評(píng)�(jià)是先�(jìn)裝備用關(guān)鍵零部件材料自給率提升的�(guó)家重大技�(shù)需求�
  近年�(lái),國(guó)�(nèi)軸承鋼的�(zhì)量有了很大提�,部分軸承鋼�(zhì)量達(dá)到了�(guó)際先�(jìn)水平。但是整體看,提高軸承鋼�(zhì)量仍然是提高軸承�(zhì)量的�(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前國(guó)�(nèi)外軸承鋼的生�(chǎn)主要采用鋁脫氧工�。從脫氧�(jī)理和�(shí)際效果來(lái)看,軸承鋼生�(chǎn)中在有效去除鋼液中溶解氧[O]的同�(shí),產(chǎn)生了以下�(wèn)題:
  超低氧控制難度大
  鋼中Ds夾雜物難于有效控�
  鋼液中Ti元素難于控制
  鋼液流動(dòng)性差
  鋼中Al2O3及尖晶石�(lèi)夾雜物嚴(yán)重影響軸承鋼的疲勞壽�
  針對(duì)以上�(wèn)�,中天鋼鐵集�(tuán)公司和北京科技大學(xué)�(lián)合開(kāi)�(fā)了:非鋁脫氧軸承鋼的工藝,其主要控制思路為:
  硅錳�(yù)脫氧+�(kuò)散脫�+真空碳終脫氧工藝,由于擴(kuò)散脫氧與真空碳終脫氧均不�(chǎn)生污染鋼液的脫氧�(chǎn)物,因此可以有效提高鋼液潔凈��
  非鋁脫氧有效減少鋼液中Ti等影響鋼材性能元素的含��
  �(yōu)化精煉渣組成,減少鋼中Ds夾雜物含��
  采用非鋁脫氧工藝,大幅度減少了Al2O3夾雜物數(shù)�,提高鋼液的流動(dòng)�,有效減少了大顆粒夾雜數(shù)��
  有效控制了鋼中夾雜物尺寸和形�(tài),提高疲勞壽��
  �(guān)鍵技�(shù)
  1.以非鋁組合脫氧(硅錳�(yù)脫氧+�(kuò)散脫�+真空脫氧)為特色的軸承鋼低氧控制技�(shù)
 ?�?)工藝路�
  中天非鋁脫氧軸承鋼工藝流程,如圖1所��
�1中天非鋁脫氧軸承鋼生�(chǎn)工藝流程
  �2)基于硅錳預(yù)脫氧與擴(kuò)散脫氧的軸承鋼前期控氧技�(shù)
  基于硅錳�(yù)脫氧與擴(kuò)散脫氧的軸承鋼前期控氧技�(shù),實(shí)�(xiàn)LF精煉出站�(shí),鋼中溶解氧�15-20 ppm,全氧含量降�20 ppm左右;LF精煉�(guò)程中N含量保持�30 ppm以下。LF�(guò)程中使用低堿度渣精煉�,Al2O3含量?jī)H�3-5%,堿度為0.9-1.5�
  �3)基于真空碳氧平衡的軸承鋼深脫氧技�(shù)
  RH�(guò)程中的氧、氮含量變化如圖2所示。經(jīng)�(guò)RH精煉處理�,鋼中的全氧含量明顯下降,鋼中全氧控制在5-9ppm;RH精煉�(guò)程中N含量保持�30 ppm以下�
�2非鋁脫氧工藝RH精煉�(guò)程中�、氮含量變化
  通過(guò)熱力�(xué)�(jì)算及�(shí)�(yàn)研究,在不同真空度下的鋼液碳氧平衡如�3所�。在真空�67Pa�(shí),碳成為比鋁更強(qiáng)的脫氧劑。真空爐�(nèi)軸承鋼脫氧實(shí)�(yàn)中氧、氮含量變化如圖4所�,全氧含量可脫至10 ppm以下。在工業(yè)生產(chǎn)�,RH出站鋼中全氧含量已穩(wěn)定控制在5-9 ppm。此�,為了控制真空脫氧過(guò)程中的噴濺現(xiàn)�,基于數(shù)模和水模研究�(jié)果提出了步�(jìn)式壓降模式,有效降低噴濺�
 
�3不同真空度下的鋼液碳氧平�
�4真空爐內(nèi)軸承鋼脫氧實(shí)�(yàn)中氧、氮含量變化
  2.非鋁脫氧軸承鋼的夾雜物控制及流動(dòng)性改善關(guān)鍵技�(shù)
 ?�?)低堿度CaO-Al2O3-SiO2-MgO四元渣系控制
  非鋁脫氧工藝精煉渣成分分別如�1所示,LF精煉渣堿度控制在1左右,SiO2含量�30%左右,此外Al2O3�(yuǎn)低于鋁脫氧工��
�1非鋁脫氧工藝造渣工藝下精煉渣成分 / wt%
  如圖5所�,非鋁脫氧工藝鋼中鋁含量�1-8 ppm、鈦含量�3-8 ppm、硫含量�44-76 ppm。(2)低堿度CaO-Al2O3-SiO2-MgO四元渣系�(duì)鋼液�(guān)鍵成分的控制�
�5鋼中(a)[Al],(b)[Ti]和(c)[S]含量的比�
 ?�?)軸承鋼夾雜物的體系�(diào)�
  �6中顯示了兩種脫氧工藝軸承鋼中的主要夾雜物特征,非鋁脫氧軸承鋼�,鋼中最多的氧化物為硅酸鹽,大部分夾雜物尺寸均分布在小于10 μm的范圍內(nèi),尖晶石和鈣鋁酸鹽夾雜物的數(shù)量密度均小于0.85 �(gè)/mm2。在鋁脫氧軸承鋼�,鈣鋁酸�、尖晶石和硅酸鹽�(lèi)夾雜物的�(shù)量密度依次為1.92 �(gè)/mm2�1.68 �(gè)/mm2�1.14 �(gè)/mm2,尺寸大�15 μm氧化物數(shù)量明顯比非鋁脫氧軸承鋼更多�
�6鋁脫氧和非鋁脫氧軸承鋼中不同�(lèi)型氧化物尺寸分布
 ?�?)非鋁脫氧軸承鋼流動(dòng)性的改善及機(jī)理研�
  非鋁脫氧工藝�(duì)鋼液澆注性有明顯改善,如�7所�,非鋁脫氧工藝中間包連澆14爐后,液面曲線平�(wěn)。表2為不同工藝下小方坯(160 mm×160 mm)連鑄�(shí)中間包的連澆爐數(shù)�
�7連澆14爐后塞棒及液面曲�
�2不同工藝下連澆爐數(shù)�(duì)�
  �1)建立軸承鋼超聲疲勞�(píng)�(jià)方法及滾�(dòng)疲勞�(yàn)�3.非鋁脫氧軸承鋼夾雜物誘發(fā)疲勞斷裂�(jī)理及斷裂行為�(yù)�(cè)方法
  本文中采用超聲疲勞試�(yàn)系統(tǒng)�(jìn)行超高周疲勞試驗(yàn),試�(yàn)頻率�(dá)�20 kHz,大大縮短試�(yàn)�(shí)�。采用該系統(tǒng)完成了大量超高周疲勞試驗(yàn),疲勞壽命結(jié)果與滾動(dòng)疲勞�(shí)�(yàn)�(jié)果相��
  �2)不同夾雜物誘發(fā)疲勞斷裂的行為及�(jī)�
  非鋁脫氧軸承鋼的疲勞性能�(yōu)于中天鋁脫氧軸承�,非鋁脫氧軸承鋼的斷口裂紋源由夾雜物誘發(fā)的較少;鋁脫氧軸承鋼的斷口裂紋源均為鈣鋁酸鹽。此外,滾動(dòng)接觸疲勞試驗(yàn)(洛軸所出具)結(jié)果:非鋁脫氧最�,其次為鋁脫��
 ?�?)微觀�(jié)�(gòu)疲勞壽命�(yù)�(cè)模型的建�
  為了深入研究不同夾雜物對(duì)疲勞壽命的影�,本研究從微觀�(jié)�(gòu)出發(fā),以微觀�(jié)�(gòu)的力�(xué)響應(yīng)行為為基�(chǔ),建立微觀模型,通過(guò)�(tǒng)�(jì)�(xué)原理與宏觀性能�(guān)�(lián),形成多尺度服役性能�(yù)�(cè)模型,實(shí)�(xiàn)裂紋源及疲勞壽命的量化預(yù)�(cè),并將相同尺寸的球型鈣鋁酸鹽�(lèi)夾雜物和硅酸鹽類(lèi)夾雜物引入模�,預(yù)�(cè)�(jié)果顯示在相同的疲勞應(yīng)力下的硅酸鹽引起疲勞裂紋源萌生所需周次更長(zhǎng)�
  �(xiàng)目特色和主要?jiǎng)?chuàng)�
  “硅錳預(yù)脫氧+�(kuò)散脫�+真空終脫氧”非鋁組合脫氧:通過(guò)真空碳終脫氧將鋼中全氧含量控制在5-9ppm的同�(shí),有效控制了鋼中Ti等元�,同�(shí)可以有效控制夾雜物類(lèi)型;
  非鋁脫氧軸承鋼的夾雜物控制及流動(dòng)性改善技�(shù):采用低堿度CaO-Al2O3-SiO2-MgO四元渣系精煉�,將夾雜物成分控制于低熔�(diǎn)區(qū),鋼中Ds夾雜物得到有效控制,解決了小方坯軸承鋼水口可澆性差的技�(shù)難題�
  非鋁脫氧軸承鋼夾雜物誘發(fā)疲勞斷裂�(jī)理及斷裂行為�(yù)�(cè)方法:借助超聲疲勞的測(cè)試方法與滾動(dòng)疲勞檢測(cè)相結(jié)�,對(duì)軸承鋼的拉壓疲勞壽命和斷裂機(jī)理�(jìn)行了研究,建立不同夾雜物�(duì)疲勞性能影響的微觀�(jié)�(gòu)量化模型,基于該模型分析了軸承鋼中主要夾雜物�(duì)疲勞性能的影響�
  �(shí)�(xiàn)了以真空終脫氧為特色的高品質(zhì)鋼生�(chǎn)的技�(shù)集成與工藝創(chuàng)新:一方面可以根據(jù)�(chǎn)品的最終用�,控制鋼中夾雜物的種�(lèi);另一方面通過(guò)“真空終脫氧�,從源頭上消除了夾雜物的主要�(lái)�-脫氧�(chǎn)�,從工藝上非常有利于潔凈鋼的生產(chǎn),為高品�(zhì)鋼的生產(chǎn)提供了一條新的途徑,在眾多高品�(zhì)鋼生�(chǎn)中具有很好的推廣�(yīng)用前��
  主要技�(shù)指標(biāo)
  本項(xiàng)目主要技�(shù)指標(biāo)如表3所��
�3主要技�(shù)指標(biāo)
  查新�(bào)告與知識(shí)�(chǎn)�(quán)
  教育部科技�(fā)展中心針�(duì)本項(xiàng)目的四�(gè)技�(shù)�(chuàng)新點(diǎn)的查新報(bào)告結(jié)果如下:在國(guó)�(nèi)外已公開(kāi)�(fā)表的文獻(xiàn)和專(zhuān)利中,除本查新項(xiàng)目委托單位公�(kāi)的專(zhuān)利和本查新項(xiàng)目組�(fù)�(zé)人及成員�(fā)表的文獻(xiàn)�,未�(jiàn)有基于上述四�(gè)�(chuàng)新技�(shù)。創(chuàng)新點(diǎn)如下�
  “硅錳預(yù)脫氧+�(kuò)散脫�+真空脫氧”非鋁組合脫氧軸承鋼低氧控制技�(shù)
  非鋁脫氧軸承鋼的夾雜物控制及流動(dòng)性改善技�(shù)
  非鋁脫氧軸承鋼夾雜物誘發(fā)疲勞斷裂�(jī)理及斷裂行為�(yù)�(cè)方法
  集成以上技�(shù),實(shí)�(xiàn)了軸承鋼小方坯連鑄-高速線材一火成材技�(shù)集成,顯著降低了工序能耗和生產(chǎn)成本�
  本項(xiàng)目相�(guān)成果�(fā)表文�22�,其中英�13篇,全部是SCI,中�9�;授�(quán)�(zhuān)�13�(xiàng),其中發(fā)明專(zhuān)�13�(xiàng)�
  �(jīng)�(jì)效益
  中天非鋁脫氧軸承鋼(GCr15)工藝于2016年底�(kāi)始研�(fā),并�2017年正式應(yīng)用生�(chǎn)�2017年~2022年總�(jì)生產(chǎn)鋼產(chǎn)量約29�(wàn)�,新增產(chǎn)�142481.03�(wàn)�,新增利�44509.71�(wàn)�,增收(節(jié)支)總額1460.55�(wàn)�。生�(chǎn)的軸承鋼球、軸承套�、滾子、水泵軸等滾�(dòng)體軸�,廣泛應(yīng)用于福特、吉利、哈�、大�、東�(fēng)等品牌�
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