一.研究的背景和问题

　　我国“双碳”促进绿色能源发展战略.随着高端设备等领域的快速发展，如风景发电将从不到10%增加到2060年的50%以上。大载荷轴承钢球是风能发电等重大工程设备的关键组成部分，是实现中国制造的关键组成部分.能源安全等国家战略的重要保障。众所周知，轴承材料中的滚动体技术难度大于套圈，钢球难度大于滚子和滚针。与其他用途相比，大载荷轴承钢球具有以下技术难点：①更大载荷:压碎载荷2500kN以上工作应力1250kN因此，对疲劳失效更为敏感;②更大规格：大载荷钢球规格高达Φ89mm(对应棒料的规格为Φ60mm)，难以控制钢组织均匀性;③更极端的服务环境:风电轴承全寿命周期免维护，低温服务.腐蚀等恶劣环境要求钢的P含量≤0.010%。

　　基于上述特点，大载荷轴承钢球要求钢中夹杂物数量少，尺寸小.细小匀称的渗碳体.P有害元含量低，目前国内外只能采用模铸工艺生产，但该工艺能耗高.生产效率低.制造成本高。因此，开发绿色高效炼钢-连铸工艺生产大载荷轴承钢球钢已成为行业的追求目标。如果能成功突破，就能填补国际国内空白，只有金属收益率从83%左右提高到96%以上。

　　尽管随着冶金工业技术的不断发展，轴承钢的磷含量.钢液纯度不再成为轴承钢质量改进的限制环节，一些特钢企业也可以选择连铸工艺生产小规格(Φ30mm轴承钢球何在高效转炉中使用轴承钢球钢(供氧强度达到5).0Nm3/min/t).在快节奏精炼模式下，钢水P含量迅速控制在0.010%以内.钢材总氧控制到5ppm在此期间，大型长寿命轴承钢球钢可以通过连铸工艺顺利生产，这方面的研究报告很少。因此，江苏中天钢铁集团特种钢铁公司生产绿色高效炼钢-连铸工艺的大载荷轴承钢球钢。本项目需要解决高效低磷含量控制问题.科节奏精炼钢液纯度控制、低中心偏析、高组织均匀性控制等科技问题及行业常见问题。

　　二.解决问题的思路和技术规范

　　大载荷轴承钢球长期承受冲击.压缩.在高交变应力下工作，如切割，同时在寒冷地区工作，如风电机组轴承钢球，“大载荷.大规格.长寿命”为材的质量标准为：①清洁度高，夹杂物小Ds≤0.5级.数量少.低氧T.O≤5ppm.低钙[Ca]≤2ppm.水浸高频超声探伤合格(10)MHz21dB增益);②轧坯碳缩松指数组织性能均匀≤1.05，网状≤2.5级.带状≤2.0级等;③P≤0.010%。

　　因此，本项目的重点是“绿色高效化.超洁净度.组织均匀性高”关键技术研究的三容如下：

　　1.高效转炉低磷控制技术研究

　　低磷轴承钢(磷含量)≤0.01%)一般采用双渣法或双连法，同时供氧强度≤3.5Nm3/(min·t)。这种冶炼方法生产效率低，冶炼周期加5min以上。缩短转炉冶炼周期最有效的方法是选择单渣法，提高转炉供氧强度，但会导致脱碳速度加速等一系列问题.炉内容易干燥，恶化脱磷效果，增加飞溅概率。根据转炉高强度冶炼中存在的问题，研究了转炉冶炼过程中的脱磷规律，结合多相渣脱磷技术，开发了高效低磷冶炼工艺。

　　针对转炉脱磷机理，探讨了转炉渣磷的分布规律，图1显示了转炉渣矿的组成，P主要存在C2S-C3P因此，提升C2S-C3P可提高炉渣脱磷效果。

　　借助热学软件FactSage，结合工业生产数据，减少渣中FeO含量，能提高渣中C2S-C3P比较，O20%SiO210%MgOXFeO5%P2O以5为例，发现在渣中FeO含量降低，C2S-C3P比例逐渐上升，如图2所示。

　　图5显示了供氧强度对脱磷的影响，通过提高转炉渣C2S-C3P相比之下，即使供氧强度为3.5Nm3/min/t提升至5.0Nm3/t/min，与原工艺相比，转炉渣脱磷能力进一步提高，实现了低磷钢种转炉高效、低成本、低冶炼。

　　2.节奏快超洁净炉外精炼技术研究

　　传统上认为长期精炼更容易提高钢液的纯度，所以轴承钢的精炼时间一般控制在80~120min。研究表明，精炼时间超过300次min，随着精炼时间的延长，去除夹杂物的效果并不明显。同时，渣钢的长期反应会导致夹杂物从初始固体氧化铝或镁铝尖晶石夹杂物转变为低熔点钙铝酸盐，导致后续RH该过程不能有效去除夹杂物，最终影响钢液的纯度。

　　本研究打破了传统思维。一方面，通过将精炼时间控制在40，开发了快速高效的精炼工艺min抑制精炼过程中渣钢的反应，探讨合金对夹杂物成分的影响，找到去除合金对夹杂物影响的方法，实现固体氧化铝和镁铝尖晶石夹杂物的控制RH由于固体氧化铝和镁铝尖晶石夹杂物在固体氧化铝和镁铝尖晶石夹杂物的高效去除中RH即使工艺去除效率极高，RH高真空(<67Pa)处理时间时间为25~30min缩短至15min，钢材均值总氧可通过原来的6ppm降到5ppm。

　　图6显示了优化后的工艺实施效果，精炼时间由原工艺80~120提升min缩短至30~40min,此外，钢液混合强度的精炼过程管理，实现固体镁铝尖晶石夹杂物的控制。

　　(a)LF结束夹杂物成分(b)轴承钢总氧(2021年)

　　3.新型中间包冶金技术研究

　　通过将轴承钢夹杂物控制为固体氧化铝和镁铝尖晶石，在连铸过程中会出现结瘤，影响生产顺利(浇筑炉数量一般持续稳定)≤6炉)，同时，部分结瘤会随机脱落到钢中，产生大型宏观夹杂物，严重恶化钢的清洁度。针对这一问题，开发了新的中间包冶金技术，安装了水平电磁搅拌(名称：中间包装均质器)，目的驱动中间包装钢液的高效流动，促进夹杂物的浮动，进一步提高钢液纯度，达到降低出口结瘤的目的，处理轴承钢浇筑能力差、宏观夹杂物标准率低的瓶颈。同时，在电磁力的影响下，各流间的温度均匀，包装两侧的温差可通过原工艺的3~5℃降到1~2℃。

　　图7显示了钢坯夹杂物数量的测试结果。可以看出，电磁混合后，钢坯夹杂物的数量进一步减少，表明电磁混合可以进一步提高钢液的纯度。图8显示了电磁混合对塞杆上升速度的影响，因为钢液纯度进一步提高。电磁混合后，塞杆的上升速率显著降低。电磁混合后，钢液连铸炉的数量可从6个炉提高到8个炉。图9显示了中包两侧钢的水温