G20CrNi2Mo是一种典型的渗碳轴承钢,兼具高强度与高韧性的优点,在我国主要应用在铁路货车滚动轴承套圈上。钢的洁净度是影响轴承钢疲劳寿命的重要因素。随着铁路货车向重载化、快速化不断发展,对钢洁净度的要求也随之提高。电渣重熔具有有效去除非金属夹杂物、显著改善钢锭凝固组织的优点。长期以来,铁道部一直要求我国企业需采用此工艺生产铁路用轴承钢。从2017年开始,铁道部新标准(Q/CR592-2017)要求G20CrNi2Mo电渣钢氧含量需低于20ppm。西宁特钢是我国最大的G20CrNi2Mo电渣钢生产基地,经统计,2017年其生产的电渣钢氧含量合格率(≤20ppm)只有65%。基于此,亟需开发出系统的低氧冶炼技术,以满足对高洁净铁路用轴承钢的使用要求。本文以西宁特钢生产的G20CrNi2Mo轴承钢为研究对象,围绕电渣重熔过程氧含量和夹杂物的控制开展研究。首先明确了现行工艺条件下洁净度的控制特点,进而研究了重熔过程炉渣氧势和熔滴形成、下落过程溶解氧的增加机理。建立了电渣重熔过程平衡炉渣成分的设计模型,提出了炉渣各组元的目标控制范围。之后系统研究了重熔过程夹杂物的演变机理,明确了自耗电极和炉渣对电渣锭洁净度的影响。最后,基于以上研究,提出了电渣重熔冶炼高洁净G20CrNi2Mo轴承钢的关键工艺,并在实际生产中得到成功应用。主要结果如下:(1)工业试验结果表明从自耗电极至电渣锭底部、顶部,铝含量呈下降趋势,氧含量呈增加趋势。重熔过程体现出“铝损、氧增”的特点。随着炉渣氧势的增加,自耗电极A1的氧化程度和电渣锭的增氧程度均呈增加趋势。因此,炉渣氧势的控制至关重要。(2)炉渣氧化动力学模型和自耗电极增重动力学模型计算结果表明,当渣中初始FeO含量为0.20%,外界氧分压为0.15atm时,炉渣氧化生成的FeO含量为0.69%,占总生成量的27%;自耗电极氧化生成的FeO含量为2.30%,占总生成量的73%。自耗电极的氧化对炉渣氧势的增加占主导作用。(3)钢液溶解氧增加的动力学模型计算结果表明,溶解氧的增加主要发生在熔滴形成和下落阶段。通过对比动力学模型计算的溶解氧和基于铝氧平衡计算的平衡溶解氧后发现,在金属液膜位置铝氧之间可基本达到热力学平衡;熔滴下落过程,铝氧之间远未达到热力学平衡状态。渣温对溶解氧含量影响显著。随着渣池温度由1960K(1687℃)增至2020K(1747℃),溶解氧含量可增加4ppm。(4)基于平衡炉渣成分的设计模型,可计算得到与自耗电极相平衡的平衡Al2O3、Si02、MnO、FeO含量。炉渣中各组元的实测值与平衡值之间的差异性决定了重熔过程钢成分的变化程度。基于炉渣设计模型和工业试验结果,得到炉渣各组元的目标控制范围:40-45%CaF2,10-15%CaO,30-35%Al2O3,5%MgO,1-3%SiO2。(5)自耗电极夹杂物主要为低熔点的球状CaO-MgO-Al2O3,电极端部金属熔滴夹杂物主要为单一 Al2O3和球状CaO-MgO-Al2O3,电渣锭夹杂物主要为含有少量CaO的高熔点CaO-MgO-Al2O3。重熔后夹杂物特性发生明显改变。电渣重熔过程伴随着Ca、Mg的降低,其中Ca降低的原因在于自耗电极含Ca夹杂物的吸收,Mg降低的原因在于金属液膜内溶解Mg的氧化。(6)随着自耗电极低熔点夹杂物数量的增加,电渣锭氧含量呈增加趋势,原因在于低熔点夹杂物由于钢液之间的界面能较小,部分会保留在熔滴中。在熔滴下落过程进一步溶解,最终成为电渣锭氧含量的一部分。炉渣成分对电渣锭夹杂物特性影响较大。高CaO渣系(20%CaO)冶炼条件下,电渣锭容易出现大尺寸球状CaAl4O7。无MgO渣系冶炼条件下,电渣锭容易出现聚合的Al2O3。当渣中存在10-15%CaO、5%左右的MgO时,电渣锭中夹杂物尺寸较小。(7)炉口保护效果不理想,炉口电压、自耗电极冶金质量控制不稳定、炉渣设计不尽合理是导致电渣锭氧含量偏高,出现大尺寸夹杂物的主要原因。对工艺进行优化后,电流稳定性明显提高,吨钢耗电量下降140kW·h,电渣锭平均氧含量为17.3ppm,氧含量(≤20ppm)合格率稳定在95%以上。