Theoretical and Experimental Research on Oxygen-titanium Cooperative Refining Process of High-carbon Chromium Bearing Steel

Zhang Feilong; Liu Wei; Bai Yun; Wang Jin; Li Jingshe; Yang Shufeng

doi:10.20057/j.1003-8620.2025-00075

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Theoretical and Experimental Research on Oxygen-titanium Cooperative Refining Process of High-carbon Chromium Bearing Steel

Smelting and Solidification | 更新时间：2025-11-06

- Theoretical and Experimental Research on Oxygen-titanium Cooperative Refining Process of High-carbon Chromium Bearing Steel
- Special Steel Vol. 46, Issue 6, Pages: 104-111(2025)
- 作者机构：
  
  1.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100083
  2.兴澄特种钢铁有限公司，江阴214434
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.20057/j.1003-8620.2025-00075
  CLC： TF4
- Received：25 March 2025，
  
  Revised：2025-05-14，
  
  Accepted：14 May 2025，
  
  Published：30 November 2025
- 稿件说明：
移动端阅览
张飞龙,刘威,白云等.高碳铬轴承钢氧钛协同精炼工艺理论与实验[J].特殊钢,2025,46(06):104-111.

Zhang Feilong,Liu Wei,Bai Yun,et al.Theoretical and Experimental Research on Oxygen-titanium Cooperative Refining Process of High-carbon Chromium Bearing Steel[J].Special Steel,2025,46(06):104-111.
张飞龙,刘威,白云等.高碳铬轴承钢氧钛协同精炼工艺理论与实验[J].特殊钢,2025,46(06):104-111. DOI： 10.20057/j.1003-8620.2025-00075.

Zhang Feilong,Liu Wei,Bai Yun,et al.Theoretical and Experimental Research on Oxygen-titanium Cooperative Refining Process of High-carbon Chromium Bearing Steel[J].Special Steel,2025,46(06):104-111. DOI： 10.20057/j.1003-8620.2025-00075.

摘要

本研究基于GCr15轴承钢提出了一种可行的脱氧控钛梯度再设计策略，旨在优化炉外精炼阶段脱氧控钛的协同机制。通过工业全流程取样明确了脱氧控钛关键环节，设计并开展了界面反应模拟计算与实验室热态实验，系统验证了脱氧控钛梯度再设计策略在GCr15轴承钢超低氧钛控制上的可行性。通过正交实验与FactSage相平衡计算，确定CaO-Al₂O₃-SiO₂-MgO四元渣系（50.18%CaO-21.36%SiO₂-24.11%Al₂O₃-4.35%MgO）为最优脱钛渣系。热力学研究表明，钛脱除率与钢液氧活度呈正相关，LF阶段过深脱氧会抑制钛氧化迁移，降低RH阶段脱钛效率。实验表明，阶梯式控氧策略可突破脱氧与控

钛的对抗关系，实验室模拟RH条件反应，在

［O］35×10

-6

下可使

［Ti］从117×10

-6

降至3.8×10

-6

，脱钛率达96.7%。工业数据与实验室实验共同证明LF弱脱氧有利于促进渣金反应脱钛，提高精炼全流程脱钛效率，实现氧钛协同控制。该研究为超低氧钛轴承钢的工业化生产提供了理论依据与工艺优化方案，为解决钛夹杂物制约轴承疲劳寿命提供了方向。

Abstract

This paper proposes a feasible deoxidati on and titanium control gradient redesign strategy based on GCr15 bearing steel， with the aim of optimising the synergistic mechanism of deoxidation and titanium control in the stage of furnace refining. The pivotal mechanisms of deoxidation and titanium regulation are elucidated through industrial sampling of the entire industrial process. The interface reaction simulation and laboratory thermal experiments are meticulously designed and conducted to systematically verify the viability of the deoxidation and titanium control gradient redesign strategy in the management of ultra-low oxygen and titanium control in GCr15 bearing steel. Orthogonal experiments and FactSage phase equilibrium calculations have determined the CaO-Al₂O₃-SiO₂-MgO quaternary slag system （50.18%CaO-21.36%SiO₂-24.11%Al₂O₃-4.35%MgO） to be the optimal titanium removal slag system. Thermodynamic studies demonstrate a positive correlation between the rate of titanium removal and the oxygen activity of the molten steel. It is also evident that excessive deoxidation during the LF stage impedes titanium oxidative migration， thereby reducing the efficiency of titanium removal in the RH stage. Experimental evidence demonstrates that a stepped oxygen control strategy can overcome the antagonistic relationship between deoxidation and titanium control. Laboratory simulation of the RH condition reaction has been shown to reduce titanium content from 117×10

-6

to 3.8×10

-6

at an oxygen content of 35×10

-6

， with the titanium removal rate reaching 96.7%.The findings from both industrial data and laboratory experiments collectively demonstrate that LF weak deoxidation facilitates

the slag gold reaction titanium removal process， enhancing the efficiency of titanium removal within the refining process as a whole. This， in turn， enables the synergistic control of oxygen and titanium. This study provides a theoretical basis and process optimization scheme for the industrial production of ultra-low oxygen titanium-bearing steel， and provides a direction to solve the problem of titanium inclusions restricting the fatigue life of bearings.

关键词

Keywords

references

何加群 . 论我国重大技术装备轴承的自主安全可控［J］. 轴承， 2022 （ 1 ）： 1 - 17 .

BHADESHIA H . Steels for bearings ［J］. Progress in materials Science ， 2012 ， 57 （ 2 ）： 268 - 435 .

Li W ， Sakai T ， Li Q ， et al . Reliability evaluation on very high cycle fatigue property of GCr15 bearing steel ［J］. International Journal of Fatigue ， 2010 ， 32 （ 7 ）： 1096 - 1107 .

Ai X L . A comprehensive model for assessing the impact of steel cleanliness on bearing performance ［J］. Journal of Tribology ， 2015 ， 137 （ 1 ）： 011101 .

Wang Z L ， Bao Y P . Development and prospects of molten steel deoxidation in steelmaking process ［J］. International Journal of Minerals， Metallurgy and Materials ， 2024 ， 31 （ 1 ）： 18 - 32 .

Ma W J ， Bao Y P ， Zhao L H ， et al . Control of the precipitation of TiN inclusions in gear steels ［J］. International Journal of Minerals， Metallurgy， and Materials ， 2014 ， 21 （ 3 ）： 234 - 239 .

杨雯蕊，薛正良，田　浩，等 . 盾构机主轴承圆柱滚子用轴承钢中钛夹杂析出与控制［J］. 炼钢， 2025 ， 41 （ 1 ）： 74 - 85 .

金武涛 . 轴承钢中钛夹杂的析出与固溶行为研究［D］. 武汉：武汉科技大学， 2018 .

陈峰，汪峥，童忆，等 . 各类型夹杂物对轴承钢疲劳失效的作用与评价［J］. 中国冶金， 2024 ， 34 （ 9 ）： 103 - 112 .

DEGUANG Z ， JIE F U ， XICHUN C ， et al . Precipitation behavior of TiN in bearing steel ［J］. 材料科学与技术， 2003 ， 19 （ 2 ）： 184 .

张静，姜金耀，郑少波，等 . 高钛铁水转炉脱钛研究［J］. 上海金属， 2022 ， 44 （ 5 ）： 87 - 92 .

吴　巍，倪　冰，刘壮壮，等 . 用铁精粉进行铁水脱钛预处理的工艺开发［J］. 中国冶金， 2014 ， 24 （ 10 ）： 16 - 21 .

安强 . 超低钛轴承钢的生产实践［J］. 山西冶金， 2022 ， 45 （ 2 ）： 229 - 230 .

胡井涛 . LF精炼脱氧合金化模型开发与在线应用［D］. 沈阳：东北大学， 2011 .

张　妮，孙　亮，于会香 . 稀土处理铝脱氧钢的研究进展［J］. 炼钢， 2024 ， 40 （ 6 ）： 1 - 12 .

正交实验法编写组 . 正交实验法［M］. 国防工业出版社， 1976 .

YOON B ， HEO K ， KIM J ， et al . Improvement of steel cleanliness by controlling slag composition ［J］. Ironmaking & steelmaking ， 2002 ， 29 （ 3 ）： 214 - 217 .

徐匡迪，肖丽俊 . 特殊钢精炼中的脱氧及夹杂物控制［J］. 钢铁， 2012 ， 47 （ 10 ）： 1 - 13 .

刘壮壮，吴巍，倪冰，等 . 铁水包预处理脱钛理论分析与试验研究［J］. 钢铁研究学报， 2013 ， 25 （ 6 ）： 13 - 17 .

张蓬朝，李光强，胡可，等 . 精炼渣对钢中钛含量和洁净度的影响［J］. 钢铁： 1 - 11 .

Dahl F ， Brandberg J ， Du S C . Characterization of melting of some slags in the Al 2 O 3 -CaO-MgO-SiO 2 quaternary system ［J］. ISIJ International ， 2006 ， 46 （ 4 ）： 614 - 616 .

李昊哲，金进文，高　放，等 . 含氟精炼渣冶金性能研究及其无氟化设计［J］. 特殊钢， 2025 ， 46 （ 2 ）： 72 - 77 .

常金宝，马德刚，李双武，等 . 含钛焊丝钢铝钛氧化物夹杂形成的热力学分析及应用［J］. 炼钢， 2013 ， 29 （ 4 ）： 62 - 66 .

Qian G Y ， Jiang F ， Cheng G G ， et al . Effect of TiO 2 addition to LF refining slag on the Ti， Al， and cleanliness of Ti-stabilized stainless steel ［J］. Metallurgical Research & Technology ， 111 （ 4 ）： 229 - 237 .

Wu W ， Ni B ， Liu Z Z ， et al . Theoretical study and thermal simulation of titanium removal in combined blown converters ［J］. Journal of Iron and Steel Research International ， 2015 ， 22 （ 1 ）： 57 - 62 .

黄希祜 . 钢铁冶金原理［M］. 北京：冶金工业出版社， 1981 .

ZHANG G ， CHENG G ， WANG Y ， et al . A thermodynamic model of the titanium distribution behaviour between slag and molten steel during LF refining process： description and application ［J］. Ironmaking & Steelmaking ， 2022 ， 49 （ 7 ）： 679 - 692 .

Views

下载量

CSCD

CNKI被引量

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

No data

Related Author

Zhang Feilong

Liu Wei

Related Institution

No data

⁰