特殊钢是钢铁强国的重要标志，也是一个国家工业化程度的重要标志之一。轴承、齿轮、紧固件、弹簧、轴类等基础件作为先进制造业的核心部件，量大面广，对制造业具有重大支撑作用，其发展趋势是更高可靠性、更长寿命、以及更好的环境适应性。目前，我国基础件及其用特殊钢整体上与国外先进水平存在较大差距，导致制造业大而不强，汽车、机械、航空、新型能源等行业的先进装备目前尚未完全实现国产化，成为“中国制造2025”制造业转型升级的重要瓶颈。与日本、德国等装备制造业发达国家相比，我国基础件用特殊钢产量大，但其质量稳定性、加工和使用性能与国外先进水平存在明显差距，导致基础件可靠性低、寿命波动大、服役环境适应性差，无法满足高端装备制造业的需求，急需在相关基础理论、关键共性技术以及应用等方面开展追赶工作，以满足制造业转型升级的发展需求。 针对以上问题，钢铁研究总院联合兴澄特钢等十家单位，在国家重点研发计划“先进制造业基础件用特殊钢及应用”等项目支持下，选取轴承钢、齿轮钢、弹簧钢、非调质钢、紧固件用钢、轴类用钢等量大面广的典型基础件用特殊钢，开展了长寿命机理研究及质量稳定性控制等系列关键技术、高效测试表征技术与产品开发攻关，以满足汽车、航空、机床、新能源等先进装备的需求，为先进装备的国产化和制造业升级奠定基础，从而带动我国特殊钢行业的升级换代，提升基础材料产业的整体竞争力。

众所周知，轴承材料中滚动体的技术难度大于套圈，钢球的难度又大于滚子和滚针，而大载荷轴承钢球与其它用途轴承钢球相比具有以下技术难点：①更大载荷：压碎负荷2500kN以上，工作应力1250kN以上，因此对于疲劳失效更加敏感；②更大规格：大载荷钢球规格高达Φ89mm(对应棒材规格为Φ60mm)，钢材组织均匀性控制难度大；③更恶劣服役环境：风电轴承全寿命周期免维护，服役于低温、腐蚀等恶劣环境，要求钢材P含量≤0.010%。 基于以上特点，大载荷轴承钢球要求钢中夹杂物数量少且尺寸小、碳化物细小均匀、P等有害元含量低，目前国内外只能采用模铸工艺生产，但这一工艺存在能耗排放高、生产效率低、制造成本高等问题。因此，开发绿色高效化炼钢-连铸工艺生产大载荷轴承钢球用钢成为行业的追求目标，如能成功攻克可填补国际国内空白，仅金属收得率从模铸的约83%提升至连铸的96%以上。 尽管随着冶金行业的技术不断进步，轴承钢的磷含量、钢水纯净度已不再成为轴承钢质量提升的限制性环节，部分特钢企业也能够采用连铸工艺生产小规格(Φ30mm以下)轴承钢球用钢，但是，如何在高效化转炉(供氧强度达到5.0Nm3/min/t)、快节奏精炼模式下快速将钢水P含量控制到0.010%以内、钢材总氧控制到5ppm以内，同时采用连铸工艺即可稳定生产出大规格长寿命轴承钢球用钢，目前很少有这方面的研究报道。因此，江苏中天钢铁集团特钢公司针对绿色高效化炼钢-连铸工艺生产大载荷轴承钢球用钢，本项目需要解决转炉高效率低磷含量控制、快节奏精炼钢水纯净度控制以及低中心偏析和高组织均匀性控制等科学技术问题及行业共性难题。

近年来，我国高品质轴承钢的生产技术有了重要进步，部分企业的轴承钢实物质量已经达到国际先进水平；但是大部分企业在轴承钢实物质量的稳定性方面，与国际领先水平还有差距。目前，国内外生产高品质轴承钢主要采用铝脱氧工艺，通过控制脱氧条件和高碱度渣快速降低钢液中氧含量和夹杂物数量，部分企业的高品质轴承钢全氧含量已经可以控制在5 ppm以下。铝脱氧钢中常见的夹杂物包括尖晶石、钙铝酸盐和氮化钛，其中钙铝酸盐和尖晶石被认为是对轴承钢疲劳寿命影响大的夹杂物，这也是服役过程导致铝脱氧轴承钢失效的重要原因之一。 在铝脱氧方式下，为了提高轴承钢的质量，现在普遍采用的方法是降低钢中全氧含量，以减少钢中夹杂物的数量。一般认为钢中的全氧含量与夹杂物数量有很好的对应关系，全氧含量越少，夹杂物越少。然而这种脱氧方式并不能消除尖晶石和钙铝酸盐。同时采用铝脱氧方式也带了很多问题，（1）是钢中全氧要控制极低，大大增加了炼钢生产的难度和成本；（2）由于采用铝脱氧工艺，恶化了钢液的流动性，钢液的连浇炉数大大减少，影响了连铸坯质量和生产成本；（3）钢液中的高Al含量容易还原渣中的Ti，从而影响钢中氮碳化钛的控制水平，进一步影响轴承钢的疲劳寿命。 为了避免高品质轴承钢采用铝脱氧带来的上述问题，本项目采用非铝组合脱氧方式（硅锰预脱氧+扩散脱氧+真空脱氧）冶炼轴承钢，解决了由于连铸水口堵塞带来的钢质量波动，从源头上减少了轴承钢中的钙铝酸盐和尖晶石类夹杂物，同时降低了生产成本。

长期以来，我国基础件用特殊钢质量稳定性、加工和使用性能与国外先进水平存在明显差距，导致基础件可靠性低、寿命波动大，无法满足高端装备制造业需求。针对以上问题，钢铁研究总院联合江阴兴澄特种钢铁有限公司等十家单位，在国家重点研发计划“先进制造业基础件用特殊钢及应用”等项目的支持下，钢铁研究总院等单位选取轴承钢、齿轮钢、非调质钢、紧固件用钢、轴用钢、弹簧钢等量大面广的典型基础件用钢，开展了高端基础件用特殊钢长寿命机理研究及一系列关键技术攻关。 在长寿命机理方面，重点研究了典型基础件用特殊钢中氧含量、夹杂物、组织等特征参数与疲劳寿命的关系、氢与钢中界面之间作用及氢脆机理，为典型品种长寿命化奠定了理论依据。在系列关键技术方面，重点突破了轴承钢超低氧、钛及DS夹杂物控制技术、齿轮钢窄淬透性带控制技术、非调质钢硫化物形态及分布控制技术、紧固件用钢窄成分控制技术、航空传动轴用钢低成本冶炼控制技术、弹簧钢脆性夹杂物控制技术等系列关键技术，使得基础件用特殊钢的质量稳定性得到大幅度提升。在此基础上，开发了先进制造业急需的一系列高端品种，包括Ds≤0.5的超高洁净轴承钢、≤4HRC超窄淬透性带宽的齿轮钢、1400MPa级贝氏体非调质钢、12.9级耐延迟断裂风电螺栓钢、低成本航空传动轴用钢、2100MPa级的高强度长寿命弹簧钢等。

本技术非铝组合脱氧方式（硅锰预脱氧+扩散/沉淀脱氧+真空脱氧）冶炼轴承钢，由于硅锰合金的脱氧能力较铝脱氧弱，仅依靠硅锰合金脱氧不足以将钢液中的全氧含量控制在10ppm以下，而一般工艺采用的铝脱氧方法可以将全氧含量稳定控制在5ppm左右。因此，本技术中采用RH真空精炼方法，利用碳在高真空度条件下具有极强的脱氧能力的特点，对高碳轴承钢钢液进行深度脱氧，以弥补硅锰弱脱氧造成的脱氧能力不足的问题，将钢液的全氧含量控制在5-9ppm。加料过程中严格控制流程中铝的带入量，保证全流程低铝操作，严格控制钢中的铝含量，以减少钢中含铝类夹杂物的生成；同时采用碱度为1-1.5的低碱度精炼渣，降低渣中的氧化钙含量，将精炼渣成分控制在低熔点范围内，使钢中夹杂物主要为塑性夹杂物。这种工艺大大减少了钢中钙铝酸盐类和尖晶石类夹杂物的含量，形成了以硅酸盐类夹杂物为主要氧化物夹杂物类型的塑性夹杂物体系，保证了钢中D类和Ds类夹杂的极低量控制。同时有效的减少了钢中含铝类夹杂物的数量，大大提高了连铸可浇性，连铸过程中无水口堵塞现象，连浇17炉后水口内壁光滑无絮瘤物。解决了铝脱氧钢连铸结瘤率高，浇注不稳定，大颗粒夹杂物剥落导致的疲劳寿命异常问题。

我国基础件用钢年产量超过3000万吨，约占特殊钢总量的30%，是量大面广的特殊钢品种。基础件产品种类丰富、制造工序繁多且质量要求逐步提升，对原材料的组织和性能提出特殊要求，但目前中高碳特钢线材在线组织性能精准调控仍是突出的技术难题，典型代表有：1）弹簧钢51CrV4等淬透性较强，小规格线材常规工艺易出现M+B组织，直接深拉拔时材料心部易发生“人字型”裂纹；2）8.8级紧固件用免退火冷镦钢市场需求量大，但当前产品球化/退化珠光体比例小，变形抗力大，模具损耗高而应用受限；3）工具钢S2（67SiCrNiMoV）淬透性高，轧后易形成M组织，在储运及加工过程易发生脆断导致报废；4）因低温变形抗力大，轴承钢100Cr6传统工艺不利于碳化物网状控制，显著影响滚动体轴承疲劳寿命；5）高强帘线钢LX86A要求原材料具有高索氏体化率、无封闭网碳，以保证深拉拔及捻股及疲劳性能，因此通常采用离线热处理（球化退火、盐浴或铅浴）及二火材等工艺来解决，带来成本增加、成材率低、能耗高、环境污染等一系列问题。 中天钢铁集团特钢公司通过在线组织调控技术的持续创新是有效解决上述问题的有效途径。传统控轧控冷技术（TMCP）主要应用于板带及型材生产，相关研究及技术成果较多。相比之下，基础件用特殊钢线材的在线组织调控技术研究相对薄弱，缺乏系统性，应用受限。因此当前特钢厂亟需结合下游用户的需求，加强研究力度，加快推进我国特钢线材的高品质、绿色化、节约化发展进程。

本项目属于钢铁冶金学科中的炼钢、连铸技术领域。 按照国家可持续发展的战略要求及集团的整体布局，将承德建龙打造成全球能源用钢的引领者，成立《高品质连铸大圆坯生产关键技术及高端产品研发》项目组，通过不断的技术创新，产品综合质量水平大幅提升，客户档次不断升级，品种结构大幅改善，在相关细分高端用钢领域成为主要的供应商。已为维斯塔斯、西门子、斯伦贝谢、瓦卢瑞克、南高齿、天津钢管等国际国内一流公司稳定供货并形成战略合作。近三年共生产连铸圆坯358万吨，其中φ350~600mm的高品质级别钢材大圆坯产品产量167万吨，圆坯市场占有率连续多年全国第一，取得了明显的经济及社会效益，吨钢盈利能力位居国内前列。 为了充分利用钒钛资源的综合效益优势，必须要攻克高磷、硫钒钛磁铁矿冶炼高洁净钢的技术难点，同时解决连铸大圆坯纯净度、偏析和中心裂纹等问题，满足高端客户对质量的需求，项目主要内容及特点如下： （1）采用“钒渣低钙提钒”、“半钢水KR脱硫”、“半钢补热”等关键技术，达到脱硫后半钢水硫含量≤0.005%，转炉终点磷含量≤0.003%；同时开发了提钒转炉长寿命技术、转炉氧氮气体混吹提钒技术，实现了钒、铬资源的高效利用。 （2）开发了不同品种的专用精炼渣系、钢中低Ti、低Ca控制技术、钢包水口控制吹氩+中包气氛保护+整体水口浇注的连铸保护浇注系统集成技术，结合多孔水口创新设计，实现风电偏航变桨轴承钢、石油阀体钢非金属夹杂物D类、Ds类≤1.0级，耐腐蚀抗硫管线钢非金属夹杂物A类≤0.5级、B类≤1.0级。 （3）开发了“结晶器、末端电磁搅拌+连铸坯超缓冷处理”集成技术，实现了风电轴承、石油阀体等中碳铬钼钢连铸坯横截面碳极差≤0.045%。 （4）开发了高纯净、抗硫化氢腐蚀管线钢；国内首家生产出满足API新标准（API SPECIFICATION 6A-2018, 21st EDITION）的高端石油阀体用连铸圆坯，实现稳定供货，替代了传统钢锭和电渣锭；实现了风电法兰S355NL钢屈服强度≥345MPa（锻件厚度≥150mm），-50℃冲击韧性≥120J；风电轴承达到了使用寿命≥30年所需的国际先进质量指标。 近三年新增产值621455万元，利税246014万元。获批专利16件，其中发明专利9件，发表论文16篇，参与制定石油阀体团体标准1项。

建龙北满特钢根据国家发展改革委、国务院振兴东北办2007年发布的《东北地区振兴规划》，为落实钢铁工业调整升级规划（2016-2020年），推进以先进制造业用高性能轴承钢为代表的关键基础钢铁材料的研发和产业化，基于在“四位一体”短流程特殊钢生产线，通过装备和工艺技术多年持续改进，实现轴承钢质量大幅度提升，成为国内首批获得国际轴承行业一流公司斯凯孚、舍弗勒和铁姆肯供货资质的企业，并连续稳定供货十余年。 建龙北满特钢的超洁净高均质轴承钢生产关键技术开发与应用主要研究内容为： 1、打破以全氧含量为核心研究轴承钢洁净度的传统思维，发现了Ds类夹杂物数量随钢中钙含量增加而单调增加的规律，明确了影响钙含量增加的主要因素，开发了以超低钙含量控制为核心的Ds类夹杂物的控制技术。 2、研究了冶炼过程中氧、钛和夹杂物的变化规律及钢中大颗粒夹杂物来源，开发了以“原辅料优化+流场优化+非稳态浇铸管控”相结合的高洁净轴承钢专用冶炼工艺与生产路线，实现了轴承钢全氧含量≤5ppm，Ti含量≤12ppm，Ca含量≤3ppm。 3、建立了连铸过程恒温、恒拉速工艺体系，精确控制凝固末端，固化压下位置及压下量，开发了独具特色的连铸大方坯静态轻压下技术，稳定实现了轴承钢中心偏析指数控制在1.05以下。 4、通过对轧件内部应力应变分布的数值模拟，实现轧制孔型优化，开发了以初轧大压下细化心部晶粒度与KOCKS轧机的控轧控冷相结合的网状碳化物控制技术，实现了轴承钢棒材（直径φ≤30mm）网状碳化物≤2.0级。 通过本项目的实施，轴承钢全氧含量T.O≤5ppm（平均4.7ppm）；Ti含量≤12ppm，Ds类夹杂物≤0.5级，网状碳化物（直径φ≤30mm棒材）≤2.0级，轴承钢产品获得中国钢铁工业协会“冶金产品实物质量金杯奖”、“特优质量奖”，荣获“中国名牌产品”、“黑龙江省用户满意产品”。项目实施期间获授权专利8件，发表论文31篇。 经过多年的持续质量改进、技术创新和推广应用，获授权专利8件，发表论文31篇，截止到2020年，建龙北满特钢为品牌汽车发动机轴承及轴承单元、医疗机械仪器轴承、工业轴承钢、精密轴承等领域提供优质原料近120万吨，成为国内重要的高档轴承钢的生产基地之一。近三年，轴承钢销量达40万吨，新增产值13.7亿元，新增利税2.7亿元，经济和社会效果显著。

利用国产精轧机+双机架MINI轧机及相应的“10+2“”，自主创新开发高品质特殊钢线材的TMCP技术以及该技术的应用，生产了（1）汽车悬架弹簧钢50CrVA ，获得了100%的准平衡态组织F+P组织，减少退火工序，满足用户直接拉拔加工；（2）高性能工具钢S2 ，获得了均匀的贝氏体组织，体积百分数≥90%，二次脱碳浅，便于用户加工及提升产品疲劳性能；（3）免退火冷镦钢SWRCH35K，在线获得球化组织，球化率达到80%以上，铁素体占比达到78%，冷加工性能好，成功用于直接拉拔冷镦生产多种紧固件；（4）滚动体轴承钢GCr15，有效控制网状渗碳体析出，网状碳化物≤2.5级，晶粒度达到10级以上，热轧面缩≥30%，可实现轻拉拔减少下游加工工序亦可缩短球化退火时间；（5）帘线钢LX82A，提高索氏体化率到90%以上，无网碳组织，同批抗拉强度波动控制在±25MPa内。 针对中碳到高碳的特殊钢线材品种，自主创新开发出系列的基于MINI轧机的TMCP工艺技术，实现下游加工工序、节约能源、减少排放、改善组织、提升品质、降低成本等，对特殊钢线材基于MINI轧机的轧制工艺优化起到明显的指导意义，达到了同类技术领域的先进水平

本项目“基于双机架MINI轧机的高品质特殊钢线材TMCP技术创新与开发应用”，围绕“10+2”流程创新、TMCP工艺创新、产品创新为核心，开展自主创新研究、开发及应用工作。通过产学研合作，基于“10+2”工艺流程，创新开发汽车用合金弹簧钢50CrVA、高性能手工具钢S2、免退火冷镦钢SWRCH35K、滚动体轴承钢GCr15、帘线钢LX82A等典型特殊钢线材品种的TMCP成套工艺技术，实现了高品质特殊钢线材的工业化生产，提升了产品的组织性能。产品实物质量达到国内领先、国际先进。实现下游加工工序减化、节约能源、减少排放、绿色环保、提升品质、降低成本等成效，取得良好的经济和社会效益。