CN110170631A - 改善齿轮钢小方坯中心偏析的控制方法 - Google Patents

改善齿轮钢小方坯中心偏析的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种改善齿轮钢小方坯中心偏析的控制方法，包括钢水化学成分窄成分控制、浇铸过热度控制、浇铸恒拉速控制和其它浇铸工艺控制；钢水化学成分窄成分实际含量范围控制精度为：C实际=C目标±0.01%；Si实际=Si目标±0.015%；Mn实际=Mn目标±0.03%；Cr实际=Cr目标±0.025%；Ti实际=Ti目标±0.01%；浇铸过程中中间包过热度稳定控制在20‑35℃范围内；钢水在小方坯连铸机浇铸时采用恒拉速进行浇铸，保证二冷比水量；钢水在小方坯连铸机浇铸时，采用结晶器电磁搅拌，在连铸凝固末端采用末端电磁搅拌，在凝固末端采用动态轻压下技术。本发明可使小断面齿轮钢铸坯的中心偏析得到有效控制，改善齿轮钢小方坯横断面上的成分均匀性，提升铸坯内部质量。

Description

改善齿轮钢小方坯中心偏析的控制方法
技术领域
本发明涉及一种铸坯中心偏析的控制方法，尤其涉及一种改善齿轮钢小方坯中心偏析的控制方法。
背景技术
齿轮钢主要用于加工制作各种差速器主从动齿、星形齿、半轴齿轮等各类齿轮产品。随着我国汽车工业的发展，齿轮钢作为汽车的重要传动部件，对其质量要求不断提高，不但要有良好的强韧性、耐磨性，能很好的承受冲击、弯曲和接触应力，而且还要求变形小、精度高，特别是为保窄淬透性带宽，低带状组织级别，对成分均匀性提出了更高的要求。
齿轮钢的偏析是造成钢的内部质量和性能不稳定的主要因素；改善铸坯偏析控制的重要方法就是提高铸坯致密度及铸坯凝固结晶组织均匀性。铸坯中心偏析形成的主要原因是铸坯冷却凝固过程中，随着柱状晶的长大，溶质元素不断在枝晶间析出，导致枝晶的生长，高溶质浓度的钢液部分被推向铸坯中心位置；另外，小断面铸坯中心凝固收缩会导致其对钢液抽取，从而导致上部钢液很难对铸坯凝固收缩形成有效补缩，枝晶间高溶质浓度的钢液向铸坯中心聚集，最终导致铸坯中心偏析度明显偏高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种改善齿轮钢小方坯中心偏析的控制方法，可使小断面齿轮钢铸坯的中心偏析得到有效控制，改善齿轮钢小方坯横断面上的成分均匀性，提升铸坯内部质量。
解决上述技术问题的技术方案为：
改善齿轮钢小方坯中心偏析的控制方法，包括钢水化学成分窄成分控制、浇铸过热度控制、浇铸恒拉速控制和其它浇铸工艺控制；
所述钢水化学成分窄成分控制是指减小齿轮钢对应成分目标含量的浮动范围，各个成分实际含量范围控制精度为：
C实际=C目标±0.01% 式中C实际：C的实际含量；C目标：C的目标含量
Si实际=Si目标±0.015% 式中Si实际：Si的实际含量；Si目标：Si的目标含量
Mn实际=Mn目标±0.03% 式中Mn实际：Mn的实际含量；Mn目标：Mn的目标含量
Cr实际= Cr目标±0.025% 式中Cr实际：Cr的实际含量；Cr目标：Cr的目标含量
Ti实际= Ti目标±0.01% 式中Ti实际：Ti的实际含量；Ti目标：Ti的目标含量
所述浇铸过热度控制是指浇铸过程中中间包过热度稳定控制在20-35℃范围内；
所述连铸恒拉速控制是指钢水在小方坯连铸机浇铸时采用恒拉速进行浇铸，保证二冷比水量；
所述其他浇铸工艺控制是指钢水在小方坯连铸机浇铸时，采用结晶器电磁搅拌，在连铸凝固末端采用末端电磁搅拌，在凝固末端采用动态轻压下技术。
上述的改善齿轮钢小方坯中心偏析的控制方法，所述钢水化学成分窄成分控制过程中，稳定转炉装入制度及废钢质量，减小出钢量波动，保证出钢终点C含量控制在0.06-0.12wt%范围内。
上述的改善齿轮钢小方坯中心偏析的控制方法，所述钢水化学成分窄成分控制在转炉冶炼过程中完成，转炉冶炼完成后进行LF精炼，在LF精炼进行15-25min时添加锰铁、硅铁、铬铁合金精确调整到目标含量，并调整钢水中C含量﹣0.02%～C目标。
上述的改善齿轮钢小方坯中心偏析的控制方法，LF精炼30min后吹氩搅拌流量控制在100-300 NL/min，将精炼好的钢水吊至RH真空处理，进行脱气和净化钢水，RH精炼后软吹时间≥10min，保证钢水化学成分均匀，减小因化学成分不均匀而造成的偏析。
上述的改善齿轮钢小方坯中心偏析的控制方法，RH精炼结束后进行钢水吊包，吊包钢水温度控制在1570-1585℃范围内，中间包钢水液面上加覆盖剂全程保温，连铸过程控制钢水温降在25-40℃的范围内。
上述的改善齿轮钢小方坯中心偏析的控制方法，所述连铸恒拉速控制是指小方坯连铸机浇铸过程中采用动态二冷配水，浇铸拉速恒定在1.1m/min，使二冷比水量控制在0.5L/kg。
上述的改善齿轮钢小方坯中心偏析的控制方法，所述浇铸工艺控制过程中，采用R10m小方坯连铸机进行浇铸，采用结晶器电磁搅拌，参数350±20A/3.0±0.5Hz，距结晶器弯月面7.2m处设置末端电磁搅拌，参数250±20A/8.0±0.5Hz，在凝固末端采用动态轻压下技术。
上述的改善齿轮钢小方坯中心偏析的控制方法，所述钢水化学成分窄成分控制过程中，稳定转炉装入制度及废钢质量，减小出钢量波动，出钢过程中根据钢水量配加氮含量低于120PPM的低氮碳粉及含有Si、Mn、Cr的合金，保证出钢终点C含量控制在0.06-0.12wt%范围内。
本发明核心控制点为：（1）钢水各化学成分进行窄成分控制，减小各炉次间混浇段成分差异而造成的铸坯偏析；（2）精炼采用LF和RH双精炼工艺，提高了钢水的纯净度，促使成分更加均匀，减少因化学成分不均匀而造成的偏析；（3）连铸凝固末端采用动态轻压下技术和连铸双电搅工艺，并采低过热度和恒拉速进行浇注，加强液芯内钢水的对流运动降低液芯温度梯度、折断树枝晶，加速了柱状晶向等轴晶的过渡，低过热度浇铸减小铸坯断面上温度梯度，提高等轴晶率，进而有效的减轻了铸坯在凝固过程中的枝晶偏析。
本发明的有益效果为：
本发明采用化学成分窄成分控制，缩小各化学成分的波动范围，同时缩小连浇过程上下炉次钢水化学成分偏差，从而有利于控制齿轮钢连铸小方坯横断面上的成分均匀性。
本发明有效的控制齿轮钢铸坯的中心偏析，增加了等轴晶的比率，低过热度和恒拉速缩短了液芯长度和凝固时间，连铸凝固末端采用动态轻压下技术和连铸双电搅工艺，减少了元素偏析，铸坯内部质量得到有效保障。
具体实施方式
以下结合具体实施实例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1：
采用R10m弧形方坯连铸机生产20CrMnTiH齿轮钢，120t转炉冶炼过程中稳定转炉装入制度及废钢质量，减小出钢量波动，出钢过程中按照135t钢水量配加氮含量低于0.012wt%的低氮碳粉及含有Si、Mn、Cr的合金，出钢终点C含量为0.06wt%；转炉冶炼完成后，钢包由转炉吊到LF精炼，在精炼15min时添加锰铁、硅铁、铬铁合金精确调整Si、Mn、Cr元素到目标含量，并调整钢水中C含量到0.17wt%；在LF精炼40min后调小吹氩搅拌强度，搅拌流量控制在100NL/min，将精炼好的钢水吊至RH真空处理，进行脱气和净化钢水，RH精炼后软吹时间为15min，保证钢水化学成分均匀，减小因化学成分不均匀而造成的偏析；RH精炼结束后钢水进行吊包时，吊包钢水温度1582℃，中间包钢水液面上加覆盖剂全程保温，连铸过程控制钢水温降在25-40℃的范围内；连铸坯尺寸为200×200mm；铸坯化学成分重量百分比分别为：C：0.19%、Si：0.24%、Mn：0.97%、Cr：1.12%、Ti：0.06%、P：0.012%、S：0.007%、Als：0.026%；各元素的目标含量值分别为：C：0.19%、Si：0.24%、Mn：0.97%、Cr：1.12%、Ti：0.06%、P：≤0.015%、S：≤0.008%、Als：0.023%；满足化学成分窄成分控制要求；浇铸时中包实际过热度为32℃，浇铸过程保持拉速在1.1m/min恒拉速浇铸，二冷比水量为0.5L/kg。结晶器电磁搅拌的搅拌强度为359A，搅拌频率为3.0Hz；凝固末端电磁搅拌的搅拌强度为264.6A，搅拌频率为8.3Hz。于铸坯凝固末端进行4.8mm的压下控制，以减弱中心收缩造成对高溶质浓度钢液抽吸。
浇铸完毕后，对齿轮钢20CrMnTiH连铸坯进行低倍检测，并对铸坯内部质量进行检测，检测结果显示铸坯中心偏析评级为1.0级，其余质量指标全部满足要求。为进一步明确铸坯横断面偏析控制情况，采用化学分析法对铸坯进行钻屑取样（取样钻头直径φ5mm）偏析检测，取样位置分布在铸坯内弧面到中心线及中心斜对角线上各4个点均匀分布，外加铸坯中心位置1个点，共9个点。检测结果得出铸坯碳偏析度整体控制在0.97-1.08，跟踪轧制规格50mm圆钢检验，圆钢心部偏析带明显减少，带状组织级别1.5级，满足了用户要求的带状组织级别≤2.5级的需要，其它性能检验全部满足用户要求。
实施例2：
采用R10m弧形方坯连铸机生产20CrMnTiH齿轮钢，120t转炉冶炼过程中稳定转炉装入制度及废钢质量，减小出钢量波动，出钢过程中按照135t钢水量配加氮含量低于0.012wt%的低氮碳粉及含有Si、Mn、Cr的合金，出钢终点C含量为0.07wt%；转炉冶炼完成后，钢包由转炉吊到LF精炼，在精炼20min时添加锰铁、硅铁、铬铁合金精确调整Si、Mn、Cr元素到目标含量，并调整钢水中C含量到0.18wt%；在LF精炼35min后调小吹氩搅拌强度，搅拌流量控制在250NL/min左右，将精炼好的钢水吊至RH真空处理，进行脱气和净化钢水，RH精炼后软吹时间为17min，保证钢水化学成分均匀，减小因化学成分不均匀而造成的偏析；RH精炼结束后钢水进行吊包时，吊包钢水温度1579℃，中间包钢水液面上加覆盖剂全程保温，连铸过程控制钢水温降在25-40℃的范围内；连铸坯尺寸为200×200mm；铸坯化学成分重量百分比分别为：C：0.19%、Si：0.23%、Mn：0.98%、Cr：1.10%、Ti：0.06%、P：0.013%、S：0.004%、Als：0.024%；各元素的目标含量值分别为：C：0.19%、Si：0.24%、Mn：0.97%、Cr：1.12%、Ti：0.06%、P：≤0.015%、S：≤0.008%、Als：0.023%；满足化学成分窄成分控制要求；浇铸时中包实际过热度为29℃，浇铸过程保持拉速在1.1m/min恒拉速浇铸，二冷比水量为0.5L/kg。结晶器电磁搅拌的搅拌强度为351.1A，搅拌频率为3.0Hz；凝固末端电磁搅拌的搅拌强度为267.0A，搅拌频率为8.3Hz。于铸坯凝固末端进行4.8mm的压下控制，以减弱中心收缩造成对高溶质浓度钢液抽吸。
浇铸完毕后，对齿轮钢20CrMnTiH连铸坯进行低倍检测，并对铸坯内部质量进行检测，检测结果显示铸坯中心偏析评级为0.5级，其余质量指标全部满足要求。为进一步明确铸坯横断面偏析控制情况，采用化学分析法对铸坯进行钻屑取样（取样钻头直径φ5mm）偏析检测，取样位置分布在铸坯内弧面到中心线及中心斜对角线上各4个点均匀分布，外加铸坯中心位置1个点，共9个点。检测结果得出铸坯碳偏析度整体控制在0.97-1.07，跟踪轧制规格60mm圆钢检验，圆钢心部偏析带明显减少，带状组织级别1.0级，满足了用户要求的带状组织级别≤2.5级的需要，其它性能检验全部满足用户要求。
实施例3：
采用R10m弧形方坯连铸机生产20CrMnTiH齿轮钢，120t转炉冶炼过程中稳定转炉装入制度及废钢质量，减小出钢量波动，出钢过程中按照135t钢水量配加氮含量低于0.012wt%的低氮碳粉及含有Si、Mn、Cr的合金，出钢终点C含量为0.06wt%；转炉冶炼完成后，钢包由转炉吊到LF精炼，在精炼20min时添加锰铁、硅铁、铬铁合金精确调整Si、Mn、Cr元素到目标含量，并调整钢水中C含量到0.17wt%；在LF精炼40min后调小吹氩搅拌强度，搅拌流量控制在200NL/min左右，将精炼好的钢水吊至RH真空处理，进行脱气和净化钢水，RH精炼后软吹时间为19min，保证钢水化学成分均匀，减小因化学成分不均匀而造成的偏析；RH精炼结束后钢水进行吊包时，吊包钢水温度1575℃，中间包钢水液面上加覆盖剂全程保温，连铸过程控制钢水温降在25-40℃的范围内；连铸坯尺寸为200×200mm；铸坯化学成分重量百分比分别为：C：0.19%、Si：0.24%、Mn：0.97%、Cr：1.12%、Ti：0.06%、P：0.015%、S：0.005%、Als：0.025%；各元素的目标含量值分别为：C：0.19%、Si：0.24%、Mn：0.97%、Cr：1.12%、Ti：0.06%、P：≤0.015%、S：≤0.008%、Als：0.023%；满足化学成分窄成分控制要求；浇铸时中包实际过热度为26℃，浇铸过程保持拉速在1.1m/min恒拉速浇铸，二冷比水量为0.5L/kg。结晶器电磁搅拌的搅拌强度为353.9A，搅拌频率为3.0Hz；凝固末端电磁搅拌的搅拌强度为261.6A，搅拌频率为8.2Hz。于铸坯凝固末端进行4.8mm的压下控制，以减弱中心收缩造成对高溶质浓度钢液抽吸。
浇铸完毕后，对齿轮钢20CrMnTiH连铸坯进行低倍检测，并对铸坯内部质量进行检测，检测结果显示铸坯中心偏析评级为0.5级，其余质量指标全部满足要求。为进一步明确铸坯横断面偏析控制情况，采用化学分析法对铸坯进行钻屑取样（取样钻头直径φ5mm）偏析检测，取样位置分布在铸坯内弧面到中心线及中心斜对角线上各4个点均匀分布，外加铸坯中心位置1个点，共9个点。检测结果得出铸坯碳偏析度整体控制在0.98-1.06，跟踪轧制规格60mm圆钢检验，圆钢心部偏析带明显减少，带状组织级别0.5级，满足了用户要求的带状组织级别≤2.5级的需要，其它性能检验全部满足用户要求。
实施例4：
采用R10m弧形方坯连铸机生产20CrMnTiH齿轮钢，120t转炉冶炼过程中稳定转炉装入制度及废钢质量，减小出钢量波动，出钢过程中按照135t钢水量配加氮含量低于0.012wt%的低氮碳粉及含有Si、Mn、Cr的合金，出钢终点C含量为0.12wt%；转炉冶炼完成后，钢包由转炉吊到LF精炼，在精炼25min时添加锰铁、硅铁、铬铁合金精确调整Si、Mn、Cr元素到目标含量，并调整钢水中C含量到0.19wt%；在LF精炼40min后调小吹氩搅拌强度，搅拌流量控制在300NL/min左右，将精炼好的钢水吊至RH真空处理，进行脱气和净化钢水，RH精炼后软吹时间为20min，保证钢水化学成分均匀，减小因化学成分不均匀而造成的偏析；RH精炼结束后钢水进行吊包时，吊包钢水温度1571℃，中间包钢水液面上加覆盖剂全程保温，连铸过程控制钢水温降在25-35℃的范围内；连铸坯尺寸为200×200mm；铸坯化学成分重量百分比分别为：C：0.19%、Si：0.25%、Mn：0.96%、Cr：1.12%、Ti：0.05%、P：0.011%、S：0.004%、Als：0.025%；各元素的目标含量值分别为：C：0.19%、Si：0.24%、Mn：0.97%、Cr：1.12%、Ti：0.06%、P：≤0.015%、S：≤0.008%、Als：0.023%；满足化学成分窄成分控制要求；浇铸时中包实际过热度为22℃，浇铸过程保持拉速在1.1m/min恒拉速浇铸，二冷比水量为0.5L/kg。结晶器电磁搅拌的搅拌强度为344.6A，搅拌频率为3.0Hz；凝固末端电磁搅拌的搅拌强度为267.6A，搅拌频率为8.3Hz。于铸坯凝固末端进行4.8mm的压下控制，以减弱中心收缩造成对高溶质浓度钢液抽吸。
浇铸完毕后，对齿轮钢20CrMnTiH连铸坯进行低倍检测，并对铸坯内部质量进行检测，检测结果显示铸坯中心偏析评级为0.5级，其余质量指标全部满足要求。为进一步明确铸坯横断面偏析控制情况，采用化学分析法对铸坯进行钻屑取样（取样钻头直径φ5mm）偏析检测，取样位置分布在铸坯内弧面到中心线及中心斜对角线上各4个点均匀分布，外加铸坯中心位置1个点，共9个点。检测结果得出铸坯碳偏析度整体控制在0.98-1.05，跟踪轧制规格55mm圆钢检验，圆钢心部偏析带明显减少，带状组织级别0.5级，满足了用户要求的带状组织级别≤2.5级的需要，其它性能检验全部满足用户要求。

Claims (8)

1.改善齿轮钢小方坯中心偏析的控制方法，其特征在于：包括钢水化学成分窄成分控制、浇铸过热度控制、浇铸恒拉速控制和其它浇铸工艺控制；
所述钢水化学成分窄成分控制是指减小齿轮钢对应成分目标含量的浮动范围，各个成分实际含量范围控制精度为：
C实际=C目标±0.01% 式中C实际：C的实际含量,C目标：C的目标含量；
Si实际=Si目标±0.015% 式中Si实际：Si的实际含量,Si目标：Si的目标含量；
Mn实际=Mn目标±0.03% 式中Mn实际：Mn的实际含量, Mn目标：Mn的目标含量；
Cr实际= Cr目标±0.025% 式中Cr实际：Cr的实际含量, Cr目标：Cr的目标含量；
Ti实际= Ti目标±0.01% 式中Ti实际：Ti的实际含量,Ti目标：Ti的目标含量；
所述浇铸过热度控制是指浇铸过程中中间包过热度稳定控制在20-35℃范围内；
所述连铸恒拉速控制是指钢水在小方坯连铸机浇铸时采用恒拉速进行浇铸，保证二冷比水量；
所述其他浇铸工艺控制是指钢水在小方坯连铸机浇铸时，采用结晶器电磁搅拌，在连铸凝固末端采用末端电磁搅拌，在凝固末端采用动态轻压下技术。
2.如权利要求1所述的改善齿轮钢小方坯中心偏析的控制方法，其特征在于：所述钢水化学成分窄成分控制过程中，稳定转炉装入制度及废钢质量，减小出钢量波动，保证出钢终点C含量控制在0.06-0.12wt%范围内。
3.如权利要求1所述的改善齿轮钢小方坯中心偏析的控制方法，其特征在于：所述钢水化学成分窄成分控制在转炉冶炼过程中完成，转炉冶炼完成后进行LF精炼，在LF精炼进行15-25min时添加锰铁、硅铁、铬铁合金精确调整到目标含量，并调整钢水中C含量﹣0.02%～C目标。
4.如权利要求3所述的改善齿轮钢小方坯中心偏析的控制方法，其特征在于：LF精炼30min吹氩搅拌流量控制在100-300 NL/min，将精炼好的钢水吊至RH真空处理，进行脱气和净化钢水，RH精炼后软吹时间≥10min，保证钢水化学成分均匀，减小因化学成分不均匀而造成的偏析。
5.如权利要求4所述的改善齿轮钢小方坯中心偏析的控制方法，其特征在于：RH精炼结束后进行钢水吊包，吊包钢水温度控制在1570-1585℃范围内，中间包钢水液面上加覆盖剂全程保温，连铸过程控制钢水温降在25-40℃的范围内。
6.如权利要求1所述的改善齿轮钢小方坯中心偏析的控制方法，其特征在于：所述连铸恒拉速控制是指小方坯连铸机浇铸过程中采用动态二冷配水，浇铸拉速恒定在1.1m/min，使二冷比水量控制在0.5L/kg。
7.如权利要求1所述的改善齿轮钢小方坯中心偏析的控制方法，其特征在于：所述浇铸工艺控制过程中，采用R10m小方坯连铸机进行浇铸，采用结晶器电磁搅拌，参数350±20A/3.0±0.5Hz，距结晶器弯月面7.2m处设置末端电磁搅拌，参数250±20A/8.0±0.5Hz，在凝固末端采用动态轻压下技术。
8.如权利要求1或2所述的改善齿轮钢小方坯中心偏析的控制方法，其特征在于：所述钢水化学成分窄成分控制过程中，稳定转炉装入制度及废钢质量，减小出钢量波动，出钢过程中根据钢水量配加氮含量低于120PPM的低氮碳粉及含有Si、Mn、Cr的合金，保证出钢终点C含量控制在0.06-0.12wt%范围内。
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