CN104212934A - 一种齿轮钢棒材氮化钛夹杂物的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种齿轮钢棒材氮化钛夹杂物的控制方法，采用“转炉冶炼→LF精炼→RH精炼→矩形坯连铸”生产工艺，具体的操作步骤依次如下：1、转炉冶炼，将铁水和废钢加入转炉，所述铁水与废钢之重量比大于15:1；2、LF精炼，对钢水进行LF精炼，防止所述钢水与空气接触；3、RH真空精炼，对所述钢水进行真空脱气处理，在≤66.7Pa高真空度下保持处理时间≥15min，期间加入钛铁合金；4、连铸，完成RH精炼后，所述钢水钢包进行连铸工序，连铸过程中，采用≤35℃的低过热度、恒温恒拉速、结晶器电磁搅拌技术，并氩封。从而控制氮化钛析出的浓度积。

Description

一种齿轮钢棒材氮化钛夹杂物的控制方法

技术领域

本发明属于合金结构钢生产技术领域，尤其是指一种齿轮钢棒材氮化钛夹杂物的控制方法。

背景技术

随着汽车行业的发展，对齿轮钢的使用寿命提出更高的要求。大量的研究表明，齿轮钢钢棒材中的微米级氮化钛夹杂物对钢材的加工性能和最终成品的韧性和疲劳性能产生不利影响，尤其是高端齿轮钢，对氮化钛夹杂往往提出严格的要求。因此，氮化钛夹杂物的尺寸就成为齿轮钢控制疲劳寿命的最主要因素之一。

研究表明，细小的氮化钛对齿轮钢起到细化晶粒的作用，但是钢液中析出的大颗粒带有棱角的微米级氮化钛夹杂物，不但起不到细化晶粒的作用，而且会成为裂纹源，对齿轮造成危害，降低其疲劳寿命。钢中的平均尺寸为6μm氮化钛夹杂对疲劳性能的危害作用与平均尺寸为25μm的氧化物夹杂相当。因此，对疲劳寿命有更高要求的齿轮钢一般都要求控制钢中的氮化钛夹杂物尺寸及数量，目前含钛微合金化的齿轮钢一般都要求将氮化钛夹杂物按D类评定控制在2.0级以内。

理论分析表明，氮化钛的溶解度较小，钢液凝固过程，随着温度降低，氮和钛在钢中的溶解度降低，其浓度积达到一定值时即析出氮化钛夹杂物，而氮化钛夹杂物在固液两相区之间析出时，存在聚集长大条件，此时析出的夹杂物尺寸较大，危害最大；在固相线温度下析出的氮化钛尺寸较小，不仅危害极小，往往有利于细化晶粒尺寸，提高钢材的性能。因此，一些钢铁企业在生产采用钛微合金化的齿轮钢棒材时，为了控制钢材的氮化物尺寸不得不通过降低钢水浇注温度即控制钢水过热度，提高冷却速度即缩短钢水在固液相区的时间使钢液析出细小的氮化钛夹杂物，导致钢水可浇性降低，容易出现漏钢现象；导致圆钢内部质量受到一定的影响。

发明内容

本发明提供了一种齿轮钢棒材氮化钛夹杂物的控制方法，解决了钢中氮化物夹杂物超标的问题，改善钢水的可浇性，并提高钢坯的内部质量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种齿轮钢棒材氮化钛夹杂物的控制方法，采用“转炉冶炼→LF精炼→RH精炼→矩形坯连铸”生产工艺，具体的操作步骤依次如下：

第一步，转炉冶炼，将铁水和废钢加入转炉，所述铁水与废钢之重量比大于15:1；转炉冶炼过程中，将低氮原材料和低氮合金加入所述转炉，不补吹；出钢过程加入预脱氧剂，得到钢水钢包；

第二步，LF精炼，将所述钢水钢包吊至LF炉工位，对钢水进行LF精炼，防止所述钢水与空气接触；

第三步，RH真空精炼，将所述钢水钢包吊至RH精炼工位，对所述钢水进行真空脱气处理，在≤66.7Pa高真空度下保持处理时间≥15min，期间加入钛铁合金；RH精炼结束后，对所述钢水进行软吹氩搅拌处理；

第四步，连铸，完成RH精炼后，所述钢水钢包进行连铸工序，连铸过程中，采用≤35℃的低过热度、恒温恒拉速、结晶器电磁搅拌技术，并且对所述钢水进行氩封。

具体地，所述连铸过程中，二冷水冷却强度为0.54L/Kg以上。

具体地，所述RH真空精炼过程中，在脱气处理前期加入钛铁合金，控制所述钢水中钛含量在Wt％：0.032％以内。

具体地，所述RH真空精炼过程中，真空环流采用氩气。

具体地，所述连铸步骤完成后，进行加热轧制，将钢坯红送入炉进行加热，所述钢坯均热温度为1120-1200℃，加热时间≥272分钟；采用二辊初轧与热连轧工艺轧制，初轧开轧温度1080-1140℃，终轧温度880-940℃。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：氮化钛夹杂物控制技术的核心是控制氮化钛析出的浓度积。本发明通过以下手段降低钢液中的氮含量：1)对加入转炉的铁水与废钢的重量比控制在大于15:1的范围；2)在低氮原材料和低氮合金加入转炉后不补吹；3)现有的转炉冶炼工序中，吹入的惰性气体多选用氮气，而本发明选用氩气；4)现有的RH精炼工序中，真空环流多选用氮气，而本发明选用氩气；5)在LF精炼及连铸的工程中，通过氩封做好全程保护，防止钢水接触空气导致增氮。同时，降低含钛齿轮钢的钛合金加入量，从而达到降低氮化钛析出浓度积的目的。此外，通过降低过热度和增大二冷水冷却强度，抑制大颗粒尺寸氮化钛夹杂物的析出，减少氮化钛在液固两相区的析出量，进一步避免氮化钛夹杂物对齿轮钢棒材品质的影响。

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

具体实施方式

本发明的齿轮钢棒材氮化钛夹杂物的控制方法，采用“转炉冶炼→LF精炼→RH精炼→矩形坯连铸”生产工艺。

实施例1以20CrMnTiH齿轮圆钢的生产过程控制予以说明。

(1)转炉冶炼，采用130t的转炉冶炼，将铁水与废钢加入转炉中，铁水与废钢之比(重量比Wt％)大于15:1，优选地，铁水与废钢之比(重量比Wt％)为15:1，使用优等废钢，冶炼过程加入低氮的低碳铬铁、硅锰、锰铁合金，冶炼后期不补吹；冶炼过程尽量采用底吹氩气，出钢1/3开始加入铝铁合金进行预脱氧，得到钢水钢包。所述出钢1/3是指转炉炉子里的钢水倒至钢包，炉子里的钢水倒了总重量的1/3。

(2)炉外精炼，出钢后天车将钢水钢包吊至LF炉工位，测温、取样测成分，开始通电极进行加热，通电3分钟后分批加入石灰和萤石进行造渣、调整渣的流动性。LF精炼初期快速造白渣，中后期护白渣，降低钢水的氧含量；精炼过程做好钢水保护，防止与空气接触。用天车将钢水吊至RH精炼工位，然后开始真空循环脱气处理，处理3分钟进行取样、定氧，5分钟左右加入钛铁、调整钢水中的钛含量，将钛控制在Wt％：0.032％以内。确保钢水在≤66.7Pa高真空度下保持处理时间≥15min，高真空阶段及处理后期不补加任何合金调整成分。真空环流采用氩气。真空处理结束喂入200m左右的钙铁线，然后投入碳化稻壳保温，进行软吹氩处理，确保软吹氩时间≥15min。

(3)大方坯连铸。软吹氩结束后，将钢水钢包吊至平台，确保钢水钢包长水口插入深度≥200mm连接中间包，而中间包的浸入式水口插入深度按120±20mm控制。用引流沙引流开浇，采用320mm×425mm大方坯进行浇铸，开浇后向结晶器加入保护渣保护渣。要少量地、均匀地加入，连铸过程确保20-35℃的低过热度、恒温恒拉速、结晶器电磁搅拌；并对钢水进行氩封，全程保护浇注，防止钢水接触空气导致增氮；加大连铸二冷水冷却强度，将二冷水冷却强度由0.36L/Kg提高至0.54L/Kg以上，减少钢水固、液两相区时间，抑制连铸过程中的大尺寸氮化钛夹杂物析出。连铸过程使用火焰切割机按坯料定尺长度9000mm进行分坯切割，用夹具将钢坯吊至转运火车上，待浇铸结束、钢坯全部吊至火车上后，立即将钢坯转至轧钢厂。

(4)加热轧制。钢坯转运至钢厂后，用天车将钢坯吊到入炉辊道上，红送入炉进行加热，钢坯均热温度为1120-1200℃，加热时间≥272分钟。钢坯出炉进行高压水除磷，然后采用二辊粗轧机及连轧机将钢坯轧制110mm规格，确保初轧开轧温度1080-1140℃，终轧温度880-940℃。轧成110mm规格，圆钢通过横移辊道转至热锯处取样、定尺锯切，将试样送至检测中心进行高低倍组织、末端淬透性检测分析，而定尺圆钢按正常入库。

表1是本发明的20CrMnTiH齿轮钢实施例与对比例1(西宁特钢的20CrMnTiH)、对比例2(石钢的20CrMnTiH)实际熔炼化学成分控制对比情况；

表2是本发明的20CrMnTiH齿轮钢实施例与对比例1(西宁特钢的20CrMnTiH)、对比例2(石钢的20CrMnTiH)圆钢产品质量对比情况。

表1 20CrMnTiH齿轮钢的化学成分控制Wt％

序号	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ti	O/ppm	N/ppm
										实施例	0.20	0.24	0.91	0.019	0.003	1.09	0.028	12	38
对比例1	0.19	0.26	0.96	0.024	0.005	1.12	0.068	17	52
										对比例2	0.20	0.23	0.94	0.021	0.012	1.14	0.056	15	53

表2 20CrMnTiH齿轮钢实物质量情况

从表1～2可以看出：按本发明方法冶炼轧制的齿轮钢棒材的钛和氮含量都控制较低，圆钢的低倍组织良好，非金属夹杂物控制较好，钢中大部分氮化钛夹杂物尺寸≤5um，且量较少，参照D类评级氮化物夹杂物级别较低，相对国内两个钢厂的齿轮钢氮化物夹杂物控制有显著提高。因此，采用本发明生产的齿轮钢能满足国内高端齿轮钢的夹杂物要求，有利于延长齿轮的疲劳寿命。

汽车行业的高速发展，对齿轮钢的疲劳寿命提出更高的要求，含钛齿轮钢容易生成大颗粒的带棱角的氮化钛夹杂物，该夹杂物会成为裂纹源，对齿轮造成危害，降低其疲劳寿命。目前国内钢厂对含钛齿轮钢的氮化物控制效果不显著，较难满足高端齿轮钢对氮化钛的要求。

韶钢特钢依据氮化物控制的关键因素控制氮化钛析出的浓度积，通过炼钢工艺降低钢中的氮含量，并降低加入钢中的钛含量，结合低过热度、强二冷却水强度的连铸技术，生产的20CrMnTiH齿轮钢的氮化钛夹杂物能满足高端齿轮钢的要求，且产品的内部质量良好。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。

Claims (5)

1.一种齿轮钢棒材氮化钛夹杂物的控制方法，其特征在于，操作步骤依次如下：

第一步，转炉冶炼，将铁水和废钢加入转炉，所述铁水与废钢之重量比大于15:1；转炉冶炼过程中，将低氮原材料和低氮合金加入所述转炉，不补吹；出钢过程加入预脱氧剂，得到钢水钢包；

第二步，LF精炼，将所述钢水钢包吊至LF炉工位，对钢水进行LF精炼，防止所述钢水与空气接触；

第三步，RH真空精炼，将所述钢水钢包吊至RH精炼工位，对所述钢水进行真空脱气处理，在≤66.7Pa高真空度下保持处理时间≥15min，期间加入钛铁合金；RH精炼结束后，对所述钢水进行软吹氩搅拌处理；

第四步，连铸，完成RH精炼后，所述钢水钢包进行连铸工序，连铸过程中，采用≤35℃的低过热度、恒温恒拉速、结晶器电磁搅拌技术，并且对所述钢水进行氩封。

2.如权利要求1所述齿轮钢棒材氮化钛夹杂物的控制方法，其特征在于：所述连铸过程中，二冷水冷却强度为0.54L/Kg以上。

3.如权利要求1所述齿轮钢棒材氮化钛夹杂物的控制方法，其特征在于：所述RH真空精炼过程中，在脱气处理前期加入钛铁合金，控制所述钢水中钛含量在Wt％：0.032％以内。

4.如权利要求1所述齿轮钢棒材氮化钛夹杂物的控制方法，其特征在于：所述RH真空精炼过程中，真空环流采用氩气。

5.如权利要求1所述齿轮钢棒材氮化钛夹杂物的控制方法，其特征在于：所述连铸步骤完成后，进行加热轧制，将钢坯红送入炉进行加热，所述钢坯均热温度为1120-1200℃，加热时间≥272分钟；采用二辊初轧与热连轧工艺轧制，初轧开轧温度1080-1140℃，终轧温度880-940℃。