CN111590040B - 一种提升齿轮钢质量的小方坯连铸生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钢铁冶金技术领域，公开了一种提升齿轮钢质量的小方坯连铸生产方法。该方法包括以下步骤：(1)采用结晶器电磁搅拌与凝固末端电磁搅拌组合；(2)采用强二冷工艺；(3)采用低过热度浇铸；(4)去除连铸坯中心位置Φ2.8‑3.2mm区域的基体，获得高均质度的产品。本发明提供的提升齿轮钢质量的小方坯连铸生产方法，通过将不可避免的偏析从中心区域缩小至中心点，促使凝固前沿溶质充分往中心位置聚集后去除该部分钢质，得到的铸坯横断面C元素偏析度在0.97‑1.02之间，能够有效优化200mm×200mm断面小方坯齿轮钢铸坯的均质性及致密性，为高质量齿轮的生产提供高质量坯料。

Description

一种提升齿轮钢质量的小方坯连铸生产方法
技术领域
本发明涉及钢铁冶金技术领域，具体涉及一种提升齿轮钢质量的小方坯连铸生产方法。
背景技术
齿轮是重要的动力传递机械构件，不同工况、不同部位的齿轮其受力情况不同，失效模式也会存在不同程度的差异，并且受齿轮材料、加工工艺、润滑情况、摩擦力以及齿轮几何参量和载荷模式等诸多因素的影响。其主要失效模式有：齿根断裂、齿面凹陷引起的齿面轮廓变形、疲劳剥落、磨损分为粘附磨损和磨粒磨损等。根据上述的主要的失效模式，对齿轮钢的性能要求为高的压溃抗力和抗点蚀剥落能力、良好的耐冲击能力和耐弯冲能力。合适的淬透性和硬化层深度及心部硬度良好的工艺性能及切削加工性以及变形和尺寸稳定性。汽车齿轮具有动力传递和改变速度的作用，是齿轮的一大重要代表。齿轮制作用钢不但要有良好的强韧性、耐磨性，能很好地承受冲击、弯曲和接触应力，而且还要求变形小。在齿轮的制作过程中，除要求合理的设计和机加工外，还要进行渗碳淬火或调质等热处理，使其表面硬化耐磨，基体抗冲击。而齿轮加工坯料的质量则在很大程度上决定了齿轮生产的效率及质量控制。
随着连铸生产技术的不断发展，铸坯质量控制技术水平不断提高。目前国内汽车齿轮坯料的生产主要以小方坯连铸生产为主，随着齿轮质量要求的不断提高，齿轮钢坯料致密性、均质性的要求也更高。目前对于连铸坯均质性控制相关的研究较多，大多集中于铸坯中心偏析控制，即降低溶质元素向铸坯中心位置点聚集，大多采用提高等轴晶率促进中心区域钢液同步形核凝固的技术思路。国内外有部分学者对坯铸坯质量控制装备及技术开展了相应研究，而对于本技术发明所述的“一种提升齿轮钢质量的小方坯连铸生产技术”并未涉及。
中国专利CN107262689A公开了一种大方坯二冷压下凸足辊结构和压下工艺，特别是一种涉及钢铁冶金技术领域的大方坯二冷压下凸足辊结构和压下工艺。本发明的大方坯二冷压下凸足辊结构，包括压下区上足辊和压下区下足辊，所述压下区下足辊位于压下区上足辊的下方，所述压下区上足辊中部设置有凸台，所述压下区下足辊中部设置有凸台,所述压下区下足辊的凸台比压下区上足辊的凸台长。本发明的大方坯二冷压下区压下工艺,设置多组压下区上足辊和压下区下足辊,所述压下区上足辊的压下量在拉坯方向逐渐增加。本申请可以有效解决大方坯连铸坯中心偏析和中心疏松问题。但是，对于“一种提升齿轮钢质量的小方坯连铸生产技术”的一些关键的具体内容并未涉及。
中国专利CN106735013A公开了一种提高大方坯头坯质量的连铸工艺，该工艺简单易行，改善开浇钢水与结晶器铜板的接触，增加润滑,杜绝角缝刮钢现象，有效避免开浇头坯表面缺陷，保证优良的大方坯头坯质量，同时也提高了结晶器铜板的寿命。其特征在于，包括以下步骤：(1)铸机开始浇注前40±5min，在结晶器铜壁上涂抹结晶器润滑剂，并涂满，尤其是结晶器角部；所述结晶器润滑剂涂抹方式具体为：采用辊筒进行均匀涂抹，一次涂抹，自然风干5±1min，然后进行二次涂抹,自然风干后进行其它开浇前常规的准备工作；(2)浇注过程中，开浇时结晶器铜板角缝处填充石墨，浇注时控制塞棒开启度为30～45％，钢流为正常浇铸的40～60％，该操作结束后，正常控制其它开浇工作，至起步，拉速稳定在0.45m/min或0.48m/min。但是，对于“一种提升齿轮钢质量的小方坯连铸生产技术”的一些关键的具体内容并未涉及。
中国专利CN107225148A公开了一种22CrMoH齿轮钢的轧制方法，通过对开坯温度、精轧温度、终轧温度、道次变形量、控冷工艺的调节，可有效降低MnS夹杂物的长/宽比，根据此方法得到的齿轮钢轧态组织为扁平化的奥氏体组织，析出相尺寸为20～25nm，析出量重量分数为0.31～0.38％；热处理后，奥氏体晶粒尺寸为5～7μm，纵向冲击韧性比值趋近于1。其特征在于，所述轧制方法包括以下步骤：(1)连铸坯经加热炉加热，经高压水除鳞去除氧化铁皮；(2)除磷后的连铸坯进行开坯得到初轧坯；(3)初轧坯进连轧机组轧制；(4)出连轧机组后进行水雾冷却；(5)水雾冷却后进入缓冷床进行缓冷；(6)进入缓冷坑进行缓冷；(7)空冷,即可得到热轧22CrMoH齿轮圆钢。但是，对于“一种提升齿轮钢质量的小方坯连铸生产技术”的一些关键的具体内容并未涉及。
中国专利CN106967931A公开了一种20Cr2Ni4齿轮钢及其生产工艺，该20Cr2Ni4齿轮钢，采用20Cr2Ni4制成，20Cr2Ni4中Mo的质量百分含量为0.15～0.30％。它的生产工艺包括配料、电弧炉冶炼、精炼炉冶炼，电弧炉冶炼过程中钢水熔化,温度达到1570～1590℃，取样进行检测分析，使Mo的质量百分含量达到0.15～0.30％；在精炼炉冶炼过程中，温度达到1570～1590℃，取样进行检测分析，使Mo的质量百分含量达到0.15～0.30％。本发明降低钢中夹杂物，降低钢中H、O、N气体含量，降低钢中有害元素P、S、As、Sn，加入适量Mo，能够提高该钢用于大型齿轮、轴等部件，在淬透性、热强性、细化晶粒、提高钢强度等综合性能改善。其特征在于，20Cr2Ni4中Mo的质量百分含量为0.15～0.30％。但是，对于“一种提升齿轮钢质量的小方坯连铸生产技术”的一些关键的具体内容并未涉及。
中国专利CN106566998A公开了一种CrMo系齿轮圆钢的制造方法,其特征在于其组分按重量百分比是：C:0.22％～0.27％，Si:0.03％～0.12％，Mn：1.20～1.45％，S≤0.020％，P≤0.020％，Cr:0.30％～0.60％，Mo≤0.20％，Al:0.015～0.040％，Ni≤0.10％，O≤15×10～6％，余下为Fe和不可避免的杂质。其中制得的圆钢的A类和D类夹杂物≤1.5级、B类和C类夹杂物≤1.0级，圆钢淬透性值:J5mm为42～50HRC，J9mm为38～46HRC，J15mm为32～40HRC。它改变了传统的靠添加大量添加Cr、Ni、Mo等合金元素来提高钢的淬透性的技术思路，通过适当提高C、Mn含量，大幅度降低Mo含量和Cr含量，取代Ni合金，在确保齿轮钢的淬透性不降低的前提下，大幅度降低了产品的生产成本，提高了产品的竞争力。但是，对于“一种提升齿轮钢质量的小方坯连铸生产技术”的一些关键的具体内容并未涉及。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的对于提升齿轮钢质量的小方坯连铸生产技术的内容并未涉及的问题，提供一种提升齿轮钢质量的小方坯连铸生产方法，该方法能够有效优化200mm×200mm断面小方坯齿轮钢铸坯的均质性及致密性，为高质量齿轮的生产提供高质量坯料。
为了实现上述目的，本发明提供了一种提升齿轮钢质量的小方坯连铸生产方法，该方法包括以下步骤：
(1)采用结晶器电磁搅拌与凝固末端电磁搅拌组合，对连铸坯未凝固的钢液熔池进行搅拌干预控制，改变连铸坯凝固过程的传热、传质过程，改善坯壳生长状态，促进溶质元素迁移扩散；
(2)采用强二冷工艺对步骤(1)中结晶器电磁搅拌后的熔池进行强制冷却，削弱凝固前沿溶质向中心区域迁移聚集的趋势；
(3)对步骤(1)和步骤(2)中的钢液采用低过热度浇铸，促进钢液快速发生凝固，提升冷却凝固效率，进一步弱化液态钢液中的溶质元素扩散传输及聚集，综合促进溶质元素均匀分布；
(4)去除通过步骤(1)至步骤(3)获得的连铸坯中心位置Φ2.8-3.2mm区域的基体，获得高均质度的产品。
优选地，在步骤(1)中，结晶器电磁搅拌的参数为：电流强度为80-120A，电流频率为2.5-4Hz。
更为优选地，在步骤(1)中，结晶器电磁搅拌的参数为：电流强度为90-100A，电流频率为3-4Hz。
优选地，在步骤(1)中，凝固末端电磁搅拌的参数为：电流强度为40-60A，电流频率为5-7Hz。
更为优选地，在步骤(1)中，凝固末端电磁搅拌的参数为：电流强度为40-50A，电流频率为5-6Hz。
优选地，步骤(1)中凝固末端电磁搅拌安装于铸坯中心未完全凝固的钢液液芯直径70-80mm处。
优选地，在步骤(2)中，强二冷的比水量控制为0.52-0.54L/kg钢。
更为优选地，在步骤(2)中，强二冷的比水量控制为0.52-0.53L/kg钢。
优选地，步骤(1)和步骤(2)中的钢液，要求浇铸时的过热度浇铸控制为15-25℃。
更为优选地，步骤(1)和步骤(2)中的钢液，要求浇铸时的过热度浇铸控制为18-22℃。
本发明提供的提升齿轮钢质量的小方坯连铸生产方法，通过将不可避免的偏析从中心区域缩小至中心点，促使凝固前沿溶质充分往中心位置聚集后去除该部分钢质，得到的铸坯横断面C元素偏析度在0.97-1.02之间，能够有效优化200mm×200mm断面小方坯齿轮钢铸坯的均质性及致密性，为高质量齿轮的生产提供高质量坯料。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明提供了一种提升齿轮钢质量的小方坯连铸生产方法，该方法包括以下步骤：
(1)采用结晶器电磁搅拌与凝固末端电磁搅拌组合，对连铸坯未凝固的钢液熔池进行搅拌干预控制，改变连铸坯凝固过程的传热、传质过程，改善坯壳生长状态，促进溶质元素迁移扩散；
(2)采用强二冷工艺对步骤(1)中结晶器电磁搅拌后的熔池进行强制冷却，削弱凝固前沿溶质向中心区域迁移聚集的趋势；
(3)对步骤(1)和步骤(2)中的钢液采用低过热度浇铸，促进钢液快速发生凝固，提升冷却凝固效率，进一步弱化液态钢液中的溶质元素扩散传输及聚集，综合促进溶质元素均匀分布；
(4)去除通过步骤(1)至步骤(3)获得的连铸坯中心位置Φ2.8-3.2mm区域的基体，获得高均质度的产品。
在本发明所述的方法中，结晶器电磁搅拌的作用主要是优化结晶器流场，尤其降低浸入式水口钢液流对坯壳的强烈冲刷，促进坯壳均匀稳定生长；凝固末端电磁搅拌的作用主要是促进凝固前沿溶质元素向铸坯中心迁移。
在本发明所述的方法中，在步骤(1)中，结晶器电磁搅拌的电流强度为80-120A；具体地，例如可以为80A、90A、100A、110A或120A；优选情况下，在步骤(1)中，结晶器电磁搅拌的电流强度为90-100A。在步骤(1)中，结晶器电磁搅拌的电流频率为2.5-4Hz；具体地，例如可以为2.5Hz、3Hz、3.5Hz或4Hz；优选情况下，在步骤(1)中，结晶器电磁搅拌的电流频率为3-4Hz。
在本发明所述的方法中，在步骤(1)中，凝固末端电磁搅拌的电流强度为40-60A；具体地，例如可以为40A、45A、50A、55A或60A；优选情况下，在步骤(1)中，凝固末端电磁搅拌的电流强度为40-50A。在步骤(1)中，凝固末端电磁搅拌的电流频率为5-7Hz；具体地，例如可以为5Hz、5.5Hz、6Hz、6.5Hz或7Hz；优选情况下，在步骤(1)中，凝固末端电磁搅拌的电流频率为5-6Hz。
在本发明所述的方法中，步骤(1)中凝固末端电磁搅拌安装于铸坯中心未完全凝固的钢液液芯直径70-80mm处；具体地，步骤(1)中凝固末端电磁搅拌可以安装于铸坯中心未完全凝固的钢液液芯直径70mm、72mm、74mm、76mm、78mm或80mm处；优选情况下，步骤(1)中凝固末端电磁搅拌安装于铸坯中心未完全凝固的钢液液芯直径75mm处。
在本发明所述的方法中，在步骤(2)中，强二冷的比水量控制为0.52-0.54L/kg钢；具体地，例如可以为0.52L/kg钢、0.53L/kg钢或0.54L/kg钢；优选情况下，在步骤(2)中，强二冷的比水量控制为0.52-0.53L/kg钢。
在本发明所述的方法中，步骤(1)和步骤(2)中的钢液，要求浇铸时的过热度浇铸控制为15-25℃；具体地，例如可以为15℃、17℃、19℃、21℃、23℃或25℃；优选情况下，步骤(1)和步骤(2)中的钢液，要求浇铸时的过热度浇铸控制为18-22℃。
本发明除上述关键技术点必须按要求执行实施外，还需要其他连铸系统工艺按常规执行配合实施。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1
本实施例用于说明某炼钢厂采用本发明所述的方法生产200mm×200mm断面20CrMnTiH系列齿轮钢连铸大方坯。该方法包括以下步骤：
(1)采用结晶器电磁搅拌与凝固末端电磁搅拌组合，对连铸坯未凝固的钢液熔池进行搅拌干预控制，改变连铸坯凝固过程的传热、传质过程，改善坯壳生长状态，促进溶质元素迁移扩散，其中，结晶器电磁搅拌参数为：电流强度为80A，电流频率为3Hz；凝固末端电磁搅拌参数为：电流强度为60A，电流频率为5Hz，凝固末端电磁搅拌安装于铸坯中心未完全凝固的钢液液芯直径75mm处；
(2)采用强二冷工艺对步骤(1)中结晶器电磁搅拌后的熔池进行强制冷却，削弱凝固前沿溶质向中心区域迁移聚集的趋势，其中，强二冷的比水量控制为0.53L/kg钢；
(3)对步骤(1)和步骤(2)中的钢液采用低过热度浇铸，促进钢液快速发生凝固，提升冷却凝固效率，进一步弱化液态钢液中的溶质元素扩散传输及聚集，综合促进溶质元素均匀分布，其中，浇铸时的过热度浇铸控制为25℃；
(4)去除通过步骤(1)至步骤(3)获得的连铸坯中心位置Φ3mm区域的基体，获得高均质度的产品。
在本发明所述实施例中，除上述关键技术点必须按要求执行实施外，还需要其他连铸系统工艺按常规执行配合实施。
对得到的铸坯进行钻样偏析化学检验，Φ4mm尺度条件下，铸坯横断面C元素偏析度为0.97-1.02(中心点除外)。
实施例2
本实施例用于说明某炼钢厂采用本发明所述的方法生产200mm×200mm断面20CrMo系列齿轮钢连铸大方坯。该方法包括以下步骤：
(1)采用结晶器电磁搅拌与凝固末端电磁搅拌组合，对连铸坯未凝固的钢液熔池进行搅拌干预控制，改变连铸坯凝固过程的传热、传质过程，改善坯壳生长状态，促进溶质元素迁移扩散，其中，结晶器电磁搅拌参数为：电流强度为120A，电流频率为2.5Hz；凝固末端电磁搅拌参数为：电流强度为40A，电流频率为6Hz，凝固末端电磁搅拌安装于铸坯中心未完全凝固的钢液液芯直径70mm处；
(2)采用强二冷工艺对步骤(1)中结晶器电磁搅拌后的熔池进行强制冷却，削弱凝固前沿溶质向中心区域迁移聚集的趋势，其中，强二冷的比水量控制为0.52L/kg钢；
(3)对步骤(1)和步骤(2)中的钢液采用低过热度浇铸，促进钢液快速发生凝固，提升冷却凝固效率，进一步弱化液态钢液中的溶质元素扩散传输及聚集，综合促进溶质元素均匀分布，其中，浇铸时的过热度浇铸控制为20℃；
(4)去除通过步骤(1)至步骤(3)获得的连铸坯中心位置Φ2.8mm区域的基体，获得高均质度的产品。
在本发明所述实施例中，除上述关键技术点必须按要求执行实施外，还需要其他连铸系统工艺按常规执行配合实施。
对得到的铸坯进行钻样偏析化学检验，Φ4mm尺度条件下，铸坯横断面C元素偏析度为0.98-1.02(中心点除外)。
实施例3
本实施例用于说明某炼钢厂采用本发明所述的方法生产200mm×200mm断面20CrMnTiH系列齿轮钢连铸大方坯。该方法包括以下步骤：
(1)采用结晶器电磁搅拌与凝固末端电磁搅拌组合，对连铸坯未凝固的钢液熔池进行搅拌干预控制，改变连铸坯凝固过程的传热、传质过程，改善坯壳生长状态，促进溶质元素迁移扩散，其中，结晶器电磁搅拌参数为：电流强度为100A，电流频率为4Hz；凝固末端电磁搅拌参数为：电流强度为50A，电流频率为7Hz，凝固末端电磁搅拌安装于铸坯中心未完全凝固的钢液液芯直径80mm处；
(2)采用强二冷工艺对步骤(1)中结晶器电磁搅拌后的熔池进行强制冷却，削弱凝固前沿溶质向中心区域迁移聚集的趋势，其中，强二冷的比水量控制为0.54L/kg钢；
(3)对步骤(1)和步骤(2)中的钢液采用低过热度浇铸，促进钢液快速发生凝固，提升冷却凝固效率，进一步弱化液态钢液中的溶质元素扩散传输及聚集，综合促进溶质元素均匀分布，其中，浇铸时的过热度浇铸控制为15℃；
(4)去除通过步骤(1)至步骤(3)获得的连铸坯中心位置Φ3.2mm区域的基体，获得高均质度的产品。
在本发明所述实施例中，除上述关键技术点必须按要求执行实施外，还需要其他连铸系统工艺按常规执行配合实施。
对得到的铸坯进行钻样偏析化学检验，Φ4mm尺度条件下，铸坯横断面C元素偏析度为0.98-1.03(中心点除外)。
对比例1
按照实施例1的方法实施，不同的是，在步骤(1)中，只采用结晶器电磁搅拌。对得到的铸坯进行钻样偏析化学检验，Φ4mm尺度条件下，铸坯横断面C元素偏析度为0.94-1.07(中心点除外)。
对比例2
按照实施例1的方法实施，不同的是，在步骤(1)中，只采用凝固末端电磁搅拌。对得到的铸坯进行钻样偏析化学检验，Φ4mm尺度条件下，铸坯横断面C元素偏析度为0.94-1.06(中心点除外)。
对比例3
按照实施例1的方法实施，不同的是，在步骤(1)中，结晶器电磁搅拌参数为：电流强度为70A，电流频率为2Hz。对得到的铸坯进行钻样偏析化学检验，Φ4mm尺度条件下，铸坯横断面C元素偏析度为0.95-1.06(中心点除外)。
对比例4
按照实施例1的方法实施，不同的是，在步骤(1)中，凝固末端电磁搅拌参数为：电流强度为70A，电流频率为4Hz。对得到的铸坯进行钻样偏析化学检验，Φ4mm尺度条件下，铸坯横断面C元素偏析度为0.94-1.06(中心点除外)。
对比例5
按照实施例1的方法实施，不同的是，在步骤(2)中，强二冷的比水量控制为0.5L/kg钢。对得到的铸坯进行钻样偏析化学检验，Φ4mm尺度条件下，铸坯横断面C元素偏析度为0.95-1.07(中心点除外)。
对比例6
按照实施例1的方法实施，不同的是，在步骤(3)中，浇铸时的过热度浇铸控制为10℃。对得到的铸坯进行钻样偏析化学检验，Φ4mm尺度条件下，铸坯横断面C元素偏析度为0.95-1.06(中心点除外)。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种提升齿轮钢质量的小方坯连铸生产方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)采用结晶器电磁搅拌与凝固末端电磁搅拌组合，对连铸坯未凝固的钢液熔池进行搅拌干预控制，改变连铸坯凝固过程的传热、传质过程，改善坯壳生长状态，促进溶质元素迁移扩散；
(2)采用强二冷工艺对步骤(1)中结晶器电磁搅拌后的熔池进行强制冷却，削弱凝固前沿溶质向中心区域迁移聚集的趋势；
(3)对步骤(1)和步骤(2)中的钢液采用低过热度浇铸，促进钢液快速发生凝固，提升冷却凝固效率，进一步弱化液态钢液中的溶质元素扩散传输及聚集，综合促进溶质元素均匀分布；
(4)去除通过步骤(1)至步骤(3)获得的连铸坯中心位置Φ2.8-3.2mm区域的基体，获得高均质度的产品；
在步骤(2)中，强二冷的比水量控制为0.52-0.54L/kg钢；
在步骤(1)中，结晶器电磁搅拌的参数为：电流强度为80-120A，电流频率为2.5-4Hz；
在步骤(1)中，凝固末端电磁搅拌的参数为：电流强度为40-60A，电流频率为5-7Hz；
步骤(1)中凝固末端电磁搅拌安装于铸坯中心未完全凝固的钢液液芯直径70-80mm处。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，结晶器电磁搅拌的参数为：电流强度为90-100A，电流频率为3-4Hz。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，凝固末端电磁搅拌的参数为：电流强度为40-50A，电流频率为5-6Hz。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，强二冷的比水量控制为0.52-0.53L/kg钢。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)中的钢液，要求浇铸时的过热度浇铸控制为15-25℃。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)中的钢液，要求浇铸时的过热度浇铸控制为18-22℃。
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