CN112553527B - 一种电炉流程生产高废钢比的20CrMnTi系列齿轮钢氮含量的控制方法 - Google Patents

一种电炉流程生产高废钢比的20CrMnTi系列齿轮钢氮含量的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电炉流程生产高废钢比的20CrMnTi系列齿轮钢氮含量的控制方法。其组成按重量百分数计为C：0.17～0.23％、Si：0.17～0.37％、Mn：0.80～1.10％、P≤0.030％、S≤0.030％、Cr：1.00～1.30％、Al：0.010～0.040％、Ti：0.04～0.10％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明通过合理控制电炉出钢碳及出钢温度，选择合理的工艺路线及关键参数，优化出钢铝块及渣料的加入量，优化精炼操作工艺，连铸采用氩封及整体中包，从而有效降低氮含量的同时，保证了齿轮用钢的纯净度、淬透性、氧含量等技术指标，完全满足了高档次齿轮钢用户的各项技术要求。

Description

一种电炉流程生产高废钢比的20CrMnTi系列齿轮钢氮含量的 控制方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体来说涉及一种电炉流程生产高废钢比20CrMnTi系列齿轮钢氮含量的控制方法。
背景技术
20CrMnTi系列齿轮钢是目前国内最常用的一种低碳渗碳钢，用量较大，约占国内齿轮钢全部用量的50％以上。由于该钢种具有淬透性较高，经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部，具有较高的低温冲击韧性，良好的焊接性能，良好的加工性能，加工变形微小，抗疲劳性能相当好，正火后可切削性良好等特点，广泛用于制造机器中较为重要的承受高速、中等或重载荷、冲击及摩擦的重要零件，如齿轮、齿圈、齿轮轴十字头以及汽车、农用机械、飞机各种特殊零件部位等，属于高技术含量、高附加值产品。
高质量的齿轮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、精度高和噪声低。齿轮钢由于具有特殊的用途，在性能上要求极其严格，在作业状态下要求钢具有较强的抗疲性能，因此，用户对原材料的化学成分、气体含量、纯净度、表面质量及淬透性等方面要求非常苛刻。
随着齿轮工业的飞速发展，高端齿轮钢正逐步向着高纯、窄带、细晶粒、易加工、易切削的方向发展，钢中的氮含量、洁净度会影响钢材的强度、淬透性、疲劳性能和韧性等性能指标，因此，氮含量的控制是生产高端渗碳齿轮钢的重中之重，氮含量高容易产生氮化铝、氮化钛夹杂，而氮化铝、氮化钛是一种脆而硬的夹杂物，对齿轮钢的表面质量及疲劳寿命造成极大危害，同时，氮含量高还会造成加工硬化，严重影响齿轮钢的硬度、淬透性等性能指标，其次，氮含量高还会导致氮化铁析出，Fe4N的析出会导致钢的时效性和蓝脆，降低钢的韧性和塑性，而如何设计合理的工艺路线，选择合理的工艺参数控制电炉流程生产的20CrMnTi系列齿轮钢的氮含量，一般高档次汽车用齿轮钢客户要求氮含量≤70ppm，在低成本的条件下，冶炼出符合用户最终要求的高档次齿轮用钢，是目前高端齿轮用钢的相关生产厂家所遇到的共同难题。20CrMnTi系列齿轮钢氮含量要求越低越好，氮含量高会影响钢的使用寿命，本发明是控制氮含量的稳定性，避免因部分钢材的氮含量出格而影响其使用寿命。
目前，涉及的20CrMnTi系列齿轮钢氮含量的方法，如“20CrMnTi齿轮钢中氮含量控制的研究”等均为转炉流程生产，而转炉生产节奏快，且冶炼过程中有底吹，氮含量较易控制；而电炉流程冶炼节奏慢，炉口面积大，且通电过程易发生电离，因此，氮含量不易控制。在“南钢齿轮钢的冶炼试制，刘丽华”采用电炉流程生产20CrMnTi，但其中硫含量较本发明低很多，更利于可浇性控制。且该钢铁水比相对较高，冶炼节奏相对较快，因此更有利于氮含量的控制。
而对于废钢比高(废钢占70％以上)的原料，由于冶炼节奏慢，电炉冶炼周期较长，从而在电炉冶炼过程中吸氮相对较高，因此，氮含量相对难以控制到N<60ppm。目前，国内中国专利数据库中涉及高废钢比电炉流程生产20CrMnTi系列齿轮钢氮含量控制方法的技术方案寥寥无几。这也是本发明所要解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于针对以上技术难题，通过设计合理的工艺路线、选择合理的工艺参数，提供一种高废钢比电炉流程生产20CrMnTi系列齿轮钢氮含量的控制方法，能够确保其化学成分均匀、纯净度高，浇铸平稳，气体含量低，淬透性稳定，表面质量好，且钢材在用户加工过程能够显著减少因钢中氮含量、铸坯缺陷、夹杂物、淬透性造成的疲劳寿命降低的几率，完全满足高档次齿轮钢用户的使用要求。
为了实现上述目的，本发明所涉及的一种电炉流程生产20CrMnTi系列齿轮钢，其化学成份按重量百分数计为[C]：0.17～0.23％、[Si]：0.17～0.37％、[Mn]：0.80～1.10％、[P]≤0.030％、[S]≤0.030％、[Cr]：1.00～1.30％、[Al]：0.010～0.040％、[Ti]：0.04～0.10％，其余为Fe和不可避免的杂质，其中氮含量<60ppm。
本发明提供了上述一种电炉流程生产20CrMnTi系列齿轮钢氮含量的控制方法，包括电炉冶炼、LF精炼、VD真空精炼、大方坯连铸步骤，具体操作如下：
(1)电炉加入炼钢原料进行低拉碳冶炼，电炉炉渣二元碱度控制为2.6～3.4，控制出钢[C]0.02～0.09％，出钢[P]≤0.015％，出钢1/3时随钢流依次加入硅铁、低碳锰铁、低碳铬铁、脱氧剂、低碳增碳剂和渣料，出钢时间为3～5min；
作为优选，步骤(1)中所述采用的炼钢原料为废钢和铁水，废钢占所述炼钢原料总重的70％～100％，铁水占所述炼钢原料总重的0％～30％，所述炼钢原料的总装入量105～115t/炉，电炉冶炼周期40～60min，出钢温度为1620～1670℃。
进一步地，步骤(1)中所述脱氧剂的加入量为铝块0～40kg/炉；所述低氮增碳剂的加入量50～100kg/炉；所述渣料的加入量为石灰550kg/炉，低氮(N≤1000ppm)预熔渣300kg/炉；所述硅铁加入量2.4～2.8kg/t、低碳锰铁11～13kg/t、低碳铬铁18～19kg/t。
控制较低的出钢C及较高的出钢温度，是使钢水进行过氧化，同时提高精炼炉座包温度，由于氧是表面活性元素，氧含量较高时会吸附在钢水表面，阻碍钢水吸氮界面的进行，同时，低碳出钢时，加入一定量的增碳剂利用碳氧反应可以使钢水微正压，降低钢水吸氮量，同时，提高出钢温度，可以减少精炼炉升温的压力，减少精炼过程钢水增氮；出钢过程中控制铝块的加入，是为了减少出钢过程的吸氮量，防止钢水中的铝吸氮，同时，加入低氮增碳剂由于碳氧反应生成气体排出，减少出钢过程吸氮，加入低氮预熔渣也起到了吸附夹杂、保温，减少钢水吸氮的作用，还能兼顾提高可浇性的效果。
(2)LF精炼炉密封良好，确保炉内还原性气氛，采用碳化硅、铝粒进行钢渣界面脱氧，根据渣况适时分批加入适量石灰和萤石，保证炉渣的流动性，控制炉渣碱度R＝3～5，取第一样时使用铝线调铝至0.040～0.050％；LF精炼通电期间适当调小氩气，减少钢水吸氮，待温度调整合适后转运到VD真空精炼工序；
作为优选，步骤(2)中，所述LF采用碳化硅、铝粒进行钢渣界面脱氧，加入量分别为碳化硅1.5～2.0kg/t、铝粒0.3～0.5kg/t。
进一步地，步骤(2)中，所述LF精炼通电期间适当调小氩气，流量为100～200NL/min；所述铝线喂入量300～400m/炉。
控制合理的炉渣碱度是在确保脱氧脱硫的同时明显减少产生铝酸钙大颗粒夹杂物进入钢水中的几率，确保齿轮钢的疲劳寿命；精炼通电期间适当调小氩气，是为了减少电极升温电离过程中钢水吸氮；取第一样时喂入铝线是为了对钢水进行深脱氧，降低钢水的氧含量，同时使夹杂物充分上浮。
(3)VD真空处理过程适当调大氩气流量，保证脱N效果，真空度≤67Pa，真空保压时间15～20min；破空后先喂入70钛铁线，然后适量硅钙线，喂线速度适当降低，控制在2～3m/s，随后进行软吹氩操作，确保软吹时间15～30分钟，软吹后确保合适的吊包温度；
作为优选，步骤(3)中所述VD真空处理过程适当调大氩气，流量为300～400NL/min，开浇炉80～120m/炉，连浇炉60～100m/炉，所述软吹后的吊包温度，开浇炉次1575～1605℃、连浇炉次1555～1585℃。
VD真空处理过程适当调大氩气是为了在真空状态下钢水裸露，提高脱氮的效率；严格控制喂入硅钙线量，是在确保顺利浇铸的同时避免钙处理后形成了大量Al-Ca-O液态夹杂物及硫化钙夹杂物，因数量多、来不及上浮，在浇铸时进入钢液中或堵塞水口，造成产品质量波动的现象。
(4)连铸工序采用全程保护浇铸，大包长水口氩封，转包时关注大包长水口碗密封垫情况，如有破损需更换；连铸中包采用整体式涂抹料塞棒中包，使用维苏威镁质塞棒和浸入式水口，水口直径Φ40mm，采用合理的过热度、恒拉速控制，过热度控制在20～40℃，拉速控制在0.90±0.05m/min；
结晶器采用电磁搅拌，正弦振动模式，并使用结晶器保护渣，自动加渣装置采用氩气输送，一冷水流量为120±10m3/h，水温差7.0～9.0℃，二冷采用弱冷配水模式；
作为优选，步骤(4)中，连铸全程保护浇铸，大包长水口氩封保护，氩封流量为25NL/min，中包使用碱性覆盖剂和碳化稻壳双层覆盖；所述中包使用时间≤12小时；所述结晶器电磁搅拌参数为150A/2.5Hz，正弦振动参数为振幅±2.5mm，频率130+40V opm；所述结晶器保护渣使用西保低碳专用保护渣，C含量为14.5～16.5％，碱度为R＝0.80～0.90，熔点1070～1250℃，粘度为0.50～0.70Pa.S/1300℃。
进一步地，步骤(4)中所述的弱冷配水模式中，比水量0.35L/kg，冷却方式为气雾冷却，二冷各段分配比38:37:25。
用整体式涂抹料塞棒中包，采用保护浇铸，大包长水口氩封，可以避免钢水被二次氧化产生的氧化铝夹杂进入钢液，同时也防止钢水吸氮，提高钢的纯净度，降低钢的气体含量。
采用合理的过热度、恒拉速控制、弱冷配水模式可以减小连铸拉坯应力，避免出现应力裂纹，液面波动造成卷渣等缺陷；使用合适的碳含量、熔点、碱度及粘度的结晶器保护渣可以增加铸坯的润滑能力，提高钢的表面质量，且最终连铸钢坯中的含氮量<60ppm。
本发明的有益效果在于：
本发明通过适当降低电炉出钢碳，过氧化出钢，出钢过程中加入适量的低氮增碳剂、渣料种类及其使用量，使放钢过程微正压，降低电炉出钢过程、渣料等吸氮量，同时在不同冶炼时期采用不同的底吹氩气流量等手段的相互协同作用，降低了钢水的吸氮量，提高钢材的纯净度、表面质量等技术指标的目的，提供一种电炉流程生产高废钢比的20CrMnTi系列齿轮钢氮含量的控制方法，能够确保其化学成分均匀、纯净度高，浇铸平稳，气体含量低，淬透性稳定，表面质量好，且钢材在用户加工过程能够显著减少因钢中氮含量、铸坯缺陷、夹杂物、淬透性造成的使用寿命降低的几率，完全满足高档次齿轮钢用户的使用要求。
本发明工艺与现有工艺技术相比，工艺路线设计合理，采取适当提高电炉出钢温度，降低电炉出钢碳、采用硅脱氧代替铝脱氧，科学控制不同冶炼时期的氩气流量等优化操作工艺手段，使用氩封及镁质整体中包，从而有效降低氮含量的同时，保证了齿轮用钢的纯净度、淬透性、氧含量等技术指标，提高了产品的市场竞争力，具有显著的经济效益和社会效益。
具体实施方式
生产工艺简述如下：
电炉冶炼→LF精炼→VD真空精炼→大方坯连铸(220*260mm2)。
实施例1
(1)电炉加入废钢和铁水炼钢原料进行低拉碳冶炼，废钢占炼钢原料总重的90％，铁水占炼钢原料总重的10％，总装入量112t/炉，电炉冶炼周期49min，出钢温度为1638℃，电炉炉渣二元碱度控制为2.9，出钢[C]0.05％，出钢[P]0.009％，出钢1/3时随钢流依次加入硅铁2.6kg/t、低碳锰铁12kg/t、低碳铬铁18.5kg/t、脱氧剂铝块20kg/炉、低碳增碳剂80kg/炉和石灰550kg/炉，低氮(N≤1000ppm)预熔渣300kg/炉，出钢时间为3.6min；
(2)LF精炼炉密封良好，确保炉内还原性气氛，采用碳化硅1.8kg/t、铝粒0.4kg/t进行钢渣界面脱氧，根据渣况适时分批加入适量石灰和萤石，保证炉渣的流动性，控制炉渣碱度R＝3.2，取第一样时使用铝线调铝至0.045％；LF精炼通电期间适当调小氩气，流量为100～200NL/min，减少钢水吸氮，待温度调整合适后转运到VD真空精炼工序；
(3)VD真空处理过程适当调大氩气流量，流量为300～400NL/min，保证脱N效果，真空度≤67Pa，真空保压时间16min；破空后先喂入70钛铁线，然后适量硅钙线90m/炉，喂线速度适当降低，控制在2.5m/s，随后进行软吹氩操作，确保软吹时间15～30分钟，软吹后确保合适的吊包温度1571℃；
(4)连铸工序采用全程保护浇铸，大包长水口氩封保护，氩封流量为25NL/min，转包时关注大包长水口碗密封垫情况，如有破损需更换；中包使用碱性覆盖剂和碳化稻壳双层覆盖，连铸中包采用整体式涂抹料塞棒中包，使用维苏威镁质塞棒和浸入式水口，中包使用时间<12小时，水口直径40mm，过热度28℃，拉速0.90m/min；结晶器采用电磁搅拌，参数为150A/2Hz，正弦振动模式，振幅±2.5mm，频率130+40V opm；使用西保低碳专用保护渣，C含量为15.7％，碱度为R＝0.85，熔点1111℃，粘度为0.63Pa.S/1300℃；一冷水流量为120±10m3/h，水温差7.8℃，二冷采用弱冷配水模式，比水量0.35L/kg，冷却方式为气雾冷却，二冷各段分配比38:37:25。
实施例2
出钢[C]：0.04％，出钢温度1641℃，喂入纯钙线80m/炉，软吹后吊包温度，连浇炉次1568℃，过热度27℃，其余操作与实施例1相同。
实施例3
出钢[C]：0.06％，出钢温度1645℃，真空保压时间15min，其余操作与实施例2相同。
对比实施例1
将实例1步骤(1)中“出钢[C]0.05％，出钢1/3时随钢流加入低碳增碳剂80kg/炉”修改为“出钢[C]0.14％，出钢1/3时随钢流加入低碳增碳剂10kg/炉”，其他条件同实施实例1。对最终制得的钢材进行检测，经检测氮含量74ppm，超标，远高于本发明实施例中氮含量。
对比实施例2
将实例1步骤(1)中“出钢1/3时随钢流加入石灰550kg/炉，低氮(N≤1000ppm)预熔渣300kg/炉”修改为“出钢1/3时随钢流加入石灰400kg/炉，低氮(N≤1000ppm)预熔渣200kg/炉”，其他条件同实施实例1。对最终制得的钢材进行检测，经检测氮含量71ppm，超标，钢中存在较多的大颗粒夹杂物，远差于本发明实施例中制备的钢的质量。
实施例1～3所制得的钢化学成分、气体含量、夹杂物级别、淬透性及探伤合格率分别见表1～3所示。
表1实例1～3所制备的钢的成品化学成分及气体含量(wt/％)
实施例 C Si Mn Cr P S Al Ti N O
1 0.20 0.22 1.05 1.14 0.012 0.017 0.021 0.052 49ppm 12ppm
2 0.19 0.23 1.04 1.16 0.011 0.018 0.020 0.055 46ppm 13ppm
3 0.20 0.21 1.03 1.15 0.012 0.020 0.022 0.050 51ppm 13ppm
表2实例1～3所制备的钢的夹杂物级别
实施例 A(粗) A(细) B(粗) B(细) C(粗) C(细) D(粗) D(细) DS
1 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.5 1.0 0.0
2 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.5 1.0 0.0
3 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.5 1.0 0.0
表3实例1～3所制备的钢的淬透性(HRC)、铸坯抛丸探伤合格率、轧材探伤合格率(B+0.2)
实施例 J1.5 J9 J15 铸坯合格率 轧材合格率
1 44～47 34～36 28～31 100％ 100％
2 43～46 33～36 27～30 100％ 100％
3 44～46 34～37 27～31 100％ 100％

Claims (8)

1.一种电炉流程生产高废钢比的20CrMnTi系列齿轮钢氮含量的控制方法，其特征在于：所述的齿轮钢的化学成份按重量百分数计为，[C]：0.17～0.23％、[Si]：0.17～0.37％、[Mn]：0.80～1.10％、[P]≤0.030％、[S]≤0.030％、[Cr]：1.00～1.30％、[Al]：0.010～0.040％、[Ti]：0.04～0.10％，N<60ppm，其余为Fe和不可避免的杂质；
控制方法包括电炉冶炼、LF精炼、VD真空精炼、大方坯连铸步骤，具体操作为：
(1)电炉加入炼钢原料进行低拉碳冶炼，电炉炉渣二元碱度控制为2.6～3.4，控制出钢[C]0.02～0.09％，出钢[P]≤0.015％，出钢1/3时随钢流依次加入硅铁、低碳锰铁、低碳铬铁、脱氧剂、低氮增碳剂和渣料；所述的采用的炼钢原料为废钢和铁水，废钢占所述炼钢原料总重的70％～100％，铁水占所述炼钢原料总重的30％～0％；步骤(1)中所述出钢温度为1620～1670℃；低氮增碳剂的加入量50～100kg/炉；所述渣料的加入量为石灰550kg/炉，N≤1000ppm的低氮预熔渣300kg/炉；
(2)LF精炼炉密封良好，确保炉内还原性气氛，采用碳化硅、铝粒进行钢渣界面脱氧，根据渣况适时分批加入适量石灰和萤石，保证炉渣的流动性，控制炉渣碱度R＝3～5，使用铝线调铝至0.040～0.050％；LF精炼通电期间控制氩气，待温度调整合适后转运到VD真空精炼工序；步骤(2)中所述LF精炼通电期间控制氩气流量为100～200NL/min；
(3)VD真空处理过程适当调大氩气流量，真空度≤67Pa，真空保压时间15～20min；破空后先喂入钛铁线，然后适量硅钙线，喂线速度控制在2～3m/s，随后进行软吹氩操作，确保软吹时间15～30分钟，软吹后确保合适的吊包温度；步骤(3)中所述VD真空处理过程中氩气流量为300～400NL/min；
(4)连铸工序采用全程保护浇铸，大包长水口氩封；连铸中包采用整体式涂抹料塞棒中包，采用合理的过热度、恒拉速控制，过热度控制在20～40℃，拉速控制在0.90±0.05m/min；
结晶器采用电磁搅拌，正弦振动模式，并使用结晶器保护渣，自动加渣装置采用氩气输送，一冷水流量为120±10m 3 /h，水温差7.0～9.0℃，二冷采用弱冷配水模式。
2.如权利要求1所述的电炉流程生产高废钢比的20CrMnTi系列齿轮钢氮含量的控制方法，其特征在于：步骤(1)中所述炼钢原料的总装入量105～115t/炉，电炉冶炼周期40～60min。
3.如权利要求1所述的电炉流程生产高废钢比的20CrMnTi系列齿轮钢氮含量的控制方法，其特征在于：步骤(1)中所述脱氧剂的加入量为铝块0～40kg/炉；所述；所述硅铁加入量2.4～2.8kg/t、低碳锰铁11～13kg/t、低碳铬铁18～19kg/t。
4.如权利要求1所述的电炉流程生产高废钢比的20CrMnTi系列齿轮钢氮含量的控制方法，其特征在于：步骤(2)中所述LF采用碳化硅、铝粒进行钢渣界面脱氧，加入量分别为碳化硅1.5～2.0kg/t、铝粒0.3～0.5kg/t。
5.如权利要求1所述的电炉流程生产高废钢比的20CrMnTi系列齿轮钢氮含量的控制方法，其特征在于：步骤(2)中所述铝线喂入量300～400m/炉。
6.如权利要求1所述的电炉流程生产高废钢比的20CrMnTi系列齿轮钢氮含量的控制方法，其特征在于：步骤(3)中所述硅钙线喂入量为开浇炉80～120m/炉，连浇炉60～100m/炉，所述软吹后的吊包温度，开浇炉次1575～1605℃、连浇炉次1555～1585℃。
7.如权利要求1所述的电炉流程生产高废钢比的20CrMnTi系列齿轮钢氮含量的控制方法，其特征在于：步骤(4)中，连铸全程保护浇铸，大包长水口氩封保护，氩封流量为25NL/min，中包使用碱性覆盖剂和碳化稻壳双层覆盖；所述中包使用时间≤12小时；所述结晶器电磁搅拌参数为150A/2.5Hz，正弦振动参数为振幅±2.5mm，频率130+40V opm；所述结晶器保护渣使用西保低碳专用保护渣，C含量为14.5～16.5％，碱度为R＝0.80～0.90，熔点1070～1250℃，粘度为0.50～0.70Pa.S/1300℃。
8.如权利要求1所述的电炉流程生产高废钢比的20CrMnTi系列齿轮钢氮含量的控制方法，其特征在于：步骤(4)中所述的弱冷配水模式中，比水量0.35L/kg，冷却方式为气雾冷却，二冷各段分配比38:37:25。
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