CN113843402A - 一种齿轮钢超大断面圆坯内部凝固组织的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于连续浇铸领域，具体涉及一种齿轮钢超大断面圆坯内部凝固组织的控制方法，其中，圆坯断面直径≥650mm，利用本发明的控制齿轮钢超大断面圆坯内部凝固组织的方法，有效扩大铸坯内部柱状晶区，减少中心等轴晶区；铸坯内部柱状晶区面积不小于60％，从而减少柱状晶区与中心等轴晶区交界面积，实现降低柱状晶区和中心等轴晶区交界处成分偏析和夹杂聚集对产品质量的影响，并且通过降低铸坯拉速，调配二冷区的水冷和空冷的区间，增强水冷强度和弱化末端搅拌，有效抑制了铸坯产生中间裂纹、中心裂纹质量缺陷，并避免了中心偏析、中心疏松和缩孔的产生，在增加铸坯柱状晶区的同时保证了端面直径大于650mm的圆坯铸坯的内部质量。

Description

一种齿轮钢超大断面圆坯内部凝固组织的控制方法

技术领域

本发明涉及连续浇铸领域，具体涉及一种齿轮钢超大断面圆坯内部凝固组织的控制方法。

背景技术

随着我国汽车工业的蓬勃发展，齿轮用钢产量大幅度提高的同时，对质量的要求也日趋严格、苛刻，包括对齿轮钢的淬透性、非金属夹杂物及显微组织等都提出了越来越高的要求。

钢水在连铸凝固过程中，因铸坯凝固方向温度梯度的存在，通常会形成边部细小等轴晶区、柱状晶区及中心等轴晶区三种凝固组织。因选分结晶的影响，在柱状晶区和中心等轴晶区交界处易出现成分偏析和夹杂聚集，形成偏析带。

通常认为均匀而致密的等轴晶组织是铸坯最为理想的组织。但是由于齿轮用钢的特殊性，一般认为如果钢材偏析带宽度小于原材料半径的1/2，对产品热变形的影响不是很大，如果偏析带宽度大于原材料半径的1/2，则偏析带有可能进入齿部区，造成齿部淬火热处理的变形不均匀，对齿部精度及性能的影响就会很大。因此在浇注过程中采用合理的浇注工艺，减少柱状晶区与中心等轴晶区交界面积，实现降低柱状晶区和中心等轴晶区交界处成分偏析和夹杂聚集，对解决齿轮产品热变形问题具有极为关键的作用。

中国专利文献CN109622903A(CN201910048959.5)公开了一种齿轮钢矩形坯内部凝固组织的控制方法，具体包括以下步骤：低拉速浇注；并且，扇形段采用中强二次冷却控制；并且，弱化结晶器电搅功效，强化末端电搅功效。利用上述的控制齿轮钢矩形坯内部凝固组织的方法，能有效扩大铸坯内部柱状晶区，减少中心等轴晶区；铸坯内部柱状晶区面积不小于70％，从而减少柱状晶区与中心等轴晶区交界面积，实现降低柱状晶区和中心等轴晶区交界处成分偏析和夹杂聚集对产品质量的影响。由于齿轮钢中圆坯等棒材的应用更加广泛，上述方法虽然能够有效减少柱状晶区与中心等轴晶区交界面积达到解决齿轮产品热变形的问题，但是圆坯连铸过程中柱状晶容易产生中间裂纹和中心裂纹等缺陷，特别是断面规格直径

的超大断面圆坯，由于大断面圆坯连铸具有比表面积小、钢水静压力大、坯壳线收缩大、坯壳热容量大、凝固距离长、铸坯在二冷区的辐射热强度小、液相穴长等特点，且圆坯连铸设备不同于板坯和方坯，一般没有轻压下工艺，所以连铸圆坯中心存在偏析、疏松，且易产生中心裂纹，影响整体产品质量合格率和稳定性，因此现有圆坯连铸，如何在提升铸坯柱状晶占比的同时减少内部缺陷是较难解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对以上齿轮钢成分偏析及夹杂物控制问题而设计的一种齿轮钢超大断面圆坯内部凝固组织的控制方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种齿轮钢超大断面圆坯内部凝固组织的控制方法，其中，圆坯断面直径≥650mm，包括以下步骤：

1)中低拉速浇注：控制拉坯速度0.18～0.25m/min；

此步骤的优点为：在保证铸坯质量的合理拉速范围内，采用中低拉速浇注模式间接加强二次冷却强度，进而增大铸坯凝固方向温度梯度，扩大铸坯内部柱状晶区面积，并且降低拉速能够阻止或减少铸坯内部裂纹和中心偏析以及防止铸坯表面产生纵裂和横裂；

2)扇形段采用强二次冷却控制加空冷；相对于方坯，圆坯无角部优先凝固，因此圆坯的二冷区冷却均匀性显得更为重要，在保证铸坯切割收集前完全凝固的情况下，空冷能够更好的保证铸坯的冷却均匀性；

此步骤的优点为：对于超大断面圆坯，如果二冷各区全部采用强的二冷模式，圆坯表面和内部收缩差别大而产生大的热应力，易出现铸坯中间裂纹或中心裂纹质量缺陷，因此通过采取空冷方式保证冷却均匀性的同时，降低圆坯表面、内部温度梯度，降低热应力；

3)弱化结晶器电搅功效，弱化末端电搅功效。采用空冷相比水冷，相对降低二冷强度，更有利于增加中心等轴晶区，因此为尽可能的减少中心等轴晶区，采用弱化末端电磁搅拌效果避免柱状晶生长前端的断裂来实现减少中心等轴晶区，而通过强二次冷却使铸坯快速收缩弥补减弱末端电磁搅拌而削弱的液体补缩量；末端电磁搅拌只能弱化，不能停止使用，如果停止使用，铸坯中心质量无法保证。

本发明的技术方案还有：步骤2)中，根据圆坯规格断面，控制二冷零区冷却水流量40～50L/min、二冷一区冷却水流量25～35L/min，其它各区均采用空冷，且控制二次冷却比水量0.10～0.15L/Kg；此步骤的优点为：在保证铸坯质量的合理冷却制度范围内，通过加强二次冷却强度来增大铸坯凝固方向温度梯度，扩大铸坯内部柱状晶区面积，其它各区均采用空冷有利于圆坯内部质量的提高。

本发明的技术方案还有：步骤3)中，所述弱化结晶器电搅功效具体优选为：控制结晶器电搅运行电流强度120～150A，频率1.2～1.5Hz；

所述弱化末端电搅功效具体优选为控制末端电搅运行电流强度100～150A，频率6.0～7.0Hz；此步骤的优点为：在保证铸坯质量的合理电搅搅拌范围内，通过弱化结晶器电搅功效增大铸坯凝固方向温度梯度，扩大铸坯内部柱状晶区面积；弱化末端电搅功效有利于减少中心等轴晶区面积。

对于优特钢(例如，齿轮钢等)生产来讲，通常为了改善铸坯性能，降低铸坯宏观偏析及中心疏松，一般采用扇形段弱冷却控制、强化结晶器电搅和末端电搅功效方式，使铸坯中心等轴晶区增大，减少柱状晶区；但由于齿轮钢等优特钢工件的特殊性，以齿轮钢为例，如果偏析带进入齿部区，则会造成齿部淬火热处理的变形不均匀，对齿部精度及性能的影响就会很大；所以本发明采用的是扩大铸坯内部柱状晶区，减少中心等轴晶区方式，从而减少柱状晶区与中心等轴晶区交界面积，实现降低柱状晶区和中心等轴晶区交界处成分偏析和夹杂聚集对产品质量的影响。

传统圆坯连铸扇形段的二冷控制分为二冷零区(足辊段)、二冷一区、二冷二区(扇形一段)、二冷三区、二冷四区(扇形二段)及二冷五区(扇形三段)共6个冷却区，其中二冷零区、一区、二区、三区及四区一般采用水冷，二冷五区一般采用空冷，通过控制。本发明通过在二冷零区(足辊段)、二冷一区强冷以促进生成柱状晶，而扩大空冷区，保证铸坯均匀冷却，降低圆坯表面、内部温度梯度，降低热应力，避免中间裂纹、中心裂纹的产生。

但是采用空冷相比水冷，相对降低二冷强度，更有利于增加中心等轴晶区，现有技术均是通过强化末端电磁搅拌提高液态金属的补缩能力来解决铸坯中心偏析、疏松、缩孔等缺陷，本发明通过在二冷零区(足辊段)、二冷一区强冷使铸坯快速冷缩以抵消后期铸坯中心凝固的收缩量，而弱化末端电磁搅拌，在避免柱状晶生长端的断裂的同时消除中心的偏析，以减少等轴晶的数量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用本发明的控制齿轮钢超大断面圆坯内部凝固组织的方法，有效扩大铸坯内部柱状晶区，减少中心等轴晶区；铸坯内部柱状晶区面积不小于60％，从而减少柱状晶区与中心等轴晶区交界面积，实现降低柱状晶区和中心等轴晶区交界处成分偏析和夹杂聚集对产品质量的影响，并且通过降低铸坯拉速，调配二冷区的水冷和空冷的区间，增强水冷强度和弱化末端搅拌，有效抑制了铸坯产生中间裂纹、中心裂纹质量缺陷，并避免了中心偏析、中心疏松和缩孔的产生，在增加柱状晶区的同时保证了端面直径大于650mm的圆坯铸坯的内部质量。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

圆坯现有的传统生产方式：(1)二次冷却区采用弱冷模式；(2)强化电磁搅拌功效；(3)在保证铸坯质量合理拉速范围内，采用较高拉速浇注；以得到均匀而致密的等轴晶组织的铸坯为目的。

实施例一

选取

规格断面，根据本发明实施例控制

规格断面控制齿轮钢圆坯内部凝固组织的方法主要包括以下措施：

措施1：中低拉速浇注模式；根据圆坯规格断面，控制拉坯速度0.20m/min。

措施2：扇形段采用强二次冷却控制加空冷模式；根据圆坯规格断面，控制二冷零区冷却水流量40L/min、二冷一区冷却水流量28L/min、控制二次冷却比水量0.13L/Kg。

措施3：弱化结晶器电搅功效，弱化末端电搅功效模式；结晶器电搅运行电流强度120A，频率1.2Hz；末端电搅运行电流强度100A，频率6.0Hz。

采用实施例一控制齿轮钢圆坯内部凝固组织的方法，铸坯内部柱状晶区面积达65％。

表1圆坯低倍组织/级

通过表1对比，能够得出相比于圆坯传统生产方式，中心疏松、缩孔、中间裂纹和中心裂纹的等级更小，铸坯内部质量得到了有效控制。

实施例二

选取

规格断面，根据本发明实施例控制

规格断面控制齿轮钢圆坯内部凝固组织的方法主要包括以下措施：

措施1：中低拉速浇注模式；根据圆坯规格断面，控制拉坯速度0.25m/min。

措施2：扇形段采用强二次冷却控制加空冷模式；根据圆坯规格断面，控制二冷零区冷却水流量45L/min、二冷一区冷却水流量30L/min、控制二次冷却比水量0.11L/Kg。

措施3：弱化结晶器电搅功效，弱化末端电搅功效模式；结晶器电搅运行电流强度150A，频率1.5Hz；末端电搅运行电流强度150A，频率7.0Hz。

采用实施例二控制齿轮钢圆坯内部凝固组织的方法，铸坯内部柱状晶区面积达63％。

表2圆坯低倍组织/级

通过表2对比，能够得出相比于圆坯传统生产方式，中心疏松、缩孔、中间裂纹和中心裂纹的等级更小，铸坯内部质量得到了有效控制。

实施例三

选取

规格断面，根据本发明实施例控制

规格断面控制齿轮钢圆坯内部凝固组织的方法主要包括以下措施：

措施1：中低拉速浇注模式；根据圆坯规格断面，控制拉坯速度0.18m/min。

措施2：扇形段采用强二次冷却控制加空冷模式；根据圆坯规格断面，控制二冷零区冷却水流量45L/min、二冷一区冷却水流量30/min，控制二次冷却比水量0.14L/Kg。

措施3：弱化结晶器电搅功效，弱化末端电搅功效模式；结晶器电搅运行电流强度130A，频率1.2Hz；末端电搅运行电流强度120A，频率6.0Hz。

采用实施例三控制齿轮钢圆坯内部凝固组织的方法，铸坯内部柱状晶区面积达61％。

表3圆坯低倍组织/级

通过表3对比，能够得出相比于圆坯传统生产方式，中心疏松、缩孔、中间裂纹和中心裂纹的等级更小，铸坯内部质量得到了有效控制。

实施例四

选取

规格断面，根据本发明实施例控制

规格断面控制齿轮钢圆坯内部凝固组织的方法主要包括以下措施：

措施1：中低拉速浇注模式；根据圆坯规格断面，控制拉坯速度0.22m/min。

措施2：扇形段采用强二次冷却控制加空冷模式；根据圆坯规格断面，控制二冷零区冷却水流量50L/min、二冷一区冷却水流量35/min、控制二次冷却比水量0.13L/Kg。

措施3：弱化结晶器电搅功效，弱化末端电搅功效模式；结晶器电搅运行电流强度150A，频率1.5Hz；末端电搅运行电流强度100A，频率7.0Hz。

采用实施例四控制齿轮钢圆坯内部凝固组织的方法，铸坯内部柱状晶区面积达63％。

表4圆坯低倍组织/级

通过表4对比，能够得出相比于圆坯传统生产方式，中心疏松、缩孔、中间裂纹和中心裂纹的等级更小，铸坯内部质量得到了有效控制。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种齿轮钢超大断面圆坯内部凝固组织的控制方法，其中，圆坯断面直径≥650mm，其特征在于：包括以下步骤：

1)中低拉速浇注：控制拉坯速度0.18～0.25m/min；

2)扇形段采用强二次冷却控制加空冷；

3)弱化结晶器电搅功效，弱化末端电搅功效。

2.根据权利要求1所述的齿轮钢超大断面圆坯内部凝固组织的控制方法，其特征在于：步骤2)中，根据圆坯规格断面，控制二冷零区冷却水流量40～50L/min、二冷一区冷却水流量25～35L/min，其它各区均采用空冷，且控制二次冷却比水量0.10～0.15L/Kg。

3.根据权利要求1所述的齿轮钢超大断面圆坯内部凝固组织的控制方法，其特征在于：步骤3)中，所述弱化结晶器电搅功效具体为：控制结晶器电搅运行电流强度120～150A，频率1.2～1.5Hz；

所述弱化末端电搅功效具体为：控制末端电搅运行电流强度100～150A，频率6.0～7.0Hz。