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CN109454211A - 电炉冶炼高质量齿轮钢的方法 - Google Patents

电炉冶炼高质量齿轮钢的方法 Download PDF

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CN109454211A
CN109454211A CN201811412633.8A CN201811412633A CN109454211A CN 109454211 A CN109454211 A CN 109454211A CN 201811412633 A CN201811412633 A CN 201811412633A CN 109454211 A CN109454211 A CN 109454211A
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steel
sulphur
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李刚
刘金鑫
李强
王志才
马群
赵智刚
顾文涛
郭晓俊
曹丽红
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FUSHUN SPECIAL STEEL SHARES Co Ltd
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Abstract

本发明公开一种电炉冶炼高质量齿轮钢的方法，目的是实现高纯净度和窄淬透性带。为实现上述目的，采取下述关键技术措施：纯净度方面的措施：优化供氧曲线，控制电炉钢出钢氧含量；优化合金料加料顺序，保证沉淀脱氧效果；合理控制VD后软吹和喂硫时间。窄淬透性带控制措施：优化成分设计，炉前熔炼成分按内控值控制；采用DOE设计，对连铸坯的过热度、二冷冷却强度、拉速进行合理匹配，获得高均匀度组织，减少成分偏析；建立精确的淬透性计算模型。有益效果:最终成品材全氧含量不大于12×10‑6；淬透性带宽不大于4HRC的合格率95％以上；晶粒度7级～6级；非金属夹杂物不大于2级。

Description

电炉冶炼高质量齿轮钢的方法
技术领域
本发明属于金属材料制造领域，公开一种采用电炉冶炼工艺生产窄淬透性齿轮钢FAS3420H的方法，主要用于汽车变速器齿轮及齿轮轴用钢的生产。
背景技术
近十年来，随着汽车制造业的快速发展，对汽车齿轮钢的质量要求也越来越高，主要体现在钢的纯净度和窄淬透性方面。我国齿轮钢领域虽然取得了显著技术进步，但在以下方面与国际先进水平仍有差距，如表1所示：
表1 国内外齿轮钢质量水平对比
基于上述情况，为进一步提升齿轮钢质量水平，2016年，“汽车齿轮用钢质量稳定性提升关键技术开发及应用”被列为国家重点研发课题，课题要求采用电炉工艺生产的齿轮钢氧含量达到12×10-6以下,淬透性带宽不大于4HRC。据2016年初步统计，低碳齿轮钢氧含量平均值12.4×10-6，不大于12×10-6的合格率仅为60％,淬透性带宽不大于4HRC的合格率60％。采用电炉+LF+VD工艺生产低碳齿轮钢，与高转流程工艺即高炉+转炉+RH相对比而言，劣势在于原料的不同导致工艺难度的增加，电炉原料采用生铁+ 废钢，由于需吹氧助熔，电炉钢存在严重过氧化现象，从而导致原始氧含量偏高，为LF炉外精炼脱氧增加不利条件；由于废钢残余元素含量较高，对淬透性波动影响较大，而窄淬透性对减少齿轮变形，提高齿轮寿命尤为重要。淬透性的波动主要受原料、炉前熔炼成分、成分偏析及热加工工艺的影响，提高铸坯凝固组织均匀性和获得稳定细晶粒组织极为关键。
发明内容
本发明公开一种电炉冶炼高质量齿轮钢的方法，目的是通过优化成分设计、采用冶炼及拉坯新工艺，实现高纯净度和窄淬透性带。
为实现上述目的，采取下述关键技术措施：
纯净度方面的措施：一方面优化供氧曲线(见图1)，控制电炉钢出钢氧含量；另一方面优化合金料加料顺序，保证沉淀脱氧效果，为LF精炼脱氧效果提供有利条件；合理控制VD后软吹和喂硫时间，防止产生大型复合硫化物。
窄淬透性带控制措施：一方面优化成分设计，炉前熔炼成分按内控值控制；另一方面采用DOE设计，对连铸坯的过热度、二冷冷却强度、拉速进行合理匹配，获得高均匀度组织，减少成分偏析；第三方面建立精确的淬透性计算模型。
晶粒度控制措施：保证加热制度和终轧制度，达到奥氏体晶粒细小均匀分布。
具体采用以下技术方案：
1.工艺路线为：电炉→LF→VD→连铸240方→步进式炉加热→24架连轧机轧制，包括炼钢工艺、加热工艺及轧制工艺。
2.具体工艺措施：
⑴炼钢工艺
①学成分设计
依据美国ASTM A255标准计算，结合实际端淬试验结果，应用大量数据回归分析，制定FAS3420H化学成分内控标准，见表2。
表2 FAS3420H化学成分
②电炉工艺
总装炉量69吨，配料选用优质废钢、生铁不少于25吨；熔化末期造泡沫渣，氧化期早期大量流渣，出钢温度不低于1630℃，磷不大于0.010％，终点碳0.06％以上，电炉出钢混冲增碳剂10kg～20kg，然后加入锰铁、铬铁、硅铁等合金料、白灰渣料、电石1kg/t、铝锭1kg/t，保证自由空间不小于600mm，电炉出钢氧含量不大于800×10-6，严禁下氧化渣。
③LF工艺
到位按0.06％±0.01％喂铝，全程采用碳粉+铝粒扩散脱氧，炉渣变白，温度T不低于1540℃取样，根据样1结果调整合金元素至规格下限，考虑炉中按0.06％喂铝，铝控制在0.03％～0.05％，白渣保持时间不少于30min；保证VD处理后铝含量大于0.02％，其余时间尽量不喂铝线；按0.02％计算加入铌-铁；出钢温度不高于1700℃，硫不大于0.008％。
④VD工艺
VD前喂铝线和硅钙线，真空前考虑炉中按0.05％喂铝，喂铝线后再1kg/t 喂钙-硅线；真空度不高于100Pa，真空下保持时间不少于15min；破真空后软吹时间5min～10min，喂入硫线，总软吹时间20min～40min，软吹时以液面微动为宜，钢水不得裸露。
⑤连铸工艺
连铸过热度：20℃～40℃，拉速：0.8m/min±0.1m/min，二冷水流量： 0.18L/kg～0.19L/kg。
⑵轧制工艺
铸坯加热温度1160℃±30℃，出炉速度100S/支～160S/支，终轧温度850 ℃～950℃。
⑶理化性能
①纯净度指标
氧含量不大于0.0012％；
非金属夹杂物见表3
表3 非金属夹杂物
②淬透性指标见表4
表4 淬透性
离淬火端距离mm 6 9
硬度值(HRC) 34～38 26～30
③晶粒度
晶粒度按GB/T 6394标准检验，经930℃×4h水冷，奥氏体晶粒度不小于6级。
④钢材截面ΔC≤0.02％.
对本发明创新点的说明：
⑴为提高钢材纯净度，获得低氧含量，在研究FAS3420H齿轮钢全流程氧含量变化规律的基础上，采取的关键技术即优化电炉供氧制度，控制电炉出钢氧含量不大于800×10-6；改变电炉出钢后合金料加料顺序；LF优化渣系、控制白渣时间不小于30min；VD破真空后控制软吹强度先强后弱、时间5min～ 10min，再喂入硫线，保证夹杂物充分上浮；连铸全程保护浇注，防止二次氧化。
⑵为实现窄淬透性带，通过软件和回归数据分析，优化化学成分设计，并确立目标值控制，优化化学成分设计的难点在于熔炼成分的设计，包括细化晶粒元素的铝、氮、铌成分的设计，炉前和LF炉前成分精准控制，VD后期精准控制C含量；采用DOE设计，优化连铸冷却参数过热度、拉速、二冷冷却水流量，控制铸坯成分偏析；建立和优化精确的淬透性模型，保证理论值与实际值吻合度，减少检验系统偏差的影响。
⑶为控制晶粒度，严控钢中细化晶粒元素铝、铌、氮含量，同时加热温度适当提高，保证碳氮化铌充分溶解，在后期轧制过程中弥散析出，阻止奥氏体晶粒长大，同时控制终轧制度，获得高均匀度组织，控制钢材全截面ΔC 不大于0.02％。
本发明的有益效果：
提高钢材纯净度，最终成品材全氧含量不大于12×10-6；减少钢材截面Δ C％，通过减少成分偏析，利用大数据统计分析建立淬透性预报模型，按预报模型计算，淬透性带宽不大于4HRC，实际检测淬透性带宽不大于4HRC合格率达到95％以上；晶粒度6级～8级；非金属夹杂物不大于2级，实现电炉冶炼窄淬透性齿轮钢FAS3420H的目标。
附图说明
图1是FAS3420H全流程供氧制度曲线图；
图2是FAS3420H淬透性模型J6处实测值(HRC)；
图3是FAS3420H淬透性模型J9处实测值(HRC)。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细说明。
实施例1和实施例2采用同一工艺流程：电炉→LF→VD→连铸240方→步进式炉加热→24架连轧机轧制。
实施例1
炉号：17213023722，成品规格：Φ80mm。
⑴炼钢工艺
①化学成分
FAS3420H化学成分见表5
表5 化学成分
②电炉工艺
总装炉量68.55吨，选用废钢、生铁配入量36％；出钢温度1639℃，磷含量为0.0087％，终点碳0.009％，出钢前降低用氧强度，喷碳用量10Kg，电石100kg；终脱氧加铝60kg；自由空间700mm，氧含量556×10-6，未下氧化渣。
③LF工艺
到位按0.06％喂铝，全程采用碳粉+铝粒扩散脱氧，首批加入量42Kg，依样1全铝结果，按0.06％喂铝，白渣保持时间40min；按0.025％计算加入铌-铁；出钢温度1690℃，硫:0.003％。
④VD工艺
入罐前少量扒渣，真空前按0.05％喂铝，按1kg/t喂入钙-硅线，真空度不高于100Pa，真空下保持时间18min；解除真空后软吹5min，喂入硫线，软吹时间15min，出钢温度1609℃。
⑤连铸
到站温度1597℃，自动开浇过热度32℃～40℃，拉速(m/s)0.8～ 0.90，二冷水流量(L/kg)：0.18～0.186。
⑵加工工艺
①铸坯加热：1160℃～1190℃，出炉速度120S/支；
②铸坯轧制：终轧温度：930℃～940℃。
⑶生产检验结果：
①成品材全氧含量10×10-6；全流程氧含量变化见图1；
②夹杂物检验结果见表6
表6 非金属夹杂物检验结果
③晶粒度采用直接法930℃保温4h晶粒度7级～6级；
④淬透性检验结果见表7
表7 淬透性
离淬火端距离mm 6 9
硬度值(HRC) 34～38 26～30
实测值(HRC) 36.5、37.5 29、30
见图2、图3。
⑥面ΔC
钢材规格Φ80mm，采用Φ5mm钻头沿钢材直径均匀打5点钻屑，进行C 含量分析，分析结果见表8，截面ΔC％(最大值-最小值)＝0.016％；
表8 钢材截面碳含量标定
位置 1 2 3 4 5
C含量％ 0.203 0.216 0.203 0.214 0.198
实施例2
炉号：17213013876，成品规格：Φ90mm。
⑴炼钢工艺
①化学成分
FAS3420H化学成分见表9
表9 化学成分
②电炉工艺
总装炉量69.05吨，选用废钢、生铁配入量36.2％；出钢温度1655℃，磷含量为0.01％，终点碳0.07％，出钢前降低用氧强度，喷碳用量10Kg，电石100kg；终脱氧加铝60kg；自由空间900mm，氧含量653×10-6，未下氧化渣。
③LF工艺
到位按0.06％喂铝，全程采用碳粉+铝粒扩散脱氧，首批加入量40kg，依样1全铝结果，按0.06％喂铝，白渣保持时间40min；按0.025％计算加入铌-铁；出钢温度1690℃，硫:0.003％。
④VD工艺
入罐前少量扒渣，真空前喂铝100m、钙-硅线90m，真空度不高于 100Pa，真空下保持时间16min；解除真空后软吹5min，喂入硫线80m，软吹时间15min，出钢温度1615℃。
⑤连铸
到站温度1600℃，自动开浇，过热度33℃～39℃，拉速0.8m/s～0.90m/ s，二冷水流量(L/kg)：0.19。
⑵加工工艺
①铸坯加热：均热段温度：1162℃～1189℃，出炉速度120s/支。
②铸坯轧制：终轧温度：930℃～945℃
⑵生产检验结果：
①成品材全氧含量10×10-6；全流程氧含量变化见图1。
②夹杂物检验结果见表10
表10 非金属夹杂物检验结果
③晶粒度采用直接法930℃保温4h晶粒度7级。
④淬透性检验结果见表11
表11 淬透性
离淬火端距离mm 6 9
硬度值(HRC) 34～38 26～30
实测值(HRC) 35.5、35 29、28
见图2、图3。
⑤截面ΔC
钢材规格Φ90mm，采用Φ5mm钻头沿钢材直径均匀打5点钻屑，进行C 含量分析，分析结果见表12，截面ΔC％(最大值-最小值)＝0.016％。
表12 钢材截面碳含量标定
位置 1 2 3 4 5
C含量％ 0.219 0.222 0.207 0.215 0.206

Claims (3)

1.一种电炉冶炼高质量齿轮钢的方法，其特征在于：所述方法，即采取有效技术措施：
纯净度方面的措施：优化供氧曲线，控制电炉钢出钢氧含量；优化合金料加料顺序；合理控制VD后软吹和喂硫时间；
窄淬透性带控制措施：优化炉前熔炼成分制定内控值；采用DOE设计，对连铸坯的过热度、二冷冷却强度、拉速进行合理匹配；建立精确的淬透性计算模型；
晶粒度控制措施：保证加热制度和终轧制度；
所述优化电炉供氧制度，见表1，控制电炉出钢氧含量不大于800×10-6；
表1供氧量
所述优化合金料加料顺序，电炉出钢混冲增碳剂10kg～20kg，然后加入锰铁、铬铁、硅铁等合金料、白灰渣料、电石1kg/t、铝锭1kg/t；
所述控制VD后软吹和喂硫时间，破真空后软吹时间5min～10min，喂入硫线，总软吹时间20min～40min，软吹时以液面微动为宜，钢水不得裸露；
所述优化炉前熔炼成分制定内控值(％)：碳：0.20～0.22，锰：0.84～0.88，硅：0.24～0.28，磷：不大于0.015，镍：0.52～0.56，铬：0.52～0.56，钼：0.19～0.21，铝：0.015～0.035；
所述采用DOE设计合理匹配连铸过热度：20℃～40℃，拉速：0.8m/min±0.1m/min，二冷水流量(L/kg)：0.18～0.19；
所述晶粒度控制措施：铸坯加热温度1160℃±30℃，出炉速度100S/支～160S/支，终轧温度850℃～950℃。
2.根据权利要求1所述一种电炉冶炼高质量齿轮钢的方法，其特征在于：
所述优化合金料加料顺序，总装炉量68.55吨；电炉出钢混冲增碳剂10kg，电石100kg、铝锭60kg；
所述控制VD破真空后软吹5min，喂入硫线，软吹时间15min；
所述炉前熔炼成分值(％)：碳：0.205，锰：0.84，硅：0.24，硫：0.023，磷：0.008，镍：0.54，铬：0.54，钼：0.19，铝：0.023；
所述连铸过热度32℃～40℃，拉速0.8m/min～0.90m/min，二冷水流量：0.186L/kg；
所述晶粒度控制措施：铸坯加热温度1160℃～1190℃，出炉速度120S/支；终轧温度930℃～940℃。
3.根据权利要求1所述一种电炉冶炼高质量齿轮钢的方法，其特征在于：
所述优化合金料加料顺序，总装炉量69.05吨；电炉出钢混冲增碳剂10kg，电石100kg、铝锭60kg；
所述控制VD破真空后软吹5min，喂入硫线，软吹时间15min；
所述炉前熔炼成分值(％)：碳：0.203，锰：0.83，硅：0.5，硫：0.023，磷：0.010，镍：0.53，铬：0.54，钼：0.19，铝：0.022；
所述连铸过热度33℃～39℃，拉速0.8m/min～0.90m/min，二冷水流量：0.19L/kg；
所述晶粒度控制措施：铸坯加热温度1162℃～1189℃，出炉速度120s/支，终轧温度930℃～945℃。
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