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CN116497175A - 一种高效精准控制齿轮钢中b含量的冶炼工艺 - Google Patents

一种高效精准控制齿轮钢中b含量的冶炼工艺 Download PDF

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CN116497175A CN202310398492.3A CN202310398492A CN116497175A CN 116497175 A CN116497175 A CN 116497175A CN 202310398492 A CN202310398492 A CN 202310398492A CN 116497175 A CN116497175 A CN 116497175A
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Abstract

本发明公开了一种高效精准控制齿轮钢中B含量的冶炼工艺，该工艺包括转炉冶炼、炉后扒渣、LF精炼、RH真空、连铸等工序，其中转炉工序低碳出钢可以提高钢水温度，利于快速造渣；低碳出钢使钢水过氧化状态，可将钢水中B元素氧化为B2O3进入渣中，进一步降低转炉出钢残余B元素含量；出钢过程不加Al系合金，避免将渣中B2O3还原出进入钢液；出钢采用炉后扒渣，可将炉渣中B2O3扒除掉，避免在LF精炼时被还原进入钢水，同时将氧化渣扒除掉后，减轻精炼负担，进一步提高钢液纯净度；出钢合金不必采用低B合金，降低合金成本，该方法可以高效、精准控制钢液中残余B含量≤1.5ppm，显著提高钢液纯净度和产品质量水平。

Description

一种高效精准控制齿轮钢中B含量的冶炼工艺
技术领域
本发明涉及一种控制钢材中B含量的冶炼工艺，尤其涉及一种高效精准控制齿轮钢中B含量的冶炼工艺。
背景技术
淬透性是齿轮钢的一项重要性能指标，齿轮钢淬透性带宽要求越窄越好，主要是保证不同齿轮的心部硬度，且有利于控制齿轮热处理变形。一般高档汽车变速箱齿轮用钢要求不同炉次淬透性带宽≤4HRC，所以提高和稳定钢的淬透性一直是各特钢厂研究的课题。齿轮钢中残余B元素对淬透性有较大影响，高端齿轮钢对钢液纯净度和淬透性带宽都有极为严格的要求，降低齿轮钢中余B元素含量，能有效降低淬透性带宽。相关文献表明：当B含量≤4ppm，淬透性带宽≤4HRC。
影响转炉流程生产齿轮钢残余B含量的主要问题为：
(1)转炉出钢下渣，转炉吹氧冶炼工艺，将铁水中B元素氧化为B2O3进入炉渣中，因转炉出钢无法采用留钢操作，在出钢末期不可避免会随钢流因漩涡效应产生下渣。LF精炼阶段是还原期，渣中B2O3会发生还原反应，再次进入钢水中，导致钢液中B元素含量增加。
(2)合金中B元素，齿轮钢中主要元素为C、Si、Mn、Cr等，需要在钢液中加入硅系、锰系、铬系合金进行合金化，不同合金中B元素含量差别较大，但选用低B合金会导致合金成本大幅增加。
(3)转炉出钢加入Al系合金，由于具有较强的还原性，将渣中B2O3还原进入钢水中，导致钢液中B元素含量增加。
为解决上述问题，一般采用电炉生产，进行留钢留渣操作，减少下渣杜绝增B，该方法不适应用于转炉流程，且留钢操作不利于高效生产，增加企业生产成本；或选用低B含量合金和原辅料，但是会大幅增加生产成本；或通过优化渣系，降低LF精炼时期还原程度，减少渣中B2O3被还原进入钢液中。通过降低还原程度，不利于钢液深脱氧操作，不利于提高钢液纯净度。
CN114574750A窄淬透性齿轮钢硼含量的控制方法，通过优化合金使用种类，严禁加入硅锰和高碳合金，严格控制合金及原辅材料中的硼含量，电炉冶炼留钢留渣操作，优化钢包砖中的硼含量及电炉出钢脱氧工艺，大包采用留钢渣操作等措施，降低了窄淬透性齿轮钢中的硼含量。该方法主要依靠电炉留钢留渣操作，大包留钢操作等，不利于高效生产，增加生产成；且转炉冶炼无法实现留钢操作，因此该方法在转炉流程中无法推广使用；另外，该方案严格控制合金、原辅料、钢包砖中B含量，会大幅提高原料成本。
CN108950125A一种降低20CrMnTiH齿轮钢中硼含量的方法，该方法在转炉冶炼阶段利用低碳锰铁和中碳锰铁合金作为锰添加剂，LF精炼阶段采用Al2O3质量分数为20-25％的精炼渣进行精炼。通过对物料配方的控制以及精炼渣系成分的调整，并取消了加入化渣球的步骤，降低了硼(B)元素含量，控制B含量≤2ppm，稳定了20CrMnTiH齿轮钢的淬透性。Al2O3能够还原炉渣中的B元素，使得B进入钢水中，本发明对精炼渣系的成分进行了调整，通过降低渣中Al2O3含量减少了炉渣中B元素的还原量，实现了对钢中B元素的合理控制。但该方案未彻底清除掉含B炉渣，只是通过降低精炼的还原程度，减少渣中B还原量，该方法会导致钢液脱氧不充分，不利于提高钢液纯净度。
CN113832294A 20CrMnTiH齿轮钢B含量控制方法，该方法在转炉出钢过程中进行硅锰脱氧，小平台进行大流量吹氩后再喂入铝线，LF中合金元素调整按规格中线控制，很好地解决了20CrMnTiH齿轮钢B含量高而影响淬透性的问题。通过优化工艺步骤，在适当的时机进行脱氧工艺，喂入铝线以及合金元素调整，很好的降低了齿轮钢B含量，在实验中，利用本方法进行的控制，其试验炉次B含量均可以有效控制在4ppm以内。但该发明专利未对转炉出钢的炉渣做有效处理，同时硅锰合金含B量较高，容易增加钢液中B含量，不利于生产超低B含量钢种。
CN 114737021 A一种钢中硼含量的控制方法，该方法向钢包中加入Al块脱氧，会将渣中B元素还原进入钢液，增加钢液B含量；该方法加入的铁合金选用低硼合金，包括低碳锰铁、金属锰、低硼低碳铬铁，会进一步增加生产成本，不利于大规模推广；该方法控制钢液中残余B在2.8ppm以上，无法进一步降低钢液中残余B含量。
CN 114908215 A一种控制齿轮钢中B含量的方法，该方法在合金化添加辅料时最后加入铝丸会将渣中B元素还原进入钢液，增加钢液B含量；该方法成品B含量控制在3.7ppm，残余B含量仍然较高，无法进一步降低钢液中残余B含量。
发明内容
发明目的：本发明旨在提供一种高效精准控制并降低齿轮钢中B含量的冶炼工艺，齿轮钢中B元素含量≤1.5ppm。
技术方案：本发明所述的高效精准控制齿轮钢中残余B含量的冶炼工艺，该工艺包括如下步骤：
(1)转炉：
转炉终点出钢C：0.04-0.07％，控制出钢氧含量在300-800ppm，创造较高的氧化氛围，将钢液中B元素充分氧化为B2O3进入渣中，降低钢液中残余B元素含量；出钢温度1600-1660℃，出钢过程中随时观察转炉内出钢情况，避免带渣出钢；当钢水出钢量在20-40t时，开始加入合金和石灰，出钢合金化达到钢种成分下限，减少LF合金加入量；出钢末期，将挡渣锥投入到钢水中，并及时摇炉抬起炉子；出钢结束后大氩气搅拌，充分将合金中所带入的B元素氧化为B2O3并上浮至入渣中，同时有利于钢水夹杂物上浮；
(2)扒渣：
钢水转运至扒渣工序，待渣面吹开后调小氩气流量，将钢包倾斜将渣扒除，扒渣后钢液裸露面积≥80％；
(3)LF精炼：
扒渣完毕，将钢水吊包至LF工序，通过喂丝机喂入Al线进行沉淀脱氧和Al合金化，将钢液中氧含量快速降低至降低水平，将钢液中氧含量降低至15ppm以下。通过高位料仓加入合金微调钢液成分，加入石灰和精炼渣，通电升温化渣，精炼前期加入扩散脱氧剂进行扩散脱氧，待渣白后，通过少量、多批次方式加入扩散脱氧剂，维持白渣。
进一步地，步骤(1)中所述出钢过程禁止加入Al系脱氧剂，避免将渣中B2O3会发生还原反应，再次进入钢水中。
进一步地，步骤(1)中所述合金为硅锰合金、低碳锰铁、高碳锰铁、低碳铬铁或硅铁合金，所述加入石灰的量为2-5kg/t，所述出钢结束后大氩气搅拌的氩气流量为200-500L/min，搅拌时间为3-6min。
进一步地，步骤(2)中所述扒渣开始底吹氩气流量在200-400L/min，破渣后氩气流量调整为20-80L/min，所述渣面吹开直径为10-40cm，钢包倾斜角度为5-30°。
进一步地，步骤(3)中所述LF精炼喂入Al线长度在50-300m之间，LF首次分析Al含量控制在0.010-0.040wt％；所述扩散脱氧剂包括高纯碳化硅粉、硅铁粉和电石；所述石灰的加入量为4-6kg/t，精炼渣为2-5kg/t，渣系目标成分为R：4-6，Al2O3含量：20-30％，FeO+MnO≤1％。
进一步地，所述齿轮钢中残余B含量≤1.5ppm。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：(1)该方法可以低成本、高效、精准控制齿轮钢中残余B含量≤1.5ppm，并显著提高钢液纯净度，提高特殊钢产品质量水平，增加附加值；(2)转炉低拉碳出钢，控制出钢氧含量在300-800ppm，创造较高的氧化氛围，可将铁水中B元素氧化为B2O3进入渣中，进一步降低转炉出钢残余B元素含量；(3)转炉低拉碳出钢，提高出钢温度，便于炉后扒渣，同时利于提高精炼成渣速度；(4)合金主要在转炉后加入，使合金中残余B元素被钢水快速氧化后进入渣中，降低LF合金使用量，合金种类不受限制，不用特意选用低B合金，有效降低生产成本；(5)转炉出钢不加Al系脱氧剂，避免将渣中B2O3还原进入钢水中，进一步降低钢液中B元素含量；(6)转炉出钢过程中所加合金中B元素氧化为B2O3上浮至渣中，及出钢末期所下渣中B2O3，通过炉后扒渣方式扒除掉，避免LF精炼时将渣中B元素还原回钢液中，从根源上最大程度降低钢液中B元素；(7)炉后扒渣后，将氧化渣扒除，减轻LF还原和去除夹杂压力，进一步提高钢液纯净度；(8)转炉可以最大程度的多出钢水，提高产量。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
本发明所述高效精准控制齿轮钢中残余B含量的冶炼工艺，包括如下步骤：
转炉工序
转炉终点出钢C：0.04％，出钢前定氧754ppm，创造较高的氧化氛围，将钢液中B元素充分氧化为B2O3进入渣中，降低钢液中残余B元素含量；转炉终点出钢钢水B：0.5ppm，出钢温度1640℃，出钢P:0.015％。出钢过程中随时观察转炉内出钢情况，避免带渣出钢；出钢量达到末期，通过滑轨车将挡渣锥投入到钢水中，当挡渣锥下降过程中淹没于旋流钢水中，及时摇炉抬起炉子，避免钢流中过多带渣；当钢水出钢量在20t时，开始加入硅锰合金、高碳锰铁合金、高碳铬铁合金和2kg/t石灰，出钢合金化达到钢种成分下限，减少LF合金加入量，禁止加入Al系脱氧剂。出钢结束后底吹氩气流量调整至250L/min搅拌3min，充分将合金中所带入的B元素氧化为B2O3并上浮至入渣中，同时利于钢水夹杂物上浮。搅拌后取钢水样分析成分，B：0.8ppm，随后将钢水吊包至扒渣工序。
扒渣站
搅拌后将钢包车开至扒渣工序，底吹氩气流量控制在300L/min待渣面吹开后把氩气流量调小至40L/min，保证吹开渣面直径在25cm；钢包倾斜角度在10°，利于将渣扒除，将渣面扒除干净，扒渣后将钢包转运至LF精炼工序。
LF精炼
钢水吊包至LF工序，通过喂丝机喂入100m Al线进行沉淀脱氧，将钢液中氧含量快速降低至14ppm，LF首次分析Al为0.020％。通过高位料仓加入硅锰合金、低碳锰合金微调钢液成分，加入石灰4.5kg/t，精炼渣2.5kg/t，下电极通电10min升温化渣。精炼前期加入100kg高纯碳化硅粉、硅铁粉、电石等扩散脱氧剂进行扩散脱氧，待渣白后，通过少量、多批次方式加入扩散脱氧剂，维持白渣。渣系目标R：4-6，Al2O3含量：20-30％，FeO+MnO≤1％。
RH真空·asZ
RH真空度≤100pa，真空保持时间10min，破真空后进行钙处理，喂钙线30m/炉，随后进行软吹操作，软吹时间10min后吊包至连铸。
连铸
连铸工序全程保护浇铸，大包长水口采用氩气密封，中包使用碱性覆盖剂和碳化稻壳双层覆中包开浇前灌氩操作，过热度控制在30℃，拉速0.85m/min，结晶器水流量150m3/h，二冷水采用中冷模式，二冷比水量0.25L/kg。
不同工序分析B含量如下：
工序 转炉终点 合金化后 LF第一个样 LF终点样 RH吊包样 成品样
含量/ppm 0.5 0.8 1.2 1.3 1.4 1.5
成品成分如下：
实施例2
转炉工序
转炉终点出钢C：0.05％，出钢前定氧650ppm，创造较高的氧化氛围，将钢液中B元素充分氧化为B2O3进入渣中，降低钢液中残余B元素含量；转炉终点出钢钢水B：0.6ppm，出钢温度1630℃，出钢P:0.012％。出钢过程中随时观察转炉内出钢情况，避免带渣出钢；出钢量达到末期，通过滑轨车将挡渣锥投入到钢水中，当挡渣锥下降过程中淹没于旋流钢水中，及时摇炉抬起炉子，避免钢流中过多带渣；当钢水出钢量在30t时，开始加入硅锰合金、高碳锰铁合金、高碳铬铁合金和2.5kg/t石灰，出钢合金化达到钢种成分下限，减少LF合金加入量，禁止加入Al系脱氧剂。出钢结束后底吹氩气流量调整至280L/min搅拌4min，充分将合金中所带入的B元素氧化为B2O3并上浮至入渣中，同时利于钢水夹杂物上浮。搅拌后取钢水样分析成分，B：0.9ppm，随后将钢水吊包至扒渣工序。
扒渣站
搅拌后将钢包车开至扒渣工序，底吹氩气流量控制在250L/min待渣面吹开后把氩气流量调小至60L/min，保证吹开渣面直径在30cm；钢包倾斜角度在15°，利于将渣扒除，将渣面扒除干净，扒渣后将钢包转运至LF精炼工序。
LF精炼
钢水吊包至LF工序，通过喂丝机喂入150mAl线进行沉淀脱氧，将钢液中氧含量快速降低至10ppm，LF首次分析Al为0.025％。通过高位料仓加入硅锰合金、低碳锰合金微调钢液成分，加入石灰5kg/t，精炼渣3kg/t，下电极通电12min升温化渣。精炼前期加入80kg高纯碳化硅粉、硅铁粉、电石等扩散脱氧剂进行扩散脱氧，待渣白后，通过少量、多批次方式加入扩散脱氧剂，维持白渣。目标渣系R：4-6，Al2O3含量：20-30％，FeO+MnO≤1％。
RH真空
RH真空度≤100pa，真空保持时间12min，破真空后进行钙处理，喂钙线40m/炉，随后进行软吹操作，软吹时间12min后吊包至连铸。
连铸
连铸工序全程保护浇铸，大包长水口采用氩气密封，中包使用碱性覆盖剂和碳化稻壳双层覆中包开浇前灌氩操作，过热度控制在25℃，拉速0.90m/min，结晶器水流量150m3/h，二冷水采用中冷模式，二冷比水量0.25L/kg。
不同工序分析B含量如下：
工序 转炉终点 合金化后 LF第一个样 LF终点样 RH吊包样 成品样
含量/ppm 0.6 0.9 1.2 1.3 1.3 1.4
成品成分如下：
成分 C Si Mn S P Cr Al Ti B
0.21 0.25 1.04 0.008 0.010 1.13 0.018 0.05 0.00014
实施例3
转炉工序
转炉终点出钢C：0.04％，出钢前定氧737ppm，创造较高的氧化氛围，将钢液中B元素充分氧化为B2O3进入渣中，降低钢液中残余B元素含量；转炉终点出钢钢水B：0.5ppm，出钢温度1645℃，出钢P:0.011％。出钢过程中随时观察转炉内出钢情况，避免带渣出钢；出钢量达到末期，通过滑轨车将挡渣锥投入到钢水中，当挡渣锥下降过程中淹没于旋流钢水中，及时摇炉抬起炉子，避免钢流中过多带渣；当钢水出钢量在35t时，开始加入硅锰合金、高碳锰铁合金、高碳铬铁合金和3.0kg/t石灰，出钢合金化达到钢种成分下限，减少LF合金加入量，禁止加入Al系脱氧剂。出钢结束后底吹氩气流量调整至300L/min搅拌5min，充分将合金中所带入的B元素氧化为B2O3并上浮至入渣中，同时利于钢水夹杂物上浮。搅拌后取钢水样分析成分，B：0.8ppm，随后将钢水吊包至扒渣工序。
扒渣站
搅拌后将钢包车开至扒渣工序，底吹氩气流量控制在290L/min待渣面吹开后把氩气流量调小至70L/min，保证吹开渣面直径在35cm；钢包倾斜角度在13°，利于将渣扒除，将渣面扒除干净，扒渣后将钢包转运至LF精炼工序。
LF精炼
钢水吊包至LF工序，通过喂丝机喂入200mAl线进行沉淀脱氧，将钢液中氧含量快速降低至7ppm，LF首次分析Al为0.030％。通过高位料仓加入硅锰合金、低碳锰合金微调钢液成分，加入石灰6kg/t，精炼渣5kg/t，下电极通电15min升温化渣。精炼前期加入100kg高纯碳化硅粉、硅铁粉、电石等扩散脱氧剂进行扩散脱氧，待渣白后，通过少量、多批次方式加入扩散脱氧剂，维持白渣。目标渣系R：4-6，Al2O3含量：20-30％，FeO+MnO≤1％。
RH真空
RH真空度≤100pa，真空保持时间14min，破真空后进行钙处理，喂钙线50m/炉，随后进行软吹操作，软吹时间14min后吊包至连铸。
连铸
连铸工序全程保护浇铸，大包长水口采用氩气密封，中包使用碱性覆盖剂和碳化稻壳双层覆中包开浇前灌氩操作，过热度控制在20℃，拉速0.90m/min，结晶器水流量150m3/h，二冷水采用中冷模式，二冷比水量0.25L/kg。
不同工序分析B含量如下：
工序 转炉终点 合金化后 LF第一个样 LF终点样 RH吊包样 成品样
含量/ppm 0.5 0.8 1.3 1.3 1.4 1.5
成品成分如下：
成分 C Si Mn S P Cr Al Ti B
0.20 0.26 1.06 0.007 0.011 1.14 0.020 0.04 0.00015

Claims (10)

1.一种高效精准控制齿轮钢中残余B含量的冶炼工艺，其特征在于，该工艺包括如下步骤：
(1)转炉：
转炉终点出钢C：0.04-0.07％，控制出钢氧含量为300-800ppm，将钢液中B元素充分氧化为B2O3进入渣中，出钢温度控制为1600-1660℃，后续加入合金和石灰，当出钢合金化达到钢种成分下限，减少LF合金加入量；出钢末期，将挡渣锥投入到钢水中，并及时摇炉抬起炉子；出钢结束后大氩气搅拌，充分将合金中所带入的B元素氧化为B2O3并上浮至入渣中；
(2)扒渣：
钢水转运至扒渣工序，待渣面吹开后调小氩气流量，将钢包倾斜将渣扒除，扒渣后钢液裸露面积≥80％；
(3)LF精炼：
扒渣完毕，将钢水吊包至LF工序，喂入Al线进行沉淀脱氧和Al合金化，将钢液中氧含量降低至15ppm以下；通过高位料仓加入合金微调钢液成分，加入石灰和精炼渣，通电升温化渣，精炼前期加入扩散脱氧剂进行扩散脱氧，待渣白后，通过少量、多批次方式加入扩散脱氧剂，维持白渣。
2.根据权利要求1所述高效精准控制齿轮钢中残余B含量的冶炼工艺，其特征在于，步骤(1)中所述合金为硅锰合金、低碳锰铁、高碳锰铁、低碳铬铁或硅铁合金。
3.根据权利要求1所述高效精准控制齿轮钢中残余B含量的冶炼工艺，其特征在于，步骤(1)中所述加入石灰的量为2-5kg/t。
4.根据权利要求1所述高效精准控制齿轮钢中残余B含量的冶炼工艺，其特征在于，步骤(1)中所述出钢结束后大氩气搅拌的氩气流量为200-500L/min，搅拌时间为3-6min。
5.根据权利要求1所述高效精准控制齿轮钢中残余B含量的冶炼工艺，其特征在于，步骤(2)中所述扒渣开始底吹氩气流量在200-400L/min，破渣后氩气流量调整为20-80L/min。
6.根据权利要求1所述高效精准控制齿轮钢中残余B含量的冶炼工艺，其特征在于，步骤(2)中所述渣面吹开直径为10-40cm，钢包倾斜角度为5-30°。
7.根据权利要求1所述高效精准控制齿轮钢中残余B含量的冶炼工艺，其特征在于，步骤(3)中所述LF精炼喂入Al线长度在50-300m之间，LF首次分析Al含量控制在0.010-0.040wt％。
8.根据权利要求1所述高效精准控制齿轮钢中残余B含量的冶炼工艺，其特征在于，步骤(3)中所述扩散脱氧剂包括高纯碳化硅粉、硅铁粉和电石。
9.根据权利要求1所述高效精准控制齿轮钢中残余B含量的冶炼工艺，其特征在于，步骤(3)中所述石灰的加入量为4-6kg/t，精炼渣为2-5kg/t，渣系目标成分为R：4-6，Al2O3含量：20-30％，FeO+MnO≤1％。
10.根据权利要求1所述高效精准控制齿轮钢中残余B含量的冶炼工艺，其特征在于，所述齿轮钢中残余B含量≤1.5ppm。
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