CN104611502A

CN104611502A - 一种含铝含硫系列齿轮钢冶炼工艺

Info

Publication number: CN104611502A
Application number: CN201510095647.1A
Authority: CN
Inventors: 邓向阳
Original assignee: Zenith Steel Group Co Ltd
Current assignee: Changzhou Bangyi Iron and Steel Co., Ltd.; Zenith Steel Group Co Ltd
Priority date: 2015-03-03
Filing date: 2015-03-03
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2035-03-03
Also published as: CN104611502B

Abstract

本发明公开了一种含铝含硫系列齿轮钢冶炼工艺，铁水要求：Si0.20-0.50%、S≤0.035%、P≤0.110%、T≥1250℃。电炉、精炼用石灰要求：CaO≥90％，SiO₂≤1.2％，活性度≥300，粒度要求10-40mm；低硅精炼剂要求：45%≤CaO≤55%，SiO₂≤2.0％，35%≤Al2O3≤40%。电炉实现高达90%的铁水热装比，LF精炼采用先强后弱的脱氧方式，中后期用弱脱氧剂来进行炉渣维护，进一步脱氧。同时采用先脱氧、脱S，再喂入S线来获得一定S含量，且在VD钢水喂入钙铁线变性处理后间隔5分钟以上，才允许喂入S线，这样防止了另一水口结瘤物CaS夹杂的形成，最终在钢材获得良好组织性能的同时保证了钢水的可浇性，提高了钢水的纯净度。

Description

一种含铝含硫系列齿轮钢冶炼工艺

技术领域

本发明属于冶金领域，涉及一种钢材冶炼工艺，具体地说是一种含铝含硫齿轮钢冶炼工艺。

背景技术

含铝含硫系列齿轮钢，属于渗碳钢，强度、韧性均高，淬透性良好。热处理后所得到的性能优于20Cr。淬火变形小，低温韧性良好，切削加工性较好。一般在渗碳淬火或调质后使用。用于制造和重载大截面的调质零件及小截面的渗碳零件，还可用于制造中等负载、冲击较小的中小零件，代替20CrNi使用，如齿轮、轴、主轴、变速装备的摩擦轮、蜗杆、调速器的套筒等。该系列主要钢种有16MnCr5、20MnCrS5、25MnCr5、28MnCr5等，这些钢号全部按照德国大众企业标准生产，是目前引进钢号中技术要求最高，生产难度最大的一组系列钢。为满足其使用要求，齿轮钢必须具有良好的抗疲劳强度、良好的切削性能以及良好的淬透性。

高质量的齿轮钢其质量主要表现在三个方面：末端淬透性窄、纯净度高、晶粒细小均匀；冶炼含铝含硫系列齿轮钢的关键是要提高钢水的纯净度，即：降低钢水中的氧含量、夹杂物及残余元素含量。同时为保证获得良好的淬透性、细晶粒组织及易切削性能，还要控制好钢中各元素成分。目前主要难点是控制钢中Si含量在较低水平(因为过高的硅含量会增加齿轮渗碳过程的内氧化倾向,形成“黑色网状组织”缺陷,使疲劳寿命急剧降低，降低渗碳质量)的同时为保证钢水的较低的氧含量及细晶粒组织，炼钢生产过程必须大量用铝来加强脱氧及保证成品铝含量，同样为细化晶粒需要使用含Ti合金，Al和Ti均是易氧化元素，这样势必在生产过程生成大量难熔的Al₂O₃、TiO₂等夹杂，此外由于为了保证齿轮钢的易切削性能需要加入一定的S，钢水中S含量高时，其极易与钢水中的钙反应生成更难熔的CaS夹杂，钢水中的Al₂O₃、TiO₂、CaS等夹杂含量过高时都会在水口内富集并导致结晶器内钢水液面波动及水口结瘤、不仅造成卷渣，影响钢水的纯净度及钢材表面质量，同时水口结瘤会造成浇注过程中断，影响生产顺利进行。

目前，采用高炉铁水－转炉－LF精炼-VD(或RH)－连铸生产工艺生产齿轮钢。同时因大量用铝、钛、硫，钢水可浇注性差，不能实现多炉连浇，钢坯表面质量也差，钢材氧含量及非金属氧含量也容易超标，影响钢水质量的同时增添了大量报废，严重影响了生产成本控制。

如何获得钢水中一定Al含量、S含量、Ti含量及较低的Si含量，并保证钢水在浇注过程不出现结瘤、液面不稳从而实现多炉连浇成为技术攻关的主要难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种含铝含硫系列齿轮钢冶炼工艺，采用该工艺能实现钢水中一定的Al、S、Ti含量及较低的Si含量，并保证钢水的可浇性，实现多炉连浇。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种含铝含硫系列齿轮钢冶炼工艺，其特征在于该工艺具体要求如下：

(1)铁水要求：Si 0.20-0.50％、S≤0.035％、P≤0.110％、T≥1250℃。

(2)废钢要求：废钢必须干净、干燥，不得有垃圾，必须检测其残余元素含量，同时做到轻薄料和重型料的相互搭配。

(3)电炉、精炼用石灰、低Si精炼剂要求：

石灰:CaO≥90％，SiO₂≤1.2％，活性度≥300，粒度要求10-40mm；

低Si精炼剂要求：45％≤CaO≤55％，SiO₂≤2.0％，35％≤Al₂O₃≤40％。

(4)炉衬、钢包要求：电炉新炉衬前5炉，返修钢包、新钢包以及上炉冶炼高硅钢种(Si≥0.35％)的钢包不得用于冶炼含铝含硫系列齿轮钢。同时必须对钢包包沿及包底的残钢、残渣进行清理，并采用自动加沙装置确保均匀地添加优质引流砂，确保大包自开率大于99％。

(5)电炉冶炼过程：当炉内C≤0.30％；P≤0.015％时，严禁向炉内大流量供氧，确保终点C，防止钢水过氧化。

(6)电炉出钢过程进行留钢操作，防止下渣。

(7)确保电炉出钢温度，保证钢水上LF温度大于1570℃，出钢过程中采用石灰和部分低Si精炼剂，并加入铝块和电石等强脱氧剂，利用出钢过程钢渣混冲的有利动力学条件实现快速化渣、脱氧。

(8)LF精炼初期采用铝粒、电石等强脱氧剂进行脱氧，并视炉渣情况补加少量石灰及低Si精炼剂造渣，且采用大氩气搅拌从而实现尽快造白渣，达到脱氧、脱硫的目的，待炉渣变黄白后立即喂入铝线，争取一次性将铝调整到位，使得生成的Al₂O₃等夹杂有足够的聚集上浮时间。

(9)LF精炼中后期以C粉、复合脱氧剂等弱脱氧剂来进行脱氧及炉渣的维护，整个冶炼过程禁止使用含Si脱氧材料，并在LF精炼吊包前加入钛铁进行钛的调整。要求整个LF炉精炼时间≥45分钟。

(10)VD破空后，先喂入钙铁线对钢水中的Al₂O₃等夹杂进行变性处理，变性处理后间隔5分钟以上再喂入S线，防止生成高熔点的CaS夹杂(CaS夹杂也是造成水口结瘤的重要原因)。VD后进行软吹氩搅拌，确保软吹氩时间在30-60min。

(11)连铸时，全程采用吹氩保护浇注，中包采用双覆盖剂进行保护，大包、中包均采用留钢操作。

本发明中，电炉实现铁水热装比90％，实现电转炉初炼，减少了因为电炉大量废钢使用带来的大量有害残余元素，同时保证了足够了配C量，有利于保证终点C，防止钢水过氧化，LF精炼过程采用先强后弱的脱氧思路，并待精炼初期炉渣转黄白后一次性将铝调整到位，并待钢水脱氧全到位后再进行钛的加入，该工艺思路可以有效控制过程铝损、钛损，减少精炼回硅量，同时保证产生的Al₂O₃、TiO₂等夹杂有足够的上浮时间。本发明电炉、精炼冶炼过程采用低硅材料，并用低Si精炼剂代替萤石来调节炉渣流动性，因而可以有效控制钢水Si含量。

此外采用本发明工艺，要求LF精炼前期先脱氧、脱S，然后在VD真空处理后采用钙铁线对钢水中的Al₂O₃等夹杂进行变性处理，变性处理间隔5分钟以上再喂入S线，来获得一定的S含量，该工艺思路即可以提高钢水纯净度，又可以防止生成熔点更高的CaS夹杂，从而防止水口结瘤、液面波动。保证浇注的顺行。

具体实施方式

一种含铝含硫系列齿轮钢冶炼工艺，以20MnCrS5齿轮钢生产为例说明：

生产工艺：高炉铁水(90％)+废钢(10％)－100吨电炉－100吨钢包精炼炉(LF)－100吨真空炉(VD)-5机5流连铸机(220mm×260mm矩形坯)。

电炉冶炼工艺

1、电炉采用高炉铁水+废钢，铁水热装比例占90％，电炉终点碳含量控制在0.06％以上，可以减少钢水过氧化，从而防止冶炼铝损过大带来大量的Al₂O₃等夹杂，可有效控制钢中的氧含量及夹杂物含量。

2、电炉出钢加入石灰600kg，低Si精炼剂400kg，至精炼炉Si含量小于0.03％。

3、出钢时，加入电石100千克/炉和Al块80千克/炉进行预脱氧。

LF精炼炉工艺

1、前期主要用铝粒40Kg/炉和电石(电石使用量根据脱氧情况确定)等强脱氧剂进行扩散脱氧；取初样后使用C粉及复合脱氧剂等弱脱氧剂每隔5～8分钟从炉门口飘入来保证白渣保持时间和炉渣的流动性，从而提高炉渣脱氧及吸附夹杂的能力，整个精炼过程不得使用含Si脱氧材料进行脱氧。

2、待渣化完后(约通电3～5分钟)，向炉内加入石灰及低Si精炼剂各100千克左右进行造渣，保证上VD前[S]≤0.012％；并根据炉渣情况，使用适量低Si精炼剂来调整炉渣流动性。

3、送电8～10分钟后喂Al线400米(确保初样Al≥0.060％，若不足初样后就需补喂Al线)，争取一次性用铝到位；吊包前5分钟左右若〔Al〕低可补喂适量Al线，确保成品〔Al〕控制在0.020-0.050％；吊包前加钛铁50Kg/炉。

4、氩气控制：增C、加合金后使用大氩量200—250L/min，正常送电使用中氩量100—150L/min，非送电时间使用小氩量30—50L/min。

VD工艺

1、VD总时间25分钟以上，其中极限真空度(≤67pa)保持时间≥15分钟；

2、VD破空后喂入喂CaFe线200～250米来对钢水中Al₂O₃等夹杂进行变性处理，隔5分钟后喂入适量S线至目标(喂S线必须隔5分钟以上后再喂入)。

3、VD后软吹氩时间控制30-60min，软吹时氩气流量控制，以钢渣界面的轻微蠕动为标准，禁止钢渣裸露，出现亮面。

连铸工艺

连铸浇注前对中包进行吹氩保护，钢包与长水口的连接处使用石棉密封垫圈，并加以吹氩保护；长水口插入中包深度≥300毫米，且不允许出现偏斜。此外采用钢包下渣检测技术及大包留钢操作来防止钢包渣卷入中间包。中间包采用碱性覆盖剂加炭化稻壳的双层保护。同时采用结晶器液面自动控制技术，确保结晶器液面不波动、不卷渣。连铸拉速控制在0.8－1.0m/min，过热度控制在20－35℃，浇注过程禁止频繁变动拉速，防止因此出现的液面波动，造成卷渣。

通过本发明生产的20MnCrS5钢中Al含量控制在0.025-0.035％左右。Ti含量控制在0.006-0.010％；Si≤0.05％；S含量控制在0.020-0.030％，在保证其获得良好晶粒度、易切削性能的同时，没有出现结晶器液面波动、水口结瘤等浇注异常情况，生产得以顺利进行，中间包连浇时间达10－12小时，可实现12炉以上多炉连浇(目前国内其它钢厂只能连浇8炉左右)。并减少了因液面波动卷渣带来的表面缺陷，同时也提高了钢水的纯净度，该冶炼工艺可推广至其它同时含铝、含硫、含钛的齿轮钢，如20MnCr5、27CD4、28MnCr5、SAE8620H等。

Claims

1.一种含铝含硫系列齿轮钢冶炼工艺，其特征在于该工艺具体要求如下：

(1)铁水要求：Si 0.20-0.50％、S≤0.035％、P≤0.110％、T≥1250℃；

(2)废钢要求：废钢干净、干燥，做到轻薄料和重型料相互搭配；

(3)电炉、精炼用石灰、低Si精炼剂要求：

石灰:CaO≥90％，SiO₂≤1.2％，活性度≥300，粒度要求10-40mm；

低Si精炼剂要求：45％≤CaO≤55％，SiO₂≤2.0％，35％≤Al₂O₃≤40％；

(4)炉衬、钢包要求：电炉新炉衬前5炉，返修钢包、新钢包以及上炉冶炼Si≥0.35％的高硅钢种的钢包不得用于冶炼含铝含硫系列齿轮钢；同时对钢包包沿及包底的残钢、残渣进行清理，并采用自动加沙装置确保均匀地添加优质引流砂，确保大包自开率大于99％；

(5)电炉冶炼过程：当炉内C≤0.30％；P≤0.015％时，严禁向炉内大流量供氧，确保终点C，防止钢水过氧化；

(6)电炉出钢过程进行留钢操作，防止下渣；

(7)确保电炉出钢温度，保证钢水上LF温度大于1570℃，出钢过程中采用石灰和低Si精炼剂，并加入强脱氧剂铝块和电石，实现快速化渣、脱氧；

(8)LF精炼初期采用强脱氧剂铝粒、电石进行脱氧，并加石灰及低Si精炼剂造渣，且采用大氩气搅拌实现尽快造白渣，达到脱氧、脱硫的目的，待炉渣变黄白后立即喂入铝线，一次性将铝调整到位，使得生成的夹杂有足够的聚集上浮时间；

(9)LF精炼中后期以弱脱氧剂C粉、复合脱氧剂来进行脱氧及炉渣的维护，整个冶炼过程禁止使用含Si脱氧材料，并在LF精炼吊包前加入钛铁进行钛的调整；要求整个LF炉精炼时间≥45分钟；

(10)VD破空后，先喂入钙铁线对钢水中的夹杂进行变性处理，变性处理后间隔5分钟以上再喂入S线，防止生成高熔点的CaS夹杂；VD后进行软吹氩搅拌，确保软吹氩时间在30-60min；

2.根据权利要求1所述的含铝含硫系列齿轮钢冶炼工艺，其特征在于：步骤(10)中，VD破空后，先喂入钙铁线对钢水中的Al₂O₃夹杂进行变性处理。

3.根据权利要求1所述的含铝含硫系列齿轮钢冶炼工艺，其特征在于：步骤(5)中，电炉冶炼过程中铁水热装比为90％。