一种含铝含硫系列齿轮钢冶炼工艺.pdf

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。

权利要求书
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；
(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。

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％。

说明书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。