汽車(chē)用齒輪鋼轉(zhuǎn)爐工藝生產(chǎn)實(shí)踐

1、第十四屆全國(guó)煉鋼學(xué)術(shù)會(huì)議文集汽車(chē)用齒輪鋼轉(zhuǎn)爐大方坯連鑄工藝生產(chǎn)實(shí)踐王亞?wèn)| 楊素波（新鋼釩股份有限公司提釩煉鋼廠）陳天明（攀枝花鋼鐵有限責(zé)任公司鋼研院）摘 要： 探索了汽車(chē)齒輪用鋼20CrMo(H)轉(zhuǎn)爐大方坯連鑄生產(chǎn)的冶煉工藝及控制要素，為高品質(zhì)汽車(chē)齒輪鋼的生產(chǎn)搭建了工藝平臺(tái)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用轉(zhuǎn)爐大方坯連鑄工藝可生產(chǎn)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的高品質(zhì)汽車(chē)齒輪用鋼。關(guān)鍵詞： 轉(zhuǎn)爐 精煉 大方坯連鑄 齒輪鋼 夾雜物Production Practice of Automobile Gear Steel by Converter-BloomContinuous Casting ProcessWang Yadong

2、 Yang Subo（Vanadium Recovery and Steelmaking Plant of PZH Steel）Chen Tianming(Panzhihua Iron and Steel Research Institute.)Abstract： The production process and controlling elements of automobile gear steel(20CrMo(H) by converter-bloom continuous casting process have been studied. The production plat

3、form of the high-quality gear steel has been put up. Test results showed that high-quality gear steels which meet the national standard can be obtained by the process. Key words： Converter Refining Bloom continuous casting Automobile gear steel Inclusion1 引言近年來(lái)，純凈度高、夾雜物尺寸小的高品質(zhì)20CrMo（H）鋼被廣泛用于生產(chǎn)汽車(chē)齒輪，其

4、主要質(zhì)量要求有：純凈度高，TO含量控制在15×10-6 以下、窄淬透性帶（4HRC）、為改善疲勞強(qiáng)度的各向異性和提高切削性能需要對(duì)鋼水進(jìn)行“鈣處理”15。為探索高品質(zhì)汽車(chē)齒輪鋼的轉(zhuǎn)爐大方坯連鑄生產(chǎn)工藝，新鋼釩股份有限公司提釩煉鋼廠與攀枝花鋼鐵有限公司、北京科技大學(xué)合作，進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)。汽車(chē)齒輪用20CrMo(H)鋼采用轉(zhuǎn)爐LF精煉RH處理380×380方坯連鑄工藝生產(chǎn)。在轉(zhuǎn)爐工序的主要任務(wù)是有效去除P、S，對(duì)鋼水進(jìn)行初步脫氧并達(dá)到合金化設(shè)計(jì)的初步要求；在LF工序的主要任務(wù)是對(duì)鋼水進(jìn)行精煉，通過(guò)精煉控制鋼水a(chǎn)O和鋼包渣中（FeO+MnO），有效控制精煉過(guò)程鋼水回P、增N，合理

5、設(shè)計(jì)和分解冶金功能使各工序周期基本匹配；在RH工序的主要任務(wù)是通過(guò)RH處理降低H、N含量，提高鋼水純凈度，對(duì)鋼水成分進(jìn)行精確控制，對(duì)鋼水進(jìn)行“鈣處理”改變鋼中夾雜物形態(tài)，連鑄工序的主要任務(wù)是通過(guò)合理的工藝控制保證鑄坯表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量，并使連鑄工序周期與精煉工序周期基本匹配。2 試驗(yàn)控制內(nèi)容2.1 成品成分一個(gè)典型包次的成品成分見(jiàn)表1。這7爐鋼的成分控制達(dá)到了合金化設(shè)計(jì)的目標(biāo)要求，合金成分的回收率比較理想。表1 成品成分%序號(hào)爐號(hào)CSiMnPSCrMo13097230.210.280.750.0140.0041.050.1823097240.200.290.790.0130.0031.020.

6、1831089690.190.290.780.0120.0041.010.1841089700.200.300.770.0100.0031.050.2153097280.210.300.770.0100.0021.040.1961089730.210.290.770.0100.0041.010.2073097300.200.300.780.0120.0031.020.182.2 冶煉在轉(zhuǎn)爐冶煉工序根據(jù)對(duì)成品P、S的要求，兼顧工業(yè)化生產(chǎn)的成本，未采用脫磷劑等特殊措施，但制定了專(zhuān)門(mén)的冶煉造渣制度，強(qiáng)化脫磷效果；為減輕精煉工序的負(fù)荷和盡可能縮短鋼水精煉工序周期，對(duì)轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)控制作了適當(dāng)要求，并采用Fe

7、MnAl進(jìn)行出鋼預(yù)脫氧。在轉(zhuǎn)爐工序達(dá)到了預(yù)期效果，主要工序參數(shù)見(jiàn)表2。從表2可以看出，鋼水在吹氬站吹氬處理后，鋼水a(chǎn)O上升，是鋼包渣中氧向鋼水傳輸?shù)慕Y(jié)果；第一爐因出鋼下渣量較多，鋼水a(chǎn)O較高。表2 轉(zhuǎn)爐工序主要參數(shù)序號(hào)爐號(hào)終點(diǎn)C，%終點(diǎn)P%Ar站P%氬前O×10-6 氬后O×10-6 1 3097230.050.0060.01312.616.323097240.050.0060.0117.26.731089690.060.0080.0113.78.041089700.090.0050.0095.05.353097280.080.0070.0104.27.361089730.

8、080.0060.0093.23.673097300.070.0050.0114.67.92.3 LF精煉為了提高鋼水精煉效果，在LF工序采用根據(jù)鋼種需要所配制的精煉渣并配合還原劑造對(duì)鋼水進(jìn)行精煉。在鋼水進(jìn)入LF精煉站時(shí)取鋼包渣樣，在精煉過(guò)程中取2個(gè)鋼包渣樣，根據(jù)鋼包渣的顏色、狀態(tài)適當(dāng)調(diào)整了試驗(yàn)方案所確定的精煉渣和還原劑的加入量，精煉結(jié)束后再取鋼包渣樣；在鋼水進(jìn)出精煉站時(shí)都用北京科技大學(xué)特制的取樣器取鋼水樣，用于分析鋼中TO和N。從對(duì)鋼包渣的取樣結(jié)果看，LF精煉結(jié)束后，鋼包渣成分基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，渣中（FeO+MnO）從精煉前1%以上降低到了0.5%左右；從對(duì)鋼水的取樣結(jié)果來(lái)看，精煉結(jié)束后鋼

9、中TO明顯降低，表明鋼水通過(guò)LF精煉，有效去除了鋼中的夾雜物，LF精煉前后鋼包渣、鋼水的情況見(jiàn)表3。2.4 RH精煉 根據(jù)鋼種特性和使用要求制定了RH的處理工藝，從取樣結(jié)果看，通過(guò)RH處理，除了對(duì)鋼水脫H、對(duì)鋼水成分進(jìn)行微調(diào)外，RH處理進(jìn)一步提高了鋼水的純凈度。在RH處理后通過(guò)喂線對(duì)鋼水進(jìn)行“鈣處理”，結(jié)果證明，RH處理后的“鈣處理”不會(huì)影響鋼水的純凈度。RH處理前后的鋼包渣、鋼水情況見(jiàn)表4。表3 LF精煉情況序號(hào)爐號(hào)鋼包渣性質(zhì)TO×10-6（FeO+MnO）/%CaO/SiO2處理前處理后處理前處理后處理前處理后1 3097234.080.555.426.7218.515.4230

10、97241.950.674.057.2620.614.431089691.330.537.417.9217.316.841089701.340.569.0511.5216.015.453097280.850.617.828.5217.712.061089730.840.567.8512.4818.816.073097301.180.766.938.5916.313.5表4 RH處理情況序號(hào)爐號(hào)鋼包渣性質(zhì)TO/1×10-6FeO+MnO/%CaO/SiO2處理前處理后喂線后處理前處理后喂線后處理前處理后喂線后13097230.960.680.628.348.348.4417.714.1

11、11.323097240.530.490.458.498.8311.5217.315.814.231089690.560.410.3711.5211.6412.3716.013.313.941089700.610.470.4214.3516.3517.412.011.711.453097280.561.010.8512.4812.8213.8116.013.012.66108973/0.760.70/6.707.08/11.010.77309730/1.00.90/9.969.56/11.210.8注：因?qū)嶋H生產(chǎn)中的特殊原因，6、7爐次試驗(yàn)在RH處理前未取到鋼渣樣和鋼樣。3 試驗(yàn)結(jié)果3.1 氣

12、體含量如表5，7爐中有6爐鋼鑄坯的總氧含量15×10-6 ，1爐鋼的TO偏高，與其它爐次相比較，其工藝差異是：該爐鋼是中包第一爐，在生產(chǎn)時(shí)因連鑄開(kāi)澆條件影響，推遲了開(kāi)澆時(shí)間，在LF工序的等待加熱時(shí)間較長(zhǎng)。鑄坯N含量3652×10-6 ，H含量1.3×10-6 左右；150方鋼N含量3852×10-6 ，H含量0.31.1×10-6 。表5 鑄坯及鋼坯氣體分析結(jié)果(×10-6)序號(hào)爐號(hào)鑄坯TO鑄坯N150方TO150方N150方H1309723263720381.12309724124514460.5310896994610480.64

13、108970114510440.35309728134412520.46108973145210460.57309730123610500.43.2 低倍檢驗(yàn)每爐鋼取連鑄坯和150方鋼坯進(jìn)行低倍檢驗(yàn)，。鑄坯中心疏松及中心偏析在1.0級(jí)以?xún)?nèi)，150方鋼中心偏析及中心疏松在0.5級(jí)以?xún)?nèi)（檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為YB/T153-1999）。309723 203 309730 204照片1 典型連鑄坯低倍照片309723（2流） 309730（2流）照片2 典型150方低倍照片3.3 夾雜物檢驗(yàn)如表6所示，連鑄坯中夾雜類(lèi)型主要是硫化物及硅酸鹽。夾雜物球化比例達(dá)91.7%，其中硫化物全部為球狀，硅酸鹽大多為球狀，少量

14、為塊狀。夾雜物尺寸較小，其中1020µmm級(jí)占87.5%。 309724 203 球狀硅酸鹽 108973 203 球狀硫化物照片3 典型連鑄坯電子照片（500×）表6 連鑄坯夾雜物檢驗(yàn)編號(hào)夾雜物形貌類(lèi)型數(shù)量夾雜物尺寸分布/個(gè)10-20/µmm20-30/µmm30-40/µmm40-50/µmm309721203球硅酸鹽211/309723203球硅酸鹽11/309724203球硅酸鹽11/108969203球硅酸鹽11/108970203球硅酸鹽11/1/309728203球硅酸鹽11/108973203球硅酸鹽硫化物33/309

15、730203球、條硅酸鹽硫化物22/備 注球狀?yuàn)A雜物比例為91.7%10-20µmm級(jí)占87.5% 點(diǎn)狀?yuàn)A雜 硅酸鹽 309730（2流） 照片4 典型150方鋼電子照片（橫向 500×）在對(duì)鑄坯中夾雜物進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，在靠近內(nèi)弧1/4處的夾雜物數(shù)量明顯比中間和外弧處的夾雜物數(shù)量多，連鑄坯中夾雜類(lèi)型主要是鈣鋁酸鹽與硫化物的復(fù)合夾雜，大多為球狀，少量為塊狀，大小和形狀沒(méi)有多大差別，成份主要有Al2O3、SiO2、CaO、MgO和S，另外還有些氮化物。夾雜物呈球狀，說(shuō)明大部分夾雜物在鋼水凝固前呈液態(tài)，鋼水的鈣處理比較成功。連鑄坯夾雜物較少，鋼質(zhì)純凈度較高，夾雜物尺寸都在10&#

16、181;m以下。連鑄坯不同部位夾雜物的形狀見(jiàn)照片5照片7。 照片5 鑄坯中間靠?jī)?nèi)弧1/4處夾雜物 照片6 鑄坯中心部位夾雜物 照片7 鑄坯中間靠外弧1/4處夾雜物4 分析與討論4.1 TO控制試驗(yàn)采用北京科技大學(xué)提供的特制提桶式取樣器取過(guò)程氧氮樣，與球拍樣相比，該方法能更準(zhǔn)確地分析出鋼中的氧氮含量。圖1為過(guò)程鋼中TO分析。由圖1可知，LF及 RH精煉過(guò)程處鋼中TO逐漸下降，中包澆鑄每爐的開(kāi)澆后TO含量比RH處理結(jié)束后鋼水TO含量高，在澆鑄過(guò)程中有下降趨勢(shì)，這從一個(gè)方面說(shuō)明保護(hù)澆鑄還需要進(jìn)一步加強(qiáng)。4.2 鋼中P控制本次試驗(yàn)7爐的成品P為0.010%0.014%，對(duì)于該鋼種來(lái)說(shuō)P含量偏高。如圖2

17、所示，7爐的終點(diǎn)P控制比較好；轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)至爐后小平臺(tái)吹完氬后鋼液回P0.003%0.008%，精煉過(guò)程P變化不大。因此，要達(dá)到0.010%的控制目標(biāo)，首先應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化轉(zhuǎn)爐造渣制度，進(jìn)一步降低終點(diǎn)P含量，其次是采用低P含量的合金。4.3 鋼中N控制鑄坯N含量3652×10-6 ，7爐鋼中有5爐鋼鑄坯氮量高于40×10-6 ，超出了小于40×10-6 的內(nèi)控目標(biāo)，150方鋼的氮含量也較高。在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)鋼水取了樣，過(guò)程取樣分析結(jié)果見(jiàn)圖3，從圖4可以看出，過(guò)程增氮的主要環(huán)節(jié)是RH處理結(jié)束至中包過(guò)程，其次是出鋼至爐后小平臺(tái)，LF精煉過(guò)程N(yùn)變化較小。在真空處理過(guò)程中降N效果不

18、明顯，但在真空處理后的“鈣處理”過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致鋼水增N約2×10-6 。因此，要進(jìn)一步控制好該鋼的N含量，需要在生產(chǎn)全過(guò)程做較深入細(xì)致的工作，重點(diǎn)是防止出鋼過(guò)程增氮及改善連鑄保護(hù)澆鑄。5 結(jié)語(yǔ)通過(guò)試驗(yàn)，在轉(zhuǎn)爐煉鋼、LF精煉、RH處理、方坯連鑄等工序針對(duì)汽車(chē)用20CrMo(H)齒輪鋼采取了技術(shù)措施，制定了相應(yīng)的生產(chǎn)工藝，取得了較好的效果，基本滿足汽車(chē)用齒輪鋼的標(biāo)準(zhǔn)要求，證明轉(zhuǎn)爐大方坯連鑄工藝生產(chǎn)高品質(zhì)汽車(chē)用齒輪鋼是可行的。（1）鑄坯TO含量1226×10-6 ，7爐鋼中有6爐鋼TO15×10-6 ；150方鋼TO含量1010 ×10-6，7爐鋼中有6爐鋼TO15×10-6 ，連鑄坯中夾雜物較含量少，鋼質(zhì)純凈，夾雜物基本為球狀，尺寸都在10µm以下，表明生產(chǎn)工藝對(duì)鋼質(zhì)純凈度的保障能力較強(qiáng)。（2）合金化設(shè)計(jì)及成分精度控制能滿足20CrMo汽車(chē)用齒輪鋼對(duì)淬透性的要求。（3）鑄坯N含量3652×10-6 ；150方鋼N含量3652×10-6 ，氮含量偏高，對(duì)N含量的控制，要在冶煉至澆鑄的全過(guò)程做細(xì)致深入的工作，但重點(diǎn)是改善連鑄保護(hù)澆注及進(jìn)一步控制出鋼過(guò)程增N。（4）中包第一爐對(duì)高品質(zhì)鋼的純凈度有一定的影響，通過(guò)加強(qiáng)對(duì)中間包的使用、保護(hù)澆注等的管理能有所改善，在工業(yè)化大批量生產(chǎn)的條件下也可以采用第一爐降級(jí)使用的方法