转炉生产高品质齿轮钢冶炼工艺与产品质量研究

摘要

跟电炉流程相比，转炉流程具有高效、批量大、原材料杂质少、成本低等优点，但大多因为转炉流程节奏快，缺乏足够的精炼时间，钢水的纯净度满足不了要求，缺乏专业的轧钢及后部处理设施与之配套等诸多原因，钢材的实物质量还存在许多问题。因此，转炉流程生产特殊钢的冶炼工艺研究具有重要的意义。
　　本文针对首钢转炉流程的冶炼特点，采用了历史生产数据的统计与分析、钢材的检验与分析、钢材疲劳性能台架测试、理论分析、现场工业试验相结合的方法，对转炉流程生产特殊钢的低氧冶炼工艺、精炼渣系选择、夹杂物钙处理及淬透性带宽的控制进行了研究，取得了很好的效果。主要成果包括以下几部分:
　　(1)首钢产品质量现状的分析
　　本文在首钢现有生产线上，通过对历史生产数据的统计与分析，查阅大量的相关文献资料，解剖国内外先进流程生产的钢材实物质量找出首钢的差距;结果表明，转炉下渣量大，达12～15kg/t，炉渣改质效果差，精炼进站w(FeO)达3.0％，精炼出站w(FeO)达2.0％;w[T.O]达27×10-6，精炼时间比转炉和连铸多出近30min，成为流程的制约环节;钢水中A和B类夹杂物仍然很多，钙处理不充分，钙铝酸盐夹杂大部分落在高熔点的CA6-CA2区域内;窄成分控制精度低，成分波动比较大，淬透性窄带合格率低，J9值带宽36.0±3.00HRC的合格率为81.3％，36.0±2.00HRC的合格率为65.3％;需要对冶炼工艺和成分控制进行改进。
　　(2)转炉流程生产齿轮钢的冶炼工艺的研究
　　以热力学计算为依据，结合历史数据的分析，对铝脱氧钢的铝氧平衡关系和夹杂物的生成及去除条件进行了研究，结果表明，控制好转炉下渣量和炉渣改质是缩短精炼周期、提高齿轮钢纯净度、打通转炉流程的关键，控制w[Al]s＞0.03％，控制精炼渣系的aAl2O3＜0.02，w(CaO)/w(SiO2)=3.5～5，w(CaO)/w(Al2O3)=1.5～2.0，可以获得w[T.O]小于15×10-6低氧精炼钢水;要求20CrMnTiH1精炼钢水在1600℃以上的温度下进行钙处理，当酸溶铝质量分数为0.03％，控制钢水中的w[Ca]/w[Al]s比在0.017～0.19，使Al2O3变性为液态所需钙的质量分数范围为(5～57)×10-6，能生成低熔点的CaO·Al2O3和12CaO·7Al2O3，只要w[S]高于0.01％，则钢水中Al2O3夹杂很难完全变性为C12A7，而相对容易变性为CA。
　　(3)铝脱氧钢精炼过程稳定氧化物夹杂的研究
　　采用小样电解方法分析铝脱氧钢精炼过程反应产物中稳定氧化物的种类和分布及变化规律，结果表明，首钢齿轮钢中氧化物夹杂总量质量分数平均为0.0027％，其中Al2O3质量分数高达0.00219％，占全部氧化物夹杂的69.30％。而MnO、FeO、CaO等钢中常见的氧化物夹杂质量分数极低，不超过0.0002％;稳定氧化物中的氧占到w[T.O]的90％，而Al2O3和SiO2氧化物中氧占到w[T.O]的～80％，稳定氧化物夹杂去除是生产低氧齿轮钢的关键;首钢齿轮钢中存在大量的M3C和M(C，N)析出物，它们主要是在凝固过程中析出的，对热处理工序中细化晶粒有较大的好处。
　　(4)非金属夹杂物对齿轮钢疲劳寿命的影响研究
　　采用旋转弯曲疲劳实验方法，对具有不同冶金质量的齿轮钢进行了疲劳破坏行为研究，测定了齿轮钢的S-N曲线，对断口断裂机制进行了分析和讨论。结果表明，齿轮钢热轧态、锻态及正火态的旋弯疲劳实验数据的分散性均较小，体现出材料具有较好的冶金质量特别是微观组织的均匀性;不同氧质量分数20CrMnTi钢正火态之间的旋弯疲劳性能差异不明显。这主要与二者的疲劳裂纹均起源于表面基体的疲劳断裂机制有关;对于起裂于表层夹杂物的试样，夹杂物十分粗大，为Al2O3·(CaO)x类复合氧化物夹杂。因此，应特别注意控制钢中此类异常夹杂物。
　　(5)齿轮钢窄淬透性带宽控制的研究
　　采用数学统计和回归的方法，找出影响齿轮钢淬透性带宽的因素，基于多支持向量机的方法建立齿轮钢淬透性值预报模型并进行在线预报，指导成分调整。取得了很好的成果:窄成分控制精度为w[C]±0.01％、w[Si]±0.02％、w[Ti]±0.02％、w[Mn]±0.02％、w[Cr]±0.03％、w[Ti]±0.01％时，所占比例分别为96.1％、94.7％、90.5％、87.4％、81.9％、90.5％，较优化前有了很大的提高;淬透性窄带J9值±2.0合格率达到93.3％，J9值±3.0合格率达到99.3％; J15值±2.0合格率达到89.2％，J9值±3.0合格率达到98.4％，较优化前有了很大地提高。
　　通过工艺优化，各项主要技术指标较优化前有很大地提高，w[T.O]≤15×10-6，夹杂物评级A+B+C+D≤5.0级，晶粒度≥8.5级;淬透性带宽≤6HRC合格率达到99.3％，≤4HRC合格率达到93.3％;一般疏松小于0.5级，中心疏松小于1.0级，未见裂纹、夹杂、气孔等低倍缺陷;较优化前，精炼时间缩短了15.6min。
　　综上所述，本文对转炉流程冶炼工艺进行了细致地研究，制定了转炉生产齿轮钢的工艺制度，实现了转炉流程生产高品质齿轮钢的目的，实物质量达到国际先进水平。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 国内外汽车用齿轮钢现状

1．2．1 齿轮钢的钢种及标准

1．2．2 生产工艺流程及质量状况

1．3 高品质汽车齿轮钢的产品质量控制与性能研究

1．3．1 各个元素控制对齿轮钢性能的影响

1．3．2 淬透性

1．3．3 晶粒度

1．4 非金属夹杂物对齿轮钢的疲劳寿命的影响

1．4．1 非金属夹杂物的分类

1．4．2 非金属夹杂物的变形能力

1．4．3 非金属夹杂物的性质、尺寸和数量对材料的疲劳性能的影响

1．5 研究意义及选题依据

1．6 本文主要工作

第二章 工艺优化前齿轮钢生产现状分析

2．1 前言

2．2 优化前生产工艺及生产条件调研

2．2．1 执行的技术标准

2．2．2 原料条件

2．2．3 主要工序的控制要求

2．2．4 工艺制度

2．2．5 取样方案

2．3 结果分析与讨论

2．3．1 齿轮钢化学成分的控制评价

2．3．2 齿轮钢淬透性合格率评价

2．3．3 非金属夹杂物的控制评价

2．3．4 工序控制能力的评价

2．4 国内外齿轮钢的实物质量对比

2．5 本章小结

第三章 转炉流程生产高品质齿轮钢冶炼工艺热力学研究

3．1 前言

3．2 铝脱氧生产低氧齿轮钢的热力学计算与分析

3．2．1 基本热力学数据

3．2．2 钢中溶解氧控制的热力学计算

3．2．3 精炼渣控制技术的研究

3．3 齿轮钢夹杂物控制热力学计算

3．3．1 夹杂物变性处理热力学计算与分析

3．3．2 硫质量分数对铝酸钙夹杂组分的影响

3．3．3 含硫齿轮钢水口堵塞机理分析

3．4 中间包增氧原因分析

3．5 精炼过程夹杂物的变化

3．5．1 夹杂物总量的变化

3．5．2 精炼不同时期的夹杂物尺寸分布

3．5．3 不同尺寸夹杂物数量的变化

3．6 解决方案

3．7 本章小结

第四章 转炉流程生产齿轮钢工艺技术研究

4．1 前言

4．2 转炉冶炼工艺技术

4．2．1 转炉低磷齿轮钢冶炼工艺技术

4．2．2 转炉冶炼终点低氧钢水冶炼技术

4．2．3 转炉出钢下渣量估算

4．2．4 转炉出钢炉渣改质技术

4．3 低氧齿轮钢快速精炼工艺技术

4．3．1 溶解氧及钢中[T．O]的控制

4．3．2 钙处理

4．4 齿轮钢中析出相的分析

4．5 本章小结

第五章 非金属夹杂物对齿轮钢的疲劳寿命的影响及分析

5．1 前言

5．2 齿轮钢旋转弯曲疲劳测试

5．2．1 试验准备

5．2．2 试验结果

5．3 实验结果讨论

5．4 本章小结

第六章 齿轮钢窄淬透性带控制技术研究

6．1 前言

6．2 齿轮钢目标成分设计与优化

6．2．1 齿轮钢目标成分设计原则

6．2．2 齿轮钢淬透性的主要影响因素分析

6．3 齿轮钢窄淬透性带成分控制技术

6．3．1 齿轮钢窄淬透性化学成分调整原则

6．3．2 齿轮钢窄淬透性化学成分控制措施

6．3．3 齿轮钢窄成分控制效果

6．3．4 窄淬透性控制效果

6．4 本章小结

第七章 基于多支持向量机的齿轮钢淬透性预报方法研究

7．1 前言

7．2 支持向量回归

7．3 基于多支持向量机的淬透性预报模型

7．3．1 多最小二乘支持向量机MLS-SVM结构

7．3．2 多模型结构的确定

7．3．3 多模型的训练

7．3．4 实验结果与模型输出比较

7．4 齿轮钢窄淬透性带控制技术在线应用

7．4．1 精炼过程中齿轮钢淬透性控制

7．4．2 齿轮钢淬透性窄带预报控制效果

7．5 本章小结

第八章 工艺优化后的运行效果

8．1 前言

8．2 稳定实现窄成分控制

8．3 实现窄淬透性控制

8．4 实现产品实物质量及性能的有效控制

8．4．1 铸坯质量

8．4．2 钢材质量

8．4．3 工序时间

8．5 本章小结

第九章 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的论文

获奖情况

个人简历

论文包括图、表、公式及文献