大方坯齿轮钢铸坯的连铸生产方法

摘要

本发明涉及一种大方坯齿轮钢铸坯的连铸生产方法，适用于360mm×450mm断面大方坯齿轮钢铸坯，属于大方坯齿轮钢生产技术领域。本发明在结晶器电磁搅拌的基础上，在二冷区与凝固末端之间增设了电磁搅拌装备，并且对两者的安装位置和工作参数作了合理设计，再结合控制浇注钢液过热度、浇注速度、冷却参数等，提升了大方坯齿轮钢连铸坯的致密性及均质性，此外，通过对管式结晶器的圆角参数设计，优化铸坯角部冷却，改善了铸坯角部缺陷控制。通过对冷却水路的改进，以保证传热均匀性，使得结晶器出口处铸坯坯壳厚度均匀。本发明可确保大方坯齿轮钢连铸坯综合质量高水平控制。

说明书

技术领域

本发明涉及一种大方坯齿轮钢铸坯的连铸生产方法，适用于360mm×450mm断面大方坯齿轮钢铸坯，属于大方坯齿轮钢生产技术领域。

背景技术

齿轮是重要的动力传递机械构件，不同工况、不同部位的齿轮其受力情况不同，失效模式也会存在不同程度的差异，并且受齿轮材料、加工工艺、润滑情况、摩擦力以及齿轮几何参量和载荷模式等诸多因素的影响。其主要失效模式有：齿根断裂、齿面凹陷引起的齿面轮廓变形、疲劳剥落、磨损分为粘附磨损和磨粒磨损等。根据上述的主要的失效模式，对齿轮钢的性能要求为高的压溃抗力和抗点蚀剥落能力良好的耐冲击能力和耐弯冲能力。合适的淬透性和硬化层深度及心部硬度良好的工艺性能及切削加工性以及变形和尺寸稳定性。汽车齿轮具有动力传递和改变速度的作用，是齿轮的一大重要代表。齿轮制作用钢不但要有良好的强韧性、耐磨性,能很好地承受冲击、弯曲和接触应力，而且还要求变形小。在齿轮的制作过程中,除要求合理的设计和机加工外，还要进行渗碳淬火或调质等热处理,使其表面硬化耐磨，基体抗冲击。而齿轮加工坯料的质量则在很大程度上决定了齿轮生产的效率及质量控制。

随着连铸生产技术的不断发展，铸坯质量控制技术水平不断提高。目前国内汽车齿轮坯料的生产主要以小方坯连铸生产为主，随着齿轮质量要求的不断提高，齿轮钢坯料致密性、均质性的要求也更高。相比于小方坯而言，大方坯齿轮钢铸坯轧制压缩比更大，高质量的大方坯对齿轮产品的致密性及均质性提升更为有利。但是大方坯连铸的高质量生产存在一定的技术难度，首先铸坯心部凝固时间长，液芯长度增加，凝固末期补缩困难，铸坯中心偏析严重性提升，铸坯边角部质量对后续凝固演变的影响增加，这需要对连铸结晶器、二冷强度及铸坯凝固演变给予干扰控制。国内外有部分学者对大方坯铸坯质量控制装备及技术开展了相应研究，主要针对大方坯重轨钢及小方坯齿轮钢，而对于360mm×450mm断面大方坯齿轮钢铸坯质量控制的研究，基本未见。

例如：

CN107262689A公开了一种大方坯二冷压下凸足辊结构和压下工艺,特别是一种涉及钢铁冶金技术领域的大方坯二冷压下凸足辊结构和压下工艺。本发明的大方坯二冷压下凸足辊结构,包括压下区上足辊和压下区下足辊,所述压下区下足辊位于压下区上足辊的下方,所述压下区上足辊中部设置有凸台,所述压下区下足辊中部设置有凸台,所述压下区下足辊的凸台比压下区上足辊的凸台长。本发明的大方坯二冷压下区压下工艺,设置多组压下区上足辊和压下区下足辊,所述压下区上足辊的压下量在拉坯方向逐渐增加。本申请可以有效解决大方坯连铸坯中心偏析和中心疏松问题。但是，对于360mm×450mm断面大方坯齿轮钢铸坯质量控制的一些关键的具体内容并未涉及。

CN106735013A公开了一种提高大方坯头坯质量的连铸工艺,该工艺简单易行,改善开浇钢水与结晶器铜板的接触,增加润滑,杜绝角缝刮钢现象,有效避免开浇头坯表面缺陷,保证优良的大方坯头坯质量,同时也提高了结晶器铜板的寿命。其特征在于,包括以下步骤：(1)铸机开始浇注前40±5min,在结晶器铜壁上涂抹结晶器润滑剂,并涂满,尤其是结晶器角部；所述结晶器润滑剂涂抹方式具体为：采用辊筒进行均匀涂抹,一次涂抹,自然风干5±1min,然后进行二次涂抹,自然风干后进行其它开浇前常规的准备工作；(2)浇注过程中,开浇时结晶器铜板角缝处填充石墨,浇注时控制塞棒开启度为30～45％,钢流为正常浇铸的40～60％,该操作结束后,正常控制其它开浇工作,至起步,拉速稳定在0.45m/min或0.48m/min。但是，对于360mm×450mm断面大方坯齿轮钢铸坯质量控制的一些关键的具体内容并未涉及。

CN107225148A公开了一种提供了一种22CrMoH齿轮钢的轧制方法,通过对开坯温度、精轧温度、终轧温度、道次变形量、控冷工艺的调节,可有效降低MnS夹杂物的长/宽比,根据此方法得到的齿轮钢轧态组织为扁平化的奥氏体组织,析出相尺寸为20～25nm,析出量重量分数为0.31～0.38％；热处理后,奥氏体晶粒尺寸为5～7μm,纵向冲击韧性比值趋近于1。其特征在于,所述轧制方法包括以下步骤：(1)连铸坯经加热炉加热,经高压水除鳞去除氧化铁皮；(2)除磷后的连铸坯进行开坯得到初轧坯；(3)初轧坯进连轧机组轧制；(4)出连轧机组后进行水雾冷却；(5)水雾冷却后进入缓冷床进行缓冷；(6)进入缓冷坑进行缓冷；(7)空冷,即可得到热轧22CrMoH齿轮圆钢。但是，对于360mm×450mm断面大方坯齿轮钢铸坯质量控制的一些关键的具体内容并未涉及。

CN106967931A公开了一种20Cr2Ni4齿轮钢及其生产工艺,该20Cr2Ni4齿轮钢采用20Cr2Ni4制成,20Cr2Ni4中Mo的质量百分含量为：0.15～0.30％。它的生产工艺包括配料、电弧炉冶炼、精炼炉冶炼,电弧炉冶炼过程中钢水熔化,温度达到1570～1590℃,取样进行检测分析,使Mo的质量百分含量达到0.15～0.30％；在精炼炉冶炼过程中,温度达到1570～1590℃,取样进行检测分析,使Mo的质量百分含量达到0.15～0.30％。本发明降低钢中夹杂物,降低钢中H、O、N气体含量,降低钢中有害元素P、S、As、Sn,加入适量Mo,能够提高该钢用于大型齿轮、轴等部件,在淬透性、热强性、细化晶粒、提高钢强度等综合性能改善。其特征在于,20Cr2Ni4中Mo的质量百分含量为：0.15～0.30％。但是，对于360mm×450mm断面大方坯齿轮钢铸坯质量控制的一些关键的具体内容并未涉及。

CN106566998A公开了一种CrMo系齿轮圆钢的制造方法,其特征在于其组分按重量百分比是：C：0.22％～0.27％,Si：0.03％～0.12％,Mn：1.20～1.45％,S≤0.020％,P≤0.020％,Cr：0.30％～0.60％,Mo：≤0.20％,Al：0.015～0.040％,Ni≤0.10％,O≤15×10～6％,余下为Fe和不可避免的杂质。其中制得的圆钢的A类和D类夹杂物≤1.5级、B类和C类夹杂物≤1.0级,圆钢淬透性值:J5mm为42～50HRC,J9mm为38～46HRC,J15mm为32～40HRC。它改变了传统的靠添加大量添加Cr、Ni、Mo等合金元素来提高钢的淬透性的技术思路,通过适当提高C、Mn含量,大幅度降低Mo含量和Cr含量,取代Ni合金,在确保齿轮钢的淬透性不降低的前提下,大幅度降低了产品的生产成本,提高了产品的竞争力。但是，对于360mm×450mm断面大方坯齿轮钢铸坯质量控制的一些关键的具体内容并未涉及。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种大方坯齿轮钢铸坯的连铸生产方法，适用于360mm×450mm断面大方坯，可提升大方坯齿轮钢连铸坯致密性、均质性，确保大方坯齿轮钢连铸坯综合质量高水平控制。

为解决上述技术问题本发明所采用的技术方案是：

(1)采用管式结晶器，管式结晶器的角部圆角尺寸为R20mm，这样可优化铸坯角部冷却，改善铸坯角部缺陷控制；冷却水路为二进二回，具有两个进水口和两个出水口，同时在进水口位置处安装DN250调节阀，实现结晶器冷却强度的精确控制；结晶器的冷却水的工艺参数控制为水流量3150L/min～3350L/min，水压0.80MPa～0.90MPa保证结晶器出口处铸坯坯壳的厚度及均匀性，坯壳厚度尺寸优选控制在16mm～20mm。

(2)结晶器电磁搅拌为结晶器出口处的低位安装，结晶器电磁搅拌装备覆盖高度为350mm，下端与结晶器下口齐平；测定结晶器电磁搅拌实际磁场高斯强度，以实际搅拌磁场高斯强度为280±15Gs进行搅拌电流设置，搅拌电流频率2.4Hz；

(3)在二冷区与凝固末端之间安装有电磁搅拌装备，该电磁搅拌装备安装位置为凝固线性比为0.45～0.47的区域，具体为距离结晶器钢液面10.0m～11.0m区间；实测搅拌磁场高斯强度，按实际磁场高斯强度为200±25Gs进行搅拌电流强度设置，搅拌电流频率为7.0Hz；

(4)二冷比水量按0.301L·kg^-1_钢～0.323L·kg^-1_钢进行设置；

此外，需要中包钢液具有一定过热度以满足浇铸需求。对于中包浇铸的第1炉次，浇注钢液过热度控制在25℃～45℃；对于中包浇铸的第2～N炉次，浇注钢液过热度控制在15℃～35℃；

拉速控制在0.45m/min～0.55m/min，可按目标拉速0.50m/min恒速浇注。

本发明的有益效果是：在结晶器电磁搅拌的基础上，在二冷区与凝固末端之间增设了电磁搅拌装备，并且对两者的安装位置和工作参数作了合理设计，再结合控制浇注钢液过热度、浇注速度、冷却参数等，提升了大方坯齿轮钢连铸坯的致密性及均质性，此外，通过对管式结晶器的圆角参数设计，优化铸坯角部冷却，改善了铸坯角部缺陷控制。通过对冷却水路的改进，以保证传热均匀性，使得结晶器出口处铸坯坯壳厚度均匀。本发明可确保大方坯齿轮钢连铸坯综合质量高水平控制。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例中，在二冷区与凝固末端之间安装的电磁搅拌装备，称为“介于二冷与凝固末端电磁搅拌”(S～F-EMS)。

实施例1

该实施例是某炼钢厂采用本发明的方法生产360mm×450mm断面20CrMnTiH系列齿轮钢连铸大方坯。本发明的具体实施方式为：采用管式结晶器，角部圆角尺寸为R20mm；设计管式结晶器水路为二进二回，保证传热均匀性；结晶器配备冷却水量为3150L/min～3350L/min，水压0.80MPa～0.90MPa，采用DN250调节阀精细调节结晶器冷却水；结晶器电磁搅拌为结晶器出口处的低位安装，结晶器电磁搅拌装备覆盖高度350mm，下端与结晶器下口齐平；结晶器电磁搅拌实际磁场高斯强度280±15Gs，搅拌电流设置为490A～510A，搅拌电流频率2.4Hz。安装“介于二冷与凝固末端电磁搅拌”(S～F-EMS)位置为凝固线性比为0.45～0.47的区域，具体为距离结晶器钢液面10.0m～11.0m区间，搅拌磁场高斯强度为200±25Gs，搅拌电流强度为210A～220A，搅拌电流频率为7.0Hz；二冷比水量为0.301L·kg^-1_钢～0.323L·kg^-1_钢。

此外，浇注钢液过热度(中包浇铸)控制在17℃～32℃，中包第一炉次，过热度控制在25～45℃；将拉速控制在0.45m/min～0.55m/min，目标拉速0.50m/min恒速浇注时间比例为91％。

连铸过程结晶器内钢液液面稳定，保护渣厚度分布均匀。对连铸大方坯进行低倍检测；采用冷酸枝晶腐蚀，检测铸坯横断面坯壳厚度分布情况，结果显示，该技术所生产的20CrMnTiH系列齿轮钢连铸大方坯坯壳厚度沿断面周向分布均匀，整体控制在16mm～20mm；铸坯边角部质量良好，对连铸坯全断面进行金属原位扫描检测，铸坯全断面均质度为0.901～0.922，心部致密度为0.913～0.941，对应酸洗腐蚀低倍评级中心偏析、中心疏松均≤0.5级，无中心缩孔。

实施例2

该实施例是某炼钢厂采用本发明的方法生产360mm×450mm断面20CrMo系列齿轮钢连铸大方坯。本发明的具体实施方式为：采用管式结晶器，角部圆角尺寸为R20mm；设计管式结晶器水路为二进二回，保证传热均匀性；结晶器配备冷却水量为3157L/mi～3340L/min，水压0.82MPa～0.87MPa，采用DN250调节阀精细调节结晶器冷却水；结晶器电磁搅拌为结晶器出口处的低位安装，结晶器电磁搅拌装备覆盖高度350mm，下端与结晶器下口齐平；结晶器电磁搅拌实际磁场高斯强度280±5Gs，搅拌电流设置为491A～500A，搅拌电流频率2.4Hz。安装“介于二冷与凝固末端电磁搅拌”(S～F-EMS)位置为凝固线性比为0.45～0.47的区域，具体为距离结晶器钢液面10.0m～11.0m区间，搅拌磁场高斯强度为200±25Gs，搅拌电流强度为214A～218A，搅拌电流频率为7.0Hz；二冷比水量为0.311L·kg^-1_钢～0.320L·kg^-1_钢。

此外，浇注钢液过热度(中包浇铸)控制在16℃～35℃，中包第一炉次，过热度控制在27℃～43℃；将拉速控制在0.47m/min～0.53m/min，目标拉速0.50m/min恒速浇注时间比例为95％。

连铸过程结晶器内钢液液面稳定，保护渣厚度分布均匀。对连铸大方坯进行低倍检测；采用冷酸枝晶腐蚀，检测铸坯横断面坯壳厚度分布情况，结果显示，该技术所生产的20CrMnTiH系列齿轮钢连铸大方坯坯壳厚度沿断面周向分布均匀，整体控制在17mm～18.6mm；铸坯边角部质量良好，对连铸坯全断面进行金属原位扫描检测，铸坯全断面均质度为0.904～0.931，心部致密度为0.910～0.936，对应酸洗腐蚀低倍评级中心偏析、中心疏松均≤0.5级，无中心缩孔。

实施例3

该实施例是某炼钢厂采用本发明的方法生产360mm×450mm断面22CrMo系列齿轮钢连铸大方坯。本发明的具体实施方式为：采用管式结晶器，角部圆角尺寸为R20mm；设计管式结晶器水路为二进二回，保证传热均匀性；结晶器配备冷却水量为3255L/min～3350L/min，水压0.85MPa～0.90MPa，采用DN250调节阀精细调节结晶器冷却水；结晶器电磁搅拌为结晶器出口处的低位安装，结晶器电磁搅拌装备覆盖高度350mm，下端与结晶器下口齐平；结晶器电磁搅拌实际磁场高斯强度280±10Gs，搅拌电流设置为495A～510A，搅拌电流频率2.4Hz。安装“介于二冷与凝固末端电磁搅拌”(S～F-EMS)位置为凝固线性比为0.45～0.47的区域，具体为距离结晶器钢液面10.0m～11.0m区间，搅拌磁场高斯强度为200±25Gs，搅拌电流强度为215A～220A，搅拌电流频率为7.0Hz；二冷比水量为0.312L·kg^-1_钢～0.322L·kg^-1_钢。

此外，浇注钢液过热度(中包浇铸)控制在15℃～35℃，中包第一炉次，过热度控制在29～45℃；将拉速控制在0.46m/min～0.55m/min，目标拉速0.50m/min恒速浇注时间比例为90.3％。

连铸过程结晶器内钢液液面稳定，保护渣厚度分布均匀。对连铸大方坯进行低倍检测；采用冷酸枝晶腐蚀，检测铸坯横断面坯壳厚度分布情况，结果显示，该技术所生产的20CrMnTiH系列齿轮钢连铸大方坯坯壳厚度沿断面周向分布均匀，整体控制在17.8mm～20mm；铸坯边角部质量良好，对连铸坯全断面进行金属原位扫描检测，铸坯全断面均质度为0.900～0.931，心部致密度为0.921～0.933，对应酸洗腐蚀低倍评级中心偏析、中心疏松均≤0.5级，无中心缩孔。

上述实施例说明，通过采用本发明的技术方案后，360mm×450mm断面齿轮钢大方坯铸坯质量控制良好，铸坯角部零缺陷，坯壳厚度沿周向均匀分布，铸坯全断面均质性较好，心部疏松及缩孔得到有效控制，铸坯心部致密度高水平的控制，中心疏松、中心偏析低倍质量评级指标控制较优，其他质量性能全部合格。