一种电炉精炼冶炼低硅低氧经济型齿轮钢20MnCr5(H)的工艺方法与流程

一种电炉精炼冶炼低硅低氧经济型齿轮钢20mncr5(h)的工艺方法
技术领域
1.本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种电炉精炼冶炼低硅低氧经济型齿轮钢20mncr5(h)的工艺方法。


背景技术：

2.齿轮是各类器械和机器上最关键的零部件之一，是传递运动和动力的机械元件。齿轮钢作为制造齿轮的材料，既要满足齿轮表面的高硬度，也要满足芯部的强韧性。高强韧性渗碳齿轮钢中含ni、mo、cr等资源短缺、价格高的合金元素，所以应尽量选用避免使用或节约使用这些合金元素的品种。mn-cr系渗碳齿轮钢是普遍认可的经济型齿轮钢，能满足轻、中、重型汽车渗碳齿轮的性能需要，符合汽车齿轮钢的发展趋势。但mn-cr系齿轮钢合金元素由si、cr、mn组成，这些都是促进渗层晶界氧化的元素，尤其si与氧的亲和力更强，是mn、cr的10倍，极易在齿轮渗碳过程中使渗层中晶界氧化而降低渗碳齿轮的接触疲劳性能和冲击强度。为此，最好保证mn-cr系渗碳齿轮钢中si元素含量≤0.12％。由于，低氧含量是保证齿轮寿命的重要手段，si又是比较经济的脱氧元素，如何兼顾低si含量控制，和低氧钢冶炼，成为重要的冶金课题。
3.公开号cn102676727b、cn103276151a都涉及了低si冶炼，但皆为转炉工艺，且品种指向不同，控氧效果不突出。为保证mn-cr系齿轮钢的冶金质量，推广应用经济型齿轮钢，减少合金资源消耗，开发绿色电炉冶金，实现以20mncr5(h)为代表的经济型齿轮钢低硅低氧生产具有重要的现实意义。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明目的在于提供一种电炉精炼冶炼低硅低氧经济型齿轮钢20mncr5(h)的工艺方法，开发经济性生产高品质mncr系齿轮钢的关键技术。本发明从电炉钢铁料氧化、出钢合金化、lf精炼脱氧三个关键工序入手，优化、严格工艺操作，来降低钢水硅、氧含量，提高产品使用性能，延长产品使用寿命，降低贵重合金消耗，促进资源节约型社会建设。
5.为解决电炉精炼条件下，经济型齿轮钢20mncr5(h)低硅低氧含量控制，本发明通过控制电炉出钢硅含量，钢包合金化加入足量femn和fecr增si合金，使用不含硅的al和cac2粉脱氧剂，采用沉淀脱氧和扩散脱氧联合脱氧工艺等手段，实现了低硅低氧经济型齿轮钢20mncr5(h)冶炼，获得了良好的冶金效果
6.一种电炉精炼冶炼低硅低氧经济型齿轮钢20mncr5(h)的工艺方法，采取了如下技术解决方案：
7.①
电炉出钢控硅工艺
8.电炉平均出钢温度1650℃，根据硅脱氧状态图，在此温度下最高平衡[o]含量对应的[si]平衡值为0.04～0.05％，生产实践表明即使钢水过氧化时也不会降低，因此，本发明
要求电炉吹氧氧化控制钢水硅含量≤0.05％。
[0009]
②
lf炉控制增硅工艺
[0010]
生产操作控制下渣，最大下渣量不超过100kg；提高钢包合金化过程中femn合金、fecr合金的加入量，尽可能使mn、cr其成分接近规格要求，利用电炉钢水的强氧化性来氧化femn、fecr中的硅含量，减少出钢合金化过程的进硅量；所述femn合金的加入量，钢包合金化加入量占比大于75.0％，lf炉补加量占比小于25.0％；所述fecr合金的加入量，钢包合金化加入量占比大于75.0％，lf炉补加量占比小于25.0％。
[0011]
lf的冶炼过程会发生钢水中硅含量升高的现象，即增硅现象。分析该阶段发生增硅的原因，一是所加mn、cr合金料femn、fecr中所含硅进入钢水，再者是加铝脱氧后，铝将渣中及耐火材料中sio2还原，硅进入钢水，从而造成钢水增硅现象。
[0012]
钢包中sio2主要来自电炉出钢下渣和精炼渣，当电炉出钢下渣量不同时，引起钢水增硅量不同，实践表明lf钢水增硅与电炉下渣量呈直线关系，下渣量越大，钢水增硅越严重，经理论计算与实践检验，下渣量在100kg时，钢水增硅量不会超过0.0096％，故生产操作要控制下渣，最大下渣量不得超过100kg。
[0013]
20mncr5h齿轮钢所加合金料主要为femn和fecr，加入时间为钢包合金化时最大限度加入，总量不低于75％，余下部分为lf炉冶炼过程补加。一般情况下，理论计算钢包合金化时femn、fecr进硅量为0.04～0.05％，lf过程补加femn、fecr进硅量为0.02％左右，这样钢中硅总量很难保证不超出0.12％的规格上限要求。由于在lf炉还原气氛下加入femn、fecr，其中的硅含量不会氧化掉，都会直接进入钢水中，造成增硅。因此，femn、fecr合金加入要尽量在钢包合金化过程中完成，使mn、cr成分基本接近规格要求。这样，基于[si]与[o]的亲合力要大于[mn]与[o]和[cr]与[o]，硅会在锰、铬之前先氧化的特点，可利用电炉钢水的强氧化性来氧化femn、fecr中的硅含量，减少钢水增硅。
[0014]
③
脱氧工艺
[0015]
高标准20mncr5(h)齿轮钢严格要求钢中氧含量不超过12ppm，为此必须采用沉淀脱氧和扩散脱氧相结合的脱氧工艺。
[0016]
由于20mncr5h齿轮钢[si]≤0.12％条件的限制，含硅合金不能加入，因此常用沉淀脱氧剂中fesi、casi不能使用，femn由于锰含量要求是必须加入的，但因其脱氧能力较弱，也不能用做此钢种的沉淀脱氧剂，研究确定沉淀脱氧剂选用脱氧能力最强的铝作为沉淀脱氧剂。
[0017]
用于扩散脱氧的熔渣必须具有很低的∑feo含量(∑feo＜0.5～1.0％)，这就要分期、分批的向炉内熔渣加入脱氧剂，脱除炉渣中不稳定氧化物，使熔渣保持很低的∑feo。还是由于钢种要求[si]≤0.12％的限制，含硅脱氧剂fesi粉、casi粉不能使用，与fesi粉合并使用的c粉也不能使用。cac2作为新型的脱氧剂，有很强的脱氧、脱硫能力，al粉也是一种很好的扩散脱氧剂，研究与试验表明，在用钙和铝同时脱氧时，能把钢中氧降低到很低值，还能改善钢材的机械性能，这是由于钙和铝同时脱氧时，能形成熔点较低的球形铝酸钙(12cao
·
7al2o3)，它有较小的比表面积，故上浮速度很快，从而钢液中夹杂物的量显著减少，残留在钢中的少量铝酸钙夹杂物在轧制中也不变形，不会形成像al2o3夹杂物那种尖角链状的分布，能提高钢的同向性，有很好的加工性能及机械性能。此外，向用大量铝脱氧的钢液中加入钙合金，可清除钢中存在的al2o3夹杂物。因为钙可还原al2o3，生产球状铝酸钙。
因此，用钙和铝联合扩散脱氧不仅可降低钢中硫和氧的含量，而且还能改变夹杂物的组成及形态。
[0018]
一种上述方法制备的低硅低氧经济型齿轮钢20mncr5(h)，所述钢中[si]≤0.12％，氧含量不超过12ppm，非金属氧化物夹杂不超过1.0级。
[0019]
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明提供了一种电炉精炼冶炼低硅低氧经济型齿轮钢20mncr5(h)的经济性工艺方法，通过合理的电炉氧化控硅，合金钢包合金化时最大限度加入，使用不含硅的al和cac2粉脱氧剂，采用沉淀脱氧和扩散脱氧联合脱氧工艺，使成品钢材满足[si]≤0.12％，氧含量不超过12ppm，非金属氧化物夹杂不超过1.0级，满足产品生产降低贵重合金资源消耗，且能长寿命运行的使用要求。
具体实施方式
[0020]
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不以任何方式限制本发明。为免赘述，以下实施例中的原材料若无特别说明则均为市售产品，所用方法若无特别说明则均为常规方法。
[0021]
实施例
[0022]
本发明所提出的一种电炉精炼冶炼低硅低氧经济型齿轮钢20mncr5(h)的工艺方法，所针对的20mncr5(h)钢各化学组分及质量百分比含量为：c 0.17％～0.21％，si≤0.12％，mn1.10％～1.30％，p≤0.025％，s≤0.020～0.035％，cr 1.00％～1.30％，ni、mo≤0.05％，cu≤0.10％，其余为fe和不可避免的杂质。
[0023]
采用本发明的工艺方法冶炼20mncr5(h)钢最佳实施案例，炉号22a0997，其成品si含量0.08％，成品氧含量9ppm。关键实施步骤如下：
[0024]
电炉冶炼通过吹氧熔炼，实际电炉出钢钢水硅含量0.04％。电炉出钢留渣操作，下渣量85kg。femn合金总加入量831kg，其中钢包合金化加入654kg，占比78.70％，lf炉补加177kg，占比21.30％；fecr合金总加入量1003kg，其中钢包合金化加入804kg，占比80.16％，lf炉补加199kg，占比19.84％。
[0025]
电炉出钢加入60kg铝锭进行预脱氧，lf炉喂入200m(80kg)铝线进行沉淀脱氧，精炼加入800kg活性石灰和80kg氧化铝粉造渣，液渣形成后分三批总计加入45kg cac2和60kg切削铝进行扩散脱氧。
[0026]
制取6个非金属夹杂物试片，检测夹杂物结果见下表1。实测数据表明，非金属夹杂物得到很好的控制。
[0027]
表1实施例成品非金属夹杂物检验结果
[0028][0029]
对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都
可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应仍属于本发明技术方案保护的范围内。

技术特征：
1.一种电炉精炼冶炼低硅低氧经济型齿轮钢20mncr5(h)的工艺方法，其特征在于，采取了如下技术解决方案：
①
电炉出钢控硅工艺：电炉出钢温度1640℃～1650℃，电炉吹氧氧化，控制出钢钢水硅含量≤0.05％；
②
lf炉控制增硅工艺：生产操作控制下渣，最大下渣量不超过100kg；在电炉出钢中前期加入femn合金、fecr合金进行钢包合金化，提高钢包合金化过程中femn合金、fecr合金的加入量，使mn、cr其成分接近规格要求，利用电炉钢水的强氧化性来氧化femn、fecr中的硅含量，减少出钢合金化过程的进硅量；
③
脱氧工艺：采用沉淀脱氧和扩散脱氧相结合的脱氧工艺，选用铝线作为沉淀脱氧剂，选用cac2和切削al作为扩散脱氧剂。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤
②
所述femn合金的加入量，钢包合金化加入量占比大于75.0％，lf炉补加量占比小于25.0％。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤
②
所述fecr合金的加入量，钢包合金化加入量占比大于75.0％，lf炉补加量占比小于25.0％。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤
③
所述脱氧工艺采用钙和铝联合扩散脱氧，扩散脱氧剂分期、分批加入，保证熔渣∑feo＜0.5～1.0％。5.一种如权利要求1-4所述方法制备的低硅低氧经济型齿轮钢20mncr5(h)，其特征在于，所述钢中[si]≤0.12％，氧含量不超过12ppm，非金属氧化物夹杂不超过1.0级。

技术总结
本发明公开了一种电炉精炼冶炼低硅低氧经济型齿轮钢20MnCr5(H)的工艺方法，通过合理的电炉氧化控制出钢钢水硅含量，合金钢包合金化时最大限度加入，使用不含硅脱氧剂，采用沉淀脱氧和扩散脱氧联合脱氧工艺，使成品钢材[Si]≤0.12％，氧含量不超过12ppm，非金属氧化物夹杂不超过1.0级。本发明从电炉钢铁料氧化、出钢合金化、LF精炼脱氧关键工序入手，优化工艺操作，降低钢水硅、氧含量，提高产品使用性能，延长产品使用寿命，开发了经济性生产高品质MnCr系齿轮钢的关键技术，促进了资源节约型社会建设；为推广应用经济型齿轮钢，减少合金资源消耗，开发绿色电炉冶金，实现经济型齿轮钢低硅低氧生产具有重要意义。钢低硅低氧生产具有重要意义。


技术研发人员：赵千水 童家阁 卢秉军 李超群 曹羽 张群 王德勇 齐锐
受保护的技术使用者：本钢板材股份有限公司
技术研发日：2023.03.27
技术公布日：2023/7/12