钙硫系易切削齿轮钢夹杂物研究及应用.pdf

辽宁科技学院学报 第 卷文章编号:():./.钙硫系易切削齿轮钢夹杂物研究及应用马 娥刘道孟(河钢股份有限公司河北 石家庄)摘要:某公司采用 工艺路线冶炼钙硫系易切削齿轮钢(出口德国)通过控制钢水纯净度、夹杂物形态组成、精准钙处理、精炼渣系控制、连铸防卷渣防氧化控制实现由连铸替代模铸并具备钙硫系易切削齿轮钢连浇 炉以上能力且钢中的夹杂物水平能控制在:类(细系/粗系):./.类(细系/粗系):./.类(细系/粗系):/类(细系/粗系):./.满足高纯净度要求关键词:钙硫系易切削齿轮钢钢水纯净度夹杂物形态组成精准钙处理精炼渣系控制连铸防卷渣防氧化控制中图分类号:.文献标识码:引言近年来随着我国机械工业和汽车制造业蓬勃发展对用于制造汽车零部件和工程齿轮传动件的钢材性能也有更高的要求这一类特殊钢的质量必须具有良好的切削加工性能()改善钢材易切削性最常用的方法是通过适当的热处理工艺改变钢材金属组织使切削性得到改善但在炼钢过程中加入一些元素如硫、磷、铅、钙等易切削元素在冶炼期就提高切削性能也是现在的主流方法硫元素可以使钢材的切削加工性能得到强化硫化物分布在晶界处可以破坏钢基体的连续性使钢材获得更理想的切削性 钢中的硫元素还可以起到润滑刀具的作用从而显著的改善钢的切削性提高切削效率 钙元素可形成氧化物钙铝硅盐夹杂这类夹杂在 以上则转变为塑性夹杂物在用硬质合金刀具高速切割时可熔覆在刀具前刀面上形成保护的作用可显著延长刀具的使用寿命 而且钙系易切削钢在生产过程造成的环境问题少力学性能与基础钢相近在国外得到快速发展 铝元素具有改善晶粒度和脱氧作用 由于钙硫系易切削齿轮钢中的、含量较高导致钢中 夹杂物和 类夹杂物的数量比一般钢种更多会导致浇铸过程中水口结瘤等不利现象造成连铸时极容易堵塞水口导致停浇事故经检测水口堵塞物多为 或 所以控制钙硫系易切削齿轮钢的夹杂物改善夹杂物聚集现象可大大提高含硫易切削钢的连浇炉数提高生产效率收稿日期:作者简介:马娥()女辽宁盘山人硕士副高级工程师.研究方向:质量管理.钙硫系易切削齿轮钢钙处理理论分析易切削钢性能的改善主要取决于准确控制钢中夹杂物的组成硫化物和氧化钙、氧化铝在刀具上形成薄膜这种薄膜不仅能抑制刀具中易氧化元素在切削过程中的扩散同时也起到润滑作用减少刀具磨损提高刀具寿命.钙元素控制理论分析含硫含铝钢的钙处理的化学反应为:()()()()钢液中形成铝酸钙的能力主要受到硫含量的影响当炼钢温度为 、全氧为 、含量为.时对比钢中 含量为 和 时对化学反应的影响通过热力学计算得到不同钙处理量对钢中夹杂物相的影响关系图(见图)由图 可知在钢水中硫含量为 时图中加粗虚线即为钙处理的窗口期钢中./.的比值范围为.当钢液中的硫含量为 钢中./.时氧化铝改性为液态钙铝酸盐当钢中./.时 夹杂已经开始生成该成分钢种不存在钙处理的窗口期得出结论为随着钢水中硫含量的增加液态夹杂物生成减少 生成时机提前导致保硫保铝钢钙处理的窗口期减小甚至关闭图 不同钙处理量对钢中夹杂物相的影响此外通过热力学数据计算钢液中 第 卷 第 期 年 月辽宁科技学院学报 .以及 的平衡具体如图、图、表、表 所示图 不同温度下 的平衡图 不同温度下 的平衡表 不同温度下 的平衡数值.表 不同温度下 的平衡数值.硅钙线和硫线喂入顺序理论分析在 工序破空后使用铝线对钢液铝含量进行调整铝含量调整完毕之后需要喂入硅钙线和硫线 下面分析硅钙线和硫线的喂入顺序对钢中夹杂物的影响方式:先喂入硅钙线钙首先与钢中氧化铝充分反应钢中的夹杂物主要是钙铝酸盐和少量 喂入硫线后会形成较多的 夹杂最终钢液的夹杂为 和钙铝酸盐方式:先喂入硫线、再喂入硅钙线喂入硅钙线后 夹杂大量生成最终钢液中夹杂为 和钙铝酸盐 夹杂相对于氧化铝和钙铝酸盐更易堵水口 从理论分析方式 产生 夹杂的量比方式 较多 在保硫保铝钢的实际生产过程中精准钙处理非常重要 过量喂入硅钙线两种方式都会产生大量的 夹杂钙处理量不足钢中的氧化铝夹杂得不到有效变型都会造成浇注过程堵塞水口 若在软吹过程补喂硅钙线会引起钢液的再次氧化影响钢中氧含量恶化钢水纯净度 因此保硫保铝钢的钙处理方式应选择方式 同时硅钙线需一次性准确喂入既能使钢中的氧化铝夹杂得到有效变型处理还可以显著减少 夹杂 钙硫系易切削齿轮钢生产工艺优化钢厂采用全废钢电炉生产主要装备有 台废钢破碎机及 台废钢剪切机 台双竖井式废钢预热型直流电弧炉、台 精炼炉、台 真空精炼炉及 台连铸机大棒、中棒、小棒、高速线材四条轧钢生产设备和多套精整系统具备年产钢 万吨、产材 万吨的生产能力 生产钙硫系易切削齿轮钢的主要工艺流程为废钢剪切电炉初炼精炼连铸轧制精整 由于夹杂物主要在炼钢环节产生可通过对电炉、精炼、连铸三个主要流程进行工艺优化减少夹杂提升钢水纯净度.钢水洁净度理论分析由于齿轮在高速运转情况下承受冲击载荷和啮合时的交变应力大尺寸夹杂物的存在造成应力集中产生裂纹导致齿轮失效 因此需要降低钢水中氧含量减少有害夹杂的尺寸及数量控制钢水的纯净度.炼钢操作优化()电炉控制优化在炉内主要发生碳氧反应反应式如下 ()在 时 .()在电炉冶炼中以炉壁枪吹氧与送电制度相结合增 加 搅 拌 强 度 电 炉 终 点 碳 氧 积 控 制 到.提高炉内金属收得率缩短冶炼周期电炉炼钢过程以低氧势出钢优化冶炼过程操作冶炼终点温度、成分一次到位减少多次补吹及长送电冶炼采用 偏心炉底出钢和下渣检测设备进行技术控制减少出钢下渣量降低出钢氧含量 在电炉脱氧合金化过程中物料的加入种类、合金化顺序直接影响初始夹杂物的元素组成、形态以及上浮时间可采用铝铁、碳粉、白灰、精炼渣、硅铁、高碳锰铁、高碳铬铁进行脱氧合金化 终点目标如表 所示表 电炉冶炼终点控制情况/.在电炉出钢过程中根据预先设计的渣系向钢水表面加入合适的渣料保证炉渣良好的熔化性形 辽宁科技学院学报 第 卷成/二元碱度为 的高碱度精炼渣精炼初渣的化学组成如表 所示表 精炼初渣的化学组分单位:()控制优化对精炼渣系的控制要考虑碱度、熔点、黏度、吸附夹杂的能力、表面张力等因素碱度主要控制脱氧、脱硫熔点是炼钢温度下炉渣是否存在良好的反应状态黏度对夹杂物的去除影响较大合适的黏度可以保证足够的乳化性能增加钢渣接触面积吸附夹杂的能力主要是去夹杂净化钢液表面张力是保证乳化的渣滴能全部从钢液中排除而不悬浮于钢中钢包进站后根据钢包内渣量、黏度加入渣料造渣埋弧升温 造渣料的加入量根据现场生产实际可参考加入精炼渣 把精炼渣碱度控制到.加入碳化硅碳化硅脱氧降低渣中的氧势导致渣钢间氧势不平衡钢中会自动向渣中扩散 通过控制钢包底吹氩气流量钢渣平稳不出现剧烈翻腾碳化硅反应式如下:()()中后期一次调铝后加入调整碱度物料石英砂 精炼末期渣的化学组成如表 所示表 精炼末期渣的化学组分单位:.()操作优化钙处理是将氧化铝改性为液态的钙铝酸盐 在炼钢温度下只有 和 为液态因此需要钙的加入量在一个合适的范围最佳钙的加入量是将氧化铝改性为液态夹杂而不产生 夹杂 高真空时间 破空后向钢水中喂 线并软吹 然后喂 线并软吹 最后喂 线并软吹 对钢水进行静置 进行静置去夹杂将连浇出站温度控制到 并加入钢包覆盖剂保温减少与空气的二次接触()连铸操作优化连铸采用大包水口套管和中包吹氩保护工艺流量按照表 控制浇钢过程中中包钢水液面不裸露防止二次氧化表 连铸吹氩保护流量控制 单位:/吹氩保护位置吹氩保护气体流量下限目标值上限大包水口套管.中包.为减少水口结瘤中间包过热度控制在 附近保证钢水的流动性 大包剩钢 防止大包液面降低造成涡流卷渣 使用保硫钢专用保护渣连铸过程中间包液面高度 换包过程中间包液面高度 结晶器采用自动加渣装置保证黑面操作减少液面波动 连铸过程执行全程保护浇注:大包长水口形状及密封垫设计开发、中间包氩封、中间包整体水口等措施减少二次氧化 优化后夹杂物控制效果某公司生产的钙硫系易切削齿轮钢牌号为(出口德国)化学成分如表 所示 通过对电炉、连铸生产过程的操作进行优化后保证钢水的纯净度以此扩大钙处理的窗口期末期轻微钙处理将氧化铝夹杂改性为液态钙铝酸盐终使钢中的夹杂物水平能控制在 类(细系/粗系):./.类(细系/粗系):./.类(细系/粗系):/类(细系/粗系):./.满足高纯净度要求表 化学成分要求 单位:标准要求下限.上限.结论通过钙硫系易切削齿轮钢全流程高纯净度控制技术电炉脱氧合金和 精炼顶渣碱度控制控制夹杂物组成和形态精炼过程合理控制钢水中、的加入时机(钙处理窗口期的控制)和含量选取先喂入硅钙线后喂入硫线减少 夹杂使钢水具备良好的流动性采用连铸控制合适的过热度适当的防涡流卷渣措施使用保硫钢专用保护渣和防氧化的工艺技术连铸过程中间包液面高度 换包过程中间包液面高度 实现第 卷 第 期 年 月辽宁科技学院学报 .钙硫系易切削齿轮钢连浇 炉以上且钢中的夹杂物水平能控制在 类(细系/粗系):./.类(细系/粗系):./.类(细系/粗系):/类(细系/粗系):./.满足高纯净度要求参考文献:崔崑.钢的成分、性能和组织第二版(第一册).北京:科学出版社.姚贵升.汽车金属材料应用手册(上册).北京:北京理工大学出版社.蔡淑卿滕梅李吉夫等.非金属夹杂物对钙系与钙硫系易切削钢切削性能的影响.钢铁研究学报():.姚贵升景立媛.汽车用钢应用技术.北京:机械工业出版社.胡永才石少博刘鹏等.含硫含铝钢种连铸絮流问题工艺探究和实践.连铸():.郭龙鑫庞洪轩王晓英等.含硫齿轮钢中()()和 的形成机理与控制.河北冶金():.申志强.处理对钢水浇铸性能的影响.河北冶金():.张惠峰.汽车用易切削钢 生产实践.河北冶金():.张立峰李菲方文.钢液钙处理过程中钙加入量精准计算的热力学研究.炼钢():.丁志军刘炜卫广运等.提高 胀断连杆钢钢水纯净度的工艺优化.河北冶金():.刘勇王翠亮.齿轮钢钢水洁净度控制关键技术.河北冶金():.靳刚强李亚厚王力新等.精炼脱硫工艺研究.南方金属():.陈天明姚永国陈亮等.转炉利用半钢试制易切削齿轮钢.炼钢():.苑鹏李海波罗衍昭等.超低碳钢顶渣氧化性对钢液洁净度的影响.工程科学学报():.乔晓阳裴小芳崔冕等.易切削齿轮钢 的开发.特殊钢():.严国安秦哲田志红等.中碳钙硫易切削钢夹杂物形态控制.北京科技大学学报():.():().:(/):./.(/):./.(/):/(/):./.:(上接第 页).().: