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180t轉爐開發高等級汽車鍛件用鋼工藝
來源: | 作者:pmo181730 | 發布時間: 2019-04-04 | 1253 次瀏覽 | 分享到:
隨著我國汽車行業的蓬勃發展,對汽車零部件需求量越來越大,汽車鍛件是汽車制造業中的基礎安全件,曲軸、前軸、平衡軸、凸輪軸、半軸、十字軸、連桿、齒輪、同步齒環、轉向臂、轉向節、等速萬向節、搖臂、撥叉和爪極等鍛件廣泛運用于商用車的動力部分、行駛部分以及懸掛部分。從工藝零件看,一臺商用車鍛件需求種類少則幾十種,多則百余種。有數據表明,一輛重型載貨汽車需求鍛件1t左右。進而對汽車鍛件用鋼材料的需求量日益增長,對產品的質量要求越來越高,氧含量作為影響鋼材疲勞壽命的重要因素,越來越受到重視。本鋼轉爐生產汽車鍛件用鋼過程中對氧含量、硬度、夾雜物、力學性能、組織和末端淬透性都有嚴格要求,以42CrMo-1為代表的超低氧汽車鍛件用鋼生產工藝,經過多年摸索及研究,氧含量控制逐漸趨于穩定,控制在[O]≤13×10-6,大大提高了汽車鍛件用鋼的疲勞壽命。
  隨著我國汽車行業的蓬勃發展,對汽車零部件需求量越來越大,汽車鍛件是汽車制造業中的基礎安全件,曲軸、前軸、平衡軸、凸輪軸、半軸、十字軸、連桿、齒輪、同步齒環、轉向臂、轉向節、等速萬向節、搖臂、撥叉和爪極等鍛件廣泛運用于商用車的動力部分、行駛部分以及懸掛部分。從工藝零件看,一臺商用車鍛件需求種類少則幾十種,多則百余種。有數據表明,一輛重型載貨汽車需求鍛件1t左右。進而對汽車鍛件用鋼材料的需求量日益增長,對產品的質量要求越來越高,氧含量作為影響鋼材疲勞壽命的重要因素,越來越受到重視。本鋼轉爐生產汽車鍛件用鋼過程中對氧含量、硬度、夾雜物、力學性能、組織和末端淬透性都有嚴格要求,以42CrMo-1為代表的超低氧汽車鍛件用鋼生產工藝,經過多年摸索及研究,氧含量控制逐漸趨于穩定,控制在[O]≤13×10-6,大大提高了汽車鍛件用鋼的疲勞壽命。
生產工藝流程
  本鋼42CrMo-1汽車鍛件用鋼生產工藝流程為:高爐鐵水→鐵水預處理→轉爐冶煉→精煉爐LF→真空脫氣RH→大方坯連鑄350mm×470mm連鑄坯→步進式加熱爐加熱→高壓水除磷→粗軋機軋制→連軋機組→緩冷→精整→探傷→檢驗→入庫。
  轉爐容量為180t,從高爐來的鐵水進行嚴格的脫硫扒渣處理,滿足入爐鐵水[S]≤0.005%,[P]≤0.04%的要求。主要設備參數見表1。

表1 煉鋼廠主要設備參數
煉鋼工藝
2.1 轉爐吹煉
  為了適應轉爐快節奏,提高汽車鍛件用鋼的疲勞壽命和質量,要最大限度地控制汽車鍛件用鋼中原始氧含量,所以要使轉爐終點的氧含量最低,以提高42CrMo-1鋼純凈度。出鋼過程中加入足量的鋁進行脫氧處理。
  首先,對汽車鍛件用鋼的夾雜物生成機理進行熱力學分析,確定夾雜物的生成和控制條件。然后根據轉爐終點碳和氧含量情況,在出鋼過程中確定該鋼種的合金加入順序及加入量。而且鋁的加入量根據鋼水終點碳含量確定,碳含量高時,降低Al的加入量。確保在良好脫氧條件下,減少鋼中夾雜物的生成量,以提高鋼的潔凈度。
  根據本鋼的實際生產條件,一般42CrMo-1鋼出鋼加鋁過程在加完增碳劑條件下進行,此時[O]≤0.06%,因此,以鋁脫氧可以獲得較低的溶解氧水平,現場實際生產條件下,鋼中會有較多的Al2O3夾雜物生成,在精煉中要進行Ca處理,對Al2O3夾雜物進行改性。
2.2 LF-RH精煉
  LF采用白渣操作,造渣前,將[Alt]調至標準上限。造渣材料采用螢石、活性石灰、精煉渣CaO-SiO2-Al2O3系,先加入螢石,再一次性加入活性石灰,要保證所有加入的石灰完全化開。脫氧劑(鋁粒、碳粉等)在石灰完全化開后根據爐渣的脫氧程度一次適量加入,要造成還原渣,保證白渣的形成及維持。在保證渣流動性的條件下,控制渣堿度和渣中的氧勢。
  爐渣的氧勢對脫氧過程影響極大,而降低爐渣氧勢的可靠措施就是降低爐渣中FeO+MnO含量并提高堿度,因此,要控制FeO+MnO≤1%,即可得白渣,并達到15min以上。然后合金化,用高猛、高鉻、硅鐵、鉬鐵等將Mn、Cr、Si、Mo成分達到標準范圍,全程進行吹氬氣攪拌,電極升溫不低于25min。LF精煉處理時間為40min-45min,LF后控制[Alt]在0.01%-0.02%,然后轉至RH精煉。
  RH精煉為抽真空過程,在較高的真空度下真空脫氣,以保證托起效果和促進夾雜物上浮,要求循環20min以上,成分調整至滿足內控要求后,吹氬氣攪拌,使鋼中的夾雜物進一步上浮進入渣中,提高了鋼水純凈度。處理后期加入鋁丸調整鋼水中Alt含量,隨后合金均勻化。
  在進行鈣處理后,從理論上講,隨著鈣含量的增加,反應產物應該是按C·A6→C·A2→C·A→C12·A7的順序變化。為得到理想的低熔點鈣鋁酸鹽夾雜物,需嚴格控制加入鋼水的鈣量。鈣量小,Al2O3無法轉變為液態鋁酸鈣;鈣量過大,則有可能生成CaO。
2.3 矩形坯連鑄
  鋼包要密封好,采用大包覆蓋劑、中間包覆蓋劑、高堿度中包渣,中間包內氬氣保護澆鑄。中間包渣要勤加入,嚴禁鋼液面裸露,做好長水口密封,以及侵入式水口,進行保護澆注,防止鋼水的二次氧化。加強鋼包、中間包耐火襯的隔熱保溫性能,減少襯體散熱造成的溫降,中間包溫度控制在1508℃左右,控制連1爐次過熱度≤28℃,其他爐次過熱度控制在22℃左右,拉速與過熱度相配,控制在0.50m/min左右。通過一系列的控氧措施,使成品汽車鍛件用鋼氧含量控制在[O]≤13×10-6的要求,統計20爐成品42CrMo-1鋼平均氧含量為11×10-6。
2.3.1 結晶器電磁攪拌
  本鋼煉鋼廠矩形坯連鑄機都配置了結晶器電磁攪拌(M-EMS)。大幅降低鋼液的過熱度,縮短凝固時間,從而產生寬且細的等軸晶區;使凝固前沿強制對流,打碎凝固前沿的樹枝晶,樹枝晶的碎片重新熔化,降低了鋼水溫度,增加了等軸晶核心,封鎖了柱狀晶前沿的發展,形成了寬大的等軸晶區。鋼液的攪動使液芯由外向內的溫度梯度減小,四周結晶均勻發展,從而提高鑄坯斷面上的等軸晶率,使偏析元素均勻分布,避免溶質元素集聚,最終改善鑄坯的偏析。
2.3.2 末端電磁攪拌
  末端電磁攪拌安裝在凝固率fs=0.7-0.8的位置,進一步細化等軸晶,促進柱狀晶向等軸晶轉化,產生寬而細的等軸晶區,使之能致密充滿凝固末端;減少二次枝晶的臂間距,以控制粘稠區的滲透性。并能保持粘稠區的流動以及溫度與成分的均勻。因此,可以明顯減輕宏觀偏析。抽取20爐缸,每爐鋼取一支試樣,采用氧化法進行晶粒度檢驗,經930℃溫度下保溫3h、水淬。采用15%的鹽酸乙醇溶液進行腐蝕,在顯微鏡下觀察沒有混晶現象,晶粒度為7級。由于熱加工溫度、初軋和終軋溫度控制較好,所以晶粒較細,沒有混晶現象。
  不同攪拌強度時,凝固鋼中碳含量的變化表明,攪拌強度增強時,鑄坯中的負偏析程度也加劇。當鑄坯離開電磁攪拌區時,凝固鋼中的碳含量會高于無電磁攪拌時的碳含量,發生了“正偏析”。攪拌強度越高,越容易發生正偏析。
2.3.3 動態輕壓下
  本鋼煉鋼廠從2010年開始,在矩形坯上投輕壓下,通過在連鑄坯液芯末端附近施加壓力,產生一定的壓下量來補償鑄坯的凝固收縮量。這一方面可消除或減少鑄坯收縮形成的內部孔隙,防止晶間富集溶質的鋼液向鑄坯中心橫向流動;另一方面輕壓下所產生的擠壓作用,還可以促使液芯中心富集溶質的鋼液沿拉坯方向反向流動,使溶質元素在鋼液中重新分配。從而使鑄坯的凝固組織更加均勻致密,達到改善中心偏析和減少中心疏松的目的。
  本鋼42CrMo-1汽車鍛件用鋼采用在2、3、4輥上分別壓下4mm、4mm和4mm,總壓下量為12mm,鑄坯疏松、縮孔明顯減輕,等軸晶率平均達到58%。
2.4 矩形坯軋制
  轉爐矩形坯加熱4個小時后,1000℃的開軋溫度進入返回式初軋機,初軋機采用二輥可逆式軋機,經十二架大棒機組后出成品,再進行48h保溫后經漏磁探傷檢測,確定沒有表面缺陷,進行物理性能檢驗,各項指標檢驗全部合格后打包入庫。
  表2、表3分別為成品夾雜物、力學性能檢驗結果。

表2 42CrMo-1鋼的非金屬夾雜物

表3 42CrMo-1鋼的力學性能
 
化學成分
  化學成分是影響鋼材性能的主要因素,在工藝技術穩定的情況下,化學成分窄帶控制、穩定性、均勻性是保證鋼材性能的前提條件。在實際生產中采用包內合金化與RH成分微調相結合,化學成分控制及成品成分見表4。

表4 42CrMo-1鋼的化學成分

結論
  1)轉爐過程嚴格控制下渣量,控制出鋼溫度,詳細研究了Al2O3的熱力學反應。精煉過程采用白渣操作,對鈣處理做了詳細計算,連鑄過程采用結晶器電磁攪拌、末端電磁攪拌和動態輕壓下等設備,得到成分、組織均勻的42CrMo-1汽車用鋼鑄坯;
  2)鑄坯經過加熱、初軋及連軋機組后得到表面質量好、內部夾雜物細小且均勻分布、晶粒度細小、沒有混晶現象、組織均勻的鋼材;
  3)化學成分實行窄帶嚴格控制,確?;瘜W成分均勻性,經過嚴格的工藝控制和產品性能檢驗,得到了42CrMo-1汽車用鋼鑄坯。
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