鞍鋼齒輪鋼20CrMnTi煉鋼工藝生產(chǎn)實(shí)踐

楊輝，臧紹雙

（鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠，遼寧 鞍山 114021）

齒輪鋼是汽車業(yè)及機(jī)械制造業(yè)的主要傳動(dòng)部件用鋼，汽車齒輪主要承載傳動(dòng)力矩，因此，齒輪鋼必須強(qiáng)韌性能優(yōu)良、表面硬度高、淬透性穩(wěn)定，以提高齒輪的耐磨性、抗彎強(qiáng)度、彎曲疲勞強(qiáng)度、抗點(diǎn)蝕剝落能力、抗擦傷能力、抗劃痕等能力［1］。這就要求齒輪鋼棒材具備以下特性：鋼質(zhì)純凈度高（全氧不大于0.002 0%）、成分穩(wěn)定、淬透性穩(wěn)定（6～8HRC）、晶粒度細(xì)小均勻 （奧氏體晶粒度≥5級(jí)）、帶狀組織輕微（≤3級(jí)）。

目前，我國(guó)開(kāi)發(fā)的齒輪鋼主體鋼種仍是20CrMnTi［2］。鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠一分廠（以下簡(jiǎn)稱一分廠）采用鐵水預(yù)處理-轉(zhuǎn)爐冶煉-LF精煉-VD 精煉-方坯（280 mm×380 mm）連鑄-連軋工藝生產(chǎn) 20CrMnTi齒輪鋼，可涵蓋 Φ90、Φ110、Φ130、Φ150、Φ170、Φ185、Φ210 等棒材 規(guī)格。本文主要介紹了鞍鋼20CrMnTi齒輪鋼的煉鋼工藝生產(chǎn)實(shí)踐情況。

在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，要充分考慮建設(shè)周期，網(wǎng)絡(luò)資源管理涉及部門(mén)較多，建設(shè)周期較長(zhǎng)，對(duì)信息量要求較大，在進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)要進(jìn)行全面的調(diào)研，論證系統(tǒng)建設(shè)的可行性。系統(tǒng)建設(shè)在規(guī)模、數(shù)量和復(fù)雜程度上存在一定的差別，因此在系統(tǒng)建設(shè)的過(guò)程中應(yīng)分期來(lái)完成，從而實(shí)現(xiàn)資源管理的最大化利用，促進(jìn)系統(tǒng)建設(shè)速度的加快，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)建設(shè)中存在的問(wèn)題及時(shí)找到解決方法，不斷改進(jìn)工作方式，確保系統(tǒng)滿足使用要求。

1 工藝參數(shù)控制

20CrMnTi冶煉過(guò)程主要圍繞穩(wěn)定化學(xué)成分、提高鋼水潔凈度、降低鋼中全氧含量、減輕鑄坯偏析、提高鋼坯質(zhì)量進(jìn)行控制。主要工藝如下。

1.1 轉(zhuǎn)爐冶煉

轉(zhuǎn)爐采用脫硫至0.008%后的鐵水、低硫廢鋼進(jìn)行冶煉，嚴(yán)格控制冶煉終點(diǎn)的點(diǎn)吹次數(shù)，采用一拉出鋼或點(diǎn)吹一次的出鋼操作，控制出鋼ω［C］≥0.08%、ω［P］≤0.012%、ω［S］≤0.015%。 出鋼過(guò)程中脫氧合金化操作，調(diào)整C、Si、Mn、Cr至成品下限。出鋼后采用鋼水扒渣操作，去除大部分頂渣后，加入復(fù)合渣料重新造渣。通過(guò)鋼水扒渣操作，可以充分保證精煉渣系的穩(wěn)定性，為穩(wěn)定齒輪鋼化學(xué)成分、降低鋼水中全氧含量、提高鋼水潔凈度奠定較好的基礎(chǔ)。

1.2 LF精煉

LF精煉的主要任務(wù)是成分微調(diào)、溫度控制和造渣操作，采用微正壓操作、大渣量、限制加熱時(shí)間的方式控制鋼水增氮。使用白灰6～8 kg/t鋼、螢石1.0～1.5 kg/t鋼進(jìn)行造渣操作，控制電極加熱時(shí)間為20～25 min。進(jìn)行兩次成分調(diào)整，粗調(diào)時(shí)加入0.5～0.8 kg/t鋼鋁粉進(jìn)行脫氧操作，精調(diào)時(shí)將鋼中C、Si、Mn、Cr含量按目標(biāo)調(diào)整，Ti含量按大于成品目標(biāo)0.025%調(diào)整，從而保證VD破空Ti值，調(diào)Ti的收得率一般按50%計(jì)算。將鋼中Als含量調(diào)整至0.025%～0.032%。處理結(jié)束后做適當(dāng)?shù)某碓幚?，保證VD過(guò)程的穩(wěn)定性。

從當(dāng)前農(nóng)田殘膜回收中實(shí)際應(yīng)用的各類殘膜回收機(jī)械設(shè)備種類來(lái)看，受到殘膜基本特性以及農(nóng)作物種類影響，實(shí)際應(yīng)用成熟的回收機(jī)械主要是以棉花殘膜回收為主，當(dāng)前不能有效解決玉米、瓜果等諸多作物殘膜回收問(wèn)題。加上目前應(yīng)用的殘膜回收機(jī)械自身造價(jià)加高，技術(shù)應(yīng)用體系不夠完善，各項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)未能全面推廣，機(jī)械設(shè)備型號(hào)等不能進(jìn)行統(tǒng)一，實(shí)際應(yīng)用中資金投入較大，在農(nóng)機(jī)購(gòu)置補(bǔ)貼中難以將其有效錄入，在較短時(shí)間內(nèi)不能收回其應(yīng)用成本，導(dǎo)致廣大農(nóng)民購(gòu)置應(yīng)用積極性逐步降低。

對(duì)比這兩種伏安特性曲線測(cè)試平臺(tái)，可以發(fā)現(xiàn)，采用DH6101平臺(tái)測(cè)試不能實(shí)時(shí)繪制I-V曲線圖，而采用電化學(xué)工作站能實(shí)時(shí)繪制I-V曲線圖，直觀地觀察二極管的伏安特性。在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理階段，相比手工繪圖，利用Origin軟件繪圖降低了繪圖誤差，提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的效果。同時(shí)，利用Origin軟件還可以擬合曲線，本次實(shí)驗(yàn)中利用Origin軟件擬合了高斯曲線，擬合優(yōu)度很高。

1.3 VD精煉

在20CrMnTi齒輪鋼的軋制過(guò)程中，采用延長(zhǎng)鋼坯高溫均熱時(shí)間和軋后緩冷的方式控制鋼坯偏析及帶狀組織。連軋工藝主要溫度控制情況見(jiàn)表4?？刂萍訜釥t在爐時(shí)間為3.5～4.5 h，高溫均熱時(shí)間為1.5～2.0 h，軋后緩冷時(shí)間為24 h。

(3) 為滿足故障運(yùn)行工況，一般宜在線路沿線每隔2～3 km設(shè)置臨時(shí)折返的渡線。單渡線應(yīng)結(jié)合車站所在路口的道路交通情況進(jìn)行設(shè)置，以便于路口擁堵時(shí)組織臨時(shí)交路運(yùn)營(yíng)。

表1 VD處理結(jié)束后的頂渣成分及堿度

1.4 方坯連鑄

20CrMnTi鑄坯成分嚴(yán)格按目標(biāo)值控制，實(shí)際達(dá)到目標(biāo)值 ω［C］±0.01%、ω［Si］±0.015%、ω［Mn］±0.02%、ω［Cr］0.02%的控制水平。20CrMnTi鑄坯成分檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。由表5看出，采取上述工藝措施后，鑄坯的全氧含量控制在0.001 1%～0.001 7%，均值為0.001 4%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

采用全程保護(hù)澆注技術(shù)，規(guī)范中間包水口密封、中間包覆蓋劑的加入、保證中間包液位澆注高度等，保證澆注過(guò)程Ti燒損控制在0.005%以下、Als含量控制在 0.004%以下、增 N控制在0.000 3%以下。冶煉過(guò)程氮含量均值變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1。由圖1看出，可以保證成品氮含量控制在0.004 0%以下。

圖1 冶煉過(guò)程氮含量均值變化趨勢(shì)

2.2.2 夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)凝固過(guò)程幾乎全部以柱狀晶的方式進(jìn)行時(shí)，中心偏析比較嚴(yán)重，而當(dāng)凝固以等軸晶方式進(jìn)行時(shí)，中心偏析程度減小，偏析區(qū)擴(kuò)大，溶質(zhì)富集在一個(gè)較寬的范圍內(nèi)［3］。一分廠連鑄機(jī)不具備輕壓下功能，采用低拉速、低過(guò)熱度澆注技術(shù)，應(yīng)用結(jié)晶器電磁攪拌與凝固末端電磁攪拌相結(jié)合的工藝方法控制連鑄坯偏析。將拉速控制在0.70～0.75 m/min，澆注過(guò)熱度控制在20℃以內(nèi)。連鑄電磁攪拌控制參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 連鑄電磁攪拌控制參數(shù)

連鑄坯低倍檢驗(yàn)結(jié)果控制情況見(jiàn)表3。由表3看出，采用結(jié)晶器電磁攪拌與凝固末端電磁攪拌后，鑄坯中心疏松、中心偏析均不大于0.5級(jí)、縮孔為0級(jí)，等軸晶比例由18%提高至30%以上。

表3 連鑄坯低倍檢驗(yàn)結(jié)果

1.5 軋制工藝

為提高齒輪鋼的加工性能和使用性能，保證軋材穩(wěn)定的淬透性、細(xì)小的晶粒組織和控制軋材的偏析尤為重要。

淬透性是齒輪鋼的重要特性，其對(duì)鋼件熱處理后的變形影響很大，齒輪鋼對(duì)淬透性帶寬的要求非常高，淬透性帶寬越窄、離散度越小，越有利于提高齒輪的加工和嚙合精度。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)滲碳齒輪鋼淬透性帶寬要求HRC為6～8，同一批材料要求HRC為4～5。我國(guó) （GB-5216）規(guī)定齒輪鋼淬透性帶寬HRC為12［4］。實(shí)際生產(chǎn)中，控制穩(wěn)定的化學(xué)成分和軋制溫度，能夠縮小淬透性帶寬。

2.2.3 末端淬透性檢驗(yàn)結(jié)果

VD完成脫氫、脫氮操作。采用堿度約為3.0、（FeO+MnO）含量小于1.5%、Al2O3含量為10%～15%的高堿度、低氧化性頂渣進(jìn)行控制，并配合VD真空處理、軟吹等工藝，可以保證鋼水潔凈度，控制鋼中全氧含量。VD保壓時(shí)間控制在15 min,控制鋼中H含量≤0.000 15%，VD破空后軟吹10 min，軟吹結(jié)束后靜置10～15 min，保證夾雜物充分上浮，搬出成分實(shí)現(xiàn)目標(biāo)控制，其中Ti含量控制在 0.055%～0.060%、Als控制在 0.010%～0.020%。VD處理結(jié)束后的頂渣成分及堿度見(jiàn)表1。

表4 連軋工藝主要溫度 ℃

2 檢驗(yàn)結(jié)果

2.1 鑄坯成分檢驗(yàn)結(jié)果

1.4.1 全程保護(hù)澆注

2.2 成品檢驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 成品低倍檢驗(yàn)結(jié)果

表5 20CrMnTi鑄坯成分檢驗(yàn)結(jié)果 %

20CrMnTi鋼成品夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。高倍夾雜檢驗(yàn)A、B、C、D各類夾雜物級(jí)別均不大于1.0級(jí)，鋼質(zhì)純凈度好，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 成品低倍檢驗(yàn)結(jié)果 級(jí)

1.4.2 偏析控制技術(shù)

圖5中的低通數(shù)字濾波器,輸入輸出均為32位,截止頻率、增益、階數(shù)均可調(diào),整個(gè)數(shù)字內(nèi)部累加時(shí)鐘為59字長(zhǎng)。該低通濾波器消耗DSP48s單元僅為3%。大大降低了FPGA的資源占有率,簡(jiǎn)化了算法,降低了功耗。

20CrMnTi鋼成品低倍檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知，本次生產(chǎn)的20CrMnTi鋼成品的中心疏松和偏析均達(dá)到用戶要求。

細(xì)小均勻的奧氏體晶粒度對(duì)穩(wěn)定鋼材末端淬透性、減小齒輪熱處理后的變形、提高滲碳體的脆斷抗力具有重要意義。研究指出，當(dāng)晶粒度大于5級(jí)或更大（60 μm以上）時(shí)，滲碳體的脆斷抗力顯著降低，晶粒粗化還會(huì)增加齒輪的剝落傾向［5］。在實(shí)際生產(chǎn)中，控制連鑄坯的開(kāi)軋溫度、終軋溫度和采用自然冷卻的方式，能夠得到較好的晶粒度。

20CrMnTi鋼成品棒材末端淬透性檢驗(yàn)結(jié)果顯示，Φ130棒材J9的硬度值 HRC為 35.6～41.3（標(biāo)準(zhǔn)值HRC為35～42），淬透性帶寬HRC僅為7，控制穩(wěn)定性較好。

表7 成品夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果 級(jí)

2.2.4 帶狀組織檢驗(yàn)結(jié)果

20CrMnTi鋼成品棒材帶狀組織檢驗(yàn)結(jié)果顯示，Φ130棒材檢狀組織為1.0～1.5級(jí)，帶狀組織輕微，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（≤3.0）。

2.2.5 晶粒度檢驗(yàn)結(jié)果

20CrMnTi鋼成品棒材晶粒度檢驗(yàn)結(jié)果顯示，Φ130棒材晶粒度級(jí)別均不小于7.0級(jí)，完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（≥5）。

學(xué)校的教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)閷W(xué)生學(xué)習(xí)提供產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程的實(shí)踐。控制原理的理論講解一直是枯燥的課程，同學(xué)在dSPACE平臺(tái)進(jìn)行應(yīng)用算法，再結(jié)合其他課程的學(xué)習(xí)，把自己設(shè)計(jì)的產(chǎn)品應(yīng)用在實(shí)踐中提高了學(xué)生學(xué)習(xí)效率。

同時(shí)，該智慧停車系統(tǒng)無(wú)須更改當(dāng)前的停車系統(tǒng)，只需構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺(tái)，將各個(gè)停車場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，將資源實(shí)現(xiàn)共享。比如在A停車場(chǎng)辦理會(huì)員的用戶，也可以去B或者C停車場(chǎng)停車，智慧停車系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如果該數(shù)據(jù)是存儲(chǔ)在自身系統(tǒng)中那么會(huì)自動(dòng)進(jìn)行信息的記錄、存儲(chǔ)等流程；如果發(fā)現(xiàn)該信息在自身系統(tǒng)中不存在，那么會(huì)返回給管理人員一個(gè)空白信息，方便管理人員進(jìn)行登記處理。采用基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧停車系統(tǒng)，可以讓遠(yuǎn)程的授權(quán)功能變成現(xiàn)實(shí)，比如對(duì)于一些特殊車輛的進(jìn)入可以提前進(jìn)行相關(guān)信息的注冊(cè)存儲(chǔ)，這樣當(dāng)車輛到達(dá)后就無(wú)須重新辦理，可以直接進(jìn)入，非常便利。

3 結(jié)語(yǔ)

鞍鋼股份有限公司煉鋼總廠在冶煉20CrMnTi齒輪鋼的工藝實(shí)踐中，轉(zhuǎn)爐采用鋼水扒渣工藝，LF精煉采用強(qiáng)脫氧劑脫氧，VD采用深真空與軟吹工藝相結(jié)合，保證了鋼水潔凈度，鋼中全氧控制在0.001 1%～0.001 7%；通過(guò)采取低過(guò)熱度、低拉速澆注、結(jié)晶器電磁攪拌結(jié)合凝固末端電磁攪拌等控制技術(shù)，改善了鑄坯的中心偏析和疏松；軋制過(guò)程中采用延長(zhǎng)鋼坯高溫均熱時(shí)間和軋后緩冷的方式減輕了鋼坯偏析及帶狀組織。20CrMnTi齒輪鋼末端淬透性帶寬HRC僅為7，晶粒度達(dá)到7.0級(jí)以上，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。