齿轮钢圆钢项目工作方案

特殊钢圆钢项目工作方案圆钢课题组1.一、立项背景湘钢宽厚板厂拥有1台独特的方/板连铸机，在生产板坯的同时，能以1机3流的形式生产300mm×430mm矩形坯。与其它矩形坯连铸机相比，方/板铸机生产矩形坯具有如下特点：(1)三流铸坯由一套驱动系统同步驱动，拉速一致；(2)由于有2米多的垂直段，铸机的静压头较高；(3)铸坯两侧支撑辊段较短；(4)流间距小，相邻流之间共用喷淋架；(5)结晶器电磁搅拌器结构特殊。高静压头为凝固末期的钢水补缩创造了有利条件，方/板铸机在减轻矩形坯的中心疏松、缩孔和偏析，改善纯净度上具有优势，但同时结晶器电磁搅拌需要深入了解和消化。在板材取得巨大收益的基础上，根据市场要求，湘钢结合装备与工艺特点开发以棒材为主的优质特钢，目前每月特钢产量约2万吨，主要品种包括20CrMnTiH、30Mn2、42CrMo等。利用设备优势，消化完善连铸工艺，可以为更高品质特殊钢(如弹簧钢、轴承钢等)的开发提供有利条件。1、装备与市场的要求2.在特钢的试生产中出现了一些问题，如42CrMo、20CrMnTiH圆钢低倍出现较严重的方框偏析，主要表现为横断面圆周方向上碳成分不均匀。20CrMnTiH圆钢出现端淬值相对标准普遍偏高、组织为粒状贝氏体等问题，加工成齿轮热处理变形量大。42CrMo圆钢因方框偏析造成力学性能波动。这些问题不仅对当前生产造成困扰，也阻碍了更高品质钢种的开发。为了解决这些问题，湘钢科技中心、湘钢宽厚板厂与钢铁研究总院连铸技术国家工程研究中心经过充分协商，计划通过合作开发的方式，基于炼钢-方/板连铸-轧钢整个流程，抓住棒材宏观偏析共性，研究其在凝固过程中形成原因以及轧制过程偏析的遗传规律，通过成分控制、连铸工艺优化、轧制工艺优化等消除偏析对圆钢产品的不利影响。该项目的顺利实施，既可以提高产品质量，提升市场竞争力，又能更加充分认识方/板连铸机的特殊性，充分发挥其优势、克服其不利因素，为扩大特钢品种范围奠定基础。2、挑战与任务3.二、前期工作进展

1、基于现场连铸坯与圆钢碳偏析结果的分析钢种连铸坯质量圆钢质量使用性能低倍碳偏析低倍碳偏析20CrMnTiH正常存在正偏析带（直读光谱）偏析偏析较重，方框外延为正偏析，内部为负偏析。齿轮热处理变形偏大42CrMo方框偏析有碳偏析（原位分析）方框偏析≥φ100mm规格方框偏析明显，方框边沿碳最高，内外逐渐降低。力学性能波动4.连铸坯碳偏析

20CrMnTiH2连铸坯直读光谱取点分布5.炉号中包C含量a圈(1/4位置)b圈(1/2位置)c圈(3/4位置)C平均值偏析指数（C/C0）C平均值偏析指数（C/C0）C平均值偏析指数（C/C0）08504741-3(S1)0.2080.2191.050.2271.090.2101.00808504742-3(S1)0.1870.1951.040.201.070.1840.98（负偏析）08504743-3(S1)0.1880.2031.080.2141.140.1961.04碳存在明显的偏析现象，基本为正偏析；08504741-3、08504742-3、08504743-3三炉同一流（S1）都存在一样的偏析趋势（离铸坯表面1/2位置、1/4位置、3/4位置碳依次降低）；需要钻屑进行更多点的系统分析，判断正、负偏析出现位置。6.冶金过程增碳07208901-4炉呈现明显的增碳趋势，尤其是中包增碳圆钢试片普遍出现碳正偏析现象结合上述两个实验检测现象（需要进一步核实），都发现连铸坯增碳，当前中包渣为碳化稻壳，保温效果好，但是由于浇注时间长，不仅增碳，使同一炉钢水中碳含量不均匀，如果卷渣会导致局部严重增碳，碳化稻壳的高SiO2含量会使钢水质量受到污染，严格进行炼钢、连铸过程的碳控制是非常必要的。7.2、齿轮钢20CrMnTiH试样跟踪分析炉号CSiMnPSCuCrTiAl0.20.251.040.0140.0010.030.0410.20.251.060.0160.0010.031.190.0530.0270.20.231.080.0140.0010.030.0250.210.231.060.01400.030.0310.20.271.070.0200.040.0310.210.251.010.0180.0010.040.028炉号/位置TiBAlt10603561/铸坯0.0500.00040.021—化学成分样号1#（柱状晶区）2#（等轴晶区）3#（柱状晶区）O181417N4144398.10603561炉铸坯—低倍9.10603561炉

φ130圆钢φ85圆钢10.——铸坯碳偏析

11.—圆钢碳偏析12.取样分析小结20CrMnTiH矩形坯低倍正常，圆钢低倍φ85、φ130都有程度不等的方框偏析，大规格方框现象更加明显，方框边沿甚至外延呈现碳正偏析，方框内呈现碳负偏析。钻屑化学分析表明连铸坯上碳偏析相对比圆钢碳偏析轻些，炉连铸坯与圆钢都显示碳中心正偏析（碳偏析规律呈现较好一致性），大规格圆钢偏析相对较重。同一圈上碳成分偏差0.02%，φ130碳极差达到0.04%，φ85同一试样碳极差0.03%。从该次试样看，圆钢横断面1/4R~1/2R之间存在碳正偏析，偏析指数较高，在该区域大规格碳含量最高达到0.24%，此处基本处在淬透性取样位置，对性能影响很大，并且大规格比小规格严重。结合生产成分与分析结果，成品Al含量波动稍大，总体偏高；Ti含量稍低，争取稳定在0.06~0.08之间；氧含量偏高，在同一个断面存在一定差异，争取控制小于15ppm。13.1、考核指标考核钢种、规格：20CrMnTiH1~4、42CrMo/42CrMo1/42CrMo2，直径φ≥130mm圆钢。同一试片圆周C成分偏差绝对值：20CrMnTiH1~4≤0.015%，42CrMo1≤0.025%；取样与分析方法：圆钢3/4R、1/2R圆周上φ5mm钻屑取样化学分析，平均分布取8点，最高值减最低值。同一圆周布氏硬度偏差绝对值HB：20CrMnTiH1~4≤8.0、42CrMo≤10.0；取样与分析方法：退火状态下圆钢3/4R、1/2R圆周上平均分布打8点硬度值。两类钢中各取其中产量大的一个钢号，连续生产冶炼1个浇次（1000吨左右），轧成成品检验合格，用户无质量异议或者投诉。三、课题考核指标与研究内容14.(1)现场调研：对现场从炼钢、连铸、轧钢进行全线工艺调研；通过酸浸实验、化学分析等手段，分析矩形坯及圆棒的低倍组织及成分偏析情况，明确铸坯的成分偏析与凝固组织的对应关系，分析“圆钢应用性能—圆钢组织与成分—铸坯组织与成分”之间的对应关系；对国内齿轮钢品质优良的用户，湘钢负责取样然后进行相关品质分析，提供分析结果（同一圆周碳偏差绝对值、硬度值、金相组织等）。(2)齿轮钢成分高精确度与高纯净度的精炼工艺：跟踪齿轮钢精炼工艺，分析现场生产成分与齿轮钢性能的对应关系；研究脱氧与吹氩制度，优化工艺，降低氧含量，提高钢水纯净度。(3)连铸坯低倍宏观偏析的控制：基于对铸坯凝固过程的数学模拟研究，制定合理的浇注温度、二冷制度，以改善连铸坯凝固组织；利用特斯拉计对结晶器电磁搅拌器磁场进行测量，分析磁场强度的分布规律；通过工业试验分析电磁搅拌参数对铸坯凝固组织的影响，提出电磁搅拌优化方案。（该内容若涉及装备时另行商榷）2、研究内容15.(4)圆钢轧制时组织与成分偏析的过程变化与控制：采用数值模拟方法模拟铸坯轧制过程，考察铸坯上的偏析带在轧制过程的流变规律；在轧制前通过射钉实验向铸坯射入示踪钉，分析轧制中间坯中示踪钉的变形情况，并分析轧制中间坯的低倍组织及成分偏析特征，明确轧制过程金属流变规律，明确轧制过程成分偏析的继承及演变规律；优化加热温度制度，加强溶质元素的热扩散；优化轧制及冷却工艺制度，尽可能消除圆钢的宏观偏析。(5)湘钢转炉流程生产特钢的工业试验：根据前面研究结果，设计成分范围，制定出能减轻宏观偏析的连铸及轧制工艺制度，形成适合于本流程的特钢生产操作规程，进行工业试验与完善。16.四、实施方案调研：了解设备与工艺流程，掌握全程工艺参数，跟踪并对两个钢种进行一轮取样，跟踪分析连铸坯、圆钢的低倍、碳偏析、硬度对应关系，以及圆钢淬透性带宽指标与齿轮热处理后合格率。由湘钢市场部从市场取回国内同行产品试样，进行相关指标检测与调研。17.现场检测与试验：采用特斯拉计对结晶器电磁搅拌进行磁场分布检测；根据不同搅拌强度下结晶器内的磁场分布，结合搅拌效果，确定最佳搅拌参数。对冷态铸坯射钉并进行轧制跟踪试验。在轧制过程中跟踪取中间坯样，观测射钉及周围组织的变化，进而分析轧制过程物质流变规律和溶质（尤其是碳）的扩散行为。18.数值模拟：连铸凝固过程模拟，分析连铸工艺（过热度、拉速、二冷制度、搅拌强度）对凝固组织与连铸坯碳偏析的影响；轧制过程模拟，分析轧制过程物质流变规律，尤其分析轧制过程溶质元素热扩散行为，明确轧制过程金属流变及偏析的继承演变规律，进而分析圆钢宏观偏析的成因及其与连铸坯组织及宏观偏析的对应关系，明确问题的解决方向。19.综合试验：强调精炼成分的准确控制、连铸坯低的中间碳偏析、圆钢溶质元素良好热扩散与成分均匀性，优化精炼、连铸、轧制工艺。精炼：适宜成分设计、窄成分控制、高纯净度、连铸：过热度、拉速、二冷制度、搅拌制度、恒温浇注、过程碳控制轧制：加热制度、轧制温度制度、压下分配制度、轧后热制度20.五、预期进展本课题起止时间：2010年8月～2011年6月。（1）2010年8月～2010年9月：进行精炼、连铸、轧钢设备及工艺等全线现场调研；现场取样，结合酸浸实验、化学分析、金相等手段，分析矩形坯及圆棒的低倍组织及成分偏析情况，明确铸坯的成分偏析与凝固组织的对应关系。（2）2010年10月～2011年1月：跟踪现场端淬结果，抽检部分试样，分析成分对淬透性的影响规律；完成现场调研报告，提出钢水成分高纯净度、高精确度控制方案；进行凝固过程模拟计算，分