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CN113084110B - 一种降低合金钢碳偏析的方法 - Google Patents

一种降低合金钢碳偏析的方法 Download PDF

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CN113084110B CN202110240112.4A CN202110240112A CN113084110B CN 113084110 B CN113084110 B CN 113084110B CN 202110240112 A CN202110240112 A CN 202110240112A CN 113084110 B CN113084110 B CN 113084110B
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Abstract

本申请涉及一种降低合金钢碳偏析的方法，属于冶金技术领域，其包括连铸工序、加热炉加热和连轧工序，连铸工序包括：（1）连铸坯端面尺寸为350×400mm；（2）控制连铸中包温度控制在1461‑1476℃；过热度为10‑25℃；拉速为0.42‑0.44m/min；（3）控制结晶器水总量为190‑195m3/h，二冷水比水量为0.17‑0.19L/kg；（4）控制结晶器电磁搅拌电流为275‑285A，频率为2.4‑2.6Hz；（5）控制凝固末端电磁搅拌电流为415‑425A，频率为5.5‑6.5Hz。本申请具有降低合金钢中的碳偏析的效果。

Description

一种降低合金钢碳偏析的方法
技术领域
本申请涉及冶金的领域，尤其是涉及一种降低合金钢碳偏析的方法。
背景技术
关键基础件是各类装备的核心组成部分，直接决定着装备的性能、水平、质量和可靠性，是现代工业赖以生存和发展的基础。轴承是最重要的关键基础件之一，被称为“高端装备的关节”，广泛应用在矿山机械、精密机床、冶金设备、重型装备与高档轿车等重大装备领域和风力发电、高铁动车及航空航天等新兴产业领域。
轴承在工作时承受着极大的压力和摩擦力，所以要求制备轴承的轴承钢有高而均匀的硬度和耐磨性，以及高的弹性极限。对轴承钢的化学成分的均匀性、非金属夹杂物的含量和分布、碳化物的分布等要求都十分严格。而轴承钢属于高碳钢，在连铸生产过程中容易出现碳化物分布不均匀，造成中心偏析较高，从而影响后期轴承的使用性能和使用寿命。
因此，目前需要研究一种降低合金钢中心偏析的方法。
发明内容
为了降低合金钢中的碳偏析，本申请提供一种降低合金钢碳偏析的方法。
本申请提供的一种降低合金钢碳偏析的方法采用如下的技术方案：
一种降低合金钢碳偏析的方法，包括连铸工序、加热炉加热和连轧工序，连铸工序包括：
（1）连铸坯端面尺寸为350×400mm；
（2）控制连铸中包温度控制在1461-1476℃；过热度为10-25℃；拉速为0.42-0.44m/min；
（3）控制结晶器水总量为190-195m3/h，二冷水比水量为0.17-0.19L/kg；
（4）控制结晶器电磁搅拌电流为275-285A，频率为2.4-2.6Hz；
（5）控制凝固末端电磁搅拌电流为415-425A，频率为5.5-6.5Hz。
通过采用上述技术方案，本申请的通过对过热度、搅拌强度和频率以及二冷水比水量、拉速的综合调节，保证连铸坯均匀冷却，提高连铸坯组织的均匀性，有效降低合金钢的偏析级别，进而降低连铸坯中的疏松、裂纹等质量缺陷，提高连铸坯的内部质量。
连铸坯的拉速较慢，延长了连铸坯的凝固时间，同时，由于本申请的过热度较低，在连铸坯长时间凝固传热过程中，连铸坯液芯凝固前可降低内外温度梯度，有利于扩大中心等轴晶区域，降低碳偏析。
此外过热度较低，使得进入结晶器的钢液的温度较低，钢液结壳后，连铸坯中心未凝钢水接近固相线温度，能提供大量的等轴晶核，生成等轴晶网络，组织柱状晶的形成，可扩大中心的等轴晶区域，从而降低连铸坯碳偏析。
通过电磁搅拌来搅动钢液，并控制电磁搅拌的电流和频率，一方面促进钢液凝固前的夹杂物和气泡向上运动，降低连铸坯内部的杂质；另一方面，能够有效打断钢液凝固前沿的柱状晶，使至重新与钢液混合在一起，可作为等轴晶的核心；同时也增加了钢液流动性，提高凝固相间的热传递，较少了凝固前沿的温度梯度，抑制了柱状晶的定向增大，促进等轴晶的生成，减少枝晶偏析，提高连铸坯的质量。
优选的，所述连铸工序包括：
（1）连铸坯端面尺寸为350×400mm；
（2）控制连铸中包温度控制在1468℃；过热度为18℃；拉速为0.43m/min；
（3）控制结晶器水总量为192m3/h，二冷水比水量为0.18L/kg；
（4）控制结晶器电磁搅拌电流为280A，频率为2.5Hz；
（5）控制凝固末端电磁搅拌电流为420A，频率为6.0Hz。
通过采用上述技术方案，经试验发现，连铸工序中的各参数调整为以上参数时，有助于提高钢液中的等轴晶率，降低碳偏析。
1.优选的，所述步骤（3）中二冷水各区域的分配比例为28:24:22:14:12。
通过采用上述技术方案，合理优化二冷水各区域的分配比例，减少强冷对连铸坯造成的表面和角部裂纹，同时，配合电磁搅拌和液面自控系统，能够大大降低连铸坯的中心碳偏析。
优选的，所述步骤（3）中的二冷段采用气雾弱冷方式。
通过采用上述技术方案，采用气雾弱冷的方式，使得二冷段的冷却强度较小，使得连铸坯断面上温度梯度较小，抑制柱状晶的生长，提高等轴晶的比例，从而降低连铸坯碳偏析。
优选的，所述步骤（4）中的电磁搅拌采用单向搅拌。
优选的，所述步骤（5）中的电磁搅拌采用双向搅拌，即逆时针搅拌20s后转为顺时针搅拌20s，每隔20s搅拌方向转换一次。
优选的，所述加热炉加热时，预热段温度为800-850℃，一加热段温度为940-1020℃，二加热段温度为1060-1140℃，三加热段温度为1180-1260℃，均热段温度为1200-1240℃，加热炉内的总加热时间为6-8h。
通过采用上述技术方案，本申请通过调整加热炉的加热温度、加热时间和均热时间，使得连铸坯的奥氏体化更充分，钢中的碳扩散的更充分，分布得也更均匀，因而减少了合金钢中碳偏析。
另外，本申请降低了预热段温度，使得连铸坯在两相区时缓慢加热，降低了连铸坯产生热裂纹的风险。
优选的，所述连铸坯进炉温度为590-610℃。
通过采用上述技术方案，提高了连铸坯的进炉温度，减轻了加热时产生的热应力。
优选的，所述合金钢为高碳铬轴承钢。
优选的，所述高碳铬轴承钢为GCr15。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.本申请的通过对过热度、搅拌强度和频率以及二冷水比水量、拉速的综合调节，保证连铸坯均匀冷却，提高连铸坯组织的均匀性，制得的连铸坯宏观中心碳偏析在0.97-1.05；
2.通过调整加热炉的加热温度、加热时间和均热时间，使得连铸坯的奥氏体化更充分，钢中的碳扩散的更充分，分布得也更均匀，因而降低了连铸坯的中碳偏析指数。
具体实施方式
以下结合实施例和对比例对本申请作进一步详细说明。
实施例
实施例1
一种降低合金钢碳偏析的方法，包括以下步骤：
（一）连铸工序：
（1）初步凝固结晶：本申请连铸坯原料钢种为GCr15的高碳铬轴承钢，先将GCr15钢通过转炉、精炼后，钢液运送至回转台的中包内后注入结晶器中，控制中包温度为1461℃，过热度为10℃，结晶器的总水量为190m3/h；
（2）二次冷却：钢液经过结晶器初步凝固结晶后，进入二冷区进行冷却后经过连铸机拉坯；二次冷却采用气雾弱冷方式，二冷水比水量为0.17L/kg，二冷水包括五个冷却区，且各区冷却水的分配比例为28:24:22:14:12；连铸坯的拉坯速度为0.42m/min，出结晶器的连铸坯端面尺寸为350×400mm；结晶器采用单向搅拌方式，控制电磁搅拌电流为275A，频率为2.4Hz；凝固末端采用双向搅拌方式，即逆时针搅拌20s后转为顺时针搅拌20s，每隔20s搅拌方向转换一次，且控制凝固末端电磁搅拌电流为415A，频率为5.5Hz。
（二）加热炉加热：
连铸坯经二次冷却后进入加热炉，连铸坯进炉温度为590℃，预热段温度为800℃，一加热段温度为940℃，二加热段温度为1060℃，三加热段温度为1180℃，均热段温度为1200℃，加热炉内的总加热时间为8h。
（三）连轧工序：
连铸坯出加热炉后，连铸坯开轧温度为1080℃，轧制道次为11道次，终轧温度为920℃。
实施例2
一种降低合金钢碳偏析的方法，包括以下步骤：
（一）连铸工序：
（1）初步凝固结晶：本申请连铸坯原料钢种为GCr15的高碳铬轴承钢，先将GCr15钢通过转炉、精炼后，钢液运送至回转台的中包内后注入结晶器中，控制中包温度为1468℃，过热度为18℃，结晶器的总水量为195m3/h；
（2）二次冷却：钢液经过结晶器初步凝固结晶后，进入二冷区进行冷却后经过连铸机拉坯；二次冷却采用气雾弱冷方式，二冷水比水量为0.18L/kg，二冷水包括五个冷却区，且各区冷却水的分配比例为28:24:22:14:12；连铸坯的拉坯速度为0.43m/min，出结晶器的连铸坯端面尺寸为350×400mm；结晶器采用单向搅拌方式，控制电磁搅拌电流为280A，频率为2.5Hz；凝固末端采用双向搅拌方式，即逆时针搅拌20s后转为顺时针搅拌20s，每隔20s搅拌方向转换一次，且控制凝固末端电磁搅拌电流为420A，频率为6.0Hz。
（二）加热炉加热：
连铸坯经二次冷却后进入加热炉，连铸坯进炉温度为600℃，预热段温度为830℃，一加热段温度为980℃，二加热段温度为1100℃，三加热段温度为1220℃，均热段温度为1220℃，加热炉内的总加热时间为7h。
（三）连轧工序：
连铸坯出加热炉后，连铸坯开轧温度为1080℃，轧制道次为11道次，终轧温度为920℃。
实施例3
一种降低合金钢碳偏析的方法，包括以下步骤：
（一）连铸工序：
（1）初步凝固结晶：本申请连铸坯原料钢种为GCr15的高碳铬轴承钢，先将GCr15钢通过转炉、精炼后，钢液运送至回转台的中包内后注入结晶器中，控制中包温度为1476℃，过热度为25℃，结晶器的总水量为192m3/h；
（2）二次冷却：钢液经过结晶器初步凝固结晶后，进入二冷区进行冷却后经过连铸机拉坯；二次冷却采用气雾弱冷方式，二冷水比水量为0.19L/kg，二冷水包括五个冷却区，且各区冷却水的分配比例为28:24:22:14:12；连铸坯的拉坯速度为0.44m/min，出结晶器的连铸坯端面尺寸为350×400mm；结晶器采用单向搅拌方式，控制电磁搅拌电流为285A，频率为2.6Hz；凝固末端采用双向搅拌方式，即逆时针搅拌20s后转为顺时针搅拌20s，每隔20s搅拌方向转换一次，且控制凝固末端电磁搅拌电流为425A，频率为6.5Hz。
（二）加热炉加热：
连铸坯经二次冷却后进入加热炉，连铸坯进炉温度为610℃，预热段温度为850℃，一加热段温度为1020℃，二加热段温度为1140℃，三加热段温度为1260℃，均热段温度为1240℃，加热炉内的总加热时间为6h。
（三）连轧工序：
连铸坯出加热炉后，连铸坯开轧温度为1080℃，轧制道次为11道次，终轧温度为920℃。
对比例1
一种降低合金钢碳偏析的方法，包括以下步骤：
（一）连铸工序：
（1）初步凝固结晶：本申请连铸坯原料钢种为GCr15的高碳铬轴承钢，先将GCr15钢通过转炉、精炼后，钢液运送至回转台的中包内后注入结晶器中，控制中包温度为1468℃，过热度为18℃，结晶器的总水量为195m3/h；
（2）二次冷却：钢液经过结晶器初步凝固结晶后，进入二冷区进行冷却后经过连铸机拉坯；二次冷却采用气雾弱冷方式，二冷水比水量为0.18L/kg，二冷水包括五个冷却区，且各区冷却水的分配比例为28:24:22:14:12；连铸坯的拉坯速度为0.43m/min，出结晶器的连铸坯端面尺寸为350×400mm；结晶器采用单向搅拌方式，控制电磁搅拌电流为260A，频率为2.0Hz；凝固末端采用双向搅拌方式，即逆时针搅拌20s后转为顺时针搅拌20s，每隔20s搅拌方向转换一次，且控制凝固末端电磁搅拌电流为400A，频率为8.0Hz。
（二）加热炉加热：
连铸坯经二次冷却后进入加热炉，连铸坯进炉温度为600℃，预热段温度为830℃，一加热段温度为980℃，二加热段温度为1100℃，三加热段温度为1220℃，均热段温度为1220℃，加热炉内的总加热时间为7h。
（三）连轧工序：
连铸坯出加热炉后，连铸坯开轧温度为1080℃，轧制道次为11道次，终轧温度为920℃。
对比例2
一种降低合金钢碳偏析的方法，包括以下步骤：
（一）连铸工序：
（1）初步凝固结晶：本申请连铸坯原料钢种为GCr15的高碳铬轴承钢，先将GCr15钢通过转炉、精炼后，钢液运送至回转台的中包内后注入结晶器中，控制中包温度为1468℃，过热度为30℃，结晶器的总水量为195m3/h；
（2）二次冷却：钢液经过结晶器初步凝固结晶后，进入二冷区进行冷却后经过连铸机拉坯；二次冷却采用气雾弱冷方式，二冷水比水量为0.18L/kg，二冷水包括五个冷却区，且各区冷却水的分配比例为28:24:22:14:12；连铸坯的拉坯速度为0.43m/min，出结晶器的连铸坯端面尺寸为350×400mm；结晶器采用单向搅拌方式，控制电磁搅拌电流为260A，频率为2.0Hz；凝固末端采用双向搅拌方式，即逆时针搅拌20s后转为顺时针搅拌20s，每隔20s搅拌方向转换一次，且控制凝固末端电磁搅拌电流为400A，频率为8.0Hz。
（二）加热炉加热：
连铸坯经二次冷却后进入加热炉，连铸坯进炉温度为600℃，预热段温度为830℃，一加热段温度为980℃，二加热段温度为1100℃，三加热段温度为1220℃，均热段温度为1220℃，加热炉内的总加热时间为7h。
（三）连轧工序：
连铸坯出加热炉后，连铸坯开轧温度为1080℃，轧制道次为11道次，终轧温度为920℃。
对比例3
一种降低合金钢碳偏析的方法，包括以下步骤：
（一）连铸工序：
（1）初步凝固结晶：本申请连铸坯原料钢种为GCr15的高碳铬轴承钢，先将GCr15钢通过转炉、精炼后，钢液运送至回转台的中包内后注入结晶器中，控制中包温度为1468℃，过热度为35℃，结晶器的总水量为195m3/h；
（2）二次冷却：钢液经过结晶器初步凝固结晶后，进入二冷区进行冷却后经过连铸机拉坯；二次冷却采用气雾弱冷方式，二冷水比水量为0.18L/kg，二冷水包括五个冷却区，且各区冷却水的分配比例为28:24:22:14:12；连铸坯的拉坯速度为0.43m/min，出结晶器的连铸坯端面尺寸为350×400mm；结晶器采用单向搅拌方式，控制电磁搅拌电流为260A，频率为2.0Hz；凝固末端采用双向搅拌方式，即逆时针搅拌20s后转为顺时针搅拌20s，每隔20s搅拌方向转换一次，且控制凝固末端电磁搅拌电流为400A，频率为8.0Hz。
（二）加热炉加热：
连铸坯经二次冷却后进入加热炉，连铸坯进炉温度为600℃，预热段温度为830℃，一加热段温度为980℃，二加热段温度为1100℃，三加热段温度为1220℃，均热段温度为1220℃，加热炉内的总加热时间为7h。
（三）连轧工序：
连铸坯出加热炉后，连铸坯开轧温度为1080℃，轧制道次为11道次，终轧温度为920℃。
对比例4
一种降低合金钢碳偏析的方法，包括以下步骤：
（一）连铸工序：
（1）初步凝固结晶：本申请连铸坯原料钢种为GCr15的高碳铬轴承钢，先将GCr15钢通过转炉、精炼后，钢液运送至回转台的中包内后注入结晶器中，控制中包温度为1468℃，过热度为18℃，结晶器的总水量为195m3/h；
（2）二次冷却：钢液经过结晶器初步凝固结晶后，进入二冷区进行冷却后经过连铸机拉坯；二次冷却采用气雾弱冷方式，二冷水比水量为0.18L/kg，二冷水包括五个冷却区，且各区冷却水的分配比例为28:24:22:14:12；连铸坯的拉坯速度为0.5m/min，出结晶器的连铸坯端面尺寸为350×400mm；结晶器采用单向搅拌方式，控制电磁搅拌电流为260A，频率为2.0Hz；凝固末端采用双向搅拌方式，即逆时针搅拌20s后转为顺时针搅拌20s，每隔20s搅拌方向转换一次，且控制凝固末端电磁搅拌电流为400A，频率为8.0Hz。
（二）加热炉加热：
连铸坯经二次冷却后进入加热炉，连铸坯进炉温度为600℃，预热段温度为830℃，一加热段温度为980℃，二加热段温度为1100℃，三加热段温度为1220℃，均热段温度为1220℃，加热炉内的总加热时间为7h。
（三）连轧工序：
连铸坯出加热炉后，连铸坯开轧温度为1080℃，轧制道次为11道次，终轧温度为920℃。
对比例5
一种降低合金钢碳偏析的方法，包括以下步骤：
（一）连铸工序：
（1）初步凝固结晶：本申请连铸坯原料钢种为GCr15的高碳铬轴承钢，先将GCr15钢通过转炉、精炼后，钢液运送至回转台的中包内后注入结晶器中，控制中包温度为1468℃，过热度为18℃，结晶器的总水量为195m3/h；
（2）二次冷却：钢液经过结晶器初步凝固结晶后，进入二冷区进行冷却后经过连铸机拉坯；二次冷却采用气雾弱冷方式，二冷水比水量为0.18L/kg，二冷水包括五个冷却区，且各区冷却水的分配比例为28:24:22:14:12；连铸坯的拉坯速度为0.5m/min，出结晶器的连铸坯端面尺寸为350×400mm；结晶器采用单向搅拌方式，控制电磁搅拌电流为260A，频率为2.0Hz；凝固末端采用双向搅拌方式，即逆时针搅拌20s后转为顺时针搅拌20s，每隔20s搅拌方向转换一次，且控制凝固末端电磁搅拌电流为400A，频率为8.0Hz。
（二）加热炉加热：
连铸坯经二次冷却后进入加热炉，连铸坯进炉温度为500℃，预热段温度为830℃，一加热段温度为980℃，二加热段温度为1100℃，三加热段温度为1220℃，均热段温度为1220℃，加热炉内的总加热时间为7h。
（三）连轧工序：
连铸坯出加热炉后，连铸坯开轧温度为1080℃，轧制道次为11道次，终轧温度为920℃。
性能测试
（1）采用C-S仪分析实施1-3和对比例1-5中的碳偏析情况，结果列于表1；
（2）对实施例1-3和对比例1-5中制得的连铸坯进行碳化物检测，测定方法为本领域常规方法，结果列于表1：
（3）根据《GB/T228-2002金属材料室温拉伸试验方法》测定实施例1-3和对比例1-5中的屈服强度，结果列于表1。
表1检测结果
项目 碳偏析指数 碳化物液析 屈服强度（MPa）
实施例1 0.97 1.0级 1198
实施例2 1.01 1.0级 1185
实施例3 1.05 1.0级 1195
对比例1 1.06 1.5级 1068
对比例2 1.09 1.5级 1071
对比例3 1.13 2.0级 1065
对比例4 1.10 1.5级 1080
对比例5 1.12 2.0级 1067
结合实施例1-3和对比例1-5，并结合表1可以看出，实施例1-3中的连铸坯的碳偏析指数在0.97-1.05范围，而对比例1-5的碳偏析指数在1.06-1.13范围，说明本申请的通过对过热度、搅拌强度和搅拌频率以及二冷水比水量、拉速的综合调节，有效降低了连铸坯的碳偏析指数。同时，实施例1-3的连铸坯的屈服强度大于对比例1-5的连铸坯的屈服强度，说明采用本申请的方法提高了连铸坯组织的均匀性，降低内部缺陷，从而提高了连铸坯的屈服强度。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种降低合金钢碳偏析的方法，其特征在于，包括连铸工序、加热炉加热和连轧工序，连铸工序包括：
（1）连铸坯端面尺寸为350×400mm；
（2）控制连铸中包温度控制在1461-1476℃；过热度为10-25℃；拉速为0.42-0.44m/min；
（3）控制结晶器水总量为190-195m3/h，二冷水比水量为0.17-0.19L/kg；
（4）控制结晶器电磁搅拌电流为275-285A，频率为2.4-2.6Hz；
（5）控制凝固末端电磁搅拌电流为415-425A，频率为5.5-6.5Hz；
所述步骤（3）中二冷水各区域的分配比例为28:24:22:14:12；
所述加热炉加热时，预热段温度为800-850℃，一加热段温度为940-1020℃，二加热段温度为1060-1140℃，三加热段温度为1180-1260℃，均热段温度为1200-1240℃，加热炉内的总加热时间为6-8h；
所述合金钢为高碳铬轴承钢。
2.根据权利要求1所述的一种降低合金钢碳偏析的方法，其特征在于，所述连铸工序包括：
（1）连铸坯端面尺寸为350×400mm；
（2）控制连铸中包温度控制在1468℃；过热度为18℃；拉速为0.43m/min；
（3）控制结晶器水总量为192m3/h，二冷水比水量为0.18L/kg；
（4）控制结晶器电磁搅拌电流为280A，频率为2.5Hz；
（5）控制凝固末端电磁搅拌电流为420A，频率为6.0Hz。
3.根据权利要求1所述的一种降低合金钢碳偏析的方法，其特征在于：所述步骤（3）中的二冷段采用气雾弱冷方式。
4.根据权利要求1所述的一种降低合金钢碳偏析的方法，其特征在于：所述步骤（4）中的电磁搅拌采用单向搅拌。
5.根据权利要求1所述的一种降低合金钢碳偏析的方法，其特征在于：所述步骤（5）中的电磁搅拌采用双向搅拌，即逆时针搅拌20s后转为顺时针搅拌20s，每隔20s搅拌方向转换一次。
6.根据权利要求1所述的一种降低合金钢碳偏析的方法，其特征在于：所述连铸坯进炉温度为590-610℃。
7.根据权利要求1所述的一种降低合金钢碳偏析的方法，其特征在于：所述高碳铬轴承钢为GCr15。
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