一种高均质高碳铬轴承钢矩形大方坯的连铸工艺的制作方法

1.本发明属于轴承钢连铸坯制备技术领域，尤其涉及一种高均质高碳铬轴承钢矩形大方坯的连铸工艺。


背景技术：

2.连铸是衔接炼钢和轧制的关键工序，连铸坯质量的优劣直接影响轧制工序和成品质量。连铸坯在凝固过程中因选分结晶造成的成分偏析是无法避免的，这些偏析若没能控制在合理范围内，将会遗传到后续的轧制和热处理等工序中，使材料表面存在不同程度的低倍偏析缺陷，即化学成分的不均匀分布。这种缺陷会对材料的机械加工、热处理、尺寸稳定性造成影响，进而影响成品的性能和寿命，甚至造成产品报废。
3.高碳铬轴承钢是特殊钢生产领域的主要产品之一，在轴承钢系列产品中约占80％的产量。高碳铬轴承钢属于过共析钢，连铸过程因选分结晶带来的铸坯偏析最终使产品产生大量碳化物是必然的。碳偏析在不同尺寸和形态的铸坯中存在形式也会有所差别，对于大方坯，除了中心偏析，还可能伴随着中间偏析或白亮带。由于成分上偏析使轴承钢的疲劳寿命急剧下降，材料的抗磨损能力也显著下降。要改善轴承钢的耐磨性、提高疲劳寿命，首先要提高铸坯组织均匀性，降低铸坯的偏析程度。
4.现有连铸工艺公开了轻压下技术，即在连铸钢坯拉矫采用液芯矫直时，为了获得无缺陷铸坯，在铸坯快要完全凝固时，对带液芯的铸坯施加轻微地压下，减轻中心偏析。但在高碳铬轴承钢铸坯连铸工艺轻压下实际操作过程中，浇注温度与拉坯速度控制不匹配、冷却速度不合理、连铸生产过程不稳定等因素常常相互影响，导致轻压下无法发挥作用。尤其是高碳铬轴承钢矩形大方坯连铸过程各工艺参数始终无法配合轻压下使铸坯质量达到预期的效果。


技术实现要素：

5.为解决现有高碳铬轴承钢矩形大方坯连铸工艺中各工艺参数无法配合轻压下共同降低铸坯偏析程度的问题，本发明提供了一种高均质高碳铬轴承钢矩形大方坯的连铸工艺。
6.本发明的技术方案：
7.一种高均质高碳铬轴承钢矩形大方坯的连铸工艺，包括对中间包温度、浇注温度与拉坯速度、结晶器水量、二冷比水量及分配比、结晶器电磁搅拌和轻压下参数的综合控制，所述浇注温度与拉坯速度的控制为：过热度为25～40℃，拉坯速度为0.65m/min；结晶器水量为147m3/min；二冷比水量0.20l/kg、分配比38/38/24％；结晶器电磁搅拌首搅参数为300a/2hz，振动参数c1:5.2、c2:0、c3:60、c4：124、p：0正弦振动；末搅为交替搅拌，间隔时间为25s，参数为400a/8hz，轻压下参数为3/5/5/2静态轻压下，总压下量为15mm。
8.进一步的，所述大方坯为250mm
×
280mm方坯，所述高碳铬轴承钢的化学成分按重量百分含量包括：c:0.95～1.05％、si:0.15～0.35％、mn:0.25～0.45％、cr:1.40～
1.65％，其余为fe及不可避免杂质。
9.进一步的，所述中间包温度控制的具体温度要求为：冲击区中间包烘烤温度不低于1200℃、浇注区域烘烤温度不低于1050℃、中包水口烘烤温度不低于950℃。
10.进一步的，所述中间包温度控制的具体方法为：小火阶段烘烤
→
中火阶段烘烤
→
大火阶段烘烤；小火阶段烘烤为：不给风条件下中间包采用长度300mm火焰烘烤0.5h，将火焰加长至500mm烘烤1h，再将火焰加长至700mm烘烤不少于1h；中火阶段烘烤为：不给风条件下火焰长度直接打到包底烘烤0.5h，之后火焰长度从包底返到包盖烘烤不少于0.5h；大火阶段烘烤为：给风条件下风量调至40m3/h，火焰长度从包底返到包盖上方100mm为准，烘烤到暗红时风量调至100m3/h，烘烤不少于2h。
11.进一步的，所述连铸工艺采用五机五流250*280连铸机，弧形半径为10m。
12.进一步的，所述浇注温度与拉坯速度控制为：中间包液位达到350mm时开浇，全浇次保持恒温恒速，浇注温差控制在≤5℃，液位波动控制在
±
3mm以内。
13.进一步的，所述结晶器电磁搅拌的首搅搅拌强度为460gs，末搅搅拌强度为700gs。
14.进一步的，所述轻压下区间的末端凝固系数为0.3～0.9。
15.本发明的有益效果：
16.本发明提供了一种高均质高碳铬轴承钢矩形大方坯的连铸工艺，通过综合控制浇注过热度、拉坯速度、冷却速度、电磁搅拌与轻压下等连铸工艺参数，使轻压下与铸坯的凝固收缩精确匹配，保证铸坯在轻压下过程中产生足够的收缩量，促进液芯中心位置富集有杂质元素的钢液沿拉坯方向反方向流动，使杂质元素在钢液中重新分配，控制和减少中心偏析的发生，改善铸坯的中心疏松、缩孔和偏析等缺陷，同时也减少了大方坯的中心偏析或白亮带，提高了铸坯的成分均匀性和中心致密性，有效提高了高碳铬轴承钢矩形大方坯的内部质量。与此同时，本发明通过连铸工艺中各参数的匹配使连铸过程更稳定，使得各批次生产能够得到相同质量的铸坯。
17.本发明提供的连铸工艺操作简便，不需要增加成本及工序，极大提高了现有轻压下技术的压下效率，将压下效率提高了40％以上，较大的浇注温度区间方便现场实际操作，工艺符合度100％。中心疏松评级1级以下比例和缩孔评级0.5级以下的比例均提高到100％，铸坯偏析指数控制在0.950～1.050。
附图说明
18.图1为实施例2所得高碳铬轴承钢矩形大方坯低倍质量检验中铸坯横向低倍试样照片；
19.图2为实施例2所得高碳铬轴承钢矩形大方坯低倍质量检验中铸坯纵向低倍试样照片；
20.图3为高碳铬轴承钢矩形大方坯低倍质量检验中低倍试样切割示意图；
21.图4为高碳铬轴承钢矩形大方坯低倍试样“米”字法双面全点偏析验证方法示意图；
22.图5为实施例2所得高碳铬轴承钢矩形大方坯铸坯整体偏析检验结果图；
23.图6为对比例1所得高碳铬轴承钢矩形大方坯低倍质量检验中铸坯横向低倍试样照片；
24.图7为对比例1所得高碳铬轴承钢矩形大方坯低倍质量检验中铸坯纵向低倍试样照片。
具体实施方式
25.下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置，若未特别指明，本发明实施例中所用的原料等均可市售获得；若未具体指明，本发明实施例中所用的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。
26.实施例1
27.本实施例提供了一种高均质高碳铬轴承钢矩形大方坯的连铸工艺，包括对中间包温度、浇注温度与拉坯速度、结晶器水量、二冷比水量及分配比、结晶器电磁搅拌和轻压下参数的综合控制。
28.本实施例中高碳铬轴承钢的主要化学成分按重量百分含量包括：c:0.95～1.05％、si:0.15～0.35％、mn:0.25～0.45％、cr:1.40～1.65％，其余为fe及不可避免杂质。轴承钢矩形大方坯为250mm
×
280mm方坯。
29.本实施例中浇注温度与拉坯速度的控制为：过热度为25～40℃，拉坯速度为0.65m/min；结晶器水量为147m3/min；二冷比水量0.20l/kg、分配比38/38/24％；结晶器电磁搅拌首搅参数为300a/2hz，振动参数c1:5.2、c2:0、c3:60、c4：124、p：0正弦振动；末搅为交替搅拌，间隔时间为25s，参数为400a/8hz，轻压下参数为3/5/5/2静态轻压下，总压下量为15mm。
30.实施例2
31.本实施例为了进一步提高连铸坯的质量，对中间包的温度进行了精确控制，具体连铸工艺参数控制如下：
32.中间包温度控制的具体温度要求为：冲击区中间包烘烤温度不低于1200℃、浇注区域烘烤温度不低于1050℃、中包水口烘烤温度不低于950℃。精确控制中间包温度能够有效降低浇注时钢水与中间包接触所产生的温度损失，防止因浇注钢水急冷急热导致开浇失败，同时也能够避免钢水温度不均造成的浇注不稳定。
33.中间包温度控制的具体方法为：小火阶段烘烤
→
中火阶段烘烤
→
大火阶段烘烤；
34.小火阶段烘烤为：不给风条件下中间包采用长度300mm火焰烘烤0.5h，将火焰加长至500mm烘烤1h，再将火焰加长至700mm烘烤不少于1h；
35.中火阶段烘烤为：不给风条件下火焰长度直接打到包底烘烤0.5h，之后火焰长度从包底返到包盖烘烤不少于0.5h；
36.大火阶段烘烤为：给风条件下，将风量控制阀调节到1/4位置，使风量达到40m3/h，火焰长度从包底返到包盖上方100mm为准，烘烤到暗红时将风量调节阀调节到3/4位置，使风量达到100m3/h，同时相应的配比煤气量，烘烤不少于2h直到烘烤结束。
37.本实施例中高碳铬轴承钢的主要化学成分按重量百分含量包括：c:0.95～1.05％、si:0.15～0.35％、mn:0.25～0.45％、cr:1.40～1.65％，其余为fe及不可避免杂质。轴承钢矩形大方坯为250mm
×
280mm方坯。
38.本实施例使用五机五流250*280连铸机，弧形半径为10m，浇注时使用双氩封保护防止钢水与空气接触造成二次氧化形成氧化类的夹杂物。
39.中间包液位达到350mm位置时开浇，保护开浇的浇注液面，防止铸坯卷渣。浇头次炉过热度控制在35～40℃，浇注过程中的过热度控制在25～40℃，全浇次保持恒温恒速，浇注温差控制在≤5℃，液位波动控制在
±
3mm以内。
40.过热度过低容易影响末端凝固位置，造成轻压下与末端电磁搅拌无法发挥预期效果，本实施例根据连铸机的弧形半径和进矫直温度，为保证轻压下区间的末端凝固系数为0.3～0.9，将拉坯速度控制为0.65m/min。
41.拉坯速度和温度是控制铸坯质量的重要因素，本实施例通过过热度和拉坯速度的控制降低铸坯成分偏析，同时稳定末端凝固位置，配合轻压下使铸坯质量达到预期的效果。
42.合理控制冷却是解决铸坯偏析的重要手段。根据结晶器工装水缝的大小对结晶器水量进行控制，为保证结晶器水流速控制在10m/s，铸坯的每个断面供水量达到2～4l/min，所以将250*280结晶器水量设置为147m3/h。
43.在控制冷却过程中，若二冷强度不够，铸坯回温大，柱状晶在生长过程中体积膨胀不断扩张，以造成铸坯鼓肚及凹陷，产生角裂缺陷。若二冷强度太大，铸坯在凝固过程中柱状晶发达，影响铸坯内部组织及成分的均匀性，甚至穿晶。为保证冷却强度足够，本实施例二冷比水量0.20l/kg、分配比38/38/24％。
44.电磁搅拌作为改善铸坯偏析指数的重要技术，一方面抑制柱状晶发展、促进成分均匀与夹杂物上浮细化的热力学和动力学条件，进而控制铸坯凝固组织改善铸坯质量；另一方面增加钢液流动，提高了凝固相间的热传递，有利于降低过热度，减小凝固前沿的温度梯度，抑制了柱状晶的定向增大。
45.本实施例电磁搅拌控制参数具体为：首搅参数为300a/2hz，首搅搅拌强度为460gs，搅拌强度控制在460gs有效的增加钢水温度的均匀性；振动参数为c1:5.2、c2:0、c3:60、c4：124、p：0正弦振动；末搅为交替搅拌，间隔时间为25s，参数为400a/8hz，末搅搅拌强度为700gs。末搅采用交替搅拌能够在末搅的机械力作用下，折断再长大的树枝晶，增加等轴晶，晶核通过搅拌促进钢液对流，消除晶间的搭桥，消除因选分结晶造成的钢液各成分浓度不均匀现象，从而减轻铸坯中心偏析和中心疏松，扩大等轴晶区域，消除铸坯的v型偏析，提高铸坯的内部质量。
46.考虑到连铸生产过程中的稳定性和有效发挥轻压下的作用，本实施例在拉坯速度0.65m/min的基础上进入拉矫机的压下区间，保证凝固末端凝固系数在0.3～0.9，将轻压下参数控制为3/5/5/2静态轻压下，总压下量为15mm。在合理的压下区间范围内适当的增加压下量能够明显改善铸坯内部组织。本实施例适当增加总压下量将缩孔压实，使铸坯质量更加稳定。
47.对本实施例生产的高碳铬轴承高大方坯进行质量检验，具体检验方法如下：
48.(一)低倍质量检验：将铸坯按照图3所示切割示意图连续切割5～10块低倍试样，表面经加工后，进行热酸洗后进行评级。同时加取纵向试样。
49.低倍质量检验结果：如图1所示铸坯横向低倍试样照片和图2为所示铸坯纵向低倍试样照片。如图所示低倍评级为中心疏松1级、缩孔＜0.5级、其余缺陷为0。实施例7所得连铸铸坯纵向低倍试样无明显的v型偏析。
50.(二)偏析检验：如图4所示，分别对垂直面、横截面、对角线过中心分别间隔20mm/点，采用“米”字钻点方法间隔2cm/点。使用钻头进行钻点取沫，使用红外碳硫分析仪进行检验实际碳含量。计算公式：偏析指数＝各点c含量/中间包熔炼c含量。
51.偏析检验结果：
52.如图5高碳铬轴承钢矩形大方坯铸坯整体偏析检验结果图所示，高碳铬轴承钢大方坯的偏析指数控制在0.950～1.050。
53.对比例1
54.本对比例提供的高碳铬轴承钢大方坯连铸工艺的具体参数如下：
55.本对比例中高碳铬轴承钢的主要化学成分按重量百分含量包括：c:0.95～1.05％、si:0.15～0.35％、mn:0.25～045％、cr:1.40～1.65％，其余为fe及不可避免杂质。轴承钢矩形大方坯为250mm
×
280mm方坯。
56.本实施例中浇注温度与拉坯速度的控制为：过热度为30℃，拉坯速度为0.57m/min；结晶器水量为2450l/min；首搅参数为150a/2hz，振动参数c1:5.2、c2:0、c3:60、c4：124、p：0正弦振动；二冷比水量0.18l/kg、分配比38/38/24；末搅为连续搅拌，具体参数为400a/8hz；轻压下参数为4/5/4/0，总压下量为13mm。
57.由图6、图7所示对比例1所得高碳铬轴承钢矩形大方坯低倍质量检验中铸坯横向低倍试样照片和纵向低倍试样照片可知，铸坯的低倍评级为中心疏松1.5级、缩孔1级、其余缺陷为0。对比例1所得连铸铸坯纵向低倍试样可见明显的v型偏析。对对比例1制备的高碳铬轴承钢矩形大方坯铸坯进行整体偏析检验，对比例1大方坯的偏析指数为0.98～1.210。
58.通过实施例2与对比例1制备的大方坯的内部质量对比可见，本发明提供的高碳铬轴承钢大方坯的连铸工艺通过综合控制浇注温度、拉坯速度、冷却速度、电磁搅拌与轻压下等连铸工艺参数，使轻压下与铸坯的凝固收缩精确匹配，保证铸坯在轻压下过程中产生足够的收缩量，促进液芯中心位置富集有杂质元素的钢液沿拉坯方向反方向流动，使杂质元素在钢液中重新分配，控制和减少中心偏析的发生，改善铸坯的中心疏松、缩孔和偏析等缺陷，同时也减少了大方坯的中心偏析或白亮带，提高了铸坯的成分均匀性和中心致密性，有效提高了高碳铬轴承钢矩形大方坯的内部质量。