本发明涉及合金冶炼技术领域，具体涉及一种降低20crmntih齿轮钢中硼含量的方法。
背景技术
齿轮钢是汽车、铁路、船舶、工程机械中使用特殊合金钢中要求较高的关键材料之一，是保证安全的核心部件的制造材料。淬透性是齿轮钢的重要性能指标之一，它主要是保证不同大小齿轮的心部硬度，且有利于控制齿轮热处理变形。齿轮钢的淬透性和淬透性带宽的控制，主要取决于冶炼过程中各化学元素的搭配组合、成分的窄范围控制以及残余元素含量等。
20crmntih是一种国内用量较大的保淬透性齿轮钢，其性能良好，淬透性较高，经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部，具有较高的低温冲击韧性，焊接性中等，正火后可切削性良好。可用于制造截面<30mm的承受高速、中等或重载荷、冲击及摩擦的重要零件，如齿轮、齿圈、齿轮轴十字头等。一般工艺生产的20crmntih齿轮钢含有4-7ppm的硼(b)元素，0.050％的钛(ti)元素以及0.020％的铝(al)元素，在较强的还原性条件下，大于等于3ppm的硼(b)元素对20crmntih齿轮钢淬透性有较大的影响，通过大量数据回归，可知大于2ppm的情况下，硼含量每提高1ppm，对20crmntih钢j9点淬透值影响2.1hrc，进而影响齿轮的热处理变形及弯曲疲劳寿命。
陶建军等通过试验分析了电磁搅拌电流对20crmntih1齿轮钢180mm×180mm连铸坯碳偏析的影响以及精炼和连铸工序钢中残余b含量及其变化对钢淬透性的影响，结果表明，电磁搅拌电流从200a降至100a时，铸坯碳偏析指数降低0.1；b元素含量过高对钢材的淬透性不利，控制钢中残余b≤0.0002％,可使20crmntih1齿轮钢淬透性带宽≤4hrc(参见“碳偏析和残余b对20crmntihl齿轮钢淬透性的影响”,陶建军等,《特殊钢》,2007,28(5):58-59)。
当前，国内一些特钢企业已经意识到微量硼(b)元素对20crmntih淬透性的影响，其一般通过控制中包材料、包芯线成分以实现对钢中微量硼元素的控制，再辅助以成分偏析攻关达到窄淬透性的目的，但上述方法操作较为复杂，增加了企业运行成本。
技术实现要素：
为解决上述技术问题，本发明提供了一种降低20crmntih齿轮钢中硼含量的方法，通过对物料配方的控制以及精炼渣系成分的调整，并取消了加入化渣球的步骤，三者相互配合，能够降低20crmntih中微量b元素的含量，有效控制b含量≤2ppm，稳定20crmntih齿轮钢的淬透性。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种降低20crmntih齿轮钢中硼含量的方法，所述方法为：转炉冶炼阶段利用低碳锰铁和中碳锰铁合金作为锰添加剂，lf精炼阶段采用al2o3质量分数为20-25％的精炼渣进行精炼。
传统方法制备20crmntih齿轮钢的过程中一般以硅锰合金作为锰添加剂，本发明以采用低碳锰铁+中碳锰铁合金作为锰添加剂，与硅锰合金相比，二者的组合中硼含量更低，进而从源头上减少了硼的加入量，有效的降低了产品中的硼含量。
al2o3能够还原炉渣中的b元素，使得b进入钢水中，本发明对精炼渣系的成分进行了调整，利用cao：45-55％，al2o3：20-25％，sio2：8-15％的精炼渣系在lf炉精炼过程中进行处理，与现有的精炼渣系(al2o3含量30％左右)相比，减少了炉渣中b元素的还原量，实现了对钢中b元素的合理控制。
传统工艺在制备20crmntih齿轮钢时，一般会在转炉冶炼过程中加入化渣球(一种含fe2o3的转炉回收料制成的球状辅助冶炼材料)，化渣球中含有部分硼元素，本发明通过对物料配方(低碳锰铁+中碳锰铁合金)以及精炼渣系成分的调整，使得不加入化渣球也能实现较好的冶炼效果。
本发明通过对物料配方的控制以及精炼渣系成分的调整，并取消了加入化渣球的步骤，上述三种方案相互配合，实现了对20crmntih齿轮钢中b元素的有效控制，确保20crmntih齿轮钢中b含量≤2ppm。
本发明所述除了上述改进和调整外，其他方法步骤以及条件均采用常规的冶炼20crmntih齿轮钢的手段进行，本发明对此不做赘述。
本发明以低碳锰铁+中碳锰铁的组合作为锰添加剂，二者的添加比例可根据冶炼过程中的实际情况进行调整，本发明对此不做特殊限定。
本发明所述低碳锰铁和中碳锰铁为本领域常用的冶金材料，其中低碳锰铁中含碳量小于0.7％，中碳锰铁中含碳量为0.7％-2.0％。
根据本发明，所述转炉冶炼阶段不加入化渣球。
根据本发明，所述lf精炼阶段采用的精炼渣中al2o3的质量分数可以为20-25％，例如可以是20％、20.5％、21％、21.5％、22％、22.5％、23％、23.5％、24％、24.5％或25％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
根据本发明，按质量百分含量计，所述精炼渣还含有cao45-55％和sio28-15％。
根据本发明，所述精炼渣中cao的质量分数为45-55％，例如可以是45％、46％、47％、48％、49％、50％、51％、52％、53％、54％或55％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
根据本发明，所述精炼渣中sio2的含量为8-15％，例如可以是8％、9％、10％、11％、12％、13％、14％或15％，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。
根据本发明，所述20crmntih齿轮钢的冶炼工序为：高炉铁水预处理、转炉冶炼、lf炉精炼、vd真空炉精炼以及连铸。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)本发明在不增加生产成本的基础上，通过对物料配方的控制以及精炼渣系成分的调整，并取消了加入化渣球的步骤，降低了硼(b)元素含量，控制b含量≤2ppm，稳定了20crmntih齿轮钢的淬透性。
(2)本发明提供的方法增加了钢的附加值，能为冶炼20crmntih齿轮钢的企业提供技术参考，同时可以有效改善客户热处理后齿轮变形不规律的问题，具有良好的经济效益和应用前景。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
采用高炉铁水预处理、转炉冶炼、lf炉精炼、vd真空炉精炼以及连铸的工艺路线制备20crmntih齿轮钢。
冶炼成品成分控制为：c：0.17-0.22％，si：0.20-0.30％，mn：0.80-1.10％，cr：1.00-1.25％，b≤0.0003％，cu≤0.20％、ni≤0.30％、al：0.015-0.025％，p：≤0.020％，s：≤0.010％。
转炉冶炼：转炉总装入量控制在72吨，铁水比87.5％，废钢加入量为4.5吨，其余为自产铁水。出钢终点成分c：0.06％、p：0.012％、出钢温度t：1655℃，出钢量68吨；出钢过程加入60kg铝块脱氧，加入450kg中碳锰铁、500kg低碳锰铁、1150kg中碳铬铁、320kg高碳铬铁及200kg硅铁进行炉后合金化，并加入500kg石灰及240kg高铝精炼渣进行渣洗，出钢采用双滑板挡渣出钢，严禁出钢下渣。
lf精炼和vd精炼：lf精炼前期采用30kg铝粒和30kg碳化硅加强脱氧，底吹氩气压力调整至0.45mpa，通电加热8分钟后即实现白渣化；取lf一样测定成分后补加40kg低碳铬铁、35kg中碳锰铁、精炼中后期小批量多次均匀飘散sife粉至渣面脱氧保渣，共计20kg，底吹氩气压力调整至0.25mpa；lf精炼吊包前15分钟钢液中mn、cr达到目标成分范围的中下限，lf精炼吊包前10分钟mn、si、cr含量达到目标值并满足吊包温度要求，之后不再进行大电流通电，以防电极增碳，同时考虑后续真空铝损，lf吊包前5分钟喂入铝丝调整al含量至0.035％，炉渣粘度适当流动性较好，终渣成分cao：50-54％，al2o3：20-24％，sio2：9-14％，即吊包上vd炉，吊包温度1710℃，lf精炼时长45分钟。vd处理时在高真空度下(≤67pa)保压15分钟，随即破空，vd真空处理总耗时25分钟，破空温度1625℃。
vd破空随即取样进行成分检测，根据钢中mn、cr含量做微量调整，使用c线精确控c，软吹5分钟均匀钢液后即喂入钙丝100m，软吹15分钟即吊包上连铸回转台，上钢温度1582℃。
连铸处理：连铸过热度24℃，拉速恒定1.35m/min；开启结晶器电磁搅拌(250a/3hz)及末端电磁搅拌(50a/10hz)，确保钢液均匀性；连铸过程采用低碳无硫覆盖剂，保持中包黑渣面操作，加强大包水口与长水口之间的氩气保护，增加大包下水口与长水口接缝处外置式氩环，保持微正压0.8pa，尽量减少二次氧化；采用优质内装式五孔整体水口以及f01专用保护渣，浇铸过程结晶器内钢液面平稳可控。
通过上述方法冶炼得齿轮钢经轧制所得圆钢的主要成分及气体含量：c：0.18％，si：0.25％，mn：1.10％，cr：1.20％，mo：0.003％，b：0.0002％，cu：0.02％、ni：0.04％、al：0.021％，p：0.011％，s：0.008％，ti：0.055％，n：56ppm，o：9.5ppm；低倍指标检测结果显示中心疏松、一般疏松、中心偏析均为0.5级；金相高倍检测表明a(细)类夹杂物1.0级、a(粗)类夹杂物1.0级，c类非金属夹杂物为0级，b、d类最高不超过0.5级；带状组织2.0级，晶粒度7.5级；利用上述冶炼方法制得同一炉号不同轧材试样的淬透性检测值偏差范围为j9：37±1.5hrc，j15：31.5±1.0hrc。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。