一种提高机械用圆钢切削性能的冶炼方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种钢的生产方法，具体来说涉及一种提高机械用圆钢切削性能的低 成本冶炼方法。
【背景技术】
[0002] 机械用钢是钢铁消费市场中用量最大，用途最广的钢种系列之一，广泛应用于工 程机械、汽车和家电等行业。工程机械用钢是指用以制造承受载荷或传递功和力的机械零 件所用的结构钢，也称机器结构钢。对这类钢的要求是有高的强度、适当的韧性和良好的制 造工艺性，如锻造性、切削加工性等。这类钢一般都经过适当热处理后使用。机械制造用钢 按用途可分为调质钢、表面硬化钢(包括渗碳钢、渗氮钢）、弹簧钢和滚动轴承钢等。
[0003] 调质钢使用前一般先经淬火再经回火，以使强度和韧性达到要求。碳素调质钢含 碳量为0.03~0.60 %，由于其淬透性较低，仅用于制造截面尺寸较小、形状简单或载荷较低 的机械零件。合金调质钢是在碳素调质钢的基础上加入一种或几种合金元素，加入的合金 元素总量一般不超过5%。合金调质钢的淬透性好，可在油中淬硬，淬火变形小，有更好的强 度和韧性配合。常用钢号有40Cr、35CrM 〇、40MnB等。对截面尺寸大、承受载荷高的重要零件 如航空发动机主轴、高速柴油机的曲轴和连杆、汽轮机和发电机的主轴等常用合金元素含 量较高的钢种，如 40CrNiMo、18CrNiW、25Cr2Ni4MoV 等。
[0004] 渗碳钢用于制造要求表面坚硬耐磨而心部强韧耐冲击的零件，如链销、活塞销、齿 轮等。渗碳钢的含碳量低，为0.10~0.30%，以保证零件的心部韧性，经渗碳处理可在表面 形成一层高碳高硬度的耐磨层。较重要的零件可采用合金渗碳钢，常用的钢号有20CrMnTi、 20CrMo、20Cr 等。
[0005] 渗氮钢钢中含有与氮亲和力强的合金元素如铝、铬、钼、钒等，以利于氮的渗入。渗 氮层比渗碳层更硬、更耐磨和耐蚀，但渗氮层较薄。渗氮后零件变形小，常用以制造允许磨 损量小的精密零件如磨床主轴、柱塞副、精密齿轮、阀杆等，常用的钢号有38CrM 〇Al。
[0006] 近年来，随着客户对机械用钢的要求越来越高，机械用钢企业为了提高生产效率， 降低生产成本，除性能等指标满足使用要求外，还对机械用钢提出了切削性能要求。目前， 国内很多机械用钢生产厂家均接受到了客户的切削困难抱怨，客户迫切希望适当提高圆钢 的成品硫含量，提尚机械用钢的切削性能。
[0007] 通常，在钢中加入一种或几种元素如硫等以降低切削力，所加入量一般仅为千分 之几以下、利用加入的元素本身，或加入元素与钢中其他元素结合成一种在切削过程中起 减摩作用和促进断肩的夹杂物，从而达到延长刀具寿命、降低切削力、改善表面粗糙度等目 的。
[0008] 在炼钢过程中，钢水中磷、氧等元素的含量是要严格进行控制的，磷在钢中全部溶 于铁素体中，可使铁素体的强度、硬度有所提高，但却使低温下钢的塑性、冲击韧性急剧降 低，使钢变脆，这种现象称为"冷脆"，同时，还对焊接性能产生不利影响，使焊缝产生冷脆现 象，对钢的质量带来不利的影响;钢水中氧含量过高，会产生皮下气泡、疏松等缺陷，同时生 成大量的夹杂物并残留在钢水中，会大大降低钢的塑性、冲击韧性等力学性能。因此，冶炼、 精炼时炉渣必须保证一定高的碱度，盲目地降低炉渣碱度，会造成钢液的脱磷困难，氧含量 过高，夹杂物含量高，表面容易产生气孔等缺陷，造成乳材质量的明显下降，满足不了用户 的使用性要求。
[0009]目前，国内相关生产企业多数采用高碱度渣脱硫，以40Cr为例，精炼渣碱度控制在 4.2 %左右，炉渣碱度高，意味着炉渣中自由CaO量高，而钢中的硫元素还原成的硫离子，又 很容易与钢中的阳离子如钙离子等形成稳定的硫化物，并被炉渣所吸附而被除去，因此，钢 水中的硫含量就会比较低(一般硫含量仅为〇. 001 %~〇. 005 % )，因此企业为满足用户的要 求采用在后续软吹时喂硫铁线增硫的工艺，这样会造成连续浇铸困难，一般连浇3~5炉便 出现结瘤现象，不仅增加了生产成本，还严重影响了产品质量，同时降低了生产效率。如何 选择生产工艺，既满足用户的切削性要求，又能降低生产成本，这些技术难题大大困扰着机 械用钢的生产厂家。
【发明内容】
[0010]本发明的目的在于针对以上技术难题，通过合理选择工艺路线、合理设计工艺参 数和合理优化精炼工艺等手段，提供了一种提高机械用圆钢切削性能的低成本冶炼方法， 采用本发明生产的机械用圆钢，操作简单、成本低廉、其纯净度高、切削性能好、可浇性好、 进行钙处理后，可一次连浇20炉，大大提高了生产效率，且圆钢的表面质量良好，完全满足 国内外机械用钢客户的需求。本发明与原工艺相比，吨钢可降低生产成本10元以上;本发明 与软吹时喂硫线增硫工艺相比，吨钢可降低生产成本15元以上。
[0011] 为了实现上述目的，本发明提供了一种提高机械用圆钢切削性能的低成本冶炼方 法，包括转炉冶炼工序、LF精炼工序和大方坯连铸工序步骤，具体操作如下（以含硫40Cr为 例）：
[0012] (1)转炉冶炼所用铁水控制一定的硫含量，冶炼过程中通过适当降低转炉石灰及 石灰石消耗，合理降低炉渣碱度，可以提高转炉终点硫含量;控制好冶炼终点成分，出钢1/4 时随钢液依次加入脱氧剂、合金和渣料，出钢过程采用滑板挡渣操作，严禁下渣出钢，出钢 时间为3~4min，
[0013] 由碳氧浓度积可知，出钢碳较高，钢水中的自由氧含量将大大降低，减轻了后续脱 氧压力，大大减少了脱氧产物的生成，
[0014] 作为优选，步骤（1)中，转炉冶炼所用铁水[S]控制在0.030%~0.050%，铁水温度 T 2 1280°C，冶炼过程中加入石灰2600~2700kg/炉，石灰石900~1000kg/炉，总渣料量3500 ~3700kg/炉，转炉炉渣二元碱度2.8~3.2;
[0015] 作为优选，步骤（1)中所述冶炼终点[C]控制在0.20 %~0.30 %，终点[S]控制在 0.018%~0.030%，终点[P] <0.015%，出钢温度为 1620~1660°C;
[0016] 作为优选，步骤(1)中所述加入脱氧剂、合金和渣料种类分别为碳化硅60kg/炉、铝 饼50kg/炉、硅锰合金7 · 5~8 · Okg/t、硅铁1 · 0~1 · 5kg/t、高碳铬铁15 · 5~16 · Okg/t，脱硫剂 750kg/炉；
[0017] 加入碳化硅和铝饼进行预脱氧，可降低钢液中的氧含量，先加入碳化硅，减少了脱 氧产物氧化铝的生成量，进而减轻了后续氧化产物上浮的压力；
[0018] (2) LF精炼炉密封良好，确保炉内还原性气氛，精炼前期根据渣面流动情况，加入 适量萤石化渣，喂入铝线调铝至精炼炉首样[A1]在0.010-0.015%之间，精炼过程中加入碳 化硅进行钢渣界面脱氧，根据脱氧情况，要及时控制好氩气搅拌，避免脱氧不良或氧低时脱 硫速率过快;喂入硅钙线100-200m/炉，随后转运到软吹位置进行软吹氩操作，
[0019] 步骤(2)中所述铝线加入量为0~12kg/炉，萤石的加入量为50~100kg/炉，碳化硅 的加入量为80~120kg/炉，使精炼炉炉渣碱度控制为2.3-2.9;所述精炼前期、中期底吹氩 气量搅拌压力〇 · 8~1 · OMPa，流量200~300L/min，精炼后期、末期底吹氩气量搅拌压力0 · 6 ~0 · 8MPa，流量 150 ~250NL/min;
[0020] 加碳化硅的目的是为了进行钢渣界面脱氧，碳化硅的硅与钢液中的氧、氧化产物 生成复合脱氧产物经氩气搅拌进入渣面，碳化硅的碳与钢液中的氧反应生成气体离开钢 液，
[0021] 步骤(2)中所述软吹氩流量80~100NL/min，软吹氩时间2 20分钟，
[0022] 严格的软吹氩工艺和确保适当软吹时间，以实现有效促进夹杂物上浮，减少钢中 夹杂物含量，达到净化钢水的目的，
[0023] (3)连铸采用低过热度、中低拉速浇注，过热度控制在20~30°C，拉速0.80~ 0.90m/min，二冷采用弱冷配水模式，比水量为0.25L/Kg，采用结晶器电磁搅拌，并使用结晶 器保护渣，
[0024] 连铸中