一种盾构机轴承套圈42CrMo4的冶炼+电渣重熔生产工艺的制作方法

一种盾构机轴承套圈42crmo4的冶炼+电渣重熔生产工艺
技术领域
1.本发明属于冶金冶炼工艺领域的，具体涉及一种盾构机轴承套圈42crmo4的冶炼+电渣重熔生产工艺。


背景技术：

2.随着中国工业化进程及基础设施建设的需要,大量的交通隧洞、城市地下铁道、供排水隧道和电缆隧道等工程建设需要使用大型掘进设备盾构机。由于盾构机的特殊使用环境,对盾构机轴承的使用寿命和可靠性要求非常高，大型盾构机轴承用钢的开发和质量控制是影响盾构机寿命以及整个施工安全的重要因素。大型盾构机轴承套圈材料，尤其套圈直径在3m以上的轴承套圈用钢，主要依赖进口生产。大尺寸锻件国内产品质量的纯净度、性能要求及质量稳定性无法满足盾构机技术质量要求要求，前期国内同类产品的成分基本为国标42crmo的成分要求，且残余元素五害要求为不大于0.040％，气体元素氢不大于2.0
×
10-6
,氧不大于25
×
10-6
；目前该大尺寸锻件成品探伤仅满足en10228标准2级探伤要求，性能抗拉强度不小于750mpa、屈服强度不小于500mpa，常温冲击kv2不小于35j,热处理后硬度(hbw)查值不大于44。而该产品客户的要求为有害成分残余及气体要求：磷不大于0.012％、硫不大于0.003％、钛不大于0.0030％、錫不大于0.004％、锑不大于0.005％、铅不大于0.002、氢不大于1.5
×
10-6
、氧不大于8
×
10-6
；成品探伤满足en10228标准4级探伤要求，性能抗拉强度不小于870mpa、屈服强度不小于700mpa，低温冲击(-20℃)不小于60j,热处理后硬度(hbw)差值不大于30hb。


技术实现要素：

3.本发明公开一种盾构机轴承套圈42crmo4的冶炼+电渣重熔生产工艺，达到指标：大型盾构机轴承套圈产品的成分碳当量不小于0.82，有害成分残余及气体满足要求磷不大于0.012％、硫不大于0.003％、钛不大于0.0030％、錫不大于0.004％、锑不大于0.005％、铅不大于0.002、氢不大于1.5
×
10-6
、氧不大于8
×
10-6
；纯净度满足en10228标准4级探伤要求；性能满足抗拉强度≥870mpa、屈服强度≥700mpa，低温冲击(-20℃)≥60j及组织均匀性满足硬度查值≤30hb，解决用户的技术综合性能要求。
4.具体技术方案
5.1.工艺路线：转炉
→
lf炉
→
rh
→
连铸
→
电渣重熔
→
退火。
6.2.具体工艺措施：
7.2.1电极坯冶炼工艺
8.⑴
电极坯的熔炼成分控制应符合表1规定。
9.表1
[0010][0011]
⑵
转炉工艺
[0012]
转炉配料：使用高炉铁水+废钢，废钢使用优质废钢,要求残余元素含量低,转炉出钢条件要求：碳不小于0.07％，出钢磷不大于0.006％，出钢温度1610℃
±
20℃；转炉使用滑板挡渣，下渣量小于50mm；转炉控制出钢量115t～125t；转炉准备在线周转热包，低钛钢包盛接钢水；转炉出钢不加脱氧剂只进行合金化和少量造渣：出钢量约1/5时，按照“硅锰、低钛铬铁、萤石、石灰”的顺序加入合金及渣料,转炉出钢后转移至lf前先进行扒渣操作。
[0013]
⑶
lf炉工艺
[0014]
扒渣后进站，重新造渣补加石灰750kg、低钛精炼渣750kg，视渣况可微调渣料；重新造渣后按一次分析铝目标0.060％加入铝线进行沉淀脱氧；精炼全程采用电石、铝豆扩散脱氧，lf炉合金化使用低钛合金(低钛铬铁、低钛硅铁等)，lf炉精炼时间不少于50min，白渣保持时间不少于30min；lf炉离站前硫含量不大于0.003％，铝含量按熔炼成分上限控制，lf炉离站前软吹时间不少于5min，软吹过程中不允许调整任何合金成分，lf炉离站温度开浇炉1610℃～1620℃，连浇第二炉1605℃～1610℃，正常连浇炉1600℃～1605℃。
[0015]
⑷
rh工艺
[0016]
rh极限真空度不大于67pa，极限真空保持时间不少于20min,软吹时间不少于15min，真空后在线定氢1.5
×
10-6
；rh离站温度开浇炉1560℃～1570℃，连浇第二炉1555℃～1560℃，正常连浇炉1550℃～1555℃。
[0017]
⑸
连铸工艺
[0018]
连铸坯型φ600mm，全程氩气保护浇注，低过热度恒拉速操作，中间包温度1505℃～1525℃，拉速0.26m/min，结晶器电磁搅拌+连铸坯凝固末端搅拌，连铸使用中碳钢保护渣，结晶器液面黑渣操作，禁止渣面漏红，连铸坯缓冷。
[0019]
2.2电渣重熔冶炼工艺
[0020]
⑴
电渣锭的成分控制应符合表2规定。
[0021]
表2
[0022][0023]
⑵
生产准备
[0024]
电极坯长度根据锭型及锭重要求切断成定尺，两端修磨平整，电极坯表面抛丸处理；重熔底垫使用本钢垫；结晶器、底水箱、烘烤装置、支臂等产前逐项工装检查。
[0025]
⑶
电渣锭型选择及充填比设计
[0026]
电渣结晶器尺寸：φ938mm，充填比0.409，抽锭结晶器生产电渣锭长度一般2000mm～5000mm；φ1042mm，充填比0.33，固锭结晶器生产电渣锭长度2750mm。
[0027]
⑷
合理的渣系和造渣制度
[0028]
抽锭式结晶器：渣料烘烤，选用5元渣系，额外配备sio2进入渣系中；自耗电极造渣，充足的渣量，造渣期完成液渣精炼与炉内提温工作。
[0029]
固锭式结晶器：渣料烘烤，选用5元渣系，自耗电极造渣，充足的渣量，造渣期完成液渣精炼与炉内提温工作。
[0030]
⑸
电渣保护性气氛
[0031]
电渣重熔充入氩气+氮气进行气体保护。
[0032]
⑹
电渣熔速控制
[0033]
恒熔速0.75d～0.85d(d结晶器直径)。
[0034]
⑺
交换电极控制
[0035]
对被交换电极端面进行烘烤，交换时间不大于90s，合理控制电流和电压，降低漏钢和流渣风险。
[0036]
⑻
抽锭结晶器步长的控制
[0037]
设置合理的抽锭步长控制，确保抽锭生产中不漏钢，不会出现抽不动的情况。
[0038]
⑼
电渣锭退火
[0039]
对电渣锭进行去应力退火。
[0040]
⑽
电渣锭精整
[0041]
对电渣锭表面渣皮进行清理，对波浪纹等缺陷进行修磨处理。
[0042]
电渣切除头尾交货，锭身重量按合同锭重要求控制在-200kg～+400kg以内。
[0043]
本发明的发明点是，盾构机轴承套圈用钢42crmo4是引进的德国牌号，是在国产牌号42crmo的基础上进行合金化的设计与改进得到的新钢种；
①
电极坯成分的设计，需满足碳当量，成品性能与低温冲击等要求同时还要考虑电渣重熔过程的合金损失及残余元素的增加，因此电极坯冶炼阶段就需对残余元素磷、硫、钙、錫、锑、铅、铌、砷以及气体元素氢、氧、氮在满足标准要求的基础上尽可能低控，对电极坯冶炼过程的原辅料及合金料准备、精炼脱氧脱硫脱气均增加了难度；
②
电极坯纯净度控制，通过设计冶炼渣系与渣量，脱氧工艺及保护浇注等措施对电极坯的冶炼过程精细化操作和生产节奏增加了难度；
③
电渣锭的成分设计，电渣锭成分即为最终交货成分，需满足产品的最终性能等设计要求，同时受冶炼特点限制无法进行合金化，只能在电极坯成分的基础上，尽可能降低烧损；
④
实现电渣重熔提高钢液纯净度和均匀成分与组织的目的，需要对电渣的渣系设计，保护气氛，熔速控制等提出了较高要求。
[0044]
有害成分残余及气体为实现上述发明点，本发明工艺中主要控制以下关键环节:
[0045]
1有害成分残余及气体控制的环节：
[0046]
1.1电极坯冶炼通过原材料的挑选控制了残余元素，转炉废钢使用残余元素低的优质废钢，转炉炉后及精炼合金化使用低钛合金,满足钛不大于0.0025％、钙不大于0.0020％、錫不大于0.004％、锑不大于0.005％、铅不大于0.002％、铌不大于0.003％、砷不大于0.04％。
[0047]
1.2通过精炼脱氧工艺及铝含量的实现控制钢中氧含量，一次分析铝含量按目标0.060％喂入，过程持续铝豆扩散脱氧，lf炉离站铝按工艺要求上限补加,满足氧不大于0.0015％。
[0048]
1.3通过延长真空保持时间的方法控制气体氢和氮，满足氢不大于0.0015％、氮不大于0.0060％。
[0049]
1.4通过电渣重熔的渣系设计、渣量控制和气密性保护控制了重熔过程的合金烧损。
[0050]
1.5转炉炉后采取扒渣操作，可以有效防止氧化渣中残余元素磷、钛等被还原至钢中，有利于成分控制。
[0051]
1.6通过采用残余磷、硫的控制方法，使磷、硫含量达到了设计要求。
[0052]
1.7转炉准备在线周转热包，低钛钢包盛接钢水，有利于残余元素钛的控制。
[0053]
1.8真空rh极限真空度不大于67pa，极限真空保持时间不短于20min,通过延长极限真空保持时间达到充分去气的效果。
[0054]
1.9电渣重熔过程中通过使用气密性保护，防止钢液二次氧化，防止杂质污染钢液达到降低合金烧损的目的。
[0055]
2、纯净度的要求：对夹杂物供方电渣锭可不检验非金属夹杂物，但应保证锻件按gb/t10561 a法进行非金属夹杂物检验，其合格级别应符合表3规定。
[0056]
表3
[0057]
[0058][0059]
超声波探伤要求：供方应保证电渣锭经过加热、锻造(锻造比4:1以上)、热处理之后，按照en10228-3标准进行探伤，合格级别为4级。
[0060]
对高纯净度的要求，主要控制以下关键环节:
[0061]
2.1转炉工序，转炉控制出钢碳不大于0.07％避免过氧化；控制出钢温度1610℃
±
20℃，避免温度低凝包不透气；转炉控制出钢量115t～125t，预留合理的空包高度；转炉使用滑板挡渣，下渣量小于50mm；转炉炉后扒渣。
[0062]
2.2精炼工序，扒渣后进站重新造渣，补加石灰750kg，低钛精炼渣750kg，视渣况可微调渣料；重新造渣后按一次分析铝目标0.060％加入铝线进行沉淀脱氧；精炼全程采用电石、铝豆扩散脱氧；lf炉精炼时间不短于50min，白渣保持时间不短于30min；lf炉离站前硫含量不大于0.003％；铝含量按熔炼成分上限控制；lf炉离站前软吹时间不短于5min，软吹过程中不允许调整任何合金成分。
[0063]
2.3真空工序，控制软吹强度与软吹时间不短于15min，促进夹杂物充分上浮。
[0064]
2.4连铸工序，全程氩气保护浇注，结晶器液面黑渣操作，禁止渣面漏红。
[0065]
2.5电渣重熔的工艺，电渣重熔充入氩气+氮气进行气体保护；电渣设定熔速为0.8d kg/h(d为结晶器直径，单位mm)；对交换电极操作进行规范，要求电极坯端面烘烤，交换时间不超过90s，合理控制电流和电压，降低交换过程漏钢和流渣风险；设计合理的渣系及造渣制度，吸附夹杂物，提高纯净度，同时控制渣量及渣皮厚度，降低卷渣风险；电渣重熔过程选择合适的电渣锭型及充填比设计：抽锭式结晶器尺寸φ938mm，充填比0.409和固锭式结晶器φ1042mm，充填比0.33，使得重熔过程熔池浅平化，同时重熔过程设定熔速为0.8d kg/h(d为结晶器直径，单位mm)进行控制，电渣组织结晶过程自下而上、自外而内均匀结晶，凝固速度均匀，降低凝固成分及组织的偏析程度，使得成品成分和组织均匀化，硬度(hbw)差值不大于30。
[0066]
本发明的有益效果：
[0067]
按照本发明工艺生产的42crmo4材料优势在于合金含量高，气体及残余元素含量低，强度和塑性综合性能好，低温冲击韧性好，纯净度和组织均匀性好；产品的性能：抗拉强度不小于870mpa、屈服强度不小于700mpa，低温冲击(-20℃)不小于60j,热处理后硬度(hbw)差值不大于30hb。
具体实施方式
[0068]
实施例1
[0069]
⑴
炉号：2010507157(2030700095-01)，规格φ938mm，锭重9.45t。
[0070]
⑵
工艺路线：转炉
→
lf炉
→
rh
→
连铸
→
电渣重熔
→
退火。
[0071]
⑶
化学成分实测结果如表4。
[0072]
表4
[0073][0074]
⑷
转炉工艺
[0075]
转炉出钢成分碳:0.13％，磷：0.006％；出钢加硅锰、萤石98kg、石灰302kg；出钢温度1615℃；出钢钢水量118t。
[0076]
⑸
精炼工艺
[0077]
到站送电化渣加合金，化渣后倒渣；lf精炼重新造渣，石灰750kg，精炼渣750kg；lf炉一次分析铝：0.054％；合金成分按中限控制；lf炉合金化使用低钛铬铁合金化；lf炉全程使用碳粉40kg和铝豆60kg扩散脱氧；lf炉精炼时间不少于123min，白渣保持时间不少于80min；lf炉离站硫含量0.002％；铝含量0.039％；lf炉离站温度1620℃。
[0078]
⑹
真空工艺
[0079]
rh极限真空度不大于67pa，最低真空度43pa；极限真空保持时间不少于20min；真空后在线定氢0.9
×
10-6
；软吹时间≥42min；rh离站温度1570℃。
[0080]
⑺
连铸工艺
[0081]
连铸坯型φ600mm，全程氩气保护浇注，中间包温度1518℃～1525℃，拉速0.26m/min，结晶器电磁搅拌(200a/1.5hz)+连铸坯凝固末端搅拌(450a/4.5hz)，连铸使用中碳钢保护渣，结晶器液面黑渣操作，禁止渣面漏红，连铸坯缓冷，缓冷不少于60小时或坯温不高于150℃(禁止提前出坑)。
[0082]
⑻
电渣工艺
[0083]
电极坯准备：电极坯长度根据锭型及锭重要求切断成定尺(2支，长度分别为2.2m/3.2m)，两端修磨平整，电极坯表面抛丸处理；重熔底垫使用本钢垫,规格φ600mm,厚度20mm.
[0084]
电渣锭型选择及充填比设计：电渣结晶器尺寸φ938mm，充填比0.409(面积比)；抽
锭结晶器生产电渣锭长度3.552m。
[0085]
合理的渣系与渣量：抽锭式结晶器渣系选用5元渣额外配备sio2。具体渣系范围为caf2：al2o3：cao：mgo：sio2＝43～50:22～27：18～22：2～3：1～3，渣量380kg～420kg。
[0086]
电渣保护性气氛：电渣重熔充入氩气+氮气进行气体保护。
[0087]
电渣熔速控制：恒熔速控制，熔速设定为750kg/h。
[0088]
交换电极控制：对被交换电极端面进行350℃烘烤，交换时间75s。
[0089]
抽锭结晶器步长的控制:抽锭步长为3mm，抽锭速度为30mm/min。
[0090]
电渣锭退火：对电渣锭执行去应力退火工艺。
[0091]
电渣锭精整：对电渣锭表面渣皮进行清理，波浪纹等缺陷进行修磨处理，电渣切除头尾交货，锭身重量比合同重量多220kg，满足合同规定重量范围。
[0092]
⑼
生产结果验证
[0093]
成品成分，合金控制、残余元素及气体成分、低倍、探伤、性能、低温冲击等均符合要求；
[0094]
低倍检验结果如表5。
[0095]
表5
[0096]
一般疏松松中心疏松锭型偏析皮下裂纹皮下气泡无0.5无无无
[0097]
探伤结果符合en10228标准4级要求；
[0098]
夹杂物检验结果如表6。
[0099]
表6
[0100][0101]
力学性能检验结果如表7。
[0102]
表7
[0103]