一种风电用高强韧齿轮圆钢及其制备方法与流程

1.本发明属于钢铁冶金领域，具体涉及一种风电用高强韧齿轮圆钢及其制备方法。


背景技术：

2.随着我国进入高质量发展阶段，以风电、光伏、氢能为代表的绿色能源技术已成为我国能源结构未来的重点发展方向。出于对自然资源的需求及合理利用，风电机组主要布局在山区、沿海等地，风电机组不仅工作环境恶劣，且风电机组中的传动齿轮在承受高载荷的同时还要具备更高的使用寿命和稳定性。因此，如何提升风电齿轮用钢纯净度、淬透性、抗接触疲劳及弯曲疲劳强度，开发高强韧特性优质风电用齿轮钢对风电技术稳定发展具有重要意义。
3.目前对风电用齿轮钢质量控制方向的研究，包括一种微合金化风电变速箱齿轮钢的制造方法(申请号为202210495561.8)，该方法是通过控制炼钢化学成分、过程工艺参数，获得了高强韧风电用齿轮用钢。一种风电用齿轮钢及其制备方法(申请号为201710255727.8)，是通过添加元素钨、铪实现齿轮钢耐高温、腐蚀，细化晶粒的作用。一种高强度、高韧性风电变速箱齿轮用钢及其制造方法(申请号为202210578063.x)，是通过调整化学成分获得高强韧风电用齿轮钢，同时强调-40℃条件下的冲击性能。
4.上述针对风电用齿轮钢强韧性能控制方面所采用的研究方法主要集中在合金化学成分的设计，但均未涉及稀土元素添加。因此，如何通过微量稀土元素添加配合工艺参数控制，实现对钢材强韧性能控制，从而制备一款具有优良力学性能、高强韧特性的风电用齿轮圆钢，具有重大经济价值和广阔的市场前景。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提供一种风电用高强韧齿轮圆钢及其制备方法，该方法在电炉+lf+rh+连铸工艺基础上，通过稀土元素的添加以及配合控制初炼、精炼、连铸、轧制工艺参数及技术节点，最终获得具有优异力学性能、高强韧特性的风电用齿轮圆钢。其拉伸强度为1130～1170mpa，屈服强度900～940mpa，断裂延伸率23～27％，冲击韧性240～260j，满足高端使用要求，实现了电炉连铸流程批量生产高强韧风电用齿轮圆钢的突破。
6.具体发明内容如下：
7.一种风电用高强韧齿轮圆钢，所述的齿轮圆钢合金成分按重量百分数计为：0.15～0.21％c，0.17～0.40％si，0.50～0.90％mn，≤0.025％p，≤0.025％s，1.50～1.80％cr，1.40～1.70％ni，0.25～0.35％mo，≤0.030％al，≤0.015％cu，≤0.002％o，≤0.01％n，≤0.00015％h，0.015～0.03％(la+ce)，余量为fe。
8.优选地，所述la：ce＝2～3：1，所述al：n＝2～4：1。
9.优选地，所述齿轮圆钢的拉伸强度为1130～1170mpa，屈服强度900～940mpa，断裂延伸率23～27％，冲击韧性240～260j。
10.本发明的另外一个目的是提供一种风电用高强韧齿轮圆钢的制备方法，所述方法
包含电炉冶炼、lf炉精炼、rh精炼、连铸和轧制的步骤，其中，所述电炉冶炼为：出钢温度为1620℃～1630℃，终点钢0.05～0.10％c，≤0.010％p；出钢预脱氧及合金化，按照合金成分目标值补加mn、cr、ni、mo合金，出钢过程中加入增碳剂，铝线段1.5kg/t，出钢石灰800kg。
11.进一步地，所述lf精炼工艺为：白渣时间≥30min，采用碳化硅(sic≥85％)、碳粉和al粒50kg进行扩散脱氧；离站时al含量控制在0.020％～0.040％，温度为1632℃～1642℃。
12.进一步地，所述rh精炼工艺为：真空度100pa以下保持时间≥12min，破空后喂入硅钙线及稀土线，喂线速度≥150m/min；静吹时间＞15min。
13.进一步地，所述连铸工艺为：
14.中间包烘烤：三段式加热，首先采用小火，火焰长度300mm，在300
±
5℃保持40～60min；再采用中火，火焰长度500mm，在1100
±
5℃保持30～60min；最后采用大火，火焰长度700mm，在1100
±
5℃保持180～210min；
15.连铸拉速与钢液过热度控制：计算相对应合金成分的液相线温度，钢液过热度控制在20～35℃，铸坯断面选择390mm*480mm，拉速0.45～0.47m/min，生产过程保持恒拉速；
16.结晶器振动参数：采用非正弦振动方式，c1:5.0，c2:0.0，c3:80.0，c4:25.0，c5:0.0，c6:0.55；
17.结晶器水量控制：宽面95～105m3/h，窄面80～90m3/h；
18.二冷水比水量控制：总水量135～145l/min，比水量0.2～0.25l/kg；
19.结晶器电磁搅拌参数控制：280～300a，1.5～2.5hz；
20.铸坯末端电池搅拌参数控制：480～520a，5～7hz；
21.搅拌方式：交替搅拌(10s-3s-10s)；
22.铸坯压下参数控制：分5道次轧制，压下量分别为1mm、2mm、3mm、5mm、1mm，共12mm；
23.铸坯保温参数控制：铸坯下线温度550～700℃，保温时间≥36h，铸坯出坑温度≤200℃。
24.进一步地，所述轧制工艺为：均热段温度1180～1200℃，加热时间为350～420min；保证开扎温度≥1100℃，终轧温度≥850℃；扎后材入坑温度≥550℃，出坑温度≤200℃，保温时间≥45h。
25.上述风电用高强韧齿轮圆钢的制备方法只对制备工艺中的关键参数进行了限定，其他制备钢材的常规步骤按现有技术公开的方式进行，满足工艺要求即可。
26.本发明的有益效果为：
27.①
该方法在电炉+lf+rh+连铸工艺基础上，通过稀土元素的添加以及配合控制初炼、精炼、连铸、轧制工艺参数及技术节点，制备的风电用齿轮圆钢拉伸强度为1130～1170mpa，屈服强度900～940mpa，断裂延伸率23～27％，冲击韧性240～260j，满足高端产品要求。
28.②
合理的成分设计和生产工艺保证表面质量、力学性能。
具体实施方式
29.下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
30.下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
31.实施例1
32.采用本发明专利的技术方案制备风电用齿轮圆钢，具体步骤如下：
33.电炉冶炼：出钢温度为1620℃，终点钢0.05％c，≤0.010％p；出钢预脱氧及合金化，按照合金成分目标值补加mn、cr、ni、mo合金，出钢过程中加入增碳剂，铝线段1.5kg/t，出钢石灰800kg。
34.lf精炼：白渣时间≥30min，采用碳化硅(sic≥85％)、碳粉和al粒50kg进行扩散脱氧；离站时al含量控制在0.020％，温度为1632℃。
35.rh精炼：真空度100pa以下保持时间≥12min，破空后喂入硅钙线及稀土线，喂线速度≥150m/min；静吹时间＞15min。
36.连铸：中间包烘烤：三段式加热，首先采用小火，火焰长度300mm，在300
±
5℃保持40min；再采用中火，火焰长度500mm，在1100
±
5℃保持30min；最后采用大火，火焰长度700mm，在1100
±
5℃保持180min；
37.连铸拉速与钢液过热度控制：计算相对应合金成分的液相线温度，钢液过热度控制在20℃，铸坯断面选择390mm*480mm，拉速0.45m/min，生产过程保持恒拉速；
38.结晶器振动参数：采用非正弦振动方式，c1:5.0，c2:0.0，c3:80.0，c4:25.0，c5:0.0，c6:0.55；
39.结晶器水量控制：宽面95m3/h，窄面80m3/h；
40.二冷水比水量控制：总水量135l/min，比水量0.2l/kg；
41.结晶器电磁搅拌参数控制：280a，1.5hz；
42.铸坯末端电池搅拌参数控制：480a，5hz；
43.搅拌方式：交替搅拌(10s-3s-10s)；
44.铸坯压下参数控制：分5道次轧制，压下量分别为1mm、2mm、3mm、5mm、1mm，共12mm；
45.铸坯保温参数控制：铸坯下线温度550℃，保温时间≥36h，铸坯出坑温度≤200℃。
46.轧制：均热段温度1180℃，加热时间为350min；保证开扎温度≥1100℃，终轧温度≥850℃；扎后材入坑温度≥550℃，出坑温度≤200℃，保温时间≥45h。
47.经检测，制备出的风电用齿轮圆钢的合金成分为：0.17％c，0.20％si，0.60％mn，0.024％p，0.023％s，1.55％cr，1.50％ni，0.26％mo，0.028％al，0.014％cu，0.002％o，0.01％n，0.00014％h，0.017％(la+ce)，余量为fe；拉伸强度1135mpa，屈服强度918mpa，断裂延伸率24％，冲击韧性245j。
48.实施例2
49.采用本发明专利的技术方案制备风电用齿轮圆钢，具体步骤如下：
50.电炉冶炼：出钢温度为1625℃，终点钢0.075％c，≤0.010％p；出钢预脱氧及合金化，按照合金成分目标值补加mn、cr、ni、mo合金，出钢过程中加入增碳剂，铝线段1.5kg/t，出钢石灰800kg。
51.lf精炼：白渣时间≥30min，采用碳化硅(sic≥85％)、碳粉和al粒50kg进行扩散脱氧；离站时al含量控制在0.030％，温度为1637℃。
52.rh精炼：真空度100pa以下保持时间≥12min，破空后喂入硅钙线及稀土线，喂线速
度≥150m/min；静吹时间＞15min。
53.连铸：中间包烘烤：三段式加热，首先采用小火，火焰长度300mm，在300
±
5℃保持50min；再采用中火，火焰长度500mm，在1100
±
5℃保持45min；最后采用大火，火焰长度700mm，在1100
±
5℃保持200min；
54.连铸拉速与钢液过热度控制：计算相对应合金成分的液相线温度，钢液过热度控制在30℃，铸坯断面选择390mm*480mm，拉速0.46m/min，生产过程保持恒拉速；
55.结晶器振动参数：采用非正弦振动方式，c1:5.0，c2:0.0，c3:80.0，c4:25.0，c5:0.0，c6:0.55；
56.结晶器水量控制：宽面100m3/h，窄面85m3/h；
57.二冷水比水量控制：总水量140l/min，比水量0.22l/kg；
58.结晶器电磁搅拌参数控制：290a，2hz；
59.铸坯末端电池搅拌参数控制：500a，6hz；
60.搅拌方式：交替搅拌(10s-3s-10s)；
61.铸坯压下参数控制：分5道次轧制，压下量分别为1mm、2mm、3mm、5mm、1mm，共12mm；
62.铸坯保温参数控制：铸坯下线温度650℃，保温时间≥36h，铸坯出坑温度≤200℃。
63.轧制：均热段温度1190℃，加热时间为380min；保证开扎温度≥1100℃，终轧温度≥850℃；扎后材入坑温度≥550℃，出坑温度≤200℃，保温时间≥45h。
64.经检测，制备出的风电用齿轮圆钢的合金成分为：0.19％c，0.25％si，0.70％mn，0.025％p，0.025％s，1.65％cr，1.55％ni，0.30％mo，0.030％al，0.015％cu，0.002％o，0.01％n，0.00015％h，0.022％(la+ce)，余量为fe；拉伸强度1150mpa，屈服强度922mpa，断裂延伸率25％，冲击韧性250j。
65.实施例3
66.采用本发明专利的技术方案制备风电用齿轮圆钢，具体步骤如下：
67.电炉冶炼：出钢温度为1630℃，终点钢0.10％c，≤0.010％p；出钢预脱氧及合金化，按照合金成分目标值补加mn、cr、ni、mo合金，出钢过程中加入增碳剂，铝线段1.5kg/t，出钢石灰800kg。
68.lf精炼：白渣时间≥30min，采用碳化硅(sic≥85％)、碳粉和al粒50kg进行扩散脱氧；离站时al含量控制在0.040％，温度为1642℃。
69.rh精炼：真空度100pa以下保持时间≥12min，破空后喂入硅钙线及稀土线，喂线速度≥150m/min；静吹时间＞15min。
70.连铸：中间包烘烤：三段式加热，首先采用小火，火焰长度300mm，在300
±
5℃保持60min；再采用中火，火焰长度500mm，在1100
±
5℃保持60min；最后采用大火，火焰长度700mm，在1100
±
5℃保持210min；
71.连铸拉速与钢液过热度控制：计算相对应合金成分的液相线温度，钢液过热度控制在35℃，铸坯断面选择390mm*480mm，拉速0.47m/min，生产过程保持恒拉速；
72.结晶器振动参数：采用非正弦振动方式，c1:5.0，c2:0.0，c3:80.0，c4:25.0，c5:0.0，c6:0.55；
73.结晶器水量控制：宽面105m3/h，窄面90m3/h；
74.二冷水比水量控制：总水量145l/min，比水量0.25l/kg；
75.结晶器电磁搅拌参数控制：300a，2.5hz；
76.铸坯末端电池搅拌参数控制：520a，7hz；
77.搅拌方式：交替搅拌(10s-3s-10s)；
78.铸坯压下参数控制：分5道次轧制，压下量分别为1mm、2mm、3mm、5mm、1mm，共12mm；
79.铸坯保温参数控制：铸坯下线温度700℃，保温时间≥36h，铸坯出坑温度≤200℃。
80.轧制：均热段温度1200℃，加热时间为420min；保证开扎温度≥1100℃，终轧温度≥850℃；扎后材入坑温度≥550℃，出坑温度≤200℃，保温时间≥45h。
81.经检测，制备出的风电用齿轮圆钢的合金成分为：0.20％c，0.35％si，0.80％mn，0.025％p，0.025％s，1.75％cr，1.65％ni，0.35％mo，0.025％al，0.013％cu，0.002％o，0.01％n，0.00015％h，0.25％(la+ce)，余量为fe；拉伸强度1160mpa，屈服强度935mpa，断裂延伸率26％，冲击韧性255j。

技术特征：
1.一种风电用高强韧齿轮圆钢，其特征在于：所述的齿轮圆钢合金成分按重量百分数计为：0.15～0.21％c，0.17～0.40％si，0.50～0.90％mn，≤0.025％p，≤0.025％s，1.50～1.80％cr，1.40～1.70％ni，0.25～0.35％mo，≤0.030％al，≤0.015％cu，≤0.002％o，≤0.01％n，≤0.00015％h，0.015～0.03％(la+ce)，余量为fe。2.权利要求1所述齿轮圆钢，其特征在于：所述la：ce＝2～3：1，所述al：n＝2～4：1。3.权利要求1所述齿轮圆钢，其特征在于：所述齿轮圆钢的拉伸强度为1130～1170mpa，屈服强度900～940mpa，断裂延伸率23～27％，冲击韧性240～260j。4.权利要求1～3中任意一项所述齿轮圆钢的制备方法，其特征在于：所述方法包含电炉冶炼、lf炉精炼、rh精炼、连铸和轧制的步骤，其中，所述电炉冶炼为：出钢温度为1620℃～1630℃，终点钢0.05～0.10％c，≤0.010％p；出钢预脱氧及合金化，按照合金成分目标值补加mn、cr、ni、mo合金，出钢过程中加入增碳剂，铝线段1.5kg/t，出钢石灰800kg。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述lf精炼工艺为：白渣时间≥30min，采用碳化硅、碳粉和al粒进行扩散脱氧；离站时al含量控制在0.020％～0.040％，温度为1632℃～1642℃。6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述rh精炼工艺为：真空度100pa以下保持时间≥12min，破空后喂入硅钙线及稀土线，喂线速度≥150m/min；静吹时间＞15min。7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述连铸工艺为：中间包烘烤：三段式加热，首先采用小火，火焰长度300mm，在300
±
5℃保持40～60min；再采用中火，火焰长度500mm，在1100
±
5℃保持30～60min；最后采用大火，火焰长度700mm，在1100
±
5℃保持180～210min；连铸拉速与钢液过热度控制：计算相对应合金成分的液相线温度，钢液过热度控制在20～35℃，拉速0.45～0.47m/min，生产过程保持恒拉速；结晶器振动参数：采用非正弦振动方式，c1:5.0，c2:0.0，c3:80.0，c4:25.0，c5:0.0，c6:0.55；结晶器水量控制：宽面95～105m3/h，窄面80～90m3/h；二冷水比水量控制：总水量135～145l/min，比水量0.2～0.25l/kg；结晶器电磁搅拌参数控制：280～300a，1.5～2.5hz；铸坯末端电池搅拌参数控制：480～520a，5～7hz；搅拌方式：交替搅拌；铸坯压下参数控制：分5道次轧制，压下量分别为1mm、2mm、3mm、5mm、1mm，共12mm；铸坯保温参数控制：铸坯下线温度550～700℃，保温时间≥36h，铸坯出坑温度≤200℃。8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述轧制工艺为：均热段温度1180～1200℃，加热时间为350～420min；保证开扎温度≥1100℃，终轧温度≥850℃；扎后材入坑温度≥550℃，出坑温度≤200℃，保温时间≥45h。

技术总结
本发明涉及一种风电用高强韧齿轮圆钢，所述的齿轮圆钢合金成分按重量百分数计为：0.15～0.21％C，0.17～0.40％Si，0.50～0.90％Mn，≤0.025％P，≤0.025％S，1.50～1.80％Cr，1.40～1.70％Ni，0.25～0.35％Mo，≤0.030％Al，≤0.015％Cu，≤0.002％O，≤0.01％N，≤0.00015％H，0.015～0.03％(La+Ce)，余量为Fe。其制备方法是在电炉+LF+RH+连铸工艺基础上，通过稀土元素的添加以及配合控制初炼、精炼、连铸、轧制工艺参数及技术节点，最终获得具有优异力学性能、高强韧特性的风电用齿轮圆钢。其拉伸强度为1130～1170MPa，屈服强度900～940MPa，断裂延伸率23～27％，冲击韧性240～260J，满足高端使用要求，实现了电炉连铸流程批量生产高强韧风电用齿轮圆钢的突破。批量生产高强韧风电用齿轮圆钢的突破。


技术研发人员：张兴胜 卢秉军 赵千水 熊洪进 齐锐 宋铁鹏
受保护的技术使用者：本钢板材股份有限公司
技术研发日：2023.06.27
技术公布日：2023/9/7