CN101362283A - 一种船舶挂舵臂的制造方法 - Google Patents

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马燕锋
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Abstract

本发明公开了一种船舶挂舵臂的制造方法，使挂舵臂的技术质量参数达到或超过国外船级社的材料规范要求。本发明的关键是研制一套熔炼工艺：配料选择、冶炼温度掌握、吹氧、吹氩参数的控制等，解决化学元素含量控制尤其铝的含量、氮含量满足要求；编制最优的铸造工艺：冒口、浇口的设计及造型用料选择，杜绝裂纹、缩松的产生，满足铸件无损检测及尺寸精度要求，编制一种特定热处理工艺；升温、保温、降温的温度、时间的选择尤其是降温方法运用，解决了铸件机械性能不足的问题，尤其是低温冲击性能要求。

Description

一种船舶挂舵臂的制造方法
一、技术领域：
本发明涉及一种制造方法，具体是船舶的特殊等级钢的挂舵臂制造方法。
二、背景技术：
挂舵臂是船舶装备的关键零件、它的重量较大，长度较长，壁厚100-500毫米变化很大。在国外船级社的规范中材料要求特殊等级钢。
产品的技术质量要求如下：
1)化学成分
C≤0.23％，Si≤0.60％，Mn＝1.20-1.60％，P≤0.035％，S≤0.035％，Cr≤0.30％，Mo≤0.08％，Cu≤0.3％，V≤0.03％，Al＝0.015-0.08％，(N％xAlacidsol％)x105≤60。
2)机械性能
Rm≥520Mpa，Rp0.2≥260Mpa，A4≥20％，Z≥25％，Kv≥27J(0℃)。
3)铸件的表面及内部质量的磁粉无损检测和超声波无损检测达到船检要求。
挂舵臂的化学成分中对铝含量、氮含量、残余元素有严格要求，一般的熔炼工艺很难冶炼出符合要求的钢水，在机械性能中要求冲击性能在0℃时大于27焦耳，热处理工艺制订也很关键，否则很难达到参数，它的长度，重量、壁厚悬殊给铸造工艺的制订带来了困难，使裂纹、缩松的趋向性增大，尺寸的准确性也不易控制，所以必须采取综合的、先进的方法才能生产出合格的产品。
三、发明内容
本发明所要解决的技术问题是研制一种制造方法来生产船用挂舵臂，使挂舵臂的技术质量参数达到达到或超过国外船级社的材料规范要求，重点是研制一套熔炼工艺解决铝的含量、氮含量满足要求；研制一种热处理工艺解决底温冲击性能要求；编制最优的铸造工艺杜绝裂纹、缩松的产生，满足尺寸精度要求。
本发明技术方案如下：
一种船舶挂舵臂的制造方法，包括熔炼工艺、铸造工艺和热处理工艺三个关键工艺，其特征在于包括以下步骤：
1、熔炼工艺
A、熔化阶段：将返回料30-45％，钢屑15-25％，生铁10-15％，石灰1-2％，余量为废钢，投入电炉中通电熔化，同时吹氧助熔，吹氧管直径1/2-3/4′，压力5-10公斤/厘米2，当钢水熔清后，取样分析碳、磷；
B、氧化阶段：在熔清的钢水中加入铁矿石1-2％、石灰1-2％，同时吹氧，吹氧管直径1/4-1′，压力6-8公斤/厘米2，时间控制在10-15分钟，降碳除磷结束后使碳含量达到0.05-0.1％，磷低于0.035％，钢水温度达到1590-1640℃，扒除氧化渣；
C、还原阶段：在钢水中加入石灰8-12公斤/吨钢水，萤石1-2公斤/吨钢水，碳粉1-1.5公斤/吨钢水，加入合金SiMnFe、MnFe和SiFe调整钢水中Si至0.3-0.6％，Mn至1.2-1.6％，并加入脱氧剂铝块0.1-0.2％进行预脱氧，使温度达到出钢温度1570-1600℃；
D、精炼阶段：将电炉中的钢水转到精炼炉中，再加入石灰2-5公斤/吨钢水、萤石0.5-1公斤/吨钢水，加入合金SiMnFe、MnFe和SiFe调整钢水中Si至0.25-0.60％，Mn至1.4—1.6％；同时炉底以直径1/2-3/4′的管子通入5-8公斤/厘米2的氩气直到精炼结束；
E、出钢：出钢前加入脱氧剂铝块0.05-0.2％进行终脱氧，取样检测化学成分达到标准成分范围出钢，再镇静5分钟、温度达到1560-1590℃时浇注铸型；
2、铸造工艺
造型采用组芯造型，外皮泥芯石英砂、内腔泥芯及盖箱泥芯使用镁碳石灰砂，并且要进窑在250-350℃烘干8-12小时，去除泥芯中的水分，减少泥芯在时的发气量，在制芯时所圆角处填放铬铁矿砂及暗成型冷铁；装配泥芯后仔细检查尺寸；冒口泥芯部分木模做出，其余部分配保温冒口套，浇注选取三包合浇，滑动水口直径80mm，要求6-8分钟完成，浇注后当冒口内钢水上升2/3高时点浇冒口并撒保温剂；
3)热处理工艺，
待浇铸后的半成品冷却至350℃以下，脱模后去除冒口、浇口、铸件的内外面的残砂，再置于热处理炉内，缓慢升温至600-700℃，升温速率为60-70℃/小时，在600-700℃时保温均热3-5小时越过相变易裂区，之后继续升温至850-910℃，保温16-20小时使金相组织完全转化，将铸件从炉中拉出，在铸件四周均匀布置风机距铸件2-3吹强风冷却至200-350℃，之后再进炉缓慢升温至600-650℃，升温速率为60-70℃/小时，在600-650℃保温18-22小时炉子停火让铸件在炉中随炉子一起降温，当温度降到250-350℃拉出炉子冷却到室温即可进行后续打磨、粗加工、尺寸检验、无损检验、涂漆即得铸件成品。
本发明通过制订合理的冶炼工艺、优化的铸造工艺、成熟的热处理工艺来保证产品的化学成分、机械性能、无损检验能达到或超过国外船级社的材料规范要求，实现挂舵臂的成功批量生产。本申请人已成功批量生产了20件30-70吨的挂舵臂铸件，其产品质量指标达到或超过国外船级社检验要求。
四、附图说明
图1是本发明冒口、浇口等铸造工艺简图；
图2是图1俯视状态的视图。
图3是正火及回火的工艺图。
五、具体实施方式
实施例1：
通过实践应用于承接的国外船级社的挂舵臂铸件重量56.8吨，总长6.3米，其技术质量要求如下：
1)化学成分
C≤0.23％，Si≤0.60％，Mn＝1.20-1.60％，P≤0.035％，S≤0.035％，Cr≤0.30％，Mo≤0.08％，Cu≤0.3％，V≤0.03％，Al＝0.015-0.08％，(N％xAlacidsol％)x105≤60。
2)机械性能
Rm≥520Mpa，Rp0.2≥260Mpa，A4≥20％，Z≥25％，Kv≥27J(0℃)。
3)铸件的表面及内部质量的磁粉无损检测和超声波无损检测达到船检要求。为此制定了详细的生产方案。
1、熔炼工艺
A、熔化阶段：将返回料(返回料是同类铸件的冒口、浇口等)35％；钢屑15％；生铁10％；废钢余量、和石灰2％投入电炉中通电熔化，同时吹氧助熔，吹氧管直径1/2′压力8公斤/厘米2，当钢水熔清后，取样分析碳、磷。
B、氧化阶段：在熔清的钢水中加入铁矿石1％、石灰1％，吹氧管直径1/4压力8公斤/厘米2，时间控制在14分钟，降碳除磷结束后使碳0.052％；磷达到0.01％，钢水温度1640℃扒除氧化渣。
C、还原阶段：在钢水中加入石灰10公斤/吨钢水；、萤石2公斤/吨钢水，碳粉1.5公斤/吨钢水及合金(SiMnFe、MnFe、SiFe)按标准成分下限，并加入脱氧剂铝块进行预脱氧、控制好铝块的加入量0.2％。温度达到出钢1600℃。
D、精炼阶段：将电炉中的钢水转到精炼炉中，再加入石灰4公斤/吨钢水、萤石0.5公斤/吨钢水及合金(SiMnFe、MnFe、SiFe)按标准成分中线调整。同时炉底直径1/2′管子通入8Kg/cm2的氩气直到精炼结束、调整氩气的压力使之起到平稳搅拌钢液又不能使钢液产生大的沸腾导致钢液二次吸入气体。
E、出钢：加入脱氧剂铝块进行终脱氧、控制好铝块的加入量0.2％。取样检测化学成分达到标准成分范围出钢，再镇静5分钟、温度达到1580℃时浇注铸型；
2、铸造工艺
造型采用组芯造型，外皮泥芯石英砂、内腔泥芯及盖箱泥芯使用镁碳石灰砂，并且要进窑在350℃烘干10小时，去除泥芯中的水分，减少泥芯在时的发气量，在制芯时所圆角处填放铬铁矿砂及暗成型冷铁。装配泥芯后仔细检查尺寸。冒口1的泥芯部分木模做出，其余部分配保温冒口套，浇注选取三包合浇，滑动水口直径80mm，要求8分钟完成。浇注后当冒口内钢水上升2/3高时点浇冒口并撒保温剂，图1、2是本发明冒口、浇口等铸造工艺简图.
3)热处理工艺，
图3是正火及回火的工艺图，待浇铸后的半成品冷却至350℃以下，脱模后去除冒口、浇口、铸件的内外面的残砂，再置于热处理炉内，缓慢升温至700℃，升温速率为60℃/小时，在700℃时保温均热3小时越过相变易裂区，之后继续升温至910℃，保温20小时使金相组织完全转化，将铸件从炉中拉出，在铸件四周均匀布置风机距铸件2-3米吹强风冷却至350℃，之后再进炉缓慢升温至650℃，升温速率为60℃/小时，在650℃保温22小时炉子停火让铸件在炉中随炉子一起降温，当温度降到350℃拉出炉子冷却到室温即可进行后续精整工序。
检验结果：
1、化学成分：
C 0.20％，Si 0.47％，Mn 1.560％，P 0.012％，S 0.004％，Cr 0.050％，Mo 0.015％，Cu 0.1％，V 0.014％，Al 0.016％，N 0.0070％。
2、机械性能
Rm 530、530、540Mpa，Rp0.2335、325、330Mpa，A4 29、31、30％，Z 66、69、66％，Kv 54、60、50；90、70、62；54、78、88J(0℃)。
无损检测：磁粉检测、超声波检测均达到英国劳氏船级社的要求。
实施例2：通过实践应用于承接的国外船级社的挂舵臂铸件重量65吨，总长7.5米，其技术质量要求如下：
1)化学成分
C≤0.23％，Si≤0.60％，Mn＝1.20-1.60％，P≤0.035％，S≤0.035％，Cr≤0.30％，Mo≤0.08％，Cu≤0.3％，V≤0.03％，Al＝0.015-0.08％，(N％xAlacidsol％)x105≤60。
2)机械性能
Rm≥520Mpa，Rp0.2≥260Mpa，A4≥20％，Z≥25％，Kv≥27J(0℃)。
3)铸件的表面及内部质量的磁粉无损检测和超声波无损检测达到船检要求。为此制定了详细的生产方案。
1、熔炼工艺
A、熔化阶段：将返回料(返回料是同类铸件的冒口、浇口等)40％；钢屑18％；生铁12％；废钢余量、和石灰1.5％投入电炉中通电熔化，同时吹氧助熔，吹氧管直径1/2′压力9公斤/厘米2，当钢水熔清后，取样分析碳、磷。
B、氧化阶段：在熔清的钢水中加入铁矿石1.5％、石灰1.5％，吹氧管直径1/4压力7公斤/厘米2，时间控制在15分钟，降碳除磷结束后使碳0.050％；磷达到0.02％，钢水温度1630℃扒除氧化渣。
C、还原阶段：在钢水中加入石灰11公斤/吨钢水；、萤石1.5公斤/吨钢水，碳粉1.3公斤/吨钢水及合金(SiMnFe、MnFe、SiFe)按标准成分下限，并加入脱氧剂铝块进行预脱氧、控制好铝块的加入量0.15％。温度达到出钢1590℃。
D、精炼阶段：将电炉中的钢水转到精炼炉中，再加入石灰3公斤/吨钢水、萤石1公斤/吨钢水及合金(SiMnFe、MnFe、SiFe)按标准成分中线调整。同时炉底直径1/2′管子通入7Kg/cm2的氩气直到精炼结束、调整氩气的压力使之起到平稳搅拌钢液又不能使钢液产生大的沸腾导致钢液二次吸入气体。
E、出钢：加入脱氧剂铝块进行终脱氧、控制好铝块的加入量0.08％。取样检测化学成分达到标准成分范围出钢，再镇静5分钟、温度达到1585℃时浇注铸型；
2、铸造工艺
造型采用组芯造型，外皮泥芯石英砂、内腔泥芯及盖箱泥芯使用镁碳石灰砂，并且要进窑在350℃烘干12小时，去除泥芯中的水分，减少泥芯在时的发气量，在制芯时所圆角处填放铬铁矿砂及暗成型冷铁。装配泥芯后仔细检查尺寸。冒口1的泥芯部分木模做出，其余部分配保温冒口套，浇注选取三包合浇，滑动水口直径80mm，要求10分钟完成。浇注后当冒口内钢水上升2/3高时点浇冒口并撒保温剂，图1、2是本发明冒口、浇口等铸造工艺简图.
3)热处理工艺，
图3是正火及回火的工艺图，待浇铸后的半成品冷却至350℃以下，脱模后去除冒口、浇口、铸件的内外面的残砂，再置于热处理炉内，缓慢升温至700℃，升温速率为60℃/小时，在700℃时保温均热3小时越过相变易裂区，之后继续升温至910℃，保温20小时使金相组织完全转化，将铸件从炉中拉出，在铸件四周均匀布置风机距铸件2-3米吹强风冷却至350℃，之后再进炉缓慢升温至650℃，升温速率为60℃/小时，在650℃保温22小时炉子停火让铸件在炉中随炉子一起降温，当温度降到℃拉出炉子冷却到室温即可进行后续精整工序。
检验结果：
1、化学成分：
C 0.19％，Si 0.38％，Mn 1.54％，P 0.016％，S 0.014％，Cr 0.09％，Mo 0.02％，Cu 0.13％，V 0.012％，Al 0.018％，N 0.0066％。
2、机械性能
Rm 525、530、540Mpa，Rp0.2310、325、300Mpa，A4 32、35、31％，Z 64、63、65％，Kv 48、30、50；48、60、62；44、46、58 J(0℃)。
无损检测：磁粉检测、超声波检测均达到国外船级社的要求。
实施例3：通过实践应用于承接的国外船级社的挂舵臂铸件重量38.8吨，总长4.3米，其技术质量要求如下：
1)化学成分
C≤0.23％，Si≤0.60％，Mn＝1.20-1.60％，P≤0.035％，S≤0.035％，Cr≤0.30％，Mo≤0.08％，Cu≤0.3％，V≤0.03％，Al＝0.015-0.08％，(N％xAlacidsol％)x105≤60。
2)机械性能
Rm≥520Mpa，Rp0.2≥260Mpa，A4≥20％，Z≥25％，Kv≥27J(0℃)。
3)铸件的表面及内部质量的磁粉无损检测和超声波无损检测达到船检要求。为此制定了详细的生产方案。
1、熔炼工艺
A、熔化阶段：将返回料(返回料是同类铸件的冒口、浇口等)30％；钢削16％；生铁14％；废钢余量、和石灰1.8％投入电炉中通电熔化，同时吹氧助熔，吹氧管直径1/2′压力8.5公斤/厘米2，当钢水熔清后，取样分析碳、磷。
B、氧化阶段：在熔清的钢水中加入铁矿石1.8％、石灰1.6％，吹氧管直径1/4压力6公斤/厘米2，时间控制在15分钟，降碳除磷结束后使碳0.058％；磷达到0。03％，钢水温度1635℃扒除氧化渣。
C、还原阶段：在钢水中加入石灰10.5公斤/吨钢水；、萤石1.8公斤/吨钢水，碳粉1.3公斤/吨钢水及合金(SiMnFe、MnFe、SiFe)按标准成分下限，并加入脱氧剂铝块进行预脱氧、控制好铝块的加入量0.18％。温度达到出钢1585℃。
D、精炼阶段：将电炉中的钢水转到精炼炉中，再加入石灰4.5公斤/吨钢水、萤石0.6公斤/吨钢水及合金(SiMnFe、MnFe、SiFe)按标准成分中线调整。同时炉底直径1/2′管子通入7.5Kg/cm2的氩气直到精炼结束、调整氩气的压力使之起到平稳搅拌钢液又不能使钢液产生大的沸腾导致钢液二次吸入气体。
E、出钢：加入脱氧剂铝块进行终脱氧、控制好铝块的加入量0.1％。取样检测化学成分达到标准成分范围出钢，再镇静5分钟、温度达到1570℃时浇注铸型；
2、铸造工艺
造型采用组芯造型，外皮泥芯石英砂、内腔泥芯及盖箱泥芯使用镁碳石灰砂，并且要进窑在300℃烘干8小时，去除泥芯中的水分，减少泥芯在时的发气量，在制芯时所圆角处填放铬铁矿砂及暗成型冷铁。装配泥芯后仔细检查尺寸。冒口1的泥芯部分木模做出，其余部分配保温冒口套，浇注选取两包合浇，滑动水口直径60mm，要求6分钟完成。浇注后当冒口内钢水上升2/3高时点浇冒口并撒保温剂，图1、2是冒口1、铸件3、浇注系统3等铸造工艺简图.
3)热处理工艺，
图3是正火及回火的工艺图，待浇铸后的半成品冷却至350℃以下，脱模后去除冒口、浇口、铸件的内外面的残砂，再置于热处理炉内，缓慢升温至700℃，升温速率为60℃/小时，在700℃时保温均热3小时越过相变易裂区，之后继续升温至910℃，保温20小时使金相组织完全转化，将铸件从炉中拉出，在铸件四周均匀布置风机距铸件2-3米吹强风冷却至350℃，之后再进炉缓慢升温至650℃，升温速率为60℃/小时，在650℃保温22小时炉子停火让铸件在炉中随炉子一起降温，当温度降到℃拉出炉子冷却到室温即可进行后续精整工序。
检验结果：
1、化学成分：
C 0.21％，Si 0.47％，Mn 1.480％，P 0.0126％，S 0.0089％，Cr 0.090％，Mo0.020％，Cu 0.13％，V 0.01％，Al 0.017％，N 0.0065％。
2、机械性能
Rm 550、530、545Mpa，Rp0.2360、350、355Mpa，A4 29、31、32％，Z 68、63、66％，Kv 58、106、55；66、76、104；82、64、74 J(0℃)。
无损检测：磁粉检测、超声波检测均达到国外船级社的要求。

Claims (1)

1、一种船舶挂舵臂的制造方法，其特征在于包括以下步骤：(以下配比均为重量百分比)
1、熔炼工艺
A、熔化阶段：将返回料30-45％，钢屑15-25％，生铁10-15％，石灰1-2％，余量为废钢，投入电炉中通电熔化，同时吹氧助熔，吹氧管直径1/2-3/4′，压力5-10公斤/厘米2，当钢水熔清后，取样分析碳、磷；
B、氧化阶段：在熔清的钢水中加入铁矿石1-2％、石灰1-2％，同时吹氧，吹氧管直径1/4-1′，压力6-8公斤/厘米2，时间控制在10-15分钟，降碳除磷结束后使碳含量达到0.05-0.1％，磷低于0.035％，钢水温度达到1590-1640℃，扒除氧化渣；
C、还原阶段：在钢水中加入石灰8-12公斤/吨钢水，萤石1-2公斤/吨钢水，碳粉1-1.5公斤/吨钢水，加入合金SiMnFe、MnFe和SiFe调整钢水中Si至0.3-0.6％，Mn至1.2-1.6％，并加入脱氧剂铝块0.1-0.2％进行预脱氧，使温度达到出钢温度1570-1600℃；
D、精炼阶段：将电炉中的钢水转到精炼炉中，再加入石灰2-5公斤/吨钢水、萤石0.5-1公斤/吨钢水，加入合金SiMnFe、MnFe和SiFe调整钢水中Si至0.25-0.60％，Mn至1.4—1.6％；同时炉底以直径1/2-3/4′的管子通入5-8公斤/厘米2的氩气直到精炼结束；
E、出钢：出钢前加入脱氧剂铝块0.05-0.2％进行终脱氧，取样检测化学成分达到标准成分范围出钢，再镇静5分钟、温度达到1560-1590℃时浇注铸型；
2、铸造工艺
造型采用组芯造型，外皮泥芯石英砂、内腔泥芯及盖箱泥芯使用镁碳石灰砂，并且要进窑在250-350℃烘干8-12小时，去除泥芯中的水分，减少泥芯在时的发气量，在制芯时所圆角处填放铬铁矿砂及暗成型冷铁；装配泥芯后仔细检查尺寸；冒口泥芯部分木模做出，其余部分配保温冒口套，浇注选取多包合浇，滑动水口直径60-80mm，要求6-10分钟完成，浇注后当冒口内钢水上升2/3高时点浇冒口并撒保温剂；
3)热处理工艺，
待浇铸后的半成品冷却至350℃以下，脱模后去除冒口、浇口、铸件的内外面的残砂，再置于热处理炉内，缓慢升温至600-700℃，升温速率为60-70℃/小时，在600-700℃时保温均热3-5小时越过相变易裂区，之后继续升温至850-910℃，保温16-20小时使金相组织完全转化，将铸件从炉中拉出，在铸件四周均匀布置风机距铸件2-3米吹强风冷却至200-350℃，之后再进炉缓慢升温至600-650℃，升温速率为60-70℃/小时，在600-650℃保温18-22小时炉子停火让铸件在炉中随炉子一起降温，当温度降到250-350℃拉出炉子冷却到室温即可进行后续打磨、粗加工、尺寸检验、无损检验、涂漆即得铸件成品。
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