CN101568662A - 制造钢坯的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钢坯制造方法，尤其涉及包括电渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)，以得到良好机械性能的钢坯的制造方法。所得钢坯能广泛用于制造压力设备元件，特别是制造炮管的领域之中。

Description

制造钢坯的方法
本发明涉及制造钢坯，尤其是制造构成至少一个压力设备元件的管坯的方法。
现有技术
用于制造能承受4,000-10,000巴压力的压力设备元件，特别包括用于构成压力设备元件的气缸盖的塞或套筒或压力设备元件的管，尤其是炮管的超高性能钢已经研发了很多年。这些钢必须符合定义非常严格的组分质量且必须具有非常良好的机械性能，特别是在低温下，具有非常高的弹性极限及良好的弹性/韧性极限比。
获得很低的硅和锰含量，但相对高的铬、钼和镍含量是非常必要的。
与这些机械性能相对应的钢生产中所用的不同组分已经在现有技术中提出，但这些钢的机械性能必须进一步提高。专利DE 19531260C2对这些组分进行了特别描述。因此，组分在机械性能方面，特别是低温下的弹性极限及弹性/韧性极限比必须得到改进。
已知方法不能相对可靠地生产具有所需机械性能特别是在低温下的弹性极限和弹性极限/韧性比的钢组分。
发明目的
本发明主要目的是解决上文中提及的技术问题，特别是提供适合构成压力设备元件、能提供高机械性能，特别是在低温下的弹性极限和最优弹性极限/韧性比的钢组分。
本发明的主要目的还在于解决上文中提到的技术问题，特别包括提供符合上述要求的组分坯的制造方法，尤其用于生产具有良好机械性能，尤其包括极高弹性极限，同时能在低温下获得高弹性极限值和高韧性值的钢。
本发明的目的特别在于在制造压力设备元件范围内解决此技术问题。
发明的描述
特别地，已发现的钢坯组分主要包括：
碳：0.35-0.43，
锰：＜0.20，
硅：＜0.20，
镍：3.00-4.00，
铬：1.30-1.80，
钼：0.70-1.00，
钒：0.20-0.35，
其余为铁，
以总组分及控制在最低水平、不可避免的杂质的重量百分比计，杂质尤其包括铜(优选＜0.100)；铝(优选＜0.015)；硫(优选＜0.002)；磷(优选＜0.010)；锡(优选＜0.008)；砷(优选＜0.010)；锑(优选＜0.0015)；通常主要由原材料引入；钙(优选＜0.004)，分子氧(优选＜0.004)；分子氢(优选＜0.0002)和分子氮(优选＜0.007)，通常主要在制造工艺中引入。该组分响应于符合制造能承受4,000-10,000巴压力的压力设备元件(例如压力设备的气缸盖的塞子或套筒或压力设备的管所必须的机械性能要求。
主要由于分子氮、分子氧和分子氢的含量，还与特定的碳、锰、硅、镍和铬含量相关，特别当热力学平衡在某种程度上被打破时，这些钢不容易获得。
令人惊奇地发现，上文中提到的技术问题可以通过采用电渣重熔工艺或真空弧重熔工艺并且优选电渣重熔工艺加以解决。电渣重熔工艺或真空弧重熔工艺通常不应该用于这些打破热力学平衡的组分，特别不用于降低在压力设备和武器领域中应用必需的机械性能，尤其是非常高的弹性极限。
因此，本发明描述了钢坯的制造方法，其包括电渣重熔或真空弧重熔。在电渣重熔或真空弧重熔后，所述坯具有组分主要包括：
碳：0.35-0.43，优选0.37-0.42，
锰：＜0.20，优选＜0.15，
硅：＜0.20，优选＜0.100，
镍：＞3.00且≤4.00，优选3.50-3.80，
铬：1.30-1.80，优选1.50-1.70，
钼：优选0.70-1.00，
钒：优选0.20-0.35，更优选0.25-0.30，
其余是铁，
以总组分及不可避免的杂质的重量百分比计，杂质尤其包括分子氮(优选＜70ppm)，分子氧(优选＜30ppm)和分子氢(优选＜2ppm)。
所述方法优选包括焊条的电渣重熔，以在上述电渣重熔后得到所述坯组分，电渣重熔包括：
以渣总组分的重量百分比计，渣组分主要包括：
CaF2：60-70；
Al2O3：10-20；
CaO：10-20；
SiO2：5-10％。
优选地，电渣重熔在惰性气氛并且优选在氩气气氛中进行。
优选地，该方法包括加入铝以连续还原渣。
优选地，渣以液体或固体形态引入。
优选地，以总组分及不可避免的杂质的重量百分比计，在电渣重熔或真空弧重熔后坯组分主要是：
碳：0.37-0.42，
锰：0.060-0.130，
硅：0.040-0.120，
镍：＞3.00且≤4.00，优选3.50-3.80，
铬：1.30-1.80，优选1.50-1.70，
钼：0.70-1.00，
钒：0.25-0.30，
铝：≤0.015，优选＜0.012。
在电渣重熔后，坯组分优选包括控制在最低水平的不可避免的杂质，尤其以分子氧(优选＜30ppm)、分子氢(优选＜1.8ppm)和分子氮(优选＜70ppm)的形式存在。
通常与原材料相关的其它杂质主要以铜(优选＜0.100)；铝(优选＜0.012)；硫(优选＜10ppm)；磷(优选＜50ppm)；锡(优选＜0.008)；砷(优选＜0.010)；锑(优选＜0.0015)；钙(优选＜30ppm)的形式存在。
根据具体实施例，所述方法包括在电渣重熔或真空弧重熔前进行VAD(真空电弧脱气)处理。
真空电弧脱气(VAD)处理优选包括VCD(真空碳脱氧)处理，包括测量氧活度；在电渣重熔或真空弧重熔前添加渣补充物以调整焊条组分，从而确保硅含量低于0.050％、铝含量低于0.012％，同时确保分子氧活性含量低于10ppm，最终脱气以特别得到分子氢含量＜1.2ppm，最终倾析以确保消除金属掺杂物。
优选地，所述方法包括，真空电弧脱气(VAD)处理前，在不从电加热炉带入渣的情况下转移金属的方法，优选逐钢包地转移。
优选地，所述方法包括逐钢包地转移前，在电弧加热炉上进行处理。
优选地，所述方法包括在电渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)后，对得到的铸锭退火，包括至少在足够长的时期内恒温，以确保电渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)后得到的坯组分的基本完全马氏体相变。
电渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)后得到的坯能用于制造压力设备件，尤其是能承受4,000-10,000巴压力的压力设备元件的气缸盖的塞或套筒或压力设备元件的管，特别包括炮管。
优选地，所述方法包括退火后锻造完成变形，其后，对坯进行热处理，以得到主要具有马氏体结构的钢，从而得到优选的机械性能。
利用气体分析仪，钢的气体含量(O2，N2，H2)被方便地计量出来。
本发明尤其涵盖此方法任一阶段中可能得到的任何形式的钢，特别包括用于电渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)的坯、管、汽缸或焊条。
通过下列解释性描述，本发明的其它目的、特征和优势将清晰地展现于专家面前，该解释性描述参考以说明性方式单独给出的实施例，但绝不限制本发明的范围。
实施例是本发明的主要部分，在包括实施例在内的作为一个整体的描述中，任何相对于现有技术看起来很新颖的特征，其功能和通用性是本发明的主要部分。
所以每个实施例具有一个通用范围。
尽管如此，除有另外说明，此处实施例中全部百分比均以重量记，并且除有另外说明，温度以摄氏度给出，而除有另外说明，压力均是大气压力。
实施例
实施例1：焊条钢电渣重熔
电渣重熔工艺在焊条上进行，该焊条的组分主要包括：
碳：0.37-0.42，
锰：＜0.15，
硅：＜0.100，
镍：3.50-3.80，
铬：1.50-1.70，
钼：0.70-1.00，
钒：0.25-0.30，
以总组分及不可避免的杂质的重量百分比计，杂质包括分子氮(优选＜70ppm)，分子氧(优选＜15ppm)和分子氢(优选＜1.2ppm)。
电渣重熔(ESR)主要包括：
-优选将残头焊接到焊条底侧；
-启动前，将固态渣装填物置于焊条与电渣重熔(ESR)锭模之间，或者将液态渣加于电渣重熔(ESR)锭模底部；
-渣组分例如包括：60-65％的CaF2，10-15％的Al2O3，10-15％的CaO，5-10％的SiO2。渣代表焊条重量的最少2.3％；
-重熔速率通常为稳态下10-20kg/min；
-通过加入铝还原渣(＜1公斤/吨焊条)；
-整个重熔过程在微过压的氩气中进行，以避免氮气吸入和钢再氧化。
优选地，所述方法包括对重熔完成时与液体对应良好的部分进行密封。然后，待顶部完全固化后，立即将铸锭从模具中趁热移出。
渣中硅、铝含量的控制主要调节重熔锭中硅、铝含量的均匀性，优选在电渣重熔(ESR)后得到≥0.040％的硅含量，从而避免产品出现多孔类的任何缺陷。
该坯能用于制造管，特别是用于武器工业中的管，尤其包括炮管。
实施例2：钢焊条真空弧重熔(VAR)
真空弧重熔(VAR)工艺焊条上进行，该焊条的组分主要包括：
碳：0.37-0.42，
锰：＜0.15，
硅：＜0.100，
镍：3.50-3.80，
铬：1.50-1.70，
钼：0.70-1.00，
钒：0.25-0.30，
以总组分及不可避免的杂质的重量百分比计，杂质包括分子氮(优选＜70ppm)，分子氧(优选＜15ppm)和分子氢(优选＜1.2ppm)。
真空弧重熔(VAR)主要包括：
-优选将残头焊接到焊条底侧；
-低速重熔装填物；
-重熔速率通常为真空度＜10-5大气压时，稳态下7-16kg/min；
优选地，所述方法包括对重熔完成时与液体对应良好的部分进行封盖。然后，待顶部完全固化后，立即将铸锭从模具中趁热移出。
该坯能用于制造管，特别是用于武器工业中的管，尤其包括炮管。
实施例3：钢处理-得到电渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)重熔锭
该实施例阐明了用于电渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)例如在实施例1范围内可用的焊条制备。
1)初处理：
1.1分析针对：铸造中和电渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)前，以百分比计。
总体目标是在电渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)前，坯组分主要包括：
C＝0.37-0.42
Mn＜0.15
如果初加工时＜0.100
Ni＝3.50/4.00
Cr＝1.50-1.70
Mo＝0.70-1.00
V＝0.25-0.30
以总组分及不可避免的杂质的重量百分比计，杂质通常包括下文给出的、含量控制在尽可能低范围内的组分，优选如下给出的值：
S＜20ppm，通常＜10ppm
P＜60ppm，通常＜50ppm
Cu＜0.100
Al＜0.015，优选＜0.012
As＜0.010
Sn＜0.008
Sb＜20ppm
Ca＜30ppm
N2＜70ppm
O2＜30ppm
H2＜1.8ppm
以总组分的重量百分比计。
1.2原材料的选择
原材料的选择旨在限制杂质的含量，但主要用作后续渣脱氧的铝除外。
1.3电弧加热炉处理(EAF)
由实施例，电弧加热炉处理包括如下阶段：
a)加入原材料的同时加入石灰和碳(石墨)，并氧化熔融金属元素；
b)加料目标，例如：以总组分的重量百分比计，C1.0-1.4，如果＜0.5，Mn＜0.4，Cr＜0.7，Ni约3.5，Mo约0.70，P＜0.010，S＜0.008，V＜0.50；
c)例如约1500℃下氧化熔融；
d)脱磷以确保磷含量≤40ppm；
e)约1580℃下仔细清除渣；
f)加入石灰和CaF2，并加热到约1600℃；
g)脱碳：例如，吹氧得到：
0.150＜C＜0.200％，Mn＜0.08％，如果＜0.030％，P≤40ppm；
h)加热到约1700℃；
i)清除渣，测量O2活度(＜400ppm)。
例如，用电化学柱测量O2活度。
1.4钢包铸造转移：
此阶段特别除去源于加热炉的氧化渣，确保了对锰、硅、铝含量的控制。
此阶段不包括钢脱氧或加入碳(石墨)，其目标是O2活度低于100ppm。
1.5将渣初始加入到真空电弧脱气(VAD)处理的钢包底部，在真空电弧脱气(VAD)处理的钢包中逐钢包地转移。
-渣组分：石灰(例如约50-70％)，CaF2(例如约5-10％)，铝(例如约10-20％)加入到真空电弧脱气(VAD)钢包中。
-逐钢包地转移：在加热炉渣通过前停止。
1.6真空弧重熔(VAR)处理：在真空加热钢包中进行真空电弧脱气(APCV)
此阶段包括：
a)VCD处理：通过反应：C+O→CO进行真空碳脱氧以确保钢的最大脱氧，从而避免金属掺杂物沉淀。
此工艺尤其包括测量O2活度及至少加热到1600℃以上。
b)渣脱氧：加入渣补充物以调节其组成并用碳、铝和硅-钙(SiCa)对后者进行脱氧，以确保含量例如如下：硅＜0.050％，铝＜0.010％，并确保氧含量活度＜10ppm。
-渣组分主要是：石灰(例如约50-70％)，CaF2(例如约5-10％)，Al2O3(例如约10-20％)，例如通过加入SiCa(例如约2/3)，Al(例如约1/3)和C＞0.350％的碳(石墨)，其被还原。
-例如加热到约1600℃，测量氧气活度(＜10ppm)。
c)分析调控：确保包括碳、锰和硅在内的分析目标。
-例如加热到1630/1650℃；
-分析控制增加：Mn、Cr、Ni、Mo、C、V；
-例如温度加热到1620℃以上。
-测定O2活度(＜10ppm)。
d)最终脱气：降低氢含量到1.2ppm下，以避免锻造后产品出现任何发裂类缺陷的后续危险。
这些尤其能被泛应用于：
-在压力(P)低于1.33毫巴(约1托)下，脱气超过约15min；
-加热到约1600℃：
-测定O2活度(＜10ppm)；
-通过Hydriss探针控制分子氢含量。
e)最终倾析：
-铸模铸造前，在约700毫巴压力和约1570℃温度下，倾析超过15分钟以确保除去金属掺杂物。
真空弧重熔(VAR)的整个过程在部分真空(例如约700毫巴)下进行，以避免任何金属再氧化；贯穿不同阶段，该工艺通过测定氧气活度(＜10ppm)加以控制。初始真空碳脱氧处理能控制钢的氧化状态，以得到低锰含量(＜0.050％)，如果(＜0.050％)及小于0.012％的铝含量。
最终脱气处理同时确保了非常低的硫(＜10ppm)和分子氧(＜15ppm)含量及低分子氢(＜1.2ppm)和分子氮(＜70ppm)含量。
最终脱气确保了最终清除相当多的钢的掺杂物。
2)锭模中的铸锭：
当在锭模中铸造时，用于重熔的铸锭或焊条在例如氩气保护下进行铸造，以避免任何金属再氧化。
用于电渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)的焊条优选在电渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)前密封，以确保适宜的密度及铸锭良好的宏观清洁度。
优选地，铸造速率被仔细控制以避免任何在焊条上形成表面裂纹的危险。
3)在电渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)前使焊条退火：
在完全固化后，铸锭或焊条从模具中趁热移出，并在加热炉中或隔热罩下缓慢冷却至低于约150-200℃。保持该温度约6-10个小时，以确保表层产物的完全马氏体相变。
随后，在加热炉中，铸锭或焊条在约6-8小时内回升温度到约650℃，然后保持此温度至少24个小时使其软化。此后，铸锭被缓慢(例如＜30℃/h)冷却到最低约300℃。
4)焊条的制备：
如果铸锭已经被密封，通过除去较早获得的铸锭(或焊条)的头罩，确保了用于电渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)的焊条的制备。
5)焊条的重熔：
根据5.1或5.2进行焊条重熔：
5.1根据实施例1进行电渣重熔(ESR)，以得到铸锭形式的坯(例如具有735mm的直径)。
5.2根据实施例2进行真空弧重熔(VAR)，以得到铸锭形式的坯(例如具有640或710mm的直径)
6)电渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)铸锭的退火：
此退火与阶段3中的退火相同或可比。然而，在650℃下保温后，可以直接取回铸锭进行锻造。
7)变形：锻造及热处理
考虑到钢组分及制造工艺对机械性能的影响，得到的铸锭能变形以提供能用于压力设备中的管；作为武器元件，例如炮管；或气缸盖元件。
铸锭尤其经历了如下变形阶段：
7.1在锻造前加热铸锭：
在几个阶段加热铸锭，以减少产品中出现偏析(例如至少15个小时)。
7.2锻造包括至少一个热的管(例如具有120mm的内径)。
7.3锻造后退火，以改善钢的微结构(规格化阶段)，并避免任何冷却时开裂的危险(加热炉冷却阶段)，当电渣重熔(ESR)铸锭已在固态渣中重熔后，采用抗发裂退火以避免冷却后产品出现发裂或氢缺陷。
7.4随后，能在包括调质热处理在内的热处理型面上进行预锻造。
7.5调质处理的目的在于通过优化-40℃下的弹性极限/恢复力及K1c(或KQ)或J1c，赋予管全部必需的机械性能。
通过避免裂化危险，在适当强度的液体中淬火导致了完全马氏体结构的形成。调质热处理优选包括500℃以上、最高硬度时的第一回火；通过提高恢复力水平，在非常接近的温度下进行两次回火以确保沿管的机械性能具有很强的均匀性；进行两次回火且在最终回火后缓慢冷却，以确保管的最终平直度，防止在最终加工中变形。

Claims (13)

1.包括电渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)的钢坯制造方法，在ESR或VAR后，所述钢坯的组分主要包括：
碳：0.35-0.43，优选0.37-0.42，
锰：＜0.20，优选＜0.15，
硅：＜0.20，优选＜0.100，
镍：＞3.00且≤4.00，优选3.50-3.80，
铬：1.30-1.80，优选1.50-1.70，
钼：0.70-1.00，
钒：0.20-0.35，优选0.25-0.30
其余为铁，
以总组分及不可避免的杂质的重量百分比计，所述杂质包括氮(优选＜70ppm)，氧(优选＜30ppm)和分子氢(优选＜2ppm)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：其包括焊条的电渣重熔(ESR)，以在ESR后生产所述坯组分，所述渣的组分主要包括：
CaF2：60-70；
Al2O3：10-20；
CaO：10-20；
SiO2：5-10；
以所述渣的总组分的重量百分比计。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：其包括加入铝对所述渣进行连续脱氧。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于：所述ESR在惰性气氛，优选在氩气气氛中完成。
5.如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于：在ESR或VAR后，所述坯组分主要是：
碳：0.37-0.42，
锰：0.060-0.130，
硅：0.040-0.120，
镍：＞3.00且≤4.00，优选3.50/3.80，
铬：1.30-1.80，优选1.50-1.70，
钼：0.70-1.00，
钒：0.25-0.30，
铝：≤0.015，优选＜0.012，
以总组分及不可避免的杂质的重量百分比计。
6.如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于：其包括在ESR或VAR前的VAD(真空电弧脱气)处理，优选包括VCD(真空碳脱氧)处理，其包含测定氧气活度，在ESR或VAR前加入用于调节焊条组分的渣补充物，以确保硅含量小于0.050％、铝小于0.012％，同时确保分子氧活度含量小于10ppm，最终脱气以尤其得到分子氢含量＜1.2ppm，最终倾析以确保消除金属掺杂物。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：其包括在VAD处理前，在不从所述电加热炉带入渣的情况下转移金属的方法，优选逐钢包地转移。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：其包括在逐钢包地转移前，在电弧加热炉上进行处理。
9.如前述任一权利要求所述的方法，其特征在于：其包括在电渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)后退火，包括至少在足够长的时期内恒温，以确保电渣重熔或真空弧重熔后得到的坯组分的基本完全马氏体相变。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于：其包括退火后锻造完成坯变形，然后，进行热处理，以得到主要具有完全马氏体结构的钢。
11.根据权利要求1至10中任一权利要求所述方法得到的钢组分，所述组分主要包括：
碳：0.35-0.43，
锰：＜0.20，
硅：＜0.20，
镍：3.00-4.00，
铬：1.30-1.80，
钼：0.70-1.00，
钒：0.20-0.35，
其余为铁，
以总组分及不可避免的杂质的重量百分比计，所述杂质包括分子氮＜70ppm，分子氧＜30ppm和分子氢＜2ppm。
12.权利要求1至10中任一权利要求所述方法得到的钢坯。
13.权利要求12中定义的坯在制造压力设备元件，尤其是在制造炮管中的用途。
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