CN103255351B

CN103255351B - 一种高均质大规格超高强度钢锭及其制造方法

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Publication number: CN103255351B
Application number: CN201310130684.2A
Authority: CN
Inventors: 张景海; 郭军霞; 田玉新; 陈杰
Original assignee: Baosteel Special Steel Co Ltd
Current assignee: Baowu Special Metallurgy Co Ltd
Priority date: 2013-04-16
Filing date: 2013-04-16
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2033-04-16
Also published as: CN103255351A

Abstract

一种高均质大规格超高强度钢锭及其制造方法，其化学成分的重量百分比为：C：0.29-0.36%，Mn：0.50-1.50%，Si：1.20-2.50%，Cr：0.90-1.20%，Ni：5.00-6.00%，Mo：0.50-1.00%，V≤0.35%，Nb≤0.04%，S≤0.005%，P≤0.01%，O≤20PPm，N≤25PPm，其余为Fe和不可避免的杂质；该钢锭锻造成400mm-500mm直径的钢棒的纵向力学性能：R_m≥1800MPa，R_p0.2≥1470MPa，A≥10%，Z≥44%，20℃下A_ku≥60J，横向力学性能与纵向力学性能之比达到92%以上，达到了高均质的要求，其低倍组织中的白斑、暗斑、径向偏析、年轮状偏析分别达到AAAB级,优于按ASTMA604-93检验的低倍组织合格级别；该钢锭的直径Ф为760-920mm。

Description

一种高均质大规格超高强度钢锭及其制造方法

技术领域

本发明涉及超高强度钢冶金领域，尤其涉及一种高均质大规格超高强度钢锭及其制造方法，该钢锭锻造成∮400mm-500mm直径的钢棒的纵向力学性能：R_m≥1800MPa，R_p0.2≥1470MPa，A≥10％，Z≥44％，20℃下A_ku≥60J，横向力学性能与纵向力学性能之比达到92％以上，达到了高均质的要求，其低倍组织中的白斑、暗斑、径向偏析、年轮状偏析分别达到AAAB级，优于按ASTMA604-93检验的低倍组织合格级别。

背景技术

超高强度钢分为低合金超高强度钢、马氏体时效钢、二次硬化钢，一般强度大于1400MPa，一般用途的钢种，其横向性能(除强度外)延伸率、断面收缩和冲击韧性通常是纵向性能的75～85％，如：30CrMnSiNi2A钢小于∮200mm钢棒，纵向力学性能抗拉强度在1680MPa、冲击韧性在61J，横向力学性能冲击韧性49J；30Cr3SiNiMoVA∮300钢棒，抗拉强度1740MPa，冲击韧性52J，横向力学性能冲击韧性40J；00Ni18Co8Mo5TiAl钢∮200钢棒，强度在1750～1850MPa，冲击韧性在55～70J，横向冲击韧性41～60J；多年来数据统计，钢的冲击韧性比较分散，对于大规格材料其冲击韧性比小规格材还要低。常规用途的材料通常不要求横向性能，钢锭锻轧时直接拔长，由于纵向变形大，横向变形小，成品力学性能延伸率、断面收缩率、冲击韧性只有纵向性能的75～85％，即纵横向性能差异大，钢材各向异性明显，即钢材均匀性和各向性能一致性不好。

均质化：产品质量均匀即化学成分、组织、各方向力学性能均匀并趋于一致，通常把力学性能横纵向性能之比大于90％的材料称为高均质材料。用常规的制造方法不能满足这种要求，因此，必须进行均质化制造。

随着高科技产品要求的提高，特别是横向性能要求高的产品，要求均质化。

GB/T3077规定最大尺寸规格是直径∮400mm，大于∮400mm直径的材料称为大规格材。而生产大规格钢棒为了保证成品钢棒性能需要加大钢锭尺寸，否则，由于锻造比低，钢锭加工过程中因铸造组织(树枝晶)不能彻底破碎，影响钢的性能。

如某工程用材料尺寸规格∮400～∮550mm，要求(纵向)：R_m≥1760MPa，R_p0.2≥1350MPa，A≥8％，Z≥40％，A_ku≥60J，横向冲击韧性要求达到纵向性能的90％以上，低倍组织按ASTMA604-93检验，低倍组织合格级别应优于表1所示的规定。

表1

黑斑	白斑	径向偏析	环状组织
				A	A	B	B

现有的相关专利，如中国专利CN102212760A的新型无钴高强高韧钢G50，该钢种的化学成分(wt.％)为：C：0.26-0.30，Mn：0.40-0.75，Si：1.70-2.10，Cr：0.90-1.20，Ni：4.3-4.86，Mo：0.50-0.70，Nb：0.02-0.04，抗拉强度≥1680MPa、冲击韧性达到≥60J，但其仅试制了小于∮320mm钢棒，不属于大规格钢棒级别，无法预料采用该成分生产的大规格钢棒的均质性。30CrMnSiNi2A钢淬透性不能满足≥∮400mm钢棒的要求，强度也达不到其要求。国外有关高均质钢未见相关资料报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高均质大规格超高强度钢锭及其制造方法，该钢锭锻造成∮400mm～500mm直径的钢棒的纵向力学性能：R_m≥1800MPa，R_p0.2≥1470MPa，A≥10％，Z≥44％，20℃下A_ku≥60J，横向力学性能与纵向力学性能之比达到92％以上，达到了高均质的要求，其低倍组织中的白斑、暗斑、径向偏析、年轮状偏析分别达到AAAB级，优于按ASTMA604-93检验的低倍组织合格级别，钢锭的直径Φ为760-920mm。本发明给出了该大型钢锭及其冶炼制造方法，生产出的大规格钢棒，满足超高纯度、低气体、高低倍组织要求、高横纵向性能比的冶金质量要求。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种高均质大规格超高强度钢锭，其化学成分的重量百分比为：C：0.29-0.36％，Mn：0.50-1.50％，Si：1.20-2.50％，Cr：0.90-1.20％，Ni：5.00-6.00％，Mo：0.50-1.00％，V≤0.35％，Nb≤0.04％，S≤0.005％，P≤0.01％，O≤20PPm，N≤25PPm，其余为Fe和不可避免的杂质；该钢锭的直径Φ为760-920mm，该钢锭锻造成∮400-500mm直径的钢棒的纵向力学性能：抗拉强度R_m≥1800MPa，屈服强度R_p0.2≥1470MPa，延伸率A≥10％，断面收缩率Z≥44％，20℃下冲击韧性A_ku≥60J，横向力学性能与纵向力学性能之比达到92％以上，达到了高均质的要求，其低倍组织中的白斑、暗斑、径向偏析、年轮状偏析分别达到A、A、A、B级，优于按ASTMA604-93检验的低倍组织合格级别。

本发明的高均质大规格超高强度钢锭的制造方法如下：

为了获得高均质钢首先要获得化学成分和组织均匀的钢锭，提高横向性能，钢锭凝固时要获得更多的等轴晶，需要快速凝固，同时要求低温浇铸。

为此，本发明首先对上述化学成分的钢锭的冶炼方法进行了选择：

(1)电弧炉+真空脱气熔炼：该冶炼方法采用高真空、充分搅拌和低温控制，气体含量可以达到[O]≤20PPm，但[N]≥50PPm，不能满足氮≤30ppm的要求，但是钢锭凝固时树枝晶粗大，横向性能低，生产大于∮400mm的钢棒横向性能难以保证，不能满足均质化要求；低倍组织也很难满足上述技术级别要求；

(2)电渣重熔冶炼：该冶炼方法有吸气能力，氮含量不易保证达到上述技术要求；

(3)真空自耗炉熔炼：真空自耗炉具有超强的脱气能力，可以达到氧氮控制要求；真空自耗炉重溶过程由于超高真空度、慢速熔炼、快速冷却和凝固条件，钢锭形成大量等轴晶，偏析倾向降低，低倍组织可以达到技术要求，并可显著提高横向性能；

为了确保大规格材料满足上述化学成分要求和低倍组织及力学性能要求的冶炼方法只有采用真空感应炉+真空自耗炉重溶冶炼工艺；

本发明还选择了钢锭尺寸规格：

为了保证锻造比，满足上述化学成分的钢锭尺寸规格采用直径Φ810mm的钢锭。

本发明的高均质大规格超高强度钢锭的制造方法，具体包括如下步骤：

(1)真空感应炉熔炼，包括熔化和精炼：

(a)熔化：

按照上述化学成分的配比进行备料，将除金属Mn外的原料采用真空感应炉进行预热，当真空度≤4Pa时给电熔化，熔化功率为400-1000kW，熔化期控制真空度≤5Pa，如果沸腾降功率；全熔后功率升至1000-2000kW保持7-10分钟，温度达到1580-1600℃，获得熔化后的钢水。

(b)精炼：

将真空感应炉内充氩气并将金属Mn加入溶化后的钢水中，在1580-1600℃高温下进行精炼，为了获得高均质化钢材，钢水采用电磁搅拌，全程搅拌时间5～10分钟，获得精炼钢水。

(2)浇铸、冷却、退火：

将精炼钢水采用上铸法浇铸成电极钢锭，浇铸温度控制在1520～1550℃的低温；浇铸后的电极钢锭先进行模冷冷却75-120min，再进行退火、保温，然后炉冷至500℃以下进行空冷，获得退火后的电极钢锭，退火温度为640-660℃，保温时间为15-25h。

(3)修磨：

将退火后的电极钢锭用砂轮磨光，表面清理至金属本色。

(4)真空自耗炉重熔：

将修磨后的电极钢锭采用真空自耗炉重熔，熔炼速度为7～7.5公斤/分钟；熔毕进行模冷冷却，冷却时间为80-120min，冷却至钢锭表面温度在350-500℃热送退火炉退火、保温，退火温度为650-670℃，保温时间为15-25h；然后炉冷至500℃以下进行空冷，表面车光后获得所述高均质大规格超高强度钢锭。

上述步骤(1)的(a)中原料准备：所用金属料及合金料如原料钢、金属Mo、金属Ni、金属Cr、结晶Si、金属Mn、金属V和金属Nb、碳粒等应洁净，不得有油污、杂物。

进一步的，上述步骤(1)的(a)中，原料中的原料钢按照如下化学成分的配比采用EAF+LF+VD三步法冶炼，经热轧、切割、磨光后制得，其化学成分如表2所示。

表2

C

S

P

Si

Mn

Al

Ti

Cu

Fe/杂质

0.20-0.35

≤0.002

≤0.006

≤0.30

≤0.60

≤0.050

≤0.01

≤0.20

其余

如，原料钢采用EAF+LF+VD冶炼2.3吨钢锭，热轧按GB699的30#钢工艺轧制100×100方料，切割成250～300mm长度，磨光后交付真空感应炉进行配料。

上述步骤(2)中，

①精炼钢水浇铸采用上注法，为了提高锻造比，电极钢锭可采用∮640mm～∮810mm*3000(mm)的规格；

②为了获得上述化学成分和组织均匀的钢锭采用低温浇铸，浇铸温度需要控制在1520～1550℃；

③冷却及钢锭退火工艺：如浇铸后钢锭模冷90分钟，脱模后红送退火；电极钢锭退火目的：防止钢锭裂纹，降低硬度，便于电极表面清理和修磨；退火温度：650℃±10℃保温20小时炉冷至500℃空冷。

上述步骤(4)中，

较佳的，真空自耗炉重熔的电压为22～25V，电流为13～13.5KA。

真空自耗钢锭尺寸规格可以为∮760mm～∮920mm*2000～2500mm；

开始封顶电极重量可为600kg左右，冶炼结束电极剩余重量可为100Kg；

辅助电极：同钢种或近似钢种墩子(如：4340H)；

自耗锭退火工艺：待料过程钢锭表面温度不得低于350℃，防止裂纹。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

本发明采用真空感应炉(VIM)+真空自耗炉(VAR)冶炼工艺，制造如∮810mm的大钢锭，VIM采用高真空冶炼、低温浇铸和充分搅拌，保证化学成分和残余元素O、N等的控制要求，同时低温1520～1550℃浇铸形成大量等轴晶，并减少偏析；VAR重溶过程慢速溶化、快速凝固及高真空溶化控制，同时进一步脱气，制造高均质钢锭；钢锭经4000吨快锻机锻造生产如∮400mm～∮500mm的钢棒，经检验，其低倍组织：白斑、暗斑、径向偏析、年轮状偏析分别达到AAAB级别，横向性能达到纵向性能的92％以上，达到均质化目的。

附图说明

图1为本发明的自耗钢锭退火工艺曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细描述。

本发明的高均质大规格超高强度钢锭的制造步骤包括：原料钢生产(电弧炉冶炼+LF+VD精炼+ICM浇铸)→原料钢的热轧→真空感应炉熔炼、浇铸Φ640-810mm电极→电极退火修磨→真空自耗炉重熔→退火→精整入库。

实施例1

(1)真空感应炉VIM熔炼

(a)原材料：原料钢化学成分(wt％)：C：0.30％、Si：0.35％、Mn：0.04％、S：0.001％、P：0.004％、Al：0.03％、Cu：0.06％，其余为Fe。金属Fe选用特制规格的工业纯铁，规格100*100*300，表面光洁、无锈、无污物。

原料钢按照上述化学成分的配比采用EAF+LF+VD三步法冶炼，经热轧、切割、磨光后制得，热轧按GB699的30#钢工艺轧制，磨光后交付真空感应炉进行配料。

(b)真空感应炉熔炼：

熔化：按照表4所示的化学成分进行配料(金属Mo、金属Ni、金属Cr、结晶Si、金属Mn、Nb、V、碳粒等表面光洁、无锈、无污物)，将除全部Mn外的其余材料按原料钢、金属或合金料、原料钢顺序加入坩埚中，抽真空，给电预热，功率控制在300KW，当真空度≤4Pa，大功率溶化，熔化功率控制在500～900KW，熔化期控制真空度≤5Pa，溶化期如沸腾，降功率，全溶后功率升至1500KW，保持10分钟，测温1580℃，获得溶化后的钢水；

精炼：将获得的溶化后的钢水进行精炼，精炼温度为1580℃，精炼时间保持60分钟后电磁搅拌4分钟后取样，当氮≤25ppm，调整化学成分Si、Cr、Ni、Mo、Nb和V，将调整的金属料加入坩埚，全溶后炉内充氩气3000pa，加金属锰，全溶搅拌5分钟，出钢浇铸。

(2)浇铸、冷却、退火：

上注法浇铸成∮720mm电极钢锭，电极钢锭模冷90分钟后脱模红送退火，退火工艺：退火温度为650℃±10℃，保温20小时后炉冷至500℃空冷。

(3)修磨：电极钢锭切冒口后磨光，表面清理至金属本色。

(4)真空自耗炉重熔：将修磨后的电极钢锭采用真空自耗炉重熔，；熔毕进行模冷冷却，冷却时间为90min，冷却至钢锭表面温度在350-500℃热送退火炉退火、保温，然后炉冷至500℃以下进行空冷，表面车光后获得本实施例的高均质大规格超高强度钢锭，其化学成分如表4所示；

其中，退火温度为650-670℃，保温时间为20h，退火工艺曲线如图1所示；

真空自耗钢锭尺寸规格：直径810mm；

熔炼速度：7公斤/分钟；

电制度：电压24V，电流：13～13.5KA；

开始封顶电极重量600kg左右，冶炼结束电极剩余重量100Kg；

辅助电极：4340H；

自耗钢锭退火工艺中待料过程钢锭表面温度不得低于350℃，防止裂纹；

将获得的高均质大规格超高强度钢锭经4000吨快锻机镦拔锻造获得∮400mm直径的钢棒，经检测，钢棒的力学性能如表5所示，横向低倍组织按照ASTMA604-93进行检验，其低倍组织评级如表6所示。

实施例2

(1)真空感应炉VIM熔炼

原料钢按照上述化学成分的配比采用EAF+LF+VD三步法冶炼，经热轧、切割、磨光后制得，热轧按GB699的30#钢工艺轧制，磨光后交付真空感应炉进行配料。(b)真空感应炉熔炼：

熔化：按照表4所示的化学成分进行配料(金属Mo、金属Ni、金属Cr、结晶Si、金属Mn、Nb、V、碳粒等表面光洁、无锈、无污物)，将除全部锰外的其余材料按原料钢、金属或合金料、原料钢顺序加入坩埚中，抽真空，给电预热，功率控制在300KW，当真空度≤4Pa，大功率溶化，熔化功率控制在500～1000KW，熔化期控制真空度≤5Pa，溶化期如佛腾，降功率，全溶后功率升至1800KW，保持10分钟，测温1600℃，获得溶化后的钢水；

精炼：将获得的溶化后的钢水进行精炼，精炼温度为1600℃，精炼时间保持45分钟后电磁搅拌3分钟后取样，当氮≤30ppm，调整化学成分Si、Cr、Ni、Mo、V，将调整的金属料加入坩埚，全溶后炉内充氩气3000pa，加金属锰，全溶搅拌4分钟，出钢浇铸。

(2)浇铸、冷却、退火：

上注法浇铸成∮720mm电极钢锭，电极钢锭模冷120分钟后脱模红送退火，退火工艺：退火温度为650℃±10℃，保温25小时后炉冷至500℃空冷。

(3)修磨：电极钢锭切冒口后磨光，表面清理至金属本色。

(4)真空自耗炉重熔：将修磨后的电极钢锭采用真空自耗炉重熔，；熔毕进行冷却，冷却时间为120min，冷却至钢锭表面温度在350-500℃热送退火炉退火、保温，然后炉冷至500℃以下进行空冷，表面车光后获得本实施例的高均质大规格超高强度钢锭，其化学成分如表4所示；

其中，退火温度为650-670℃，保温时间为20h；

真空自耗钢锭尺寸规格：直径810mm；

熔炼速度：8公斤/分钟；

电制度：电压25V，电流：13～13.5KA；

开始封顶电极重量600kg左右，冶炼结束电极剩余重量100Kg；

辅助电极：4340H；

自耗钢锭退火工艺中待料过程钢锭表面温度不得低于350℃，防止裂纹。

将获得的高均质大规格超高强度钢锭经4000吨快锻机镦拔锻造获得∮500mm直径的钢棒，经检测，钢棒的力学性能如表5所示，横向低倍组织按照ASTMA604-93进行检验，其低倍组织评级如表6所示。

表4单位：重量百分比

表5

表6

从表5和表6中可知：实施例1和2的高均质大规格超高强度钢锭分别经4000吨快锻机镦拔锻造∮400mm和∮500mm钢棒，其纵向力学性能：R_m≥1800MPa，R_p0.2≥1470MPa，A≥10％，Z≥44％，A_ku≥60J，横向力学性能与纵向力学性能之比达到92％以上，达到了高均质的要求，其低倍组织中的白斑、暗斑、径向偏析、年轮状偏析分别达到AAAB级，优于按ASTMA604-93检验的低倍组织合格级别。

实施例3-4

实施例3-4的高均质大规格超高强度钢锭的化学成分和力学性能分别如表7和表8所示，制造方法与实施例1相同。

表7单位：重量百分比

表8

获得的实施例3和4的高均质大规格超高强度钢锭分别经4000吨快锻机镦拔锻造获得∮400mm直径的钢棒，经检测，各钢棒的纵向力学性能：R_m≥1800MPa，R_p0.2≥1470MPa，A≥10％，Z≥44％，A_ku≥60J，横向力学性能与纵向力学性能之比达到92％以上，达到了高均质的要求，其低倍组织中的白斑、暗斑、径向偏析、年轮状偏析分别达到AAAB级，优于按ASTMA604-93检验的低倍组织合格级别。

Claims

1.一种高均质大规格超高强度钢锭，其化学成分的重量百分比为：C：0.32-0.36％，Mn：0.50-1.50％，Si：1.20-2.50％，Cr：0.90-1.20％，Ni：5.00-6.00％，Mo：0.50-1.00％，V：0.12～0.35％，Nb≤0.04％，S≤0.005％，P≤0.01％，5PPm≤O≤20PPm，9PPm≤N≤25PPm，其余为Fe和不可避免的杂质；该钢锭的直径Ф为760-920mm；该钢锭锻造成400mm-500mm直径的钢棒的纵向力学性能：R_m≥1800MPa，R_p0.2≥1470MPa，A≥10％，Z≥44％，20℃下A_ku≥60J，横向力学性能与纵向力学性能之比达到92％以上，其低倍组织中的白斑、暗斑、径向偏析、年轮状偏析分别达到A、A、A、B级。

2.如权利要求1所述的高均质大规格超高强度钢锭的制造方法，包括如下步骤：

(1)真空感应炉熔炼，包括熔化和精炼：

(a)熔化：按照上述化学成分的配比进行备料，将除金属Mn外的原料采用真空感应炉进行预热，当真空度≤4Pa时给电熔化，熔化功率为400-1000kW，熔化期控制真空度≤5Pa，如果沸腾降功率；全熔后功率升至1000-2000kW保持7-10分钟，温度达到1580-1600℃，获得熔化后的钢水；

(b)精炼：将真空感应炉内充氩气并将金属Mn加入熔化后的钢水中，在1580-1600℃高温下进行精炼，为了获得高均质化钢材，钢水采用电磁搅拌，全程搅拌时间5～10分钟，获得精炼钢水；

(2)浇铸、冷却、退火：

将精炼钢水采用上注法浇铸成电极钢锭，浇铸温度控制在1520～1550℃的低温；浇铸后的电极钢锭先进行模冷冷却75-120min，再进行退火、保温，然后炉冷至500℃以下进行空冷，获得退火后的电极钢锭，退火温度为640-660℃，保温时间为15-25h；

(3)修磨：

将退火后的电极钢锭用砂轮磨光，表面清理至金属本色；

(4)真空自耗炉重熔：

将修磨后的电极钢锭采用真空自耗炉重熔，熔炼速度为7～8公斤/分钟；熔毕进行模冷冷却，冷却时间为80-120min，冷却至钢锭表面温度在350-500℃热送退火炉退火、保温，退火温度为650-670℃，保温时间为15-25h；然后炉冷至500℃以下进行空冷，表面车光后获得直径Ф为760-920mm的所述高均质大规格超高强度钢锭。

3.如权利要求2所述的高均质大规格超高强度钢锭的制造方法，其特征在于，步骤(1)的(a)中，原料中的原料钢按照如下化学成分的配比采用EAF+LF+VD三步法冶炼，经热轧、切割、磨光后制得，化学成分的重量百分比为：C：0.20-0.35％，S≤0.002％，P≤0.006％，Si≤0.30％，Mn≤0.60％，Al≤0.050％，Cu≤0.20％，其余为Fe和不可避免的杂质。

4.如权利要求2或3所述的高均质大规格超高强度钢锭的制造方法，其特征在于，真空自耗炉重熔的电压为22～25V，电流为13～13.5KA。