CN103469102A - 一种塔式起重机用钢hg785d及生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种塔式起重机用钢HG785D及生产方法，包含如下化学成分(单位，wt%)：C：0.14～0.17、Si：0.38～0.42、Mn：1.29～1.43、P≤0.012、S≤0.003、Nb+V+Ti：0.11～0.15、Cr：1.17～1.24、Ni：1.63～1.78；厚度160～240mm；主要工艺包括LF精炼、真空脱气处理、水冷铜板结晶器锭模浇铸、轧制、ACC层流冷却、热处理工艺；本发明产品的强度大、屈服点高、保一级探伤、-20℃纵向冲击功189～208J，抗层状撕裂性能满足Z35级别，微观组织含有64～72%马氏体和19～25%贝氏体，极大满足超大型塔式起重机用钢。

Description

一种塔式起重机用钢HG785D及生产方法

技术领域

本发明属于高强特厚焊接结构钢生产技术领域，具体涉及一种塔式起重机用钢HG785D及生产方法。

背景技术

塔式起重机是建筑施工最常用、最典型的大型工程机械，而超大型塔式起重机由于其关键技术复杂、安全可靠性要求高，多年来几乎一直被国外品牌所垄断。中国起重机械行业自2008年始，陆续研制开发出一系列大吨位塔式起重机，超大吨位塔机需高强度特厚焊接结构钢材料，且要求该材料强度大、屈服点高，需要保一级探伤、保力学性能的高强度特厚焊接结构钢如HG785D。HG785D为工程施工装备制造技术的进一步发展提供基本材料，但关于HG785D钢及生产方法的公开文献及专利，几乎没有。

常规的高强特厚焊接结构钢在生产中，在浇注工艺多数仍采用常规连铸工艺，由于钢锭较厚，采用传统铸模浇铸时，冷却速度小，浇铸凝固速度慢，导致选分结晶严重，加剧了钢锭内部成分的偏析、疏松缺陷。铸坯下线后堆垛缓冷，进一步影响了钢的内部探伤质量和力学性能。 本发明的发明人在2012年刊发的《特厚桥梁钢板Q370qE-Z35的开发》一文中，采用水冷模浇铸制造特厚桥梁板，浇注时加入碳化稻壳，钢锭本体浇注时间12～18min，帽口浇注时间3～8min，浇注完毕后采用碳化稻壳来确保保温效果，粗轧开轧温1020～1150℃，辊道待温或水冷到860℃以下，开始精轧，终轧温度820±20℃，ACC快速冷却中，出水后待钢板返红40s后再进行冷却，如此反复浇水2～3遍，保证返红温度＜720℃，热处理工艺采用正火+快冷。生产出的Q370qE-Z35包含如下质量百分比的化学成分(单位，wt%)：C：0.13、Si：0.37、Mn：1.4、P≤0.015、S≤0.001 、Als：0.034、Nb：0.038、Ti：0.02、V≤0.06、Cr：0.068、Ni：0.11、Cu：0.026， CEV：0.39。产品金相组织为铁素体（PF）+珠光体，屈服强度385～420MPa，抗拉强度540～575 MPa，伸长率达到25%以上，Z向断面收缩率大于35%，探伤达到Ⅰ级探伤的要求。而在质量要求上，HG785D相比于Q370qE-Z35，碳锰含量略低、硫含量要求更为严格，成分设计上的微合金化也不相同，并且要求达到更高的力学性能。

武钢按执行标准WJX（ZB）07-2008 生产的HG785D，化学成分（wt%）为：C≤0.12、Si≤0.40、Mn≤0.18、P≤0.025、S≤0.015、Nb≤0.06、B≤0.02、Ti≤0.15、Cr≤0.70、Ni≤0.75、Mo≤0.50。产品厚度多为3~100mm，屈服强度685MPa，抗拉强度785MPa。而一般HG785D特厚钢及其同类产品的厚度最大值多为150mm，生产大于150mm的HG785D特厚钢时，需要考虑的主要问题：①特厚板厚度增加，冷却速度大幅降低，特厚钢板强韧性和厚度方向性能均匀性无法保证，必须选用合适的连铸冷却方式，确保表面均匀冷却，尽量减少铸坯内部空隙，减少凝固过程中线性收缩；②特厚板要做特殊用途用，必须比中厚板更加严格控制杂质含量；③确保钢锭的致密性和成分的均匀性，成材钢板保一级探伤。

发明内容

本发明为了弥补上述不足，在现有特厚钢生产工艺的基础上进行改进和优化，利用现有设备，以提供一种强度大、屈服点高、保一级探伤的160～240mm厚塔式起重机用钢HG785D及生产方法，以满足超大型塔式起重机需求。

一种塔式起重机用钢HG785D，包含如下质量百分比的化学成分(单位，wt%)：C：0.14～0.17、Si：0.38～0.42、Mn：1.29～1.43、P≤0.012、S≤0.003、Nb+V+Ti：0.11～0.15、Cr：1.17～1.24、Ni：1.63～1.78、Als：0.028～0.035，其它为Fe和残留元素；钢板厚度规格为160～240mm，所述塔式起重机用钢HG785D的微观组织含有64～72%马氏体和19～25%贝氏体。

一种如上所述的塔式起重机用钢HG785D的生产方法，包括KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、真空脱气处理、水冷铜板结晶器锭模浇铸、缓冷、加热、轧制、ACC层流冷却、热处理工艺；

所述水冷铜板结晶器锭模浇铸浇注温度控制在1552～1558℃, 钢锭本体浇注时间13～20min，帽口浇注时间4～9min，浇注完毕开启保温帽电阻丝加热进行保温，保温温度380～450℃，在凝固后期对钢锭宽边挤压6～20mm；

所述热处理工艺的淬火水槽中加入工业盐180～250Kg/t钢，淬火温度930±10℃，保温时间2.0～2.5min/mm，回火温度650±10℃，保温时间3.5～4.5min/mm；

所述转炉冶炼，在出钢过程中向每吨钢包内加入石灰10Kg、锰铁合金7～10Kg、硅铁合金0.6Kg；

所述缓冷采用水冷模装置进行缓冷，总体钢锭冷却凝固时间4～6h，控制锭模与钢锭气隙5～14mm；

所述轧制中开轧温度1200℃，每次开轧3道次压下量60～72mm，辊速16～20转/min；

所述LF炉精炼加入的精炼渣，碱度控制在4.5～6.0，精炼结束时白渣保持时间≥30min，精炼总时间50min以上；精炼所用的脱氧剂包括电石、铝粒、硅铁粉，加入量根据钢水中氧含量及造白渣情况适量加入，加热时间按两次控制，一次加热7～12min、二次加热6～10min，二次加热过程中补加脱氧剂；出水后待钢板返红1min后再进行冷却，反复浇水2～3遍，保证返红温度＜680℃。

本发明成分设计上，考虑到碳含量过低，淬硬性不够，过高则韧性下降，通过控制碳硅锰含量分别在0.14～0.17%、0.38～0.42%、1.29～1.43%，确保晶粒的细腻的同时提高了铁素体和奥氏体的含量，微合金化元素Nb+V+Ti：0.11～0.15%，保证钢具有足够的淬透性和马氏体回火稳定性，提高了产品强度的同时，节约成本，调制合金化元素含量为Cr：1.17～1.24%、Ni：1.63～1.78%，增加奥氏体的过冷能力，降低马氏体和贝氏体的转变温度，有利于提高了钢的淬透性和马氏体的韧性，Ni对钢粒细化的作用非常明显，促使综合性能变优。

 转炉冶炼加入合金量，按每吨钢10Kg石灰、7～10Kg锰铁合金、0.6Kg硅铁合金，减少后续热处理工艺中马氏体的分解，氩站一次性加入铝线4.5m/t钢进行脱氧，有效地降低氧含量；本发明在钢水纯净度控制方面，除了确保非金属夹杂物总级别控制在4.0以内之外， LF精炼炉强化造白渣进行二次脱硫时，加热时间按两次控制，一次加热7～12min、二次加热6～10min，二次加热过程中补加脱氧剂，脱氧剂包括电石、铝粒、硅铁粉，加入量根据钢水中氧含量及造白渣情况适量加入，严格控制住了钢水中五大有害元素的含量。

本发明采用水冷铜板结晶器锭模浇铸，浇注温度控制在1552～1558℃, 钢锭本体浇注时间13～20min，帽口浇注时间4～9min，浇注完毕开启保温帽电阻丝加热进行保温，保温温度380～450℃，在凝固后期对钢锭宽边实行挤压6～20mm，以达到连铸轻压下的效果，缓冷也采用水冷模装置进行缓冷，总体钢锭冷却凝固时间4～6h，控制锭模与钢锭气隙5～14mm；虽然水冷模铸锭的冷却凝固速度得到达到提高（相对与常规模来说，冷却凝固时间缩短了一半），然而由于大钢锭锭厚特厚，钢锭的冷却凝固时间仍然需要数小时，钢锭内部的偏析仍然比较严重，在采用≤3.0压缩比轧制特厚板时，钢板内部的偏析仍然不能有效改善，影响了钢板的探伤和性能指标。基于在连铸坯生产过程中，连铸二冷段辊缝收缩和动态轻压下所产生良好效果的启发，在凝固后期通过侧边挤压机构对铸锭宽边（厚度方向）形成挤压，以进一步减小气隙、加速传热，从而形成更加致密的组织。而对于HG785D这样的高合金钢由于凝固坯壳导热系数小，需要缓冷，可通过调大气隙，减小热传导系数来实现。为了保证凝固气隙曲线符合对应钢种、锭型的凝固特性、保证气隙的均匀性，实现对钢锭凝固传热过程的精确控制，保证铸锭的表面与内部质量，通过对铸锭三维凝固理论进行了综合分析和对挤压参数模拟设计、验证之后，针对不同断面尺寸的锭型制定了合理的挤压参数并付诸于实践。钢锭帽口采取妥善的保温措施，在凝固过程中可使钢锭内部形成上大下小的补缩通道，避免了缩孔的产生，同时由于凝固时间的大大缩短显著地减轻了钢锭内部的疏松和偏析，明显提高钢板内部探伤质量。

本发明在控制1260℃、13min/cm烧钢以确保微合金化元素在奥氏体区的充分固溶的基础上，开轧温度在1200℃，每次开轧3道次压下量60～72mm，辊速16～20转/min；充分破碎钢锭中的枝晶，增大变形程度，反复再结晶后晶粒更细小。钢板轧后进入ACC装置快速冷却，多次冷却方式进行控冷时，所有集管和侧喷全部开启，降低辊道速度至1.0m/s，出水后待钢板返红1min后再进行冷却，如此反复浇水2～3遍，保证返红温度＜680℃，进一步强化铁素体基体，金相组织为贝氏体组织。

在热处理工艺中，因HG785D特厚板组织需要良好的强韧性，调质钢在淬火后获得合适的马氏体组织时，能达到良好的综合机械性能，所以本发明在特厚板HG785D热处理工艺中，淬火水槽中加入工业盐180～250Kg/t钢，增加其对HG785D的冷却速度，来从而使超过临界厚度的HG785D特厚板芯部最大限度的产生马氏体，淬火温度为930±10℃，保温时间2.0～2.5min/mm，通过回火温度为650±10℃，保温时间3.5～4.5min/mm，来减低了淬火产生的过量马氏体，获得了合适的片层细密的马氏体组织，使产品具有较高的强度和良好的塑性。

 本发明利用现有设备，通过以上技术手段，即调整成分设计、控制钢水纯净度、改进LF精炼、优化水冷铜板结晶器锭模浇铸工艺、确定轧制冷却和热处理工艺条件，最终产品160～240mm厚HG785D钢的屈服强度678～702 MPa，抗拉强度778～792 MPa，伸长率控制在17～20%，微观组织含有64～72%马氏体和19～25%贝氏体，-20℃纵向冲击功控制在189～208J，最终加做-40℃性能符合客户要求，抗层状撕裂性能满足Z35级别，大大满足了塔式起重机材料设计要求，钢板外检正品率100%，最终钢板探伤达到一级探伤要求。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为240mm厚HG785D钢1/4和1/2厚度方向的金相组织示意图（400×）。

具体实施方式

本发明塔式起重机用钢HG785D钢板的具体生产方法为：

①KR铁水预处理：到站铁水进行前扒渣、KR搅拌脱硫、后扒渣，保证液面渣层厚度17～20mm，脱硫周期16～21min，脱硫后铁水S≤0.005%，P≤0.080%，脱硫温降≤20℃；

所述KR铁水预处理中，所用原料铁水包含如下质量百分比的化学成分(单位，wt%)：0.35Si、0.01S、0.085P，剩余为Fe，铁水温度为1280～1300℃；

②转炉冶炼：采用100/120吨顶底复吹转炉，入转炉铁水温度≥1270℃，铁水装入量误差按±1t来控制，废钢严格采用优质边角料，造渣碱度R按2.5～4.0控制，出钢目标P≤0.015%、C≤0.05%、S≤0.012%，出钢过程中，向每吨钢包内加入石灰10Kg、锰铁合金7～10Kg、硅铁合金0.6Kg。出钢前用挡渣塞挡前渣出钢，出钢结束前采用挡渣锥挡渣，保证渣层厚度≤30mm；转炉出钢过程中全程吹氩，氩站一次性加入铝线4.5m/t钢，在氩站要求强吹氩3min，流量450～500NL/min，钢液面裸眼直径控制在470～500mm，离氩站温度不得低于1570℃；

③LF精炼：精炼过程中全程吹氩，加入的精炼渣料，碱度按4.5～6.0控制，要求精炼一加热结束炉渣必须变白或黄白，白渣保持时间≥30min，要求精炼结束的终渣为流动性良好、粘度合适的泡沫白渣，精炼总时间要求控制在50min以上；精炼加入脱氧剂包括电石、铝粒、硅铁粉，加入量根据钢水中氧含量及造白渣情况适量加入；加热过程根据节奏富余和温度情况选择适当电流进行加热，加热时间按两次控制，一次加热7～12min、二次加热6～10min，二次加热过程中补加脱氧剂，加硅钙线前必须关闭氩气，上钢温度1610±15℃；

④真空脱气处理：VD真空度在67Pa以下，保压时间≥15min，破真空后软吹2～5min或不吹，软吹过程中钢水不得裸露；正常在线包抽真空时间：（抽真空前钢水温度—目标离站温度）/1.7min；关闭氩气后，加入覆盖剂，保证铺满钢液面，上钢温度1565±15℃；

⑤水冷铜板结晶器锭模浇铸：浇注温度按1552～1558℃进行控制, 钢水到站后开浇； 钢锭本体浇注时间13～20min，帽口浇注时间4～9min，浇注完毕开启保温帽电阻丝加热进行保温，保温温度380～450℃，在凝固后期对钢锭宽边实行挤压6～20mm，以达到连铸轻压下的效果；

⑥缓冷：采用水冷模装置进行缓冷，总体钢锭冷却凝固时间4～6h，由于凝固时间大大缩短也显著的减轻了钢锭内部的疏松和偏析，控制锭模与钢锭气隙5～14mm，减少热传导；

⑦加热、轧制: 加热采用推钢式加热炉，烧钢温度1260℃，烧钢时间为13min/cm，然后用3800m轧机进行一次、二次轧制，采取高温低速大压下工艺，开轧温度在1200℃，每次开轧3道次压下量60～72mm，辊速16～20转/min；

⑧ACC层流冷却：钢板轧后进入ACC装置快速冷却，控冷采用多次冷却，所有集管和侧喷全部开启，降低辊道速度至1.0m/s，出水后待钢板返红1min后再进行冷却，如此反复浇水2～3遍，保证返红温度＜680℃。轧制后采用500℃以上进行堆冷72小时；

⑨热处理工艺：淬火水槽中加入工业盐180～250Kg/t钢，淬火温度为930±10℃，保温时间2.0～2.5min/mm，水冷至常温后，再高温回火，回火温度为650±10℃，保温时间3.5～4.5min/mm，出炉空冷；

热处理工艺后，火焰切割钢板四边后，成品钢板按照GB/T 228-2002、GB/T 229-2007、GB/T 232-1999要求，分别对实验钢板进行室温拉伸试验、夏比摆锤冲击试验、弯曲试验，钢板探伤达到JB/T 5000.15-1998《重型机械通用技术条件锻钢件无损探伤》的一级探伤要求。

实施例1

本实施例以生产240mm厚HG785D钢为例，按上述生产方法，确定本实施例主要生产工艺参数如下：

转炉冶炼中，每吨钢包内加入石灰10Kg、锰铁合金8Kg、硅铁合金0.6Kg；LF炉精炼一次加热9min、二次加热10min，上钢温度1600℃；浇注温度按1552℃进行控制, 钢水到站后开浇；钢锭本体浇注时间18min，帽口浇注时间7min，保温温度450℃，在凝固后期对钢锭宽边实行挤压20mm；总体钢锭冷却凝固时间5h，控制锭模与钢锭气隙14mm；热处理工艺中，加入工业盐250Kg/t钢，淬火温度为930℃，保温时间2.3min/mm，水冷至常温后，再高温回火，回火温度为640℃，保温时间4.2min/mm，出炉空冷。

实施例2

本实施例在实施例1的基础上，工艺参数调整如下：

转炉冶炼中，每吨钢包内加入石灰10Kg、锰铁合金9Kg、硅铁合金0.6Kg；LF炉精炼一次加热11min、二次加热9min，上钢温度1610℃；浇注温度按1555℃进行控制, 钢水到站后开浇，钢锭本体浇注时间19min，帽口浇注时间8min，总体钢锭冷却凝固时间5.5h；热处理工艺中，淬火温度为935℃，保温时间2.4min/mm，回火温度为650℃，保温时间4.4min/mm。

实施例3

本实施例在实施例1的基础上，工艺参数调整如下：

转炉冶炼中，每吨钢包内加入石灰10Kg、锰铁合金10Kg、硅铁合金0.6Kg；LF炉精炼一次加热12min、二次加热8min，上钢温度1620℃；浇注温度按1558℃进行控制, 钢水到站后开浇，钢锭本体浇注时间20min，帽口浇注时间9min，总体钢锭冷却凝固时间6h；热处理工艺中，淬火温度为940℃，保温时间2.5min/mm，回火温度为660℃，保温时间4.5min/mm。

实验结果：

（1）三个实施例产品，化学成分检测如下：

 （2）分别对三组实验钢进行室温拉伸试验、夏比摆锤冲击试验、弯曲试验，性能检测数据统计如下表所示：

*H代表钢板的厚度，1/4H或1/2H为钢板厚度方向1/4或/1/2处取样检测性能。

由于GB/T 16270-2009国标中的最大厚度仅为150mm, 而中联重科客户以国标厚度150mm的性能指标为240mm的判定标准，屈服强度控制在678～686 MPa，抗拉强度控制在778～782 MPa，伸长率控制在17～20%，-20℃纵向冲击功控制在189～208 J，最终加做-40℃性能符合客户要求，抗层状撕裂性能满足Z35级别，大大满足了塔式起重机材料设计要求。

所研制的钢板外检，正品率100%，最终钢板探伤达到JB/T 5000.15-1998《重型机械通用技术条件锻钢件无损探伤》的一级探伤要求。

 （3）金相组织检测结果如附图1所示；X射线衍射仪测得，微观组织含有64～69%马氏体和23～25%贝氏体。

Claims (7)

1.一种塔式起重机用钢HG785D，其特征在于，所述塔式起重机用钢HG785D包含如下质量百分比的化学成分(单位，wt%)：C：0.14～0.17、Si：0.38～0.42、Mn：1.29～1.43、P≤0.012、S≤0.003、Nb+V+Ti：0.11～0.15、Cr 1.17～1.24、Ni：1.63～1.78、Als：0.028～0.035，其它为Fe和残留元素；钢板厚度规格为160～240mm，所述塔式起重机用钢HG785D的微观组织含有64～72%马氏体和19～25%贝氏体。

2.一种如权利要求1所述的塔式起重机用钢HG785D的生产方法，包括KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、真空脱气处理、水冷铜板结晶器锭模浇铸、缓冷、加热、轧制、ACC层流冷却、热处理工艺，其特征在于：所述水冷铜板结晶器锭模浇铸浇注温度控制在1552～1558℃, 钢锭本体浇注时间13～20min，帽口浇注时间4～9min，浇注完毕开启保温帽电阻丝加热进行保温，保温温度380～450℃，在凝固后期对钢锭宽边挤压6～20mm。

3.如权利要求2所述的塔式起重机用钢HG785D的生产方法，其特征在于：所述热处理工艺的淬火水槽中加入工业盐180～250Kg/t钢，淬火温度930±10℃，保温时间2.0～2.5min/mm，回火温度650±10℃，保温时间3.5～4.5min/mm。

4.如权利要求2所述的塔式起重机用钢HG785D的生产方法，其特征在于：所述转炉冶炼，在出钢过程中向每吨钢包内加入石灰10Kg、锰铁合金7～10Kg、硅铁合金0.6Kg。

5.如权利要求2所述的塔式起重机用钢HG785D的生产方法，其特征在于：所述缓冷采用水冷模装置进行缓冷，总体钢锭冷却凝固时间4～6h，控制锭模与钢锭气隙5～14mm。

6.如权利要求2所述的塔式起重机用钢HG785D的生产方法，其特征在于：所述轧制中开轧温度1200℃，每次开轧3道次压下量60～72mm，辊速16～20转/min。

7.如权利要求2所述的塔式起重机用钢HG785D的生产方法，其特征在于：所述LF炉精炼加入的精炼渣，碱度控制在4.5～6.0，精炼结束时白渣保持时间≥30min，精炼总时间50min以上；精炼所用的脱氧剂包括电石、铝粒、硅铁粉，加入量根据钢水中氧含量及造白渣情况适量加入，加热时间按两次控制，一次加热7～12min、二次加热6～10min，二次加热过程中补加脱氧剂；出水后待钢板返红1min后再进行冷却，反复浇水2～3遍，保证返红温度＜680℃。