CN103725966A - 100-150mm合金结构钢4140厚板及生产工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种100-150mm合金结构钢4140厚板及其生产方法，包含如下质量百分比的化学成分（单位，wt%）：C：0.39～0.42、Si：0.20～0.30、Mn：0.85～0.95、P≤0.010、S≤0.003、Als：0.020～0.040、Cr：0.9-1.0、Mo：0.17-0.23，其它为Fe和残留元素。通过KR铁水预处理、转炉冶炼、吹氩处理、LF精炼、VD精炼、模铸、钢锭缓冷、钢锭清理、加热、控轧、堆冷、热处理、缓冷工艺，严格控制钢中P、S等影响钢板塑韧性的有害元素含量，保证了4140钢种100-150mm厚度钢板内部残余应力最小化，内部质量合格，各项性能指标达到标准要求。通过合理的淬火+回火工艺，保证了4140钢板各项性能满足要求。

Description

100-150mm合金结构钢4140厚板及生产工艺

技术领域

本发明属于中厚钢板生产技术领域，具体涉及到一种100-150mm合金结构钢4140厚板及其生产方法。

背景技术

在公知的技术中，100mm以上厚度合金结构钢生产过程困难，若过程控制不当容易造成钢板开裂、报废，且钢板各项性能、硬度及使用要求达不到指标，给客户加工使用带来不便。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种生产简便、应用广泛地100-150mm厚度合金结构钢4140厚板及其生产方法。

一种100-150mm合金结构钢4140厚板，包含如下质量百分比的化学成分（单位，wt%）：C：0.39～0.42、Si：0.20～0.30、Mn：0.85～0.95、P≤0.010、S≤0.003 、Als：0.020～0.040、Cr：0.9-1.0、Mo：0.17-0.23，其它为Fe和残留元素。

所述化学成分的碳当量≤0.85。

为达到上述目的，所述100-150mm合金结构钢4140厚板的生产方法，它包括如下步骤：

a.KR铁水预处理：到站铁水必须扒前渣与扒后渣，保证液面渣层厚度≤20mm，脱硫剂加入量为每100t钢水800KG，脱硫搅拌头使用次数在50炉以内，铁水经KR搅拌脱硫后保证铁水S≤0.008%，脱硫温降≤20℃；

b.转炉冶炼：入炉铁水S≤0.008%、P≤0.060%，铁水温度≥1300℃，铁水装入量误差按±0.5t来控制，废钢严格采用优质高合金钢边角料，过程枪位按前期1.0-1.3m、中期1.2-1.6m、后期1.0-1.1m控制，造渣碱度R按2.5-3.5控制，出钢目标P≤0.010%、C≥0.05%、S≤0.003%，出钢过程中向钢包内硅铝钡钙、锰铁合金、硅铁合金和石灰、萤石；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，转炉出钢过程中要求全程吹氩；

c.吹氩处理：氩站一次性加入铝线，在氩站要求强吹氩5-8min，流量300-500NL/min，钢液面裸眼直径控制在300～500mm，离氩站温度不得低于1580℃；

d.LF精炼：精炼过程中全程吹氩，加入渣料，碱度按4.0-6.0控制，加入脱氧剂，加热采用电流进行加热，若埋弧效果明显加热时间按两次控制，一加热10-12min、一加热过程按照成分配比连续性加入合金，二加热6-8min，二加热过程中补加脱氧剂，加大氩气流量，使钢水充分翻腾，合金均匀化，并要求粘渣次数大于5次，离站前加入硅钙线，加硅钙线前必须关闭氩气，采用真空脱气，上钢温度1610±10℃；

e.VD精炼：VD真空度必须达到67Pa以下，保压时间必须≥22min，破真空后软吹3-5min，软吹过程中钢水不得裸露，在线包抽真空时间30-50min，抽真空结束后进行定H，保证H含量在1.8PPm以下，覆盖剂保证铺满钢液面，加覆盖剂前必须关闭氩气，上钢温度1560±15℃；

f.模铸：上线使用前锭模温度≤100℃，浇注温度控制在1545-1550℃，浇注时中注管上口与钢包下水口的距离控制在≤150mm，浇注前，模铸保护渣一半采取草绳吊挂的方式挂在锭模中，吊挂高度高于锭模底部300～400mm，另一半在开浇后3～4min内加完，浇注到距离帽口1/3位置时，向每个锭模内添加50Kg碳化稻壳，浇注完毕后，先用氧管将帽口内的碳化稻壳铺平后，再向每个锭内添加50-80Kg的碳化稻壳，并用氧管均匀铺平；浇注完毕60min内，要对每支锭及时补加40Kg以上的碳化稻壳保证帽口部位不见红，同时要求在注毕1-2h内，向每个锭模内补加40-80Kg的碳化稻壳；

g.钢锭缓冷：钢锭脱模后立即吊入缓冷内进行缓冷，缓冷温度400-500℃，缓冷时间48-72h；

h.钢锭清理：钢锭缓冷结束后用火焰枪对钢锭宽度1/2位置进行清理，清理宽度控制在30-50CM，清理深度控制在5-10mm；

i.加热:加热温度及加热时间如下：钢锭入库温度≤700℃，焖钢温度450-500℃，时间4h，升温至一加热速度100℃/S，当温度升至900℃时保温8h，升温至二加热速度100-120℃/S，温度升至1000℃时升温速度不限，温度升至1260-1800℃时保温13h，然后进行翻钢，翻钢后重新升温2h至1260-1280℃，然后保温2h出钢；

j.控轧:采用两阶段轧制，累计压下率≥60%，开轧温度1000℃～1050℃，粗轧阶段道次压下量控制在35-45mm，晾钢厚度为H（成品厚度）+60mm，精轧开轧温度840-880℃，终轧温度800～830℃,轧后不进行快速冷却，直接送往矫直机进行矫平；

k.堆冷:轧后堆入缓冷坑进行堆垛缓冷，堆冷温度不低于450℃，堆冷时间≥48小时，拆垛时表面温度需≤120℃；

l.热处理：在外部机械化炉进行淬火+回火处理，淬火时炉内温度910-930℃，保温系数2.0-2.5min/mm，淬火方式采用油淬，入淬火池钢板温度≥860℃，淬火30-60min至常温，淬火后放入外部机械化炉进行回火，回火温度550-570℃，保温系数4.0-4.2min/mm，出炉后空冷；

m.缓冷：热处理后将钢板堆垛缓冷，并用石棉布将钢板四周包裹。

由于本发明通过KR铁水预处理、转炉冶炼、吹氩处理、LF精炼、VD精炼、模铸、钢锭缓冷、钢锭清理、加热、控轧、堆冷、热处理、缓冷工艺，在保证4140成分的基础上，严格控制钢中P、S等影响钢板塑韧性的有害元素含量，通过LF精炼吸附夹杂物、VD真空脱氢、钢锭缓冷，同时严格控制轧钢的加热制度，轧制过程中严格控制终轧温度，采用钢板堆垛缓冷，热处理采用调质处理等方法，保证了4140钢种100-150mm厚度钢板内部残余应力最小化，内部质量合格，各项性能指标达到标准要求。在冶炼过程中，严格控制钢中P（磷）、S（硫）等有害元素，保证钢水的纯净度基本达到洁净钢水平。钢锭脱模后采用缓冷的方式，有效减轻了原始钢锭内部应力，在后续轧制加热过程中，采用焖钢-升温-保温-升温-保温的方式，适当降低加热温度，不仅消除了钢水凝固过程产生的残余应力，而且避免钢锭内部原始奥氏体晶粒过分长大，为钢锭在轧制过程中晶粒的细化奠定坚实基础。在轧制过程中，通过采用国内先进的TMCP轧制技术和钢板堆垛缓冷技术，能够保证4140钢板原始组织良好，通过合理的淬火+回火工艺，保证了4140钢板各项性能满足要求。

具体实施方式

本发明所述100-150mm合金结构钢4140厚板包含如下质量百分比的化学成分（单位，wt%）：C：0.10～0.17、Si：0.25～0.45、Mn：1.10～1.40、P≤0.015、S≤0.005 、Als：0.015～0.035、Nb：0.015～0.045、Ti：0.010～0.020，其它为Fe和残留元素。

碳当量[Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15]：≤0.40。

为达到上述目的，本发明的生产方法包括：KR铁水预处理、转炉冶炼、吹氩处理、LF精炼、VD精炼、模铸、钢锭缓冷、钢锭清理、加热、控轧、堆冷、热处理、缓冷工艺。在所述KR铁水预处理中，到站铁水必须扒前渣与扒后渣，保证液面渣层厚度≤20mm，脱硫剂加入量为每100t钢水800KG，脱硫搅拌头使用次数在50炉以内，铁水经KR搅拌脱硫后保证铁水S≤0.008%，脱硫温降≤20℃；在所述转炉冶炼中，入炉铁水S≤0.008%、P≤0.060%，铁水温度≥1300℃，铁水装入量误差按±0.5t来控制，废钢严格采用优质高合金钢边角料，过程枪位按前期1.0-1.3m、中期1.2-1.6m、后期1.0-1.1m控制，造渣碱度R按2.5-3.5控制，出钢目标P≤0.010%、C≥0.05%、S≤0.003%，出钢过程中向钢包内硅铝钡钙、锰铁合金、硅铁合金和石灰、萤石。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，转炉出钢过程中要求全程吹氩；在所述吹氩处理中，氩站一次性加入铝线，在氩站要求强吹氩5-8min，流量300-500NL/min，钢液面裸眼直径控制在300～500mm，离氩站温度不得低于1580℃；在所述LF精炼中，精炼过程中全程吹氩，加入渣料，碱度按4.0-6.0控制，加入脱氧剂，加热采用电流进行加热，若埋弧效果明显加热时间按两次控制，一加热10-12min、一加热过程按照成分配比连续性加入合金，二加热6-8min，二加热过程中补加脱氧剂，加大氩气流量，使钢水充分翻腾，合金均匀化，并要求粘渣次数大于5次，离站前加入硅钙线，加硅钙线前必须关闭氩气，采用真空脱气，上钢温度1610±10℃；在所述VD精炼中，VD真空度必须达到67Pa以下，保压时间必须≥22min，破真空后软吹3-5min，软吹过程中钢水不得裸露，在线包抽真空时间30-50min，抽真空结束后进行定H，保证H含量在1.8PPm以下，覆盖剂保证铺满钢液面，加覆盖剂前必须关闭氩气，上钢温度1560±15℃；在所述模铸中，上线使用前锭模温度≤100℃，浇注温度控制在1545-1550℃，浇注时中注管上口与钢包下水口的距离控制在≤150mm，浇注前，模铸保护渣一半采取草绳吊挂的方式挂在锭模中，吊挂高度高于锭模底部300～400mm，另一半在开浇后3～4min内加完，浇注到距离帽口1/3位置时，向每个锭模内添加50Kg碳化稻壳，浇注完毕后，先用氧管将帽口内的碳化稻壳铺平后，再向每个锭内添加50-80Kg的碳化稻壳，并用氧管均匀铺平；浇注完毕60min内，要对每支锭及时补加40Kg以上的碳化稻壳保证帽口部位不见红，同时要求在注毕1-2h内，向每个锭模内补加40-80Kg的碳化稻壳；在所述钢锭缓冷中，钢锭脱模后立即吊入缓冷内进行缓冷，缓冷温度400-500℃，缓冷时间48-72h；在所述钢锭清理中，钢锭缓冷结束后用火焰枪对钢锭宽度1/2位置进行清理，清理宽度控制在30-50CM，清理深度控制在5-10mm；在所述加热中，加热温度及加热时间如下：钢锭入库温度≤700℃，焖钢温度450-500℃，时间4h，升温至一加热速度100℃/S，当温度升至900℃时保温8h，升温至二加热速度100-120℃/S，温度升至1000℃时升温速度不限，温度升至1260-1800℃时保温13h，然后进行翻钢，翻钢后重新升温2h至1260-1280℃，然后保温2h出钢；在所述控轧中，采用两阶段轧制，累计压下率≥60%，开轧温度1000℃～1050℃，粗轧阶段道次压下量控制在35-45mm，晾钢厚度为H（成品厚度）+60mm，精轧开轧温度840-880℃，终轧温度800～830℃,轧后不进行快速冷却，直接送往矫直机进行矫平；在所述堆冷中，轧后堆入缓冷坑进行堆垛缓冷，堆冷温度不低于450℃，堆冷时间≥48小时，拆垛时表面温度需≤120℃；在所述热处理中，在外部机械化炉进行淬火+回火处理，淬火时炉内温度910-930℃，保温系数2.0-2.5min/mm，淬火方式采用油淬，入淬火池钢板温度≥860℃，淬火30-60min至常温，淬火后放入外部机械化炉进行回火，回火温度550-570℃，保温系数4.0-4.2min/mm，出炉后空冷；热处理后将钢板堆垛缓冷，并用石棉布将钢板四周包裹。

实施例1

通过KR铁水预处理、转炉冶炼、吹氩处理、LF精炼、VD精炼、模铸、钢锭缓冷、钢锭清理、加热、控轧、堆冷、热处理、缓冷工艺，获得一种100-150mm合金结构钢4140厚板，它包含如下质量百分比的化学成分(单位，wt%)：C：0.39、Si：0.20、Mn：0.85、P：0.010、S：0.003、Als：0.02、Cr：0.9、Mo：0.17，其它为Fe和残留元素。

实施例2

  通过KR铁水预处理、转炉冶炼、吹氩处理、LF精炼、VD精炼、模铸、钢锭缓冷、钢锭清理、加热、控轧、堆冷、热处理、缓冷工艺，获得一种100-150mm合金结构钢4140厚板，它包含如下质量百分比的化学成分(单位，wt%)：C：0.42、Si：0.30、Mn：0.95、P：0.008、S：0.002、Als：0.04、Cr：1.0、Mo：0.23，其它为Fe和残留元素。

机械力学性能分析

成分及机械力学性能按ASTM A29/A29M-4执行，机械力学性能具体见下表。

100-150mm合金结构钢4140厚板机械力学性能

本次试生产100-150mm厚4140共计10批，其中：屈服强度控制在950～980 MPa，平均达到了970 MPa，比标准富裕40MPa；抗拉强度控制在1100-1150MPa，平均达到了1135MPa，比标准富裕55MPa；伸长率控制在14%-18%，平均达到16%，比标准富裕4%；0℃ V型冲击功控制在80-120J，平均达到了110J，完全达到4140的水平。

外检及探伤：所研制的钢板外检，正品率100%，按JB/T 47030进行探伤，合一级率为100%，达到了预期效果。

Claims (2)

1.一种100-150mm合金结构钢4140厚板，其特征在于所述100-150mm合金结构钢4140厚板包含如下质量百分比的化学成分：C：0.39～0.42、Si：0.20～0.30、Mn：0.85～0.95、P≤0.010、S≤0.003 、Als：0.020～0.040、Cr：0.9-1.0、Mo：0.17-0.23，其它为Fe和残留元素。

2.一种如权利要求1所述100-150mm合金结构钢4140厚板的生产方法，它包括如下步骤：

a.KR铁水预处理：到站铁水必须扒前渣与扒后渣，保证液面渣层厚度≤20mm，脱硫剂加入量为每100t钢水800KG，脱硫搅拌头使用次数在50炉以内，铁水经KR搅拌脱硫后保证铁水S≤0.008%，脱硫温降≤20℃；b.转炉冶炼：入炉铁水S≤0.008%、P≤0.060%，铁水温度≥1300℃，铁水装入量误差按±0.5t来控制，废钢严格采用优质高合金钢边角料，过程枪位按前期1.0-1.3m、中期1.2-1.6m、后期1.0-1.1m控制，造渣碱度R按2.5-3.5控制，出钢目标P≤0.010%、C≥0.05%、S≤0.003%，出钢过程中向钢包内硅铝钡钙、锰铁合金、硅铁合金和石灰、萤石；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，转炉出钢过程中要求全程吹氩；c.吹氩处理：氩站一次性加入铝线，在氩站要求强吹氩5-8min，流量300-500NL/min，钢液面裸眼直径控制在300～500mm，离氩站温度不得低于1580℃；d.LF精炼：精炼过程中全程吹氩，加入渣料，碱度按4.0-6.0控制，加入脱氧剂，加热采用电流进行加热，若埋弧效果明显加热时间按两次控制，一加热10-12min、一加热过程按照成分配比连续性加入合金，二加热6-8min，二加热过程中补加脱氧剂，加大氩气流量，使钢水充分翻腾，合金均匀化，并要求粘渣次数大于5次，离站前加入硅钙线，加硅钙线前必须关闭氩气，采用真空脱气，上钢温度1610±10℃；e.VD精炼：VD真空度必须达到67Pa以下，保压时间必须≥22min，破真空后软吹3-5min，软吹过程中钢水不得裸露，在线包抽真空时间30-50min，抽真空结束后进行定H，保证H含量在1.8PPm以下，覆盖剂保证铺满钢液面，加覆盖剂前必须关闭氩气，上钢温度1560±15℃；f.模铸：上线使用前锭模温度≤100℃，浇注温度控制在1545-1550℃，浇注时中注管上口与钢包下水口的距离控制在≤150mm，浇注前，模铸保护渣一半采取草绳吊挂的方式挂在锭模中，吊挂高度高于锭模底部300～400mm，另一半在开浇后3～4min内加完，浇注到距离帽口1/3位置时，向每个锭模内添加50Kg碳化稻壳，浇注完毕后，先用氧管将帽口内的碳化稻壳铺平后，再向每个锭内添加50-80Kg的碳化稻壳，并用氧管均匀铺平；浇注完毕60min内，要对每支锭及时补加40Kg以上的碳化稻壳保证帽口部位不见红，同时要求在注毕1-2h内，向每个锭模内补加40-80Kg的碳化稻壳；g.钢锭缓冷：钢锭脱模后立即吊入缓冷内进行缓冷，缓冷温度400-500℃，缓冷时间48-72h；

h.钢锭清理：钢锭缓冷结束后用火焰枪对钢锭宽度1/2位置进行清理，清理宽度控制在30-50CM，清理深度控制在5-10mm；

i.加热:加热温度及加热时间如下：钢锭入库温度≤700℃，焖钢温度450-500℃，时间4h，升温至一加热速度100℃/S，当温度升至900℃时保温8h，升温至二加热速度100-120℃/S，温度升至1000℃时升温速度不限，温度升至1260-1800℃时保温13h，然后进行翻钢，翻钢后重新升温2h至1260-1280℃，然后保温2h出钢；

j.控轧:采用两阶段轧制，累计压下率≥60%，开轧温度1000℃～1050℃，粗轧阶段道次压下量控制在35-45mm，晾钢厚度为H+60mm，精轧开轧温度840-880℃，终轧温度800～830℃,轧后不进行快速冷却，直接送往矫直机进行矫平；

k.堆冷:轧后堆入缓冷坑进行堆垛缓冷，堆冷温度不低于450℃，堆冷时间≥48小时，拆垛时表面温度需≤120℃；

l.热处理：在外部机械化炉进行淬火+回火处理，淬火时炉内温度910-930℃，保温系数2.0-2.5min/mm，淬火方式采用油淬，入淬火池钢板温度≥860℃，淬火30-60min至常温，淬火后放入外部机械化炉进行回火，回火温度550-570℃，保温系数4.0-4.2min/mm，出炉后空冷；

m.缓冷：热处理后将钢板堆垛缓冷，并用石棉布将钢板四周包裹。