CN104975233B

CN104975233B - 超高强高韧性合金结构钢连铸圆坯的生产方法

Info

Publication number: CN104975233B
Application number: CN201510321100.9A
Authority: CN
Inventors: 黄国玖; 胡茂会; 贾宁波; 杨文明
Original assignee: Pangang Group Chengdu Steel and Vanadium Co Ltd
Current assignee: Pangang Group Chengdu Steel and Vanadium Co Ltd
Priority date: 2015-06-11
Filing date: 2015-06-11
Publication date: 2016-11-09
Anticipated expiration: 2035-06-11
Also published as: CN104975233A

Abstract

本发明属冶金领域，具体涉及适用于壳体用超高强高韧性合金结构钢(D6AE)无缝钢管钢φ220～φ388mm圆坯连铸的生产。本发明提供一种超高强高韧性合金结构钢连铸圆坯的生产方法，原料依次经电弧炉冶炼→LF精炼→真空精炼→圆坯连铸→连铸坯精整→轧管，圆坯连铸工序中，控制连铸钢水过热度15～30℃，拉速为0.40～1.20m/min，连铸二冷比水量0.29～0.44L/kg，连铸二冷区分4段，采用气雾冷却，各段水量占有的比例分别为：第一段水量26～34％、第二段水量19～26％、第三段水量25～33％、第四段水量20～27％。本发明通过控制最佳的钢水条件、连铸二冷制度与浇铸温度、拉速匹配，避免连铸圆坯产生表面裂纹和中心裂纹缺陷，生产出D6AE无缝钢管用连铸圆坯，实现批量生产。

Description

超高强高韧性合金结构钢连铸圆坯的生产方法

技术领域

本发明属冶金领域，具体涉及适用于壳体用超高强高韧性合金结构钢(D6AE)无缝钢管钢φ220～φ388圆坯连铸的生产。

背景技术

超高强度钢主要用于宇航壳体和火箭弹的壳体，要求钢具有较高的比强度和较强的阻止裂纹扩展的能力(即具有高的K_1C)，以及良好的工艺性能，便于火箭弹安全储运和旋压成型。在超高强度钢的生产中，提高钢质强韧化综合性能的主要途径就是降低钢中夹杂物和气体含量。国内外在生产宇航壳体中大都围绕解决这个问题来编制工艺线。

圆连铸坯是生产无缝钢管的主要管坯之一，常用品种是碳素钢、低合金钢和合金结构钢，合金元素少，对连铸机设备和二冷水制度要求不高。用于壳体的超高强高韧性钢碳含量较高，合金元素多，与圆坯连铸常用的品种如碳素钢、低合金钢和合金结构钢生产完全不同，超高强钢由于碳含量较高，凝固收缩大，合金元素传热慢，连铸二冷水控制要求严格。连铸时铸坯进拉矫机时铸坯表面温度低，矫直时容易产生裂纹缺陷，铸坯温度高缩孔深，容易出现液心矫直，铸坯中心产生裂纹缺陷，不能满足轧管对管坯钢的使用要求。

申请号为201010565121.2的中国专利申请中公开了P91圆坯连铸生产方法，该方法可以避免浇铸高合金钢P91连铸圆坯产生铸坯表面裂纹和中心裂纹缺陷，连铸二冷比水量为0.22～0.28L/kg，二冷区分五段冷却，各段水量百分比分别为：第一段18～25％、第二段12～18％、第三段12～18％、第四段28～38％、第五段17～25％。

申请号为200610030724.6的中国专利申请中公开了弧形连铸机生产的Cr－Mo合金钢圆坯的工艺方法，该方法控制连铸二冷比水量为0.47～0.53，一区水量百分比为35％～45％，二区水量百分比为22％～32％，三区水量百分比为14％～24％，四区水量百分比为9％～19％，并控制钢中Mn/S≥200。该方法可以避免钢水在冷却凝固过程中因激冷产生铸坯中心裂纹、缩孔等缺陷的发生。

以上两个方法都主要是针对碳含量小于0.15％的合金钢，而对于含碳量大于0.42％的超高强高韧性合金钢，该方法仍然不能解决其凝固收缩大，铸坯产生裂纹和缩孔的技术难题。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种超高强度高韧性合金结构钢(D6AE)连铸圆坯的生产方法，通过控制最佳的钢水条件、连铸二冷制度与浇铸温度、拉速匹配，避免连铸圆坯产生表面裂纹和中心裂纹缺陷，生产出D6AE无缝钢管用连铸圆坯，实现批量生产。

本发明的技术方案：

本发明提供一种超高强高韧性合金结构钢连铸圆坯的生产方法，原料依次经电弧炉冶炼→LF精炼→真空精炼→圆坯连铸→连铸坯精整→轧管，其中，

圆坯连铸工序中，控制连铸钢水过热度15～30℃，拉速(浇注速度)为0.40～1.20m/min，连铸二冷比水量0.29～0.44L/kg，连铸二冷区分4段，采用气雾冷却，各段水量占有的比例分别为：第一段水量26～34％、第二段水量19～26％、第三段水量25～33％、第四段水量20～27％。

本发明中，所述超高强高韧性合金结构钢的化学成分及其重量含量为：C 0.42～0.48％、Si 0.15～0.35％、Mn 0.60～0.90％、P≤0.015％、S≤0.015％、Ni 0.40～0.70％、Cr 0.90～1.20％、Mo0.90～1.10％、V 0.05～0.10％。

所述超高强高韧性合金结构钢为D6AE钢。

所述圆坯的直径为φ220mm～φ388mm。

优选的，上述方法中，电炉冶炼采用超高功率电弧炉冶炼。

更优选的，采用70吨高阻抗超高功率电弧炉。

优选的，圆坯连铸工序中，采用三机三流圆坯连铸机浇铸。

优选的，所述原料指废钢和铁水，废钢与铁水的质量比为100︰25-30，电炉初炼钢水的化学成分满足：C 0.12～0.15％、P≤0.003％、S≤0.020％，Fe为余量。

本发明的有益效果：

本发明通过控制最佳的钢水条件、连铸二冷制度与浇铸温度、拉速匹配，避免连铸圆坯产生表面裂纹和中心裂纹缺陷，生产出D6AE无缝钢管用连铸圆坯，实现批量生产。

本发明控制连铸中间包钢水过热度，连铸二冷区采用多段冷却，并对各段冷却水量进行合理匹配，减少铸坯表面回温和铸坯表面温度梯度，提高铸坯拉矫前温度，避免铸坯热应力增加和铸坯表面温度反复变化使铸坯组织发生多次相变从而导致铸坯产生中心裂纹和表面裂纹缺陷，使得生产的铸坯质量满足轧管要求。

具体实施方式

圆坯连铸工序中，控制连铸钢水过热度15～30℃，浇注速度(拉速)为0.40～1.20m/min，连铸二冷比水量0.29～0.44L/kg，连铸二冷区分4段，采用气雾冷却，各段水量占有的比例分别为：第一段水量26～34％、第二段水量19～26％、第三段水量25～33％、第四段水量20～27％。

本发明中，超高强高韧性合金结构钢D6AE钢化学成分为：C 0.42～0.48％、Si 0.15～0.35％、Mn 0.60～0.90％、P≤0.015％、S≤0.015％、Ni 0.40～0.70％、Cr 0.90～1.20％、Mo 0.90～1.10％、V0.05～0.10％。通过弧型连铸机浇铸成直径为φ220～φ388mm的连铸圆坯。D6AE钢液相线约1480℃、固相线约1411℃，固液温度差大，而且D6AE钢含Mn、Cr、Mo、Ni、V合金元素多，钢液粘稠，流动性差，凝固补缩不好，尤其是铸坯断面越大，补缩效果越差。另外，合金元素含量高，钢液凝固时铸坯断面收缩大，已凝固铸坯不能承受钢液凝固收缩应力，铸坯就容易产生中心裂纹和表面裂纹，改善铸坯裂纹形成条件必须从连铸冷却着手，避免应力的集中释放，形成铸坯中心裂纹和表面裂纹。

本发明生产工艺流程：超高功率电弧炉→LF精炼炉→VD真空处理→圆坯连铸→连铸坯精整→轧管。本发明采用高阻抗超高功率电弧炉冶炼初炼钢水，去除钢中的磷及气体含量，确保钢水终点碳，防止钢水被过氧化；LF钢包精炼提高钢质纯净度，调整钢水合金元素含量达到标准要求；VD真空去气、去夹杂物；连铸控制钢水过热度15～30℃，拉速为0.40～1.20m/min，比水量0.29～0.44L/kg，二冷区分4段气雾冷却，各段水量百分比分别为：第一段水量百分比为26～34％、第二段水量占19～26％、第三段水量占25～33％、第四段水量占20～27％。使铸坯温度均匀，各段之间铸坯表面回温小，避免铸坯热应力增加和铸坯表层温度反复变化而发生多次相变，导致铸坯产生中心裂纹和表面裂纹缺陷。

连铸二冷水的作用是将从结晶器拉出来的带有液心的铸坯，在二次冷却区接受汽雾冷却，促使铸坯快速完全凝固，随着铸坯壳厚度的增加，导热速度减慢，二次冷却系统必须设计为均匀降低铸坯温度，避免铸坯表面温度急剧变化，导致铸坯产生裂纹缺陷。

下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

D6AE生产工艺流程：原料经70吨高阻抗电弧炉→LF精炼炉→VD真空处理→圆坯连铸→铸坯缓冷→铸坯表面清理→合格铸坯入库→轧管。

70吨高阻抗超高功率电弧炉采用优质废钢和铁水作原料，铁水为废钢重量的30％，利用电能熔化废钢，石灰造渣脱磷，RCB枪加大炉壁用氧量，保持一定的脱碳速度，去除钢水中的夹杂和氢、氮气体。采用偏心炉底无渣出钢，出钢过程用硅铝钡钙和铝球脱氧剂进行预脱氧，有效降低钢水的氧化性。电炉初炼钢水成分：C 0.12％、P 0.003％、S 0.020％、Fe为余量，出钢温度1640℃；电炉出钢采用无渣出钢，出钢过程钢包加入锰铁4Kg/t钢、铝球1.0Kg/t钢、BaAlSi 3Kg/t钢。

初炼钢水到LF精炼炉，采用精炼渣造渣，用量9Kg/t钢；精炼过程分批加入硅铁、锰铁、铬铁、钼铁、镍板、钒铁等铁合金进行合金化，根据生产所需的最终产品各元素含量调整钢水化学成分，出钢温度1650℃。精炼钢水到VD炉进行真空处理，在真空度≤67Pa下，保持时间15分钟，出罐温度1600℃，VD结束喂CaSi线进行钙处理，用量0.4Kg/t钢。

精炼好的钢水送到三机三流圆坯连铸机浇铸φ220mm铸坯，流间距1700mm；20吨中间包，使用Mg质中间包涂料和低碳双层中间包覆盖剂；连铸钢包、中间包和结晶器全程保护浇铸，防止钢水二次氧化和吸气，钢包与中间包之间采用保护套管，钢包与保护套管连接处采用氩气保护；结晶器长度800mm，结晶器使用中碳保护渣，结晶器用浸入式水口。钢水过热度△t 30℃，连铸二冷比水量为0.44L/kg，二冷区分四段气雾冷却，各段水量百分比分别为：第一段34％、第二段20％、第三段26％、第四段20％，浇铸速度1.2m/min。所得铸坯低倍评级结果见表1，本发明中，低倍评级依据中华人民共和国黑色冶金行业标准YB/T4149-2006连铸圆管坯标准进行测定，其中，技术要求值指满足超高强度高韧性D6AE无缝钢管轧制圆管坯的质量要求。

表1 铸坯低倍评级

实施例2

D6AE生产工艺流程：70吨高阻抗电炉→LF精炼炉→VD真空处理→圆坯连铸→铸坯缓冷→铸坯表面清理→合格铸坯入库→轧管。

70吨高阻抗超高功率电弧炉采用优质废钢和铁水作原料，铁水为废钢重量的25％，利用电能熔化废钢，石灰造渣脱磷，RCB枪加大炉壁用氧量，保持一定的脱碳速度，去除钢水中的夹杂和氢、氮气体。采用偏心炉底无渣出钢，出钢过程用硅铝钡钙和铝球脱氧剂进行预脱氧，有效降低钢水的氧化性。电炉初炼钢水成分：C 0.15％、P 0.002％、S 0.015％、Fe为余量，出钢温度1620℃；电炉出钢采用无渣出钢，出钢过程钢包加入锰铁3.5Kg/t钢、铝球0.5Kg/t钢、BaAlSi 3.5Kg/t钢。

初炼钢水到LF精炼炉，采用精炼渣造渣，用量10Kg/t钢；精炼过程分批加入硅铁、锰铁、铬铁、钼铁、镍板、钒铁等铁合金进行合金化，根据生产所需的最终产品各元素含量调整钢水化学成分，精炼结束喂CaSi线进行钙处理，用量0.6Kg/t钢，出钢温度1640℃。精炼钢水到VD炉进行真空处理，在真空度≤67Pa下，保持时间18分钟，出罐温度1595℃。

精炼好的钢水送到三机三流圆坯连铸机浇铸φ388mm铸坯，流间距1700mm；20吨中间包，使用Mg质中间包涂料和低碳双层中间包覆盖剂；连铸钢包、中间包和结晶器全程保护浇铸，防止钢水二次氧化和吸气，钢包与中间包之间采用保护套管保护，钢包与保护套管连接处采用氩气保护；结晶器长度800mm，结晶器使用中碳保护渣，结晶器用浸入式水口。钢水过热度△t 15℃，连铸二冷比水量为0.29L/kg，二冷区分四段气雾冷却，各段水量百分比分别为：第一段26％、第二段19％、第三段33％、第四段22％，浇铸速度0.40m/min。所得铸坯低倍评级结果见表2，其中，技术要求值指满足超高强度高韧性D6AE无缝钢管轧制圆管坯的质量要求。

表2 铸坯低倍评级

一般疏松

中心疏松

中间裂纹

中心裂纹

缩孔

铸坯表面裂纹

铸坯值

0.5级

0级

无

技术要求值

≤1级

无

从表1、表2可看出采用本发明方法制得的铸坯低倍无中间裂纹、中心裂纹、缩孔和铸坯表面裂纹，完全满足超高强度高韧性D6AE无缝钢管轧制圆管坯的质量要求。

根据背景技术部分可知，虽然申请号为200610030724.6的专利申请公开了弧形连铸机生产的Cr－Mo合金钢圆坯的工艺方法，并具体限定了连铸二冷比水量等工艺条件，但是由于其方法是针对于Cr－Mo钢，Cr－Mo钢的主要化学成分为：C 0.08～0.32％、Si0.10～0.50％、Mn 0.30～0.75％、P≤0.035％、S≤0.030％、Cr 2～6％、Mo 0.38～1.20％；可见Cr－Mo钢与本发明的超高强度高韧性钢的成分完全不同。

另外，按照申请号为200610030724.6的方法，控制连铸二冷比水量为0.47～0.53，一区水量百分比为35％～45％，二区水量百分比为22％～32％，三区水量百分比为14％～24％，四区水量百分比为9％～19％进行Cr－Mo合金钢圆坯连铸，所生产的Cr－Mo合金钢连铸坯低倍评级结果见表3，可见，申请号为200610030724.6的方法所生产的低碳合金钢圆坯存在2级及2级以上的中心裂纹和缩孔；即其并未能解决Cr－Mo合金钢圆坯中心裂纹和缩孔的缺陷。

表3 铸坯低倍评级

	中心裂纹	缩孔
			铸坯值	2～4级	2～4级

从表1、2、3可以看出，采用本发明方法生产的铸坯质量完全符合超高强度高韧性D6AE无缝钢管轧制圆管坯的质量要求，而采用200610030724.6专利申请的方法所生产的低碳合金钢圆坯会产生2级及2级以上的中心裂纹和缩孔。

Claims

1.超高强高韧性合金结构钢连铸圆坯的生产方法，原料依次经电弧炉冶炼→LF精炼→真空精炼→圆坯连铸→连铸坯精整→轧管，其特征在于，圆坯连铸工序中，控制连铸钢水过热度15～30℃，拉速为0.40～1.20m/min，连铸二冷比水量0.29～0.44L/kg，连铸二冷区分4段，采用气雾冷却，各段水量占有的比例分别为：第一段水量26～34％、第二段水量19～26％、第三段水量25～33％、第四段水量20～27％；所述超高强高韧性合金结构钢的化学成分及其重量含量为：C 0.42～0.48％、Si 0.15～0.35％、Mn 0.60～0.90％、P≤0.015％、S≤0.015％、Ni0.40～0.70％、Cr 0.90～1.20％、Mo 0.90～1.10％、V 0.05～0.10％。

2.根据权利要求1所述的超高强高韧性合金结构钢连铸圆坯的生产方法，其特征在于，所述超高强高韧性合金结构钢为D6AE钢。

3.根据权利要求1或2所述的超高强高韧性合金结构钢连铸圆坯的生产方法，其特征在于，所述圆坯的直径为φ220mm～φ388mm。

4.根据权利要求1或2所述的超高强高韧性合金结构钢连铸圆坯的生产方法，其特征在于，电炉冶炼采用超高功率电弧炉冶炼。

5.根据权利要求3所述的超高强高韧性合金结构钢连铸圆坯的生产方法，其特征在于，电炉冶炼采用超高功率电弧炉冶炼。

6.根据权利要求4所述的超高强高韧性合金结构钢连铸圆坯的生产方法，其特征在于，电炉冶炼采用70吨高阻抗超高功率电弧炉。

7.根据权利要求5所述的超高强高韧性合金结构钢连铸圆坯的生产方法，其特征在于，电炉冶炼采用70吨高阻抗超高功率电弧炉。

8.根据权利要求1、2、5、6或7任一项所述的超高强高韧性合金结构钢连铸圆坯的生产方法，其特征在于，圆坯连铸工序中，采用三机三流圆坯连铸机。

9.根据权利要求3所述的超高强高韧性合金结构钢连铸圆坯的生产方法，其特征在于，圆坯连铸工序中，采用三机三流圆坯连铸机。

10.根据权利要求4所述的超高强高韧性合金结构钢连铸圆坯的生产方法，其特征在于，圆坯连铸工序中，采用三机三流圆坯连铸机。

11.根据权利要求1、2、5、6、7、9或10任一项所述的超高强高韧性合金结构钢连铸圆坯的生产方法，其特征在于，所述原料指废钢和铁水，废钢与铁水的质量比为100︰25-30，电弧炉初炼钢水的化学成分满足：C 0.12～0.15％、P≤0.003％、S≤0.020％，Fe为余量。

12.根据权利要求3所述的超高强高韧性合金结构钢连铸圆坯的生产方法，其特征在于，所述原料指废钢和铁水，废钢与铁水的质量比为100︰25-30，电弧炉初炼钢水的化学成分满足：C 0.12～0.15％、P≤0.003％、S≤0.020％，Fe为余量。

13.根据权利要求4所述的超高强高韧性合金结构钢连铸圆坯的生产方法，其特征在于，所述原料指废钢和铁水，废钢与铁水的质量比为100︰25-30，电弧炉初炼钢水的化学成分满足：C 0.12～0.15％、P≤0.003％、S≤0.020％，Fe为余量。

14.根据权利要求8所述的超高强高韧性合金结构钢连铸圆坯的生产方法，其特征在于，所述原料指废钢和铁水，废钢与铁水的质量比为100︰25-30，电弧炉初炼钢水的化学成分满足：C 0.12～0.15％、P≤0.003％、S≤0.020％，Fe为余量。