CN105088087B - 一种高韧性适焊微合金化铸钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高韧性适焊微合金化铸钢及其制备方法；属于铸钢材料冶炼制备技术领域。本发明所设计的铸钢以质量百分比计包括下述组分：C0.10％～0.25％、Si 0.30％～0.70％；Mn 0.65％～1.00％；Cr 0.01％～0.15％；Ni0.01％～0.04％；Nb 0.01％～0.15％；V 0.005％～0.015％；Al 0.025％～0.075％；P≤0.02％，S≤0.005％，其余为Fe以及不可避免的微量杂质元素。本发明以废铁、废钢为原料，通过中频感应炉冶炼，得到了磷硫含量低、力学性能优良、可焊性能卓越的微合金化铸钢。本发明成分设计合理、制备工艺简单，便于大规模的产业化应用和生产。

Description

一种高韧性适焊微合金化铸钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种高韧性适焊微合金化铸钢及其制备方法；属于铸钢材料冶炼制备技术领域，具体涉及一种适用于船舶、石油、电力等设备中的大型铸件用高韧性适焊微合金化铸钢材料及其制备方法。

背景技术

我国现有大型铸钢企业一般采用中频炉、电弧炉对废钢、废铁进行冶炼生产铸钢材料。其中，中频炉具有融化速率快、生产效率高，氧化烧损小、合金收得率高，炉温便于调控等特点，因而在大型铸钢企业有着较为广泛的应用。但是中频炉炼钢过程一般不能对钢水脱磷、脱硫，致使钢水质量较差，从而导致铸钢件力学性能和使用寿命较低。同时，大型铸钢件常用的材料为合金铸钢材料，其冶炼过程中要加入较多的合金。由于合金中磷、硫元素含量较高，合金的加入会导致钢水中磷、硫元素的进一步增加，从而使钢水质量恶化、铸件的力学性能变差、使用寿命更低。

此外，大型铸钢件在生产过程中一般需要进行焊补，其优良的焊补性能可以在降低制造加工难度的同时，提高铸件质量和性能。对于大型船用铸钢件和海上石油机械铸钢件，良好的冲击韧性也是其必须具备的性能之一。

中国专利文献CN 1033845 A提出了一种微合金铸钢材料及其制备方法，该微合金铸钢以Nb、Ti为微合金元素，采用电弧炉或中频炉熔炼。其具体成分为碳0.06-0.18％、锰1.4-1.8％、铌0.02-0.12％、钛0.01-0.10％，磷硫含量各小于0.035％，残余铝小于或等于0.06％。该微合金铸钢具有较好的综合力学性能，但 是该铸钢用中频炉熔炼时所采用的原材料、冶炼工艺方法及脱磷脱硫方法没有具体说明，且铸钢中S元素含量和碳当量相对较高。其中，S元素含量的上限接近0.015％，碳当量值接近或超过0.4％，不利于铸钢材料焊接性能的提高。除此之外，该专利所得产品的延伸率最高仅为28％。更为关键的是，微合金铸钢的成分设计以及制备并没有涉及如何提高其可焊性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明设计了一种以Cr、Ni、Nb、V为微合金元素，具有较高的韧性和良好的焊接性能的微合金化铸钢以及该合金的冶炼制备、热处理方法。该铸钢可用于石油、电力、船舶等工程领域中的大型铸钢件，也可应用于其他工程领域。

本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢；以质量百分比计包括下述组分：C 0.10％～0.25％、优选为0.12％～0.20％、进一步优选为0.14％～0.16％；Si 0.30％～0.70％、优选为0.35％～0.60％、进一步优选为0.40％～0.50％；Mn 0.65％～1.00％、优选为0.70％～0.90％、进一步优选为0.70％～0.80％；Cr 0.01％～0.15％、优选为0.01％～0.08％、进一步优选为0.01％～0.06％；Ni 0.01％～0.04％、优选为0.01％～0.03％、进一步优选为0.01％～0.02％；Nb 0.01％～0.15％、优选为0.01％～0.09％、进一步优选为0.03％～0.08％；V 0.005％～0.015％、优选为0.007％～0.013％、进一步优选为0.085％～0.012％；Al 0.025％～0.075％、优选为0.030％～0.060％、进一步优选为0.035％～0.050％；P≤0.02％，S≤0.005％，

其余为Fe以及不可避免的微量杂质元素。

本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢；所述铸钢中P的质量百分含量优选 为小于0.0185％。

本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢；所述铸钢中S的质量百分含量优选为小于等于0.0018％。

本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢的制备方法是：以废钢、废铁为原料，按设计铸钢的组分配取废钢、合金元素补充源、Nb元素补充源；所述合金元素补充源为C、Si、Mn、Cr、Ni、V、Al中的一种或多种元素与铁形成的合金；所述Nb元素补充源为Nb-Fe合金；然后先熔化废钢，在往废钢熔液中加入合金元素补充源；继续熔炼至合金元素补充源完全熔化后，再加入Nb元素补充源，搅拌均匀后，浇铸，得到铸件。

本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢的制备方法；包括下述步骤：

步骤一

以废钢、废铁为原料，按设计铸钢的组分配取废钢、合金元素补充源、Nb元素补充源；所述合金元素补充源为C、Si、Mn、Cr、Ni、V、Al中的一种或多种元素与铁形成的合金；所述Nb元素补充源为Nb-Fe合金；

步骤二

先将废钢加入中频炉进行熔融，待废钢熔化得到钢液后，将炉温控制在1540℃～1590℃，再往钢液中加入部分合金元素补充源；待所加合金元素补充源完全熔化后，将炉温升至1580℃～1620℃，取样检测炉前钢水化学成分；

步骤三

根据步骤二所检测出的炉前钢水化学成分，计算最终所需合金元素的量，并依据计算结果调整剩余部分合金元素补充源的成分和用量；再将调整后的剩余部分合金元素补充源，加入钢水中，搅拌直至其完全熔化后，静置、扒渣， 得到待微合金化的钢液；

步骤四

往步骤三所得待微合金化的钢液中加入步骤一所配取的Nb元素补充源，搅拌至Nb元素补充源完全熔化后，移至盛有纯铝和碳粉的钢包中，并于1650℃～1680℃出钢浇铸，得到铸件。

本发明，步骤四中Nb元素补充源加入后，与待微合金化的钢液反应，得到微合金化的钢液。

为了实现快速生产，本发明冶炼前将钢包、炉体、铸型、废钢、废铁、以及合金烘烤干燥以减少其中水汽的含量，并去除废钢表面的泥污和铁锈。烘烤温度为100℃～350℃，烘烤时间为20min～30min。

本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢的制备方法；步骤二中所加入的部分合金元素补充源的质量，占步骤一所配取合金元素补充源总质量的50％～70％。

本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢的制备方法；所述合金元素补充源包括锰铁和硅铁。

为了进一步及提升最终产品的品质，步骤二以及步骤三中添加合金元素补充源时，按先加锰铁、再加硅铁、再加其它合金元素补充源的顺序加入中频炉中进行冶炼。

为了控制所得铸件的质量，本发明根据铸钢的化学成分要求及合金烧损率计算配料。同时经步骤三的细微调整，可进一步保证所得铸件的质量。

本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢的制备方法；步骤四中所用纯铝的质量为钢水总质量的0.05％～0.1％。

本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢的制备方法；步骤四中所用碳粉的质 量根据炉前钢水中碳含量计算。

本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢的制备方法；所制备的高韧性适焊微合金化铸钢的碳当量(CEV)值小于0.35。

本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢的制备方法；所得铸件经正火处理和回火处理后，得到非焊接成品。

本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢的制备方法；所述正火处理的条件为：

在箱式电阻炉中以80℃/h～120℃/h的速度升温至850℃～950℃，保温1.5-2.5h，然风冷至室温。所述风冷的冷却速度为5℃/s～15℃/s。

本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢的制备方法；所述回火热处理的条件为：在箱式电阻炉中以80℃/h～120℃/h的速度升温至500℃～650℃，保温2.5-3.5h，然后在空气中冷却至室温。

本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢的制备方法；正火处理和回火处理的时间间隔依据铸件的大小进行选择。最优的间隔时间不超过6h。

本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢的制备方法；所述非焊接成品的伸长率大于等于32％、断面收缩率大于等于40％、屈服强度大于等于325MPa、抗拉强度大于等于490MPa、室温时冲击吸收功大于等于120J。

本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢的制备方法；所得铸件经焊接后，依次经淬火处理和回火处理(调质处理)后，所得焊接成品的伸长率大于等于30％(最优可达35％)、断面收缩率大于等于60％(最优可达68％)、屈服强度大于等于340MPa(最优可达360MPa)、抗拉强度大于等于520MPa(最优可达550MPa)、-40℃时冲击吸收功大于等于49J(最优可达58J)。所述淬火处理的条件为：在箱式电阻炉中以80℃/h～120℃/h的速度升温至850℃～950℃，保温 1.5-2.5h，然后水冷至室温。所述回火热处理的条件为：在箱式电阻炉中以80℃/h～120℃/h的速度升温至500℃～650℃，保温2.5-3.5h，然后水冷至室温。

原理和优势

本发明所设计高韧性适焊微合金化铸钢，通过各组分的协同作用，在力学性能和可焊性上取得意想不到的效果。

本发明及设计了高韧性适焊微合金化铸钢，同时还开发出了与设计铸钢相匹配的冶炼工艺。本发明改进中频炉冶炼合金铸钢材料的合金添加工艺方法，并通过合理的微合金化处理方法，降低刚水中P、S元素的含量以及C元素的含量，得到了韧性好、焊接性能优良且其它综合力学性能优越的成品。

由于本发明采用了废钢、废铁做为原料，该原料在进行脱氧前，其氧含量是较高，本发明利用这一特性，本发明采用在炉前检测化学成分前先预加部分合金方法，使得磷与其中的氧结合生成二氧化磷并上浮至钢水液面，再通过扒渣去除；这就在最大程度上降低了钢水中P、S元素的含量。

本发明通过各组分的协同作用，通过严格控制各组分的含量，巧妙的解决了锰元素的热敏感性以及回火脆性以及碳、锰、硅等元素会显著降低钢的塑韧性和焊接性能的不足。

具体实施方式

以下结合实例对本发明做进一步阐述。

实施例1：

设计合金组分，以质量百分比计为：

C 0.148％、Si 0.423％、Mn 0.796％、Cr 0.0295％、Ni 0.0211％、Nb 0.0433％、V 0.0122％、Al 0.0387％、P≤0.02％，S≤0.005％，其余为Fe以及不可避免的微 量杂质元素。

本实施例中，合金元素补充源为Si-Fe合金、Mn-Fe合金、Cr-Ni-Fe合金、V-Al-Fe合金、Nb元素补充源为Nb-Fe合金。

冶炼步骤为：

(1)预处理：冶炼前将钢包、炉体、铸型、废钢、废铁、以及合金烘烤干燥以减少其中水汽的含量，并去除废钢表面的泥污和铁锈；

(2)配料：根据铸钢的化学成分要求及合金烧损率计算配料；

(3)装料、熔炼：将废钢、废铁加入中频炉进行熔融，待钢液熔清后，将炉温控制在1560℃左右，往钢液中加入部分合金元素补充源(占合金元素补充源总质量的50wt％)；部分合金元素补充源的添加顺序为先添加锰铁、再加硅铁、再加其它合金元素补充源的顺序加入中频炉中进行冶炼；

(4)取样检测：将炉温升至1592℃，取样检测炉前钢水化学成分；

(5)添加合金：根据炉前钢水化学成分计算、添加调整后的剩余合金元素补充源，待合金全部熔化后，搅拌均匀、静置、扒渣；调整后，剩余合金元素补充源的添加顺序为先添加锰铁、再加硅铁、再加其它合金元素补充源的顺序加入中频炉中进行冶炼；

(6)微合金化和终脱氧：在钢水中加入30g铌铁进行微合金化，并预先在钢包中加入纯铝进行终脱氧(铝的加入量为钢液总质量的0.6％)，加入碳粉增碳(碳的加入量根据炉前钢水中碳含量计算为10g)；

(7)出钢、浇注：脱硫完毕、调整好合金成分后，将钢水温度迅速升至1665℃出钢，并浇入预先准备好的铸型中。所得铸件中P的含量为0.0171％、S的含量为0.0018％。

(8)在箱式电阻炉中以约120℃/h的速度升温至900℃，保温2h，然后将铸钢件风冷至室温。然后在箱式电阻炉中以约120℃/h的速度升温至500℃，保温2h，然后将铸钢件在空气中冷却至室温；得到非焊接成品，非焊接成品的力学数据见表1。

步骤(7)所得铸件，以E5015为焊接料、采用手工电弧焊接技术焊接后，经调质处理得到焊接成品；焊接成品的力学性能见表2。

对比例1：

设计合金组分，以质量百分比计为：

C 0.179％、Si 0.490％、Mn 0.826％、Cr 0.0148％、Ni 0.018％、Nb0％、V0.0093％、Al 0.0673％、P 0.0211％，S 0.0049％，其余为Fe以及不可避免的微量杂质元素。

本对比例中，合金元素补充源为Si-Fe合金、Mn-Fe合金、Cr-Ni-Fe合金、V-Fe合金、Nb元素补充源为Nb-Fe合金。

冶炼步骤为：

(1)预处理：冶炼前将钢包、炉体、铸型、废钢、废铁、以及合金烘烤干燥以减少其中水汽的含量，并去除废钢表面的泥污和铁锈；

(2)配料：根据铸钢的化学成分要求及合金烧损率计算配料；

(3)装料、熔炼：将废钢、废铁加入中频炉进行熔融，待钢液熔清后，将炉温控制在1560℃左右，往钢液中除铝元素之外的合金元素补充源；

(4)终脱氧：待合金全部熔清后，(铝的加入量为钢液总质量的0.8％)，加入碳粉增碳(碳的加入量根据炉前钢水中碳含量计算为15g)；

(5)出钢、浇注：脱硫完毕、调整好合金成分后，将钢水温度迅速升至1652℃出钢，并浇入预先准备好的铸型中。

(6)在箱式电阻炉中以约120℃/h的速度升温至900℃，保温2h，然后将铸钢件风冷至室温。然后在箱式电阻炉中以约120℃/h的速度升温至500℃，保温2h，然后将铸钢件在空气中冷却至室温。得到非焊接成品，非焊接成品的力学数据见表1。

步骤(5)所得铸件，以E5015为焊接料、采用手工电弧焊接技术焊接后，经调质处理得到焊接成品；焊接成品的力学性能见表2。

实施例2：

设计合金组分，以质量百分比计为：

C 0.145％、Si 0.463％、Mn 0.758％、Cr 0.0284％、Ni 0.0146％、Nb 0.0719％、V 0.0099％、Al 0.0523％、P≤0.02％，S≤0.005％，其余为Fe以及不可避免的微量杂质元素。

本实施例中，合金元素补充源为Si-Fe合金、Mn-Fe合金、Cr-Ni-Fe合金、V-Al-Fe合金、Nb元素补充源为Nb-Fe合金。

冶炼步骤为：

(1)预处理：冶炼前将钢包、炉体、铸型、废钢、废铁、以及合金烘烤干燥以减少其中水汽的含量，并去除废钢表面的泥污和铁锈；

(2)配料：根据铸钢的化学成分要求及合金烧损率计算配料；

(3)装料、熔炼：将废钢、废铁加入中频炉进行熔融，待钢液熔清后，将炉温控制在1560℃左右，往钢液中加入部分合金元素补充源(占合金元素补充源总质量的60wt％)；部分合金元素补充源的添加顺序为先添加锰铁、再加硅铁、再加其它合金元素补充源的顺序加入中频炉中进行冶炼；

(4)取样检测：待合金全部熔清后，将炉温升至1585℃，取样检测炉前钢 水化学成分；

(6)添加合金：根据炉前钢水化学成分计算、添加合金：根据炉前钢水化学成分计算、添加调整后的剩余合金元素补充源，待合金全部熔清后，扒净炉渣；调整后，剩余合金元素补充源的添加顺序为先添加锰铁、再加硅铁、再加其它合金元素补充源的顺序加入中频炉中进行冶炼；待合金全部熔融后，搅拌均匀、静置、扒渣；

(7)微合金化和终脱氧：在钢水中加入铌铁进行微合金化，并预先在钢包中加入纯铝进行终脱氧，(铝的加入量为钢液总质量的0.65％)，加入碳粉增碳(根据炉前钢水中碳含量计算为8g)；

(8)出钢、浇注：脱硫完毕、调整好合金成分后，将钢水温度迅速升至1652℃出钢，并浇入预先准备好的铸型中。所得铸件中P的含量为0.0182％、S的含量为0.0027％。

(9)在箱式电阻炉中以约120℃/h的速度升温至900℃，保温2h，然后将铸钢件风冷至室温。然后在箱式电阻炉中以约120℃/h的速度升温至500℃，保温2h，然后将铸钢件在空气中冷却至室温。得到非焊接成品，非焊接成品的力学数据见表1。

步骤(7)所得铸件，以E5015为焊接料、采用手工电弧焊接技术焊接后，经调质处理得到焊接成品；焊接成品的力学性能见表2。

实施例3

设计合金组分，以质量百分比计为：

C 0.152％、Si 0.455％、Mn 0.715％、Cr 0.0252％、Ni 0.0153％、Nb 0.0536％、V 0.0110％、Al 0.0523％、P≤0.02％，S≤0.005％，其余为Fe以及不可避免的微 量杂质元素。

本实施例中，合金元素补充源为Si-Fe合金、Mn-Fe合金、Cr-Ni-Fe合金、V-Al-Fe合金、Nb元素补充源为Nb-Fe合金。

其他的操作步骤和操作参数与实施例1完全一致；

所得非焊接成品的力学数据见表1。

所得铸件，以E5015为焊接料、采用手工电弧焊接技术焊接后，经调质处理得到焊接成品；焊接成品的力学性能见表2。

实施例4

设计合金组分，以质量百分比计为：

C 0.142％、Si 0.469％、Mn 0.762％、Cr 0.0356％、Ni 0.0148％、Nb 0.0785％、V 0.0120％、Al 0.0495％、P≤0.02％，S≤0.005％，其余为Fe以及不可避免的微量杂质元素。

本实施例中，合金元素补充源为Si-Fe合金、Mn-Fe合金、Cr-Ni-Fe合金、V-Al-Fe合金、Nb元素补充源为Nb-Fe合金。

其他的操作步骤和操作参数与实施例1完全一致；

所得非焊接成品的力学数据见表1。

所得铸件，以E5015为焊接料、采用手工电弧焊接技术焊接后，经调质处理得到焊接成品；焊接成品的力学性能见表2。

表1 实施例和对比例所得非焊接成品的力学性能表

表2 实施例和对比例所得焊接成品的力学性能表

Claims (7)

1.一种高韧性适焊微合金化铸钢，其特征在于；以质量百分比计包括下述组分：

C 0.10％～0.25％；

Si 0.30％～0.70％；

Mn 0.65％～1.00％；

Cr 0.01％～0.15％；

Ni 0.01％～0.04％；

Nb 0.01％～0.15％；

V 0.005％～0.015％；

Al 0.025％～0.075％；

P≤0.02％，S≤0.005％，

其余为Fe以及不可避免的微量杂质元素；

所述高韧性适焊微合金化铸钢的制备方法包括下述步骤：

步骤一

以废钢、废铁为原料，按设计铸钢的组分配取废钢、合金元素补充源、Nb元素补充源；所述合金元素补充源为C、Si、Mn、Cr、Ni、V、Al中的一种或多种元素与铁形成的合金；所述Nb元素补充源为Nb-Fe合金；

步骤二

先将废钢加入中频炉进行熔融，待废钢熔化得到钢液后，将炉温 控制在1540℃～1590℃，再往钢液中加入部分合金元素补充源；待所加合金元素补充源完全熔化后，将炉温升至1580℃～1620℃，取样检测炉前钢水化学成分；

步骤三

根据步骤二所检测出的炉前钢水化学成分，计算最终所需合金元素的量，并依据计算结果调整剩余部分合金元素补充源的成分和用量；再将调整后的剩余部分合金元素补充源，加入钢水中，搅拌直至其完全熔化后，静置、扒渣，得到待微合金化的钢液；

步骤四

往步骤三所得待微合金化的钢液中加入步骤一所配取的Nb元素补充源，搅拌至Nb元素补充源完全熔化后，移至盛有纯铝和碳粉的钢包中，并于1650℃～1680℃出钢浇铸，得到铸件；

所得铸件经焊接后，经淬火处理和回火处理后，所得焊接成品的伸长率大于等于30％、断面收缩率大于等于60％、屈服强度大于等于340MPa、抗拉强度大于等于520MPa、-40℃时冲击吸收功大于等于49J；

所述淬火处理的条件为：在箱式电阻炉中以80℃/h～120℃/h的速度升温至850℃～950℃，保温1.5-2.5h，然后水冷至室温；

所述回火热处理的条件为：在箱式电阻炉中以80℃/h～120℃/h的速度升温至500℃～650℃，保温2.5-3.5h，然后水冷至室温。

2.根据权利要求1所述的一种高韧性适焊微合金化铸钢，其特征在于；以质量百分比计包括下述组分：

C 0.12％～0.20％；

Si 0.35％～0.60％；

Mn 0.70％～0.90％；

Cr 0.01％～0.08％；

Ni 0.01％～0.03％；

Nb 0.01％～0.09％；

V 0.009％～0.013％；

Al 0.030％～0.060％；

P≤0.02％，S≤0.005％，

其余为Fe以及不可避免的微量杂质元素。

3.根据权利要求2所述的一种高韧性适焊微合金化铸钢，其特征在于；以质量百分比计包括下述组分：

C 0.14％～0.16％；

Si 0.40％～0.50％；

Mn 0.70％～0.80％；

Cr 0.01％～0.06％；

Ni 0.01％～0.02％；

Nb 0.03％～0.08％；

V 0.010％～0.012％；

Al 0.035％～0.050％；

P≤0.02％，S≤0.005％，

其余为Fe以及不可避免的微量杂质元素。

4.根据权利要求1所述的一种高韧性适焊微合金化铸钢，其特征在于：步骤二中所加入的部分合金元素补充源的质量，占步骤一所配取合金元素补充源总质量的50％～70％。

5.根据权利要求1所述的一种高韧性适焊微合金化铸钢，其特征在于：

所述合金元素补充源包括锰铁和硅铁；

步骤二以及步骤三中添加合金元素补充源时，按先加锰铁、再加硅铁、再加其它合金元素补充源的顺序加入中频炉中进行冶炼。

6.根据权利要求1所述的一种高韧性适焊微合金化铸钢，其特征在于：步骤四中，所用纯铝的质量为钢水总质量的0.05％～0.1％、所用碳粉的质量根据炉前钢水中碳含量计算；

所制备的铸件中碳当量值小于0.35。

7.根据权利要求1所述的一种高韧性适焊微合金化铸钢，其特征在于：所得铸件经正火处理和回火处理后，得到非焊接成品；

所述正火处理的条件为：

在箱式电阻炉中以80℃/h～120℃/h的速度升温至850℃～950℃，保温1.5-2.5h，然后风冷至室温；所述风冷的冷却速度为5℃/s～15℃/s；

所述回火热处理的条件为：

在箱式电阻炉中以80℃/h～120℃/h的速度升温至500℃～650℃，保温2.5-3.5h，然后在空气中冷却至室温；

所述非焊接成品的伸长率大于等于32％、断面收缩率大于等于 40％、屈服强度大于等于325MPa、抗拉强度大于等于490MPa、室温时冲击吸收功大于等于120J。