CN108315645B

CN108315645B - 一种耐磨钢及其生产工艺

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Publication number: CN108315645B
Application number: CN201810132508.5A
Authority: CN
Inventors: 利强; 包石磊; 温国栋
Original assignee: TIANJIN ROCKCHECK STEEL GROUP
Current assignee: TIANJIN ROCKCHECK STEEL GROUP
Priority date: 2018-02-09
Filing date: 2018-02-09
Publication date: 2019-12-10
Anticipated expiration: 2038-02-09
Also published as: CN108315645A

Abstract

本发明涉及一种耐磨钢，属于金属冶炼技术领域，按质量百分数计，包括以下组分：C为0.88～0.94%、Si为0.20～0.30%、Mn为0.90～1.00%、Cr为0.50～0.60%、W为0.20～0.60%、V为0.10～0.25%、Zr为2.50～3.00%、Ti为0.010～0.050%、Y为0.020～0.050%、P≤0.025%、S≤0.025%、Cu≤0.25%，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明解决了现有低碳耐磨钢强度低耐磨性差的问题，本发明的钢材晶体较细，内部密度较为充实，用其制成的磨球硬度较大，且耐磨性好。

Description

一种耐磨钢及其生产工艺

技术领域

本发明涉及金属冶炼技术领域，更具体的说，它涉及一种耐磨钢及其生产工艺。

背景技术

磨损是材料破坏的主要形式之一，其造成的经济损失相当惊人。在冶金矿山、农机、煤炭等行业使用的大量装备，大部分因材料磨损而失效，我国每年因磨料磨损所消耗的钢材达百万吨以上。因此，近几十年来，高强度耐磨钢的开发与应用发展很快。

授权公告号为CN102560272B的中国发明专利公开了一种耐磨钢板，其重量百分比成分为：C：0.205-0.25％、Si：0.20-1.00％、Mn：1.0-1.5％、P≤0.015％、S≤0.010％、Al：0.02-0.04％、Ti：0.01-0.03％、N≤0.006％、Ca≤0.005％，以及Cr≤0.70％、Ni≤0.50％、Mo≤0.30％中的至少一种，余量为铁和不可避免杂质。

授权公告号为CN103228807B的中国发明专利公开了一种耐磨钢，其主要组成按重量百分比计为：C：0.20-0.30％、Si：0.20-0.60％、Mn：0.40％-1.25％、P≤0.05％、S≤0.01％、Cr：0.50-1.7％、Ni：0.20-2.00％、Mo：0.07-0.60％、0.022-0.10％、B：0.001-0.10％、Al：0.027-0.10％，余量为铁以及附带的杂质。

上述两种耐磨钢都属于低碳钢，具有低碳钢的固有特性，即钢材强度和硬度低，耐磨性差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐磨钢及其生产工艺，所生产的钢材具有较高的硬度，且耐磨性好，适合不同领域耐磨部件中使用。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种耐磨钢，按质量百分数计，包括以下组分：C为0.88～0.94％、Si为0.20～0.30％、Mn为0.90～1.00％、Cr为0.50～0.60％、W为0.20～0.60％、V为0.10～0.25％、Zr为2.50～3.00％、Ti为0.010～0.050％、Y为0.020～0.050％、P≤0.025％、S≤0.025％、Cu≤0.25％，余量为Fe和不可避免的杂质。

优选的，按质量百分数计，包括以下组分：C为0.90％、Si为0.25％、Mn为0.95％、Cr为0.55％、W为0.40％、V为0.12％、Zr为2.75％、Ti为0.025％、Y为0.035％、P为0.015％、S为0.015％、Cu为0.20％，余量为Fe和不可避免的杂质。

通过采用上述技术方案，C是耐磨钢中最基本、最重要的元素，高碳含量可以提高钢的强度和硬度，进而提高钢的耐磨性。

Si固溶在铁素体和奥氏体中提高它们的硬度和强度，使得钢的耐磨性增加。

Mn强烈增加钢的淬透性，降低耐磨钢转变温度和钢的临界冷却速度。另外，Mn能够与S形成熔点较高的MnS，可防止因FeS而导致的热脆现象，有利于最终提高磨球的硬度及耐磨性。

Cr可以降低临界冷却速度、提高钢的淬透性。Cr在钢中可以形成(Fe，Cr)₃C、(Fe，Cr)₇C₃和(Fe，Cr)₂₃C₇等多种碳化物，提高强度和硬度。Cr在回火时能阻止或减缓碳化物的析出与聚集，可以提高钢的回火稳定性。Cr能够提高碳素钢轧制状态的强度和硬度，降低伸长率和断面收缩率。并且含有Cr钢的磨球经研磨容易获得较高的表面加工质量，同时，其还能够增强磨球的耐腐蚀性能，使得磨球可以适应更多的领域，降低了磨球被酸碱腐蚀的概率。

W可以与C结合形成硬质WC而增加钢的耐磨性。由于钢中加入Mn，当Mn含量较高时，有使晶粒粗化的倾向，并增加钢的回火脆敏感性，从而容易导致铸坯中出现偏析和裂纹，降低钢板的性能，W可以增加钢的回火稳定性和热强性，并可以起到一定的细化晶粒作用，减弱Mn带来的副作用。

V的加入主要是为了细化晶粒，使钢坯在加热阶段奥氏体晶粒不至于生长的过于粗大，这样，在随后的多道次轧制过程中，可以使钢的晶粒得到进一步细化，提高钢的强度和韧性。

Zr形成稳定的碳氮化物，这种化合物的存在对冷轧件退火期间显微组织的演变有影响，有利于针状铁素体的形核。

Ti是强碳化物形成元素之一，与碳形成细微的TiC颗粒。TiC颗粒细小，在加热过程中，这些未熔解的碳化物小质点增加了奥氏体的形核中心并阻碍了高温时奥氏体晶界的移动或合并，直到这些碳化物小质点完全熔进固溶体时，奥氏体晶粒才开始急剧长大。从而对钢材晶粒的细化具有明显的作用，较硬的TiC颗粒提高钢的耐磨性。

Y能够增加氧化物与金属基体的结合性，提高了存在热和机械冲击时的抗热氧化性能。

Cu和Si能够制造的整个过程中能够形成Cu-Si合金，其能够提高磨球的耐磨性能，并且，Cu还能够增强磨球的强度，从而有利于延长磨球的使用寿命。

一种耐磨钢的生产工艺，包括以下步骤：

S1：转炉：将高炉铁水，以及其他原材料硅铁、硅锰、高碳铬铁、低氮碳粉以及废钢干燥处理后按照投入到转炉中进行冶炼，加热温度≥1250℃，且全程从转炉炉底吹入Ar,控制氧压≥0.8Mpa,而冶炼的终点为C≥0.15％、P≤0.015％，铁水的温度达到1615～1635℃，之后进行出钢；

S2：LF精炼：将S1中出钢的钢水被转移到LF炉中进行精炼，并从LF炉炉底吹入Ar,同时向LF炉加入石灰、碳化硅、电石和萤石进行通电造渣，之后钢包吊出；

S3：VD精炼：将S2中钢包吊入到VD炉中，并从VD炉炉底吹入Ar,同时进行合盖真空脱气处理，经软吹处理之后，吊包出炉；

S4：连铸：将S3中吊包的钢水经中间包转移后通过连铸机进行连铸成钢坯，连铸时控制中间包温度高于钢水液相线15～30℃，并利用结晶器保护渣进行保护；

S5：热轧：连铸后的钢坯于1150～1250℃加热后进行一道次或多道次轧制，开轧温度1090～1130℃，终轧温度860～890℃，制得钢板后水冷淬火。

通过采用上述技术方案，在冶炼和精炼的过程中都通入Ar气，这样有利于对钢水起到保护，保证了钢水的正常脱氧，同时也降低了钢水被再次氧化的概率。另外，最终生产出来的钢板具有较强的硬度，从而也提高了其制成磨球后所具备的较强耐磨性。

优选的，S1中冶炼时加入铝条做脱氧剂，铝条加入量为转炉装入物料总重量的0.08～0.10％。

通过采用上述技术方案，Al作为脱氧剂减少钢水中含氧量的同时，Al和钢中的N能形成细小难溶的AlN颗粒，细化钢的晶粒。固定钢中的氮和氧，减轻钢对缺口的敏感性，减小或消除钢的时效现象，并提高钢的韧性。

优选的，S1中转炉在出钢的过程中，往钢包里加入白灰，白灰加入的量为转炉装入物料总重量的0.25～0.28％。

通过采用上述技术方案，在出钢的过程中，加入白灰，这样能够使白灰成为覆盖剂，以此减少钢水中混入氧气而导致合金被氧化的概率。

优选的，S2中钢包在被吊出LF炉前，向LF炉喂铁钙线200～250m/炉，喂线速度为3～5m/s，铁钙线直径9～10mm，线重67～80g/m，钙含量为90～98％。

通过采用上述技术方案，喂铁钙线使钢包中的夹杂物变性，由于钢水中普遍都存在大量Al₂O₃固相夹杂物，在浇注过程中可能堵塞中间包水口，钢水经钙理后，Al₂O₃固相夹杂物会被转化为低熔点CaAlO₃液相夹杂，会很快聚集和排除。

优选的，S2中通电造渣时白灰分2～4批加入，白灰总重量为转炉装入物料总重量的0.42～0.44％。

通过采用上述技术方案，钢水在精炼时，钢水中的S被氧化成SO₂，白灰与SO₂反应生成稳定的CaSO₃，起到良好的脱硫效果，提高钢水洁净度。

优选的，根据炉渣渣量进行碱度调整，总渣量占钢水质量比0.8～1.2％，碱度控制在2.5～4.0。

通过采用上述技术方案，渣含量相对较低，保证渣的流动性，实现渣钢混冲脱硫具有最佳效果。碱度较高，提高了CaO的活度，进一步提高脱硫反应能力。

优选的，S3中真空度达到0.5托以下后，保持时间≥15min，总真空时间≥20min。

通过采用上述技术方案，VD炉中处于真空状态，这样保证了Ar气体能够顺利地被从炉底吹入到VD炉的炉体内，从而有利于保证对VD炉中的钢水起到有效的保护作用，避免金属被再一次进行氧化。

优选的，S3中软吹搅拌时间≥15min，吊包前钢水表面加入钢包覆盖剂，之后再加入碳化稻壳覆盖全渣面。

通过采用上述技术方案，此处碳化稻壳相当于表面助溶剂，当金属熔融时，表面助熔剂在熔融金属表面形成保护层，使金属与气体介质分开，既可减少熔融金属的飞溅损失，又可降低熔融物中气体的饱和度，最大限度的防止了在钢材制作过程中的氧化和烧损，同时木炭代替传统生产方法的草木灰作为覆盖物，消除了K元素对钢材后续防锈性能的不利影响。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1.钢中含有Mn、V和Ti元素，其能够细化钢的铸态组织，从而大大增强了钢材的硬度，提高了磨球的耐磨性，同时Cr元素也能够增强圆钢的耐腐蚀性，从而有利于提高磨球的使用寿命；

2.Zr和Y的加入，有利于针状铁素体的形核以及增加氧化物与金属基体的结合性，提高了存在热和机械冲击时的抗热氧化性能；

3.在冶炼和精炼过程中，始终通入Ar气体，且又进行真空处理，这样对钢水起到了保护，避免了钢水被氧化的概率，另一方面也能够保证Ar气体能够顺利地进入到炉体中；

4.喂铁钙线使钢包中的夹杂物变性，由于钢水中普遍都存在大量Al₂O₃固相夹杂物，在浇注过程中可能堵塞中间包水口，钢水经钙理后，Al₂O₃固相夹杂物会被转化为低熔点CaAlO₃液相夹杂，会很快聚集和排除；

5.在VD炉中，添加碳化稻壳，当金属熔融时，碳化稻壳在熔融金属表面形成保护层，使金属与气体介质分开，既可减少熔融金属的飞溅损失，又可降低熔融物中气体的饱和度，最大限度的防止了在钢材制作过程中的氧化和烧损，同时木炭代替传统生产方法的草木灰作为覆盖物，消除了K元素对钢材后续防锈性能的不利影响。

具体实施方式

以下是对本发明作进一步详细说明。

一种耐磨钢的生产工艺，包括以下步骤：

步骤一：按质量百分数计，将含有C0.73～0.83％、Si0.15～0.20％、Mn0.75～0.85％、Cr0.40～0.50％、P≤0.020％、S≤0.025％的115t钢加入到转炉中进行冶炼，之后依次向转炉中加入低氮碳粉、脱氧剂、硅锰、硅铁、高碳铬铁、钛、铜、钨、钒、钇，脱氧剂使用铝条，铝条用量0.8～1.0kg/t钢，且全程从转炉炉底吹入Ar,控制氧压≥0.8Mpa,而冶炼的终点为C≥0.15％、P≤0.015％，铁水的温度达到1615～1635℃，之后进行出钢，并向钢包里加入白灰，白灰加入的量为转炉装入物料总重量的0.25～0.28％；

步骤二：将步骤一中出钢的钢水被转移到LF炉进行精炼中，并从LF炉炉底吹入Ar，吹Ar流量100～150L/min，Ar压力0.3～0.4MPa，同时向LF炉加入石灰、碳化硅、电石和萤石进行通电造渣，第一次通电采用6级电压化渣，电流为25KA～30KA，送电加热造渣10min，此时吹Ar流量250～350L/min，第一次通完电成分均匀后取样，化验结果出来后进行成分调整；第二次通电采用4级电压，电流为30KA～35KA，此时吹Ar流量50～100L/min，同时白灰加2～3批，总量≥500Kg；根据炉渣渣量调整碱度，总渣量8～12kg/吨钢，碱度控制在2.5～4.0，白渣保持10min以上；钢水温度≥1570℃，炉渣变白后加入钛铁，钛铁中Ti质量百分比为28-30％；钢水成分和温度达到工艺要求之后，向LF炉喂铁钙线200～250m/炉，喂线速度为3～5m/s，铁钙线直径9～10mm，线重67～80g/m，钙含量为90～98％，最后再将钢包吊出；

步骤三：将步骤二中钢包吊入到VD炉中，并从VD炉炉底吹入Ar,吹Ar流量100～200L/min，Ar压力0.3～0.4MPa，同时进行合盖真空脱气处理，当真空度达到0.5托以下后，保持时间≥15min，总真空时间≥20min，再进行软吹搅拌15min后向VD炉中加入覆盖剂，同时向VD炉加入碳化稻壳覆盖全渣面，继续保持20min，最后进行吊包出炉；

步骤四：将钢水转移到中间包并通过连铸机注铸坯，当中间包钢水液面高度≥300mm开浇，待中间包钢液到2/3高度时加入中包覆盖剂，之后再等时间分两次加入中包覆盖剂，待钢液达到最高后，加入碳化稻壳，同时整个过程控制连铸中间包钢温度为1470～1490℃，并利用结晶器保护高碳保护渣，停浇时中间包液面高度≥300mm；

步骤五：钢坯在加热炉的均热温度为1190～1200℃，加热时间为2.5～3.5h,开轧温度1090～1130℃，终轧温度860～890℃，制得钢板后水冷淬火。

表1：耐磨钢的化学成分：

应用情况如下：

将实施例一至实施例五的钢板采用滚轧工艺生产大规模磨球，每一实施例的磨球直径分别取为φ20mm，φ50mm,φ100mm。利用轧制后在线余热淬火处理后水冷却入保温箱，对生产的磨球测试不同位置的硬度，热处理工艺：810℃/水淬+200℃回火。

表2：不同规格直径磨球的物理指标数据情况

从上表2中可以清楚地得出，本发明的耐磨钢所制成的磨球较一般的磨球具有较高的硬度，在研磨磨料硬度高等的耐磨件时能够体现出良好的耐磨性。

实施例一至实施例五的耐磨钢直接分别浸没在Ph＝1的盐酸溶液和Ph＝14的氢氧化钠溶液中2小时，然后取出进行观察，

表3：热轧圆钢分别在Ph＝1和Ph＝14溶液环境中的变化

测试项目	实施例一	实施例二	实施例三	实施例四	实施例五
						Ph＝1	无变化	无变化	无变化	无变化	无变化
Ph＝14	无变化	无变化	无变化	无变化	无变化

从上表3中可以看出本发明的耐磨钢还具有较强的耐酸碱腐蚀的能力，因而所制成的磨球适合多领域进行使用，也有利于延长磨球的使用寿命。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims

1.一种耐磨钢的生产工艺，其特征在于：包括以下步骤：

S1：转炉：将高炉铁水，以及其他原材料硅铁、硅锰、高碳铬铁、低氮碳粉以及废钢干燥处理后按照投入到转炉中进行冶炼，加热温度≥1250℃，且全程从转炉炉底吹入Ar,控制氧压≥0.8Mpa ,而冶炼的终点为C≥0.15%、P≤0.015%，铁水的温度达到1615～1635℃，之后进行出钢；

S2：LF精炼：将S1中出钢的钢水被转移到LF炉中进行精炼，并从LF炉炉底吹入Ar ,同时向LF炉加入石灰、碳化硅、电石和萤石进行通电造渣，之后钢包吊出；

S3：VD精炼：将S2中钢包吊入到VD炉中，并从VD炉炉底吹入Ar ,同时进行合盖真空脱气处理，经软吹处理之后，吊包出炉；

S5：热轧：连铸后的钢坯于1150～1250℃加热后进行一道次或多道次轧制，开轧温度1090～1130℃，终轧温度860～890℃，制得钢板后水冷淬火；

耐磨钢的生产工艺得到的耐磨钢，其化学成分按质量百分数计，包括以下组分：C为0.88-0.94%、Si为0.20-0.30%、Mn为0.9-1.0%、Cr0.5-0.6%、W为0.6%、V为0.1-0.25%、Zr为2.5-2.75%、Ti为0.01-0.05%、Y为0.035-0.05%、P≤0.025%、S≤0.025%、Cu为0.15-0.19%、余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种耐磨钢的生产工艺，其特征在于：S1中冶炼时加入铝条做脱氧剂，铝条加入量为转炉装入物料总重量的0.08-0.10%。

3.根据权利要求2所述的一种耐磨钢的生产工艺，其特征在于：S1中转炉在出钢的过程中，往钢包里加入白灰，白灰加入的量为转炉装入物料总重量的0.25-0.28%。

4.根据权利要求3所述的一种耐磨钢的生产工艺，其特征在于：S2中钢包在被吊出LF炉前，向LF炉喂铁钙线200～250m/炉，喂线速度为3～5m/s，铁钙线直径9～10mm，线重67～80g/m，钙含量为90～98%。

5.根据权利要求4所述的一种耐磨钢的生产工艺，其特征在于：S2中通电造渣时白灰分2～4批加入，白灰总重量为转炉装入物料总重量的0.42-0.44%。

6.根据权利要求5所述的一种耐磨钢的生产工艺，其特征在于：根据炉渣渣量进行碱度调整，总渣量占钢水质量比0.8-1.2%，碱度控制在2.5-4.0。

7.根据权利要求1所述的一种耐磨钢的生产工艺，其特征在于：S3中真空度达到0.5托以下后，保持时间≥15min，总真空时间≥20min。

8.根据权利要求7所述的一种耐磨钢的生产工艺，其特征在于：S3中软吹搅拌时间≥15min，吊包前钢水表面加入钢包覆盖剂，之后再加入碳化稻壳覆盖全渣面。