CN109943764B - 一种铁路列车连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢及其制备方法 - Google Patents
一种铁路列车连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢及其制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种铁路列车连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢及其制备方法，该23Mn2CrNiMoVREA钢包括以下组分：碳、硅、锰、钒、铝、铬、钼、镍、铈、铜、磷、硫和Fe及不可除去的杂质；其制备方法包括铁水预处理、转炉冶炼、LF炉精炼、VD真空精炼和连铸出钢。连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢具有易于焊接、抗拉性能强、低温(‑60℃)屈服强度高的优点，该铁路列车连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢的制备方法具有过程易于控制、适于推广的优点。
Description
技术领域
本发明涉及铁路用钢技术领域，一种铁路列车连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢及其制备方法。
背景技术
我国铁道车辆的连杆是铁道车辆上车钩缓冲装置的重要组成部分，在车辆的牵引、连挂过程中具有至关重要的作用，如当车辆正常前行时，连杆实现对相邻车辆进行牵引、连挂，需要有足够的拉伸强度来完成工作的需求；当车辆发生碰撞、后面的车辆在惯性下冲向前面车辆时，连杆实现对后面车辆的惯性力进行缓冲并将力进行分解和纵向传递。
连杆在使用过程中，不仅需要承受力的作用，而且要适应于不同的使用环境。如在极寒带地区(-60℃)的工作条件下，极易出现冷脆断裂等状况。
另外，连杆在使用时，需要将其焊接在车辆的端部，因此，不仅要满足以上优点，还要实现易于焊接、提高焊接的牢固度。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种铁路列车连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢及其制备方法，其中，连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢具有易于焊接、抗拉性能强、低温(-60℃)屈服强度高的优点，该铁路列车连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢的制备方法具有过程易于控制、适于推广的优点。
本发明的技术方案如下：
一种铁路列车连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢，包括以下重量百分比的组分：
碳0.22-0.24％，硅0.22-0.35％，锰1.25-1.45％，钒0.02-0.04％，铝0.018-0.035％，铬0.45-0.55％，钼0.22-0.28％，镍0.38-0.48％，铈0.002-0.004％，铜≤0.15％，磷≤0.015％，硫≤0.005％，其余为Fe及不可除去的杂质。
优选的，上述铁路列车连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢，包括以下重量百分比的组分：
碳0.22-0.24％，硅0.22-0.35％，锰1.25-1.45％，钒0.02-0.04％，铝0.018-0.035％，铬0.45-0.55％，钼0.22-0.28％，镍0.38-0.48％，铈0.002-0.004％，铜≤0.15％，磷≤0.015％，硫≤0.005％，其余为Fe及不可除去的杂质。
优选的，上述铁路列车连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢，包括以下重量百分比的组分：
碳0.22-0.23％，硅0.23-0.30％，锰1.31-1.45％，钒0.02-0.04％，铝0.022-0.025％，铬0.48-0.50％，钼0.24-0.26％，镍040-0.45％，铈0.002-0.004％，铜≤0.15％，磷≤0.015％，硫≤0.005％，其余为Fe及不可除去的杂质。
在23Mn2CrNiMoVREA钢的组分中，添加钒元素，且控制钒元素的含量为0.02-0.04％，使钢质紧密、晶粒细化，提高钢的强度和韧性，使23Mn2CrNiMoVREA钢具有良好的承受冲击负荷的能力，提高拉伸强度。
铈是一种银灰色的活泼金属，相对于其他稀土元素，具有含量丰富的优点。稀土纳米化合物具有较高的强度和硬度，添加后，可提高钢材强度和韧性，另外，稀土的加入有利于改善钢的夹杂物形态，得到弥散细小的夹杂物，提高了钢的纯净度。
在众多微合金化元素中，钒具有最高的溶解度，在钢生产过程中，钒主要通过形成碳氮化物来影响钢的组织与性能，钒(碳，氮)颗粒在先共析铁素体内弥散析出，在珠光体内的铁素体区也有析出，因此析出相的沉淀强化作用可同时强化铁素体和珠光体。此外，在晶界处也会有钒(碳，氮)颗粒析出，通过钉扎晶界，阻止晶粒长大，从而细化铁素体晶粒，提高成品钢的强度、韧性和焊接性能。
上述铁路列车连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢的制备方法，步骤如下：
S1，铁水预处理：将高炉铁水置于铁水罐车内，控制高炉铁水的体积与铁水罐车体积比在1-1.2:2范围内，然后对铁水采取提钒、脱硫工艺处理，控制铁水硫含量≤0.020％，然后将脱硫渣扒净；铁水预处理，得到的铁水硫含量≤0.020％，为转炉冶炼创造了良好的条件；
S2，转炉冶炼：采用单渣法冶炼，冶炼过程中，控制造渣碱度大于5.0，以保证转炉脱磷效果；然后采用增碳法增加钢中碳含量，同时，为防止钢中氮含量增加，转炉吹炼全程采用底吹氩气搅拌，转炉出钢过程按照顺序加入硅锰、高碳锰铁、高碳铬铁、镍板进行钢的合金化；
S3，LF炉精炼：钢水进入LF炉后全程吹氩，根据钢水硫含量进行白渣精炼，控制渣量为7-11kg/(t钢)；控制吹氩流量，避免钢水在加热过程中裸露，采用CaO-SiO2-Al2O3渣系进行精炼，精炼中期，依顺序加入钼铁、钒铁进行合金化；
S4，VD真空精炼，步骤如下：
(1)钢包座好后，打开氩气，测温调整氩气压力为0.2-0.4MPa，盖罐前，露钢液面直径300-500mm；
(2)根据钢水温度及钢包烘烤情况，确定VD处理时间，要求极限真空下(保压)处理15-20min；
(3)极限真空下(保压)5min后，足部调整氩气压力至0.4-0.6MPa，并保证钢液不溢出；
(4)破真空前调整氩气至0.2-0.3MPa；
(5)开罐后，调整氩气软吹，以渣面微动、不裸露为原则，然后测温、测氢，适量加入保温剂，若[H]＞1.2ppm，回LF炉重新处理；
(6)大气下软吹氩调整温度至1560-1575℃吊包浇注，尽可能保证软吹10min；
S5，连铸出钢，步骤如下：
采用4机4流大圆坯φ500mm浇铸铁路列车连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢，通过控制转炉出钢温度、精炼出站温度将浇铸温度控制在1500-1515℃之间，浇铸过程中采用保护浇铸，大包到中间包采用长水口和保护套管，长水口吹氩+密封圈，禁止敞浇，提高连铸坯内部和表面质量。
优选的，在S1的铁水预处理过程中，提钒后的钢水采用镁基脱硫剂进行脱硫处理；镁基脱硫剂是纯镁或者含有镁的复合粉剂，镁剂以外的各种脱硫剂都不溶于铁水，镁则不同，它先溶于铁水，再和铁水中的硫反应，镁在铁水温度下变成镁蒸汽，对熔池有强烈的搅拌作用，脱硫反应的热力学和动力学条件较好采用镁基脱硫剂进行铁水炉外脱硫具有脱硫速度快、脱硫效率高、处理时间短、渣量少、铁损低、温降少、可实现深脱硫、对环境污染，可以达到降低粉剂消耗、缩短喷吹时间和减少温降等目的，从而实现提高脱硫率和镁的利用率。
优选的，所述镁基脱硫剂包括镁剂和流化石灰，所述镁剂与流化石灰的重量比为1:3.5。
优选的，所述镁剂包括镁和惰性涂料，其中，镁和惰性涂料的重量百分比为9:1。
优选的，所述流化石灰的活性度为312ml-392ml，每份所述流化石灰包括下述重量百分比的组分：CaO:84-92.8％，SiO2:1.16-2.83％，MgO:1.3-3.74％，P:0.0027-0.0065％，S:0.058-0.082％，流化剂：0.5％。
优选的，在S2转炉冶炼过程中，控制出钢[C]在0.05-0.15％之间；采用一次拉碳出钢，控制转炉出钢温度在1640-1660℃；出钢过程中采用一次加铝脱氧工艺，加强沉淀脱氧，让铝与钢中的氧形成尺寸较大、碰撞结合力强且易去除的珊瑚状Al2O3簇。
优选的，在S3LF炉精炼过程中，采用加入50-70kg SiC进行进一步扩散脱氧，将钢水中的溶解氧[O]控制在3×10-6-5×10-6范围内，在钢中S含量≤0.005％时，采用喂线机，加入稀土线，使稀土弥散强化更加明显。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明所设计的铁路列车连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢，通过钒微合金合金强化、应用稀土纳米冶金技术，配合制造过程中的各项控制措施，使得制造出的铁路列车连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢具有较高力学性能、高的纯净度，特别是极寒地区-60℃低温冲击性能得到大幅提升。
2、本发明提供的高强度23Mn2CrNiMoVREA钢，抗拉强度Rm≥1170Mpa，屈服强度ReH≥925Mpa，断后伸长率≥26％，断面收缩率≥74％；在-60℃条件下，冲击功Akv≥150J。
3、本发明采用的稀土加入方式为采用稀土线的方式进行钢的弥散强化，通过喂入稀土线可以使稀土的作用更加均匀，得到的夹杂物更加弥散，钢的强韧性能更加稳定。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
实施例
本发明实施例提供的铁路列车连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢，分别按照表1提供的重量百分比进行设计，
表1化学成分内控控制范围/％
| 炉号 | C | Si | Mn | V | Al | P | S | Cr | Cu | Ce | Ni | Mo |
| 1 | 0.22 | 0.22 | 1.25 | 0.02 | 0.018 | 0.011 | 0.002 | 0.45 | 0.015 | 0.002 | 0.38 | 0.22 |
| 2 | 0.24 | 0.35 | 1.45 | 0.04 | 0.035 | 0.010 | 0.001 | 0.55 | 0.020 | 0.004 | 0.48 | 0.28 |
| 3 | 0.23 | 0.28 | 1.35 | 0.03 | 0.027 | 0.010 | 0.001 | 0.50 | 0.018 | 0.003 | 0.43 | 0.25 |
| 4 | 0.23 | 0.32 | 1.30 | 0.027 | 0.023 | 0.009 | 0.001 | 0.50 | 0.019 | 0.003 | 0.40 | 0.27 |
| 5 | 0.23 | 0.29 | 1.32 | 0.02 | 0.024 | 0.008 | 0.001 | 0.51 | 0.017 | 0.004 | 0.43 | 0.25 |
| 6 | 0.23 | 0.27 | 1.33 | 0.03 | 0.029 | 0.012 | 0.001 | 0.50 | 0.015 | 0.004 | 0.43 | 0.25 |
| 7 | 0.24 | 0.28 | 1.34 | 0.03 | 0.032 | 0.011 | 0.001 | 0.50 | 0.016 | 0.002 | 0.42 | 0.24 |
| 8 | 0.23 | 0.28 | 1.33 | 0.03 | 0.030 | 0.008 | 0.001 | 0.51 | 0.021 | 0.003 | 0.42 | 0.25 |
| 9 | 0.22 | 0.27 | 1.37 | 0.03 | 0.031 | 0.007 | 0.002 | 0.50 | 0.022 | 0.003 | 0.42 | 0.24 |
| 10 | 0.23 | 0.29 | 1.33 | 0.03 | 0.030 | 0.009 | 0.001 | 0.50 | 0.016 | 0.002 | 0.42 | 0.25 |
按照上表1的组份设计，采用以下方法进行制备：
铁路列车连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢的制备方法，步骤如下：
S1，铁水预处理：将高炉铁水置于铁水罐车内，控制高炉铁水的体积与铁水罐车体积比在1.1:2范围内，然后对铁水采取提钒、脱硫工艺处理，控制铁水硫含量≤0.020％，然后将脱硫渣扒净；铁水预处理，得到的铁水硫含量≤0.020％，铁水温度控制在1320-1380℃，为转炉冶炼创造了良好的条件；
在铁水预处理过程中，提钒后的钢水采用镁基脱硫剂进行脱硫处理；镁基脱硫剂是纯镁或者含有镁的复合粉剂，镁剂以外的各种脱硫剂都不溶于铁水，镁则不同，它先溶于铁水，再和铁水中的硫反应，镁在铁水温度下变成镁蒸汽，对熔池有强烈的搅拌作用，脱硫反应的热力学和动力学条件较好采用镁基脱硫剂进行铁水炉外脱硫具有脱硫速度快、脱硫效率高、处理时间短、渣量少、铁损低、温降少、可实现深脱硫、对环境污染，可以达到降低粉剂消耗、缩短喷吹时间和减少温降等目的，从而实现提高脱硫率和镁的利用率；
所述镁基脱硫剂包括镁剂和流化石灰，所述镁剂与流化石灰的重量比为1:3.5；
所述镁剂包括镁和惰性涂料，其中，镁和惰性涂料的重量百分比为9:1。
所述流化石灰的活性度为382ml，每份所述流化石灰包括下述重量百分比的组分：CaO:90％，SiO2:2.46％，MgO:2.51％，P:0.0042％，S:0.071％，流化剂：0.5％；
S2，转炉冶炼：采用单渣法冶炼，冶炼过程中，控制造渣碱度大于5.0，以保证转炉脱磷效果；然后采用增碳法增加钢中碳含量，同时，为防止钢中氮含量增加，转炉吹炼全程采用底吹氩气搅拌；
在上述转炉冶炼过程中，控制出钢[C]在0.05-0.15％之间；采用一次拉碳出钢，控制转炉出钢温度在1650℃；出钢过程中采用一次加铝脱氧工艺，加强沉淀脱氧，让铝与钢中的氧形成尺寸较大、碰撞结合力强且易去除的珊瑚状Al2O3簇；
S3，LF炉精炼：钢水进入LF炉后全程吹氩，根据钢水硫含量进行白渣精炼，控制渣量为9kg/(t钢)；控制吹氩流量，避免钢水在加热过程中裸露，采用CaO-SiO2-Al2O3渣系进行精炼，LF出钢温度控制在1590-1600℃；
在上述炉精炼过程中，采用加入50-70kg SiC进行进一步扩散脱氧，将钢水中的溶解氧[O]控制在(3-5)×10-6；
S4，VD真空精炼，步骤如下：
(1)钢包座好后，打开氩气，测温调整氩气压力为0.2-0.4MPa，盖罐前，露钢液面直径300-500mm；
(2)根据钢水温度及钢包烘烤情况，确定VD处理时间，要求极限真空下(保压)处理15-20min；
(3)极限真空下(保压)5min后，足部调整氩气压力至0.4-0.6MPa，并保证钢液不溢出；
(4)破真空前调整氩气至0.2-0.3MPa；
(5)开罐后，调整氩气软吹，以渣面微动、不裸露为原则，然后测温、测氢，适量加入保温剂，若[H]＞1.2ppm，回LF炉重新处理；
(6)大气下软吹氩调整温度至1560-1575℃吊包浇注，尽可能保证软吹10min；
S5，连铸出钢，步骤如下：
采用4机4流大圆坯φ500mm浇铸铁路列车连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢，通过控制转炉出钢温度、精炼出站温度将浇铸温度控制在1530-1540℃之间，浇铸过程中采用保护浇铸，大包到中间包采用长水口和保护套管，长水口吹氩+密封圈，禁止敞浇，提高连铸坯内部和表面质量。
将获得的十个批次样品进行检测，并将结果进行汇总，见表2，
表2力学性能的实测值
在上述制造铁路列车连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢的过程中，实际控制成分的过程能力控制指数Cpk≥1.8，达到A+级水平，达到了设计要求；另外，通过对样品进行检测可以看出，本发明通过钒微合金合金强化，以及应用稀土纳米冶金技术，配合制造过程中的各项控制措施，使得制造出的铁路列车连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢具有较高力学性能；在-60℃低温冲击性能得到大幅提升，得到铁路行业的认可。铁路列车连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢，抗拉强度Rm在1170-1185Mpa之间，屈服强度ReH在925-985Mpa之间，断后伸长率在26-29％之间，断面收缩率在74-79％之间；在-60℃条件下，冲击功Akv在150-162J之间。
Claims (8)
1.一种铁路列车连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢，其特征在于，包括以下重量百分比的组分：
碳0.22-0.24％，硅0.22-0.35％，锰1.25-1.45％，钒0.02-0.04％，铝0.018-0.035％，铬0.45-0.55％，钼0.22-0.28％，镍0.38-0.48％，铈0.002-0.004％，铜≤0.15％，磷≤0.015％，硫≤0.005％，其余为Fe及不可除去的杂质；
制备上述铁路列车连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢的方法，步骤如下：
S1，铁水预处理：将高炉铁水置于铁水罐车内，控制高炉铁水的体积与铁水罐车体积比在1-1.2:2范围内，然后对铁水采取提钒、脱硫工艺处理，控制铁水硫含量≤0.020％，然后将脱硫渣扒净；
S2，转炉冶炼：采用单渣法冶炼，冶炼过程中，控制造渣碱度大于5.0；然后采用增碳法增加钢中碳含量，转炉吹炼全程采用底吹氩气搅拌，转炉出钢过程按照顺序加入硅锰、高碳锰铁、高碳铬铁、镍板进行钢的合金化；
S3，LF炉精炼：钢水进入LF炉后全程吹氩，根据钢水硫含量进行白渣精炼，控制渣量为每吨钢焊渣量7-11kg；控制吹氩流量，采用CaO-SiO2-Al2O3渣系进行精炼，精炼中期，依顺序加入钼铁、钒铁进行合金化；
S4，VD真空精炼，步骤如下：
(1)钢包座好后，打开氩气，测温调整氩气压力为0.2-0.4MPa，盖罐前，露钢液面直径300-500mm；
(2)根据钢水温度及钢包烘烤情况，确定VD处理时间，要求极限真空下处理15-20min；
(3)极限真空下5min后，逐步 调整氩气压力至0.4-0.6MPa，并保证钢液不溢出；
(4)破真空前调整氩气至0.2-0.3MPa；
(5)开罐后，调整氩气软吹，以渣面微动、不裸露为原则，然后测温、测氢，适量加入保温剂，若[H]＞1.2ppm，回LF炉重新处理；
(6)大气下软吹氩调整温度至1560-1575℃吊包浇注，尽可能保证软吹10min；
S5，连铸出钢，步骤如下：
采用4机4流大圆坯φ500mm浇铸铁路列车连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢，通过控制转炉出钢温度、精炼出站温度将浇铸温度控制在1500-1515℃之间，浇铸过程中采用保护浇铸，大包到中间包采用长水口和保护套管，长水口吹氩+密封圈，禁止敞浇，提高连铸坯内部和表面质量。
2.如权利要求1所述的铁路列车连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢，其特征在于，包括以下重量百分比的组分：
碳0.22-0.23％，硅0.23-0.30％，锰1.31-1.45％，钒0.02-0.04％，铝0.022-0.025％，铬0.48-0.50％，钼0.24-0.26％，镍040-0.45％，铈0.002-0.004％，铜≤0.15％，磷≤0.015％，硫≤0.005％，其余为Fe及不可除去的杂质。
3.如权利要求1所述的铁路列车连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢，其特征在于，在S1步骤中，提钒后的钢水采用镁基脱硫剂进行脱硫处理。
4.如权利要求1所述的铁路列车连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA 钢，其特征在于，镁基脱硫剂包括镁剂和流化石灰，所述镁剂与流化石灰的重量比为1:3.5。
5.如权利要求4所述的铁路列车连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢，其特征在于，所述镁剂包括镁和惰性涂料，其中，镁和惰性涂料的重量百分比为9:1。
6.如权利要求4所述的铁路列车连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢，其特征在于，所述流化石灰的活性度为312ml-392ml，每份所述流化石灰包括下述重量百分比的组分：CaO:84-92.8％，SiO2:1.16-2.83％，MgO:1.3-3.74％，P:0.0027-0.0065％，S:0.058-0.082％，流化剂：0.5％。
7.如权利要求1所述的铁路列车连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢，其特征在于，在S2步骤中，控制出钢[C]在0.05-0.15％之间；采用一次拉碳出钢，控制转炉出钢温度在1640-1660℃；出钢过程中采用一次加铝脱氧工艺，加强沉淀脱氧。
8.如权利要求1所述的铁路列车连接用高强度23Mn2CrNiMoVREA钢，其特征在于，在S3步骤中，采用加入50-70kg SiC进行进一步扩散脱氧，将钢水中的溶解氧[O]控制在3×10-6-5×10-6范围内，在钢中S含量≤0.005％时，采用喂线机，加入稀土线。
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