CN114836673B - 一种焊丝钢及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种焊丝钢制备工艺，包括如下步骤：在真空条件下使炉料中的主料熔清并获得钢液；接着进行电磁搅拌；控制钢液温度在1580‑1600℃精炼至少三次，并在精炼过程中补充辅料确保炉料成分达到预设标准；相邻两次精炼之间均进行电磁搅拌；第一次精炼在真空条件下，后续精炼在保护气氛条件下进行；主料至少包括铁、碳，辅料至少包括钛，所述钛的含量为0.12‑0.2％；在保护气氛状态下保温浇注，然后真空保压脱模。本发明提高了熔炼炉内钢液成分和温度的均匀性，有利于熔炼过程中成分和温度的精确控制，使钢液中杂质相上浮，得到更纯净的钢液，提高了焊丝钢的纯度，减少了焊丝钢中得夹杂物的含量，提高了焊丝钢的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及焊丝钢的技术领域，具体涉及一种焊丝钢及其制备工艺。
背景技术
现有的舰船用钢及其焊丝钢一般通过电弧炉冶炼、钢包精炼、浇注的传统工艺流程获得，但是该工艺流程制备的焊丝钢中的夹杂物含量难以降低，造成获得的焊丝钢的力学性能难以提高。
例如中国专利文献CN 201310724902.5公开的一种500MPa级结构钢用气体保护焊实心焊丝及其制造方法，所述焊丝包括下列重量百分比含量的元素：C：0.04％～0.12％,Mn：1.30％～1.90％,Si:0.75％～1.60％,Ti:0.003～0.009％,B:0.002％～0.009％,Al:0.002％～0.008％,Cu:0.09％～0.40％,S:≤0.009％,P:≤0.014％,余量为Fe及其不可避免的杂质。该文献中生产焊丝所用的盘条即为按照上述配方比例的原料，经电弧炉冶炼，钢包精炼，浇铸后，热轧成盘条等工艺流程生产。
上述生产工艺制备出的盘条不仅仅会导致元素P含量难以控制在5×10-3％以下水平，并且在冶炼过程中使氮化物和氧化物增多，进而使钢中夹杂物含量上升，降低钢的力学性能。同时，容易增大碳、锰、钛等元素的烧损，增加钢种熔炼的控制难度，同时还会降低熔炼环节碳、锰、钛等易烧损元素的收得率，提高了原材料成本。当想要增加其中Ti的含量以达到提高抗氮气孔的能力时，连铸环节将难以得到优质的表面质量。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有的制备焊丝钢的工艺难以在保证优质表面质量的前提下提高成品焊丝钢中Ti含量的缺陷.
为此，本发明提供一种焊丝钢的制备工艺，包括如下步骤：
熔炼及精炼：在真空条件下使炉料中的主料熔清并获得熔炼后的钢液；接着进行电磁搅拌；控制钢液温度在1580-1600℃精炼至少三次，并在精炼过程中补充辅料确保炉料成分达到预设标准；相邻两次精炼之间均进行电磁搅拌；第一次精炼在真空条件下，后续精炼在保护气氛条件下进行；所述主料至少包括铁、碳，所述辅料至少包括钛，所述钛的含量为0.12-0.2％；
浇注：在保护气氛状态下保温浇注，然后真空保压脱模。
可选的，所述精炼次数为三次，第一次精炼时间为30-50min；第二次精炼时间为30-40min；第三次精炼时间为10-20min。
可选的，浇注前，调整出钢温度为1630-1650℃；浇注时，浇注速度为400-450kg钢液/min。
可选的，脱模前，抽真空至真空度值≤100Pa，保压12h后再脱模。
可选的，所述炉料中的主料包括工业纯铁、金属镍和碳粒；所述辅料包括金属锰和海绵钛。
可选的，所述工业纯铁使用前先进行抛丸处理，接着在100-150℃下烘烤保温2-3h。
可选的，所述海绵钛在第一次精炼之后以及第二次精炼之前加入，加入后先进行电磁搅拌、精炼再进行第二次精炼；所述金属锰在加入海绵钛之后以及第二次精炼之前加入。
可选的，所述主料熔清的步骤包括：
预热炉料后，保持熔炼炉功率为400-500kW加热至炉料变白，然后保持熔炼炉功率为200-300kW，熔炼30-40min；保持熔炼炉功率为900-950kW，熔炼至炉料全部熔清。
本发明提供一种前述的一种焊丝钢的制备工艺制备的焊丝钢。
可选的，上述焊丝钢包括如下质量百分比的组分：C 0.03-0.052％、Si≤0.05％、Mn 1.22-1.38％、S≤0.005％、P≤0.005％、Ni 1.72-1.88％、Ti 0.12-0.2％、Mo≤0.01％、Cr≤0.05％、Nb≤0.01％、V≤0.01％、Cu≤0.02％、O≤0.004％、N≤0.005％，余量为Fe。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的一种焊丝钢的制备工艺，通过高真空精炼、保护气氛精炼和电磁搅拌相互协调配合，提高了熔炼炉内钢液成分和温度的均匀性，有利于熔炼过程中成分和温度的精确控制，使钢液中杂质相上浮，得到更纯净的钢液，提高了焊丝钢的纯度，减少了焊丝钢中得夹杂物的含量，提高了焊丝钢的力学性能；
另外，传统工艺制备的焊丝钢，当钛含量在0.12-0.2％之间时，钢液流动性较差，使铸坯的表面质量较差，造成焊丝钢的表面质量较差，而本发明的工艺即使钛含量在0.12-0.2％之间也不会出现这个问题，且通过提高钛的含量，能够提高焊缝金属抗氮气孔的能力。
2.本发明提供的一种焊丝钢的制备工艺，通过各个精炼环节和保温环节的配合，大大降低钢种的氧氮含量，最大程度降低元素氧化的问题，减少了制备过程中元素的烧损，提高易烧损元素的收得率；可以将S、P、N杂质相含量降低至5×10-3wt％，将O杂质相含量控制在小于等于4×10-3wt％，Si含量控制在0.05％以下，提高了焊丝钢的焊接性能，使焊丝钢在焊接时不易产生热裂纹且不易喷溅。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1的焊丝钢的金相照片，放大倍数为200倍；
图2是本发明实施例1的焊丝钢试样放大100倍的相图。
具体实施方式
提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。
实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。
本发明所用的熔炼炉为4.5吨的VIDP-1000型号的真空感应熔炼炉，其熔炼室的漏气率＜2Pa/min，熔炼室的极限真空值低于5Pa；
本发明实施例中使用的工业纯铁具体成分见表1：
表1.工业纯铁成分
本发明实施例中所用金属镍为电解镍，其镍含量大于等于99.98％；
本发明实施例中所用金属锰为电解锰，其锰含量大于等于99.98％；
本发明所用海绵钛的型号为MHTi-100，其钛含量大于等于99.7％；
本发明实施例所用碳粒的碳含量大于等于93％。
实施例1
本实施例提供一种焊丝钢，原料包括：工业纯铁、金属镍、碳粒、金属锰和海绵钛；炉料成分的预设标准为：C 0.03-0.052％、Si≤0.05％、Mn 1.22-1.38％、S≤0.005％、P≤0.005％、Ni 1.72-1.88％、Ti 0.12-0.2％、Mo≤0.01％、Cr≤0.05％、Nb≤0.01％、V≤0.01％、Cu≤0.02％、O≤0.004％、N≤0.005％，余量为Fe。
上述的焊丝钢的制备工艺包括如下步骤：
前处理：将工业纯铁进行抛丸处理，接着在150℃下烘烤保温2.5h。
投料：首先向位于熔炼炉熔炼室内的坩埚中平铺40kg的电解镍，接着加入1.8kg碳粒，然后将40kg电解镍和2000kg工业纯铁加入坩埚内；保持熔炼炉抽真空，至其真空度值为10Pa时，打开中频熔炼电，保持熔炼炉功率为200kW持续0.5h对炉料进行预热；
预热炉料后，将熔炼炉功率提升至400kW加热至炉料变白，然后调节熔炼炉功率为300kW持续30min；接着将功率提升至600kW继续熔炼60min，最后将熔炼炉功率提升至900kW后熔炼至炉料全部熔清获得钢液；
炉料熔清后，保持熔炼炉功率为800kW熔炼8min；然后切断中频熔炼电，启动三相电进行2min的电磁搅拌；
精炼：切换至中频熔炼电，保持熔炼炉功率为300kW，对钢液进行测温，将钢液温度控制在1590℃，精炼30min，完成第一次精炼，然后进行取样分析计算需要添加的海绵钛和电解锰的量，接着向坩埚内加入7kg海绵钛，海绵钛熔清后关闭中频熔炼电，启动三相电进行2min的电磁搅拌，后切换为中频熔炼电，保持熔炼炉功率为300kW继续精炼10min；
停止熔炼炉抽真空，向熔炼室内充入25000Pa的氩气后，往坩埚内加入61kg电解锰，待其熔清后关闭中频熔炼电，启动三相电进行2min的电磁搅拌，再切回中频熔炼电进行测温，控制钢液温度为1590℃，接着保持熔炼炉功率为300kW进行第二次精炼，精炼时间为30min；
第二次精炼结束后，对钢液进行取样分析，若某一成分的量有所缺少，则计算出各补加料的量，其计算公式为：要补加的元素重量＝[(最终的理论钢水重量*元素的目标含量值)-(实时钢水重量*测量所得成分数值)]/(元素收得率*金属纯度)，将补加料加入坩埚内，电磁搅拌2min，接着切换至中频熔炼电进行第三次精炼，若无需补加料，则直接进行第三次精炼，第三次精炼时保持熔炼炉功率为300kW精炼10min；
第三次精炼结束后，再次进行取样分析是否需要加料，若需要加料，则根据上一步骤的方法进行加料，加料后启动三相电进行2min的电磁搅拌，然后切换至中频熔炼电，调整钢液温度为1630℃；若无需加料，直接调整钢液温度至1630℃；
浇注：将熔炼炉功率调节为300kW，在氩气气氛下，控制浇注速度为400kg钢液/min将钢液保温浇注至铸模内，浇注后保持将锭模室抽真空至其真空度值为100Pa后，关闭真空阀门和抽空泵组，保压12h后破空脱模获得焊丝钢。
经过检测，最终制备得到的焊丝钢，其包括如下质量百分比的组分：C 0.042％、Si0.029％、Mn 1.34％、S 0.0042％、P 0.0049％、Ni 1.78％、Ti 0.155％、Mo 0.0051％、Cr0.011％、Nb 0.0024％、V 0.0068％、Cu 0.018％、O 0.0022％、N 0.0034％，余量为Fe。
实施例2
本实施例提供一种焊丝钢，原料包括：工业纯铁、金属镍、碳粒、金属锰和海绵钛；炉料成分的预设标准为：C 0.03-0.052％、Si≤0.05％、Mn 1.22-1.38％、S≤0.005％、P≤0.005％、Ni 1.72-1.88％、Ti 0.12-0.2％、Mo≤0.01％、Cr≤0.05％、Nb≤0.01％、V≤0.01％、Cu≤0.02％、O≤0.004％、N≤0.005％，余量为Fe。
上述的焊丝钢的制备工艺包括如下步骤：
前处理：将工业纯铁进行抛丸处理，接着在150℃下烘烤保温2h。
投料：首先向位于熔炼炉熔炼室内的坩埚中平铺42kg的电解镍，接着加入1.3kg碳粒，然后将42kg电解镍和2000kg工业纯铁加入坩埚内；保持熔炼炉抽真空，至其真空度值为10Pa时，打开中频熔炼电，保持熔炼炉功率为200kW持续0.5h对炉料进行预热；
预热炉料后，将熔炼炉功率提升至500kW加热至炉料变白，然后调节熔炼炉功率为300kW持续40min；接着将功率提升至600kW继续熔炼45min，最后将熔炼炉功率提升至900kW后熔炼至炉料全部熔清获得钢液；
炉料熔清后，保持熔炼炉功率为800kW熔炼5min；然后切断中频熔炼电，启动三相电进行5min的电磁搅拌；
精炼：切换至中频熔炼电，保持熔炼炉功率为300kW，对钢液进行测温，将钢液温度控制在1600℃，精炼30min，完成第一次精炼，然后进行取样分析计算需要添加的海绵钛和电解锰的量，接着向坩埚内加入5.4kg海绵钛，海绵钛熔清后关闭中频熔炼电，启动三相电进行4min的电磁搅拌，后切换为中频熔炼电，保持熔炼炉功率为300kW继续精炼10min；
停止熔炼炉抽真空，向熔炼室内充入25000Pa的氩气，向坩埚内加入62kg电解锰，熔清后关闭中频熔炼电，启动三相电进行2min的电磁搅拌，再切回中频熔炼电进行测温，控制钢液温度为1600℃，接着保持熔炼炉功率为300kW进行第二次精炼，精炼时间为30min；
第二次精炼结束后，对钢液进行取样分析，若某一成分的量有所缺少，则计算出各补加料的量，其计算公式为：要补加的元素重量＝[(最终的理论钢水重量*元素的目标含量值)-(实时钢水重量*测量所得成分数值)]/(元素收得率*金属纯度)，将补加料加入坩埚内，电磁搅拌2min，接着切换至中频熔炼电进行第三次精炼，若无需补加料，则直接进行第三次精炼，第三次精炼时保持熔炼炉功率为300kW精炼20min；
第三次精炼结束后，再次进行取样分析是否需要加料，若需要加料，则根据上一步骤的方法进行加料，加料后启动三相电进行4min的电磁搅拌，然后切换至中频熔炼电，调整钢液温度为1650℃；若无需加料，直接调整钢液温度至1650℃；
浇注：将熔炼炉功率调节为400kW，在氩气气氛下，控制浇注速度为400kg钢液/min将钢液保温浇注至铸模内，浇注后保持将锭模室抽真空至其真空度值为100Pa后，关闭真空阀门和抽空泵组，保压12h后破空脱模获得焊丝钢。
经过检测，最终制备得到的焊丝钢，其包括如下质量百分比的组分：C 0.03％、Si0.029％、Mn 1.38％、S 0.0042％、P 0.0049％、Ni 1.88％、Ti 0.12％、Mo 0.0051％、Cr0.011％、Nb 0.0024％、V 0.0068％、Cu 0.0018％、O 0.0022％、N 0.0034％，余量为Fe。
实施例3
本实施例提供一种焊丝钢，原料包括：工业纯铁、金属镍、碳粒、金属锰和海绵钛；炉料成分的预设标准为：C 0.03-0.052％、Si≤0.05％、Mn 1.22-1.38％、S≤0.005％、P≤0.005％、Ni 1.72-1.88％、Ti 0.12-0.2％、Mo≤0.01％、Cr≤0.05％、Nb≤0.01％、V≤0.01％、Cu≤0.02％、O≤0.004％、N≤0.005％，余量为Fe。
上述的焊丝钢的制备工艺包括如下步骤：
前处理：将工业纯铁进行抛丸处理，接着在100℃下烘烤保温3h。
投料：首先向位于熔炼炉熔炼室内的坩埚中平铺38.6kg的电解镍，接着加入2kg碳粒，然后将38.6kg电解镍和2000kg工业纯铁加入坩埚内；保持熔炼炉抽真空，至其真空度值为10Pa时，打开中频熔炼电，保持熔炼炉功率为200kW持续0.5h对炉料进行预热；
预热炉料后，将熔炼炉功率提升至400kW加热至炉料变白，然后调节熔炼炉功率为200kW持续30min；接着将功率提升至700kW继续熔炼30min，最后将熔炼炉功率提升至950kW后熔炼至炉料全部熔清获得钢液；
炉料熔清后，保持熔炼炉功率为700kW熔炼10min；然后切断中频熔炼电，启动三相电进行2min的电磁搅拌；
精炼：切换至中频熔炼电，保持熔炼炉功率为200kW，对钢液进行测温，将钢液温度控制在1580℃，精炼50min，完成第一次精炼，然后进行取样分析计算需要添加的海绵钛和电解锰的量，接着向坩埚内加入9kg海绵钛，海绵钛熔清后关闭中频熔炼电，启动三相电进行2min的电磁搅拌，后切换为中频熔炼电，保持熔炼炉功率为300kW继续精炼5min；
停止熔炼炉抽真空，向熔炼室内充入28000Pa的氩气，向坩埚内加入54.9kg电解锰，熔清后关闭中频熔炼电，启动三相电进行4min的电磁搅拌，再切回中频熔炼电进行测温，控制钢液温度为1580℃，接着保持熔炼炉功率为200kW进行第二次精炼，精炼时间为40min；
第二次精炼结束后，对钢液进行取样分析，若某一成分的量有所缺少，则计算出各补加料的量，其计算公式为：要补加的元素重量＝[(最终的理论钢水重量*元素的目标含量值)-(实时钢水重量*测量所得成分数值)]/(元素收得率*金属纯度)，加入坩埚内，电磁搅拌4min，接着切换至中频熔炼电进行第三次精炼，若无需补加料，则直接进行第三次精炼，第三次精炼时保持熔炼炉功率为200kW精炼10min；
第三次精炼结束后，再次进行取样分析是否需要加料，若需要加料，则根据上一步骤的方法进行加料，加料后启动三相电进行2min的电磁搅拌，然后切换至中频熔炼电，调整钢液温度为1630℃；若无需加料，直接调整钢液温度至1630℃；
浇注：将熔炼炉功率调节为300kW，在氩气气氛下，控制浇注速度为450kg钢液/min将钢液保温浇注至铸模内，浇注后保持将锭模室抽真空至其真空度值为100Pa后，关闭真空阀门和抽空泵组，保压12h后破空脱模获得焊丝钢。
经过检测，最终制备得到的焊丝钢，其包括如下质量百分比的组分：C 0.052％、Si0.05％、Mn 1.22％、S 0.005％、P 0.005％、Ni 1.72％、Ti 0.2％、Mo 0.01％、Cr 0.05％、Nb 0.01％、V 0.01％、Cu 0.02％、O 0.004％、N 0.005％，余量为Fe。
试验例
按照实施例的工艺制得焊丝钢的真空锭，生产的铸锭表面整体光滑平整，无深度超过5mm的凹坑、夹渣、重皮等缺陷，在切除冒口后，经简单修磨即可满足开坯锻打的条件；将真空锭锻打成方坯，轧制成
规格盘条，使用盘条进行如下性能测试。
试验例1
按照GB/T6394《金属平均晶粒度测定方法》对实施例1获得的焊丝钢盘条进行测验，其金相照片入如图1所示，平均晶粒度为9级；将焊丝钢试样放大100倍后的相图如图2所示，观察到尺寸为23.01μm和21.11μm的杂质相，判定为b类粗1.5级。
由此试验例可知，即使钛含量范围在0.12-0.2％，也能得到较好的钢锭表面质量。
试验例2
按照GB/T230.1-2018《金属材料洛氏硬度》的方法对实施例1的焊丝钢盘条的硬度进行测试，其中实施例1硬度检测HRC为18.3。
试验例3
按照GB/T 228《金属材料室温拉伸试验方法》的方法分别测试实施例的焊丝钢盘条的拉伸性能，检测结果见表2。
表2.试样拉伸性能
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (7)
1.一种焊丝钢的制备工艺，其特征在于，包括如下步骤：
熔炼及精炼：在真空条件下使炉料中的主料熔清并获得熔炼后的钢液；接着进行电磁搅拌；控制钢液温度在1580-1600℃精炼三次，并在精炼过程中补充辅料确保炉料成分达到预设标准；相邻两次精炼之间均进行电磁搅拌；第一次精炼在真空条件下，后续精炼在保护气氛条件下进行；所述主料至少包括铁、碳，所述辅料包括金属锰和海绵钛，所述海绵钛的含量为0.12-0.2%；
第一次精炼时间为30-50min；第二次精炼时间为30-40min；第三次精炼时间为10-20min；
所述海绵钛在第一次精炼之后以及第二次精炼之前加入，加入后先进行电磁搅拌、精炼再进行第二次精炼；所述金属锰在加入海绵钛之后以及第二次精炼之前加入；
浇注：在保护气氛状态下保温浇注，然后真空保压脱模；
所述的焊丝钢，包括如下质量百分比的组分：C 0.03-0.052%、Si≤0.05%、Mn 1.22-1.38%、S≤0.005%、P≤0.005%、Ni 1.72-1.88%、Ti 0.12-0.2%、Mo≤0.01%、Cr≤0.05%、Nb≤0.01%、V≤0.01%、Cu≤0.02%、O≤0.004%、N≤0.005%，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种焊丝钢的制备工艺，其特征在于，浇注前，调整出钢温度为1630-1650℃；浇注时，浇注速度为400-450kg钢液/min。
3.根据权利要求1所述的一种焊丝钢的制备工艺，其特征在于，脱模前，抽真空至真空度值≤100Pa，保压12h后再脱模。
4.根据权利要求1所述的一种焊丝钢的制备工艺，其特征在于，所述炉料中的主料包括工业纯铁、金属镍和碳粒。
5.根据权利要求4所述的一种焊丝钢的制备工艺，其特征在于，所述工业纯铁使用前先进行抛丸处理，接着在100-150℃下烘烤保温2-3h。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种焊丝钢的制备工艺，其特征在于，所述主料熔清的步骤包括：
预热炉料后，保持熔炼炉功率为400-500kW加热至炉料变白，然后保持熔炼炉功率为200-300kW，熔炼30-40min；保持熔炼炉功率为900-950kW，熔炼至炉料全部熔清。
7.由权利要求1-6任一项所述的一种焊丝钢的制备工艺制备的焊丝钢。
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