CN114959420A - 一种圆坯生产塑机料筒用非调质钢的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于非调质钢技术领域，具体涉及一种圆坯生产塑机料筒用非调质钢的制备方法；工艺流程包括：铁水+废钢→电炉→LF精炼→VD真空精炼→圆坯连铸→缓冷→加热、开坯→待温→连轧→穿水→缓冷入坑；本发明优化成分，结合工艺改进，通过控制过热度、三段式电磁搅拌、恒拉速等条件实现偏析的改善；结合控轧控冷工艺通过开坯大变形量及待温方式控制轧制；连轧机采用低温轧制，阻止奥氏体晶粒再结晶，有助于后续相变获得更细小的铁素体和珠光体组织，避免F和P条带的产生；并设计了在连轧前进行待温台架空冷，为实现连轧低温轧制造成条件，进一步提高强度、硬度、改善偏析，从而能够符合注塑机机筒的设计要求，满足塑机机筒使用的硬度和强度。

Description

一种圆坯生产塑机料筒用非调质钢的制备方法

技术领域

本发明属于非调质钢技术领域，具体涉及一种圆坯生产塑机料筒用非调质钢的制备方法。

背景技术

为响应国家号召发展“双碳”经济，各行业均在加快进行产业结构、能源结构等的调整。钢铁行业要降低排放，发展高性能、非调质钢等绿色产品是大势所趋。

注塑机机筒是注塑机中核心部件之一，应用范围在注塑成型、挤出成型、吹塑成型等制造领域，在注塑机实现对不同状态的塑料输送、压实、施压射出等功能，注塑机筒是决定注塑机使用性能和使用寿命的关键性因素。目前市场上注塑机料筒，外壳使用的材质是不调质的40Cr和42CrMo合金结构钢，内孔为含W、Ni等粉末冶金材料的双金属料筒，其失效模式是由于不调质，外壳材料硬度低、使用过程中易开裂、变形。主要原因是热轧状态的40Cr、42CrMo圆钢的硬度低、强度低、带状偏析重。使用圆坯生产的圆钢其偏析相对于方坯小得多，主要还是其冷却更均匀，枝晶偏析轻；同时由于热轧态40Cr、42CrMo强度低、硬度低的特性，针对注塑机机筒使用性能要求需要针对性的研究；另一方面经调研发现，受制于大规格圆棒生产难度大，国内外钢厂具备大规格组距产品控轧控冷的半连轧制(开坯机+精轧+穿水冷却)鲜有报道；因此针对直接切削用钢产品，力学性能和组织要求，亟需研究一种新的工艺解决钢的硬度低、强度低、偏析的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的技术缺陷，针对塑机机筒用产品采用40Cr和42CrMo热轧态强度低、硬度低、易开裂变形等难以满足使用要求的技术问题，提供一种塑机机筒用直接切削用钢生产方法。

为实现上诉目的，本发明首先针对一种圆坯生产塑机料筒用非调质钢成分进行设计，按照重量百分比包括如下的化学成分：C：0.43～0.50％、Si：0.60～0.70％、Mn：1.50～1.60％、P≤0.030％、S：0.010～0.030％、Cr：0.20～0.30％、V：0.10％～0.20％、Ti:0.010％～0.030％、Ni≤0.030％、Al≤0.030％、Cu≤0.20％、N：130～200ppm、H≤2.0ppm、O≤20ppm；余量为Fe及不可避免杂质。

本发明各化学元素设计原理，如下所述：

C:碳是非调质钢最有效强化和最廉价的元素之一，通过间隙固溶强化增加钢的强度和硬度，增加碳可使得组织中提高珠光体的含量，组织中碳化物增多，但碳使用过多使得韧性下降，本发明碳含量控制在0.43％～0.50％。

Si:硅在非调钢中，能有效控制组织中铁素体含量和形态同时具有较强的固溶强化作用，但含量过高会增加马氏体含量从而强度增加韧性降低，同时硅含量过高生产工艺性能不好控制。本发明硅含量控制在0.60～0.70％。

Mn:锰在非调钢中，具有固溶强化、细晶强化作用，扩大奥氏体相区范围，降低相变温度对控轧控冷工艺获得优良的性能具有帮助，增加珠光体含量以及珠光体片层间距变小，从而导致强度和韧性均有所提高。锰含量太高会产生偏析以及铸坯表面质量不易控制，锰含量太低强度和硬度则达不到，本发明锰含量选择控制1.50～1.60％。

S:硫在非调钢中，通过控制第二相硫化物的分布和形态，添加适当的S含量硫化物形态和大小可以改善切削加工性能，硫化物在控轧控冷过程创造更多形核位置起到细化组织晶粒作用。硫含量太高易造成偏析严重以及连铸生产连浇炉次带来限制，综合考虑本发明硫含量控制在0.010～0.030％。

Cr:铬在非调钢中，具有固溶强化作用、细晶强化作用，增加珠光体含量以及珠光体片层间距变小，从而导致强度和韧性均有所提高。本发明硅含量控制在0.20～0.30％

V:钒在非调钢中，在控轧待温过程中具有析出强化作用、细晶强化作用、沉淀强化作用，与氮具有极强的亲和力形成氮化物在组织中组织晶粒长大。本发明硫含量控制在0.10～0.30％。

Ti:钒在非调钢中，主要和碳、氮形成化合物，在组织和晶界处阻碍奥氏体长大起到细化晶粒作用。

本发明提供一种圆坯生产塑机料筒用非调质钢的制备方法，工艺流程主要包括：铁水+废钢→电炉→LF精炼→VD真空精炼→圆坯连铸→缓冷→加热、开坯→待温→连轧→穿水→缓冷入坑；

具体步骤如下：

(1)电炉冶炼：终点碳控制0.10-0.30％；终点磷控制≤0.015％，目标出钢温度≥1620℃；

(2)LF钢包精炼：钢包精炼采用Fe-Si粉及Si-C渣面扩散脱氧，精炼时间≥35分钟，白渣时间≥20分钟，精炼渣碱度控制在3～5；

(3)VD钢包真空精炼：在67Pa高真空度以下保持时间大于12min，氢含量控制在1.5ppm以下；喂硫磺线S含量控制在0.015～0.020％；软吹时间≥15分钟，保证钢液波动，且不裸露钢液；

(4)连铸：使用圆坯浇注，根据不同圆钢直径选取不同的圆坯坯型：当直径≤105mm时，圆钢用380mm圆坯；当105＜直径≤160mm时，使用500mm圆坯；连铸圆坯进坑缓冷；

当为380mm圆坯时，开浇炉过热度25-40℃，连浇炉过热度18-35℃，Φ380坯型拉速控制在0.65～0.67m/min，结晶器搅拌参数I＝245～255A，f＝1.8～2.2Hz；铸搅参数I＝190～210A，f＝7.8～8.2Hz；末搅参数I＝1090～1110A，f＝7.8～8.2Hz；

当为500mm圆坯时，开浇炉过热度25-40℃，连浇炉过热度18-35℃，Φ500坯型拉速控制在0.39～0.40m/min，结晶器搅拌参数I＝195～205A，f＝1.8～2.2Hz；铸搅参数I＝175～185A，f＝7.8～8.2Hz；末搅参数I＝995～1005A，f＝7.8～8.2Hz；

(5)加热：钢坯进连续加热炉加热，加热炉分为三个阶段，预热段≤900℃，加热段900-1250，高温段按照1180～1260℃，加热总时间6～8h使坯料加热均匀化，在此温度区间合金元素充分固溶、组织完全奥实体化；

(6)除磷：钢坯满足加热时间后，钢坯进入轧制辊道，将钢坯采用高压水除鳞机去除钢坯表面的氧化铁皮；防止成品圆钢表面产生凹坑、麻点等缺陷；

(7)开坯：钢坯采用二辊Φ1320mm往复式轧机经过7～10道次轧制成中间矩形坯，开坯轧制温度1020～1120℃，前4道单道次变形量≥90mm；

(8)待温：轧制的中间矩形坯出开坯机在待温台架待温，待温处理后的温度为850～920℃，待温处理的时间为4～6分钟；该过程使组织变形的奥氏体晶粒充分再结晶，同时使微合金的碳氮化物充分析出，以实现后续连轧变形时晶粒晶界钉轧作用以防止混晶、粗晶现象；

(9)连轧：中间矩形坯在待温台架待温至850～920℃结束后进入连轧机；中间矩形坯进入连轧机精轧经4～9道次轧制成圆钢棒材，圆钢棒材终轧温度780～880℃；

(10)穿水：圆钢棒材出轧机后立即进入穿水管穿水，经3-5段穿水冷却，采用强冷-弱冷交替，通过控制穿水冷却装置的阀门开度调节水流量进而控制圆钢冷却的强弱；测温点返红温度550～680℃；

(11)缓冷：冷床散开冷却，入坑缓冷，出坑温度≤200℃，再经精整、矫直工序、得到所需钢材，检测后入库。

优选的，步骤(2)中精炼时间50～55分钟，白渣时间25～26分钟。

优选的，步骤(3)中所述在67Pa高真空度以下保持的时间为16～17分钟，软吹时间18～20分钟；喂硫磺线S含量控制在0.017～0.018％。

优选的，步骤(5)中所述高温段温度为1210℃～1220℃，加热时间为2.5～4h。

优选的，步骤(6)中所述高压水除鳞的压力为18～25MPa。

优选的，步骤(7)中所述前4道单道次变形量为90～100mm。

优选的，步骤(9)中所述圆钢棒材终轧温度840～845℃。

优选的，步骤(10)中所述测温点返红温度580～585℃。

本发明的优点和技术效果是：

1、本发明非调质钢重新进行了成分设计，结合工艺改进，采用2段式控轧(开坯+连轧)+2段式控冷(开坯后待温空冷+连轧后穿水冷却)实现一种高性能钢的生产用于替代40Cr、42CrMo塑料机筒用钢；通过优化合金设计，圆棒具有良好的力学性能；圆坯浇注(合适的过热度、三段式电磁搅拌、恒拉速等)实现偏析的改善；结合控轧控冷工艺通过开坯大变形量及待温方式控制轧制，设计了在开坯轧制和连续轧制之间，在连轧前进行待温台架空冷，为实现连轧低温轧制造成条件，进一步提高强度、硬度、改善偏析，从而能够符合注塑机机筒的设计要求，满足塑机机筒使用的硬度和强度。

2、本发明开坯机大变形量使钢坯铸态组织充分压碎奥氏体晶粒得到细化；连轧机采用低温轧制，阻止奥氏体晶粒再结晶，有助于后续相变获得更细小的铁素体和珠光体组织，避免F和P条带的产生。

3、本发明优化合金设计成分，增加硅、锰含量的条件下，同时省去了常用的Nb；本发明硅含量控制在0.60～0.70％，锰含量选择控制1.50～1.60％；硅能有效控制组织中铁素体含量和形态同时具有较强的固溶强化作用，但含量过低达不到相应的效果，过高会增加马氏体含量从而强度增加韧性降低，同时硅含量过高生产工艺性能不好控制。锰在非调钢中，具有固溶强化、细晶强化作用，增加珠光体含量以及珠光体片层间距变小，从而导致强度和韧性均有所提高；但是锰含量太高会产生偏析以及铸坯表面质量不易控制，锰含量太低强度和硬度则达不到。本发明优化合金设计成分，在待温过程析出复合碳化物或碳氮化物，碳化物析出尺寸小且析出温度宽泛，对奥氏体晶粒具有钉轧作用能有效阻止加热过程奥氏体晶粒长大，在轧制时能延缓再结晶过程，得到理想的组织和综合的力学性能。

附图说明

图1为实施例1所制备钢材的金相图片。

图2为实施例2所制备钢材的金相图片。

图3为铸坯碳偏析检测点示意图。

图4为截面硬度检测点示意图。

具体实施方式

以下结合实例对本发明进行详细描述，但本发明不局限于这些实施例。

一种圆坯生产塑机料筒用非调质钢的工艺流程为：铁水占比80％+废钢→电炉→LF精炼→VD真空精炼→连铸→缓冷→铸坯加热→开坯→待温→连轧→穿水→缓冷；各工序炼钢工艺参数、连铸工艺参数、控轧控冷工艺参数、成分数据、性能检测。

实施例1：

本实施例涉及的圆钢直径为120mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.44％、Si：0.63％、Mn：1.51％、P:0.016％、S:0.018％、Cr：0.25％、V：0.12％、Ti:0.018％、Ni:0.002％、Al:0.015％、Cu:0.03％、N：145ppm、H:0.6ppm、O:11ppm；余量为Fe及不可避免杂质。

工序步骤如下：

(1)电炉冶炼：终点碳0.120％；终点磷0.013％，出钢温度1630℃；

(2)LF钢包精炼：钢包精炼采用Fe-Si粉及Si-C渣面扩散脱氧，精炼时间50min，白渣时间26min，精炼渣碱度控制在4.4；

(3)VD钢包真空精炼：67Pa高真空度以下保持时间16min，VD破空后喂硫磺线123米S含量0.017％，软吹时间20分钟保证钢液波动且不裸露钢液；

(4)连铸：Φ500mm圆坯坯型浇注，过热度33℃，拉速0.39m/min，结晶器搅拌参数201A/2Hz，铸搅参数179A/8Hz，末搅参数1001A/8Hz，连铸圆坯进坑缓冷；

(5)加热：钢坯进连续加热炉加热，高温段按照1220℃加热4h使坯料加热均匀化，合金元素充分固溶、组织完全奥实体化；

(6)除磷：钢坯满足加热时间后，钢坯进入轧制辊道，将钢坯采用高压水除鳞机去除钢坯表面的氧化铁皮，除鳞的压力为22MPa；防止成品圆钢表面产生凹坑、麻点等缺陷；

(7)开坯：钢坯采用二辊Φ1320mm往复式轧机经过12道次轧制成中间矩形坯，开坯轧制温度1110℃，前4道单道次变形量100mm；

(8)待温及连轧：轧制的中间矩形坯出开坯机在待温台架待温，待温温度至875℃结束，待温时间5分钟；

(9)中间矩形坯在待温台架待温至875℃结束后进入连轧机，中间矩形坯进入连轧机精轧经9道次轧制成Φ120mm圆钢棒材，圆钢棒材终轧温度840℃；

(10)穿水：圆钢棒材出轧机后立即进入穿水管穿水，经5段穿水冷却，采用强冷-弱冷交替，通过控制穿水冷却装置的阀门开度调节水流量进而控制圆钢冷却的强弱，测温点返红温度580℃；

(11)缓冷：冷床散开冷却，入坑缓冷，出坑温度≤200℃。

实施例2：

本实施例涉及的圆钢直径为80mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.44％、Si：0.65％、Mn：1.50％、P:0.014％、S:0.019％、Cr：0.25％、V：0.12％、Ti:0.016％、Ni:0.01％、Al:0.014％、Cu:0.02％、N：138ppm、H:0.8ppm、O:15ppm；余量为Fe及不可避免杂质。

工序步骤如下：

(1)电炉冶炼：终点碳控制0.18％；终点磷0.011％，出钢温度1640℃；

(2)LF钢包精炼：钢包精炼采用Fe-Si粉及Si-C渣面扩散脱氧，精炼时间53min，白渣时间25min，精炼渣碱度控制在4.2；

(3)VD钢包真空精炼：67Pa高真空度以下保持时间17min，VD破空后喂硫磺线123米S含量0.018％，软吹时间18分钟保证钢液波动，且不裸露钢液；

(4)连铸：Φ380mm圆坯坯型浇注，过热度20℃，拉速控制在0.66m/min，结晶器搅拌参数251A/2Hz，铸搅参数200A/7.9Hz，末搅参数1102A/8Hz，连铸圆坯进坑缓冷；

(5)加热：钢坯进连续加热炉加热，高温段按照1210℃加热2.5h使坯料加热均匀化，在此温度区间合金元素充分固溶、组织完全奥实体化；

(6)除磷：钢坯满足加热时间后，钢坯进入轧制辊道，将钢坯采用高压水除鳞机去除钢坯表面的氧化铁皮，除鳞的压力为24MPa；防止成品圆钢表面产生凹坑、麻点等缺陷；

(7)开坯：钢坯采用二辊Φ1320mm往复式轧机经过7道次轧制成中间矩形坯，开坯轧制温度1090℃，前4道单道次变形量90mm；

(8)待温：中间矩形坯在待温台架待温至870℃结束后进入连轧机，待温时间4.5分钟；

(9)连轧：中间矩形坯待温至870℃后进入连轧机精轧经9道次轧制成Φ80mm圆钢棒材，圆钢棒材终轧温度843℃；

(10)穿水：圆钢棒材出轧机后立即进入穿水管穿水，经3段穿水冷却，采用强冷-弱冷交替，通过控制穿水冷却装置的阀门开度调节水流量进而控制圆钢冷却的强弱。测温点返红温度585℃；

(11)缓冷：冷床散开冷却，入坑缓冷，出坑温度≤200℃。

本实施例1-2制备的钢材主要代替普通不调质40Cr/42CrMo；上述实施例1-2制备的非调质钢，相关结果分析如下:

①通过金相照片可以看出，金相照片为铁素体和珠光体按照GB/T 6394标准实际晶粒度(100倍图1)评级为9.0～10级，晶粒度均匀细小。

②心部到边缘力学性能均匀波动范围小，由心部到边缘的硬度差≤30HBW，可以有效的避免硬度变化大时对刀具加工产生不利的影响。

③铸坯偏析C极差控制范围窄，有效控制偏析。

根据本发明所设计的化学成分范围经过电炉工序、精炼工序、连铸工序生产得到非调质钢进行化学分析，分析结果如下表1所示。

表1实施例1～2的成分对比(wt％)

碳偏析(L型13个点)：

表2实施例1～2的铸坯碳偏析(wt％)

上述实施例1～例2的力学性能数据见下表3。

表3实施例1～2的力学性能数据

表4实施例1～2的硬度数据

本发明非调质钢重新进行了成分设计，结合工艺改进，采用2段式控轧(开坯+连轧)+2段式控冷(开坯后待温空冷+连轧后穿水冷却)实现一种高性能钢的生产用于替代40Cr、42CrMo塑料机筒用钢；通过优化合金设计，圆棒具有良好的力学性能；圆坯浇注(合适的过热度、三段式电磁搅拌、恒拉速等)实现偏析的改善；结合控轧控冷工艺通过开坯大变形量及待温方式控制轧制，设计了在开坯轧制和连续轧制之间，在连轧前进行待温台架空冷，为实现连轧低温轧制造成条件，进一步提高强度、硬度、改善偏析，从而能够符合注塑机机筒的设计要求，满足塑机机筒使用的硬度和强度要求。

说明：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (8)

1.一种圆坯生产塑机料筒用非调质钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

具体步骤如下：

(1)电炉冶炼：终点碳控制0.10-0.30％；终点磷控制≤0.015％，目标出钢温度≥1620℃；

(2)LF钢包精炼：钢包精炼采用Fe-Si粉及Si-C渣面扩散脱氧，精炼时间≥35分钟，白渣时间≥20分钟，精炼渣碱度控制在3～5；

(3)VD钢包真空精炼：在67Pa高真空度以下保持时间大于12min，氢含量控制在1.5ppm以下；喂硫磺线S含量控制在0.015～0.020％，软吹时间≥15分钟；

(4)连铸：使用圆坯浇注，根据不同圆钢直径选取不同的圆坯坯型：当直径≤105mm时，圆钢用380mm圆坯；当105＜直径≤160mm时，使用500mm圆坯；连铸圆坯进坑缓冷；

当为380mm圆坯时，开浇炉过热度25-40℃，连浇炉过热度18-35℃，Φ380坯型拉速控制在0.65～0.67m/min，结晶器搅拌参数I＝245～255A，f＝1.8～2.2Hz；铸搅参数I＝190～210A，f＝7.8～8.2Hz；末搅参数I＝1090～1110A，f＝7.8～8.2Hz；

当为500mm圆坯时，开浇炉过热度25-40℃，连浇炉过热度18-35℃，Φ500坯型拉速控制在0.39～0.40m/min，结晶器搅拌参数I＝195～205A，f＝1.8～2.2Hz；铸搅参数I＝175～185A，f＝7.8～8.2Hz；末搅参数I＝995～1005A，f＝7.8～8.2Hz；

(5)加热：钢坯进连续加热炉加热，加热炉分为三个阶段，预热段≤900℃，加热段900-1250，高温段按照1180～1260℃，加热总时间6～8h使坯料加热均匀化，在此温度区间合金元素充分固溶、组织完全奥实体化；

(6)除磷：钢坯满足加热时间后，钢坯进入轧制辊道，将钢坯采用高压水除鳞机去除钢坯表面的氧化铁皮；(7)开坯：钢坯采用二辊Φ1320mm往复式轧机经过7～10道次轧制成中间矩形坯，开坯轧制温度1020～1120℃，前4道单道次变形量≥90mm；

(8)待温：轧制的中间矩形坯出开坯机在待温台架待温，待温处理后的温度为850～920℃，待温处理的时间为4～6分钟；该过程使组织变形的奥氏体晶粒再结晶，同时使微合金的碳氮化物充分析出；

(9)连轧：中间矩形坯在待温台架待温至850～920℃结束后进入连轧机。中间矩形坯进入连轧机精轧经4～9道次轧制成圆钢棒材，圆钢棒材终轧温度780～880℃；

(10)穿水：圆钢棒材出轧机后立即进入穿水管穿水，经3-5段穿水冷却，采用强冷-弱冷交替，通过控制穿水冷却装置的阀门开度调节水流量进而控制圆钢冷却的强弱；测温点返红温度550～680℃；

(11)缓冷：冷床散开冷却，入坑缓冷，出坑温度≤200℃，再经精整、矫直工序、得到所需钢材，检测后入库；

所述圆坯生产塑机料筒用非调质钢由下列重量百分比的成分组成：

C：0.43～0.50％、Si：0.60～0.70％、Mn：1.50～1.60％、P≤0.030％、S：0.010～0.030％、Cr：0.20～0.30％、V：0.10％～0.20％、Ti:0.010％～0.030％、Ni≤0.030％、Al≤0.030％、Cu≤0.20％、N：130～200ppm、H≤2.0ppm、O≤20ppm；余量为Fe及不可避免杂质。

2.根据权利要求1所述的一种圆坯生产塑机料筒用非调质钢的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述精炼时间50～55分钟，白渣时间25～26分钟。

3.根据权利要求1所述的一种圆坯生产塑机料筒用非调质钢的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述在67Pa高真空度以下保持的时间为16～17分钟，软吹时间18～20分钟；喂硫磺线S含量控制在0.017～0.018％。

4.根据权利要求1所述的一种圆坯生产塑机料筒用非调质钢的制备方法，其特征在于，步骤(5)中所述高温段温度为1210℃～1220℃，加热时间为2.5～4h。

5.根据权利要求1所述的一种圆坯生产塑机料筒用非调质钢的制备方法，其特征在于，步骤(6)中所述高压水除鳞的压力为18～25MPa。

6.根据权利要求1所述的一种圆坯生产塑机料筒用非调质钢的制备方法，其特征在于，步骤(7)中所述前4道单道次变形量为90～100mm。

7.根据权利要求1所述的一种圆坯生产塑机料筒用非调质钢的制备方法，其特征在于，步骤(9)中所述圆钢棒材终轧温度840～845℃。

8.根据权利要求1所述的一种圆坯生产塑机料筒用非调质钢的制备方法，其特征在于，步骤(10)中所述测温点返红温度580～585℃。

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