CN115156493B - 一种连铸坯生产大规格高致密圆钢的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连铸坯生产大规格高致密圆钢的方法,圆钢是由两种圆坯组合轧制而成，其中大圆坯采用中碳设计，小圆坯采用低碳设计。为了生产大规格的圆钢，对大圆坯开坯，促进大圆坯近表层组织的致密化，然后穿孔去除芯部，然后将芯部质量相较更好的小圆坯和大圆坯组合，组合前在小圆坯表面涂上防氧化涂料，其目的是减少组合坯加热过程中在结合界面处发生氧化。组合坯的轧制采用粗轧、中轧和精轧，粗轧过程中利用淬水环对坯料表面多次喷水，使表层组织硬化，促进结合界面的结合，并有助于促进轧制变形向圆坯芯部传递，使热轧材拥有均匀致密的低倍组织。

Description

一种连铸坯生产大规格高致密圆钢的方法

技术领域

本发明涉及圆钢的制造方法，尤其涉及一种大规格高致密圆钢的生产方法。

背景技术

近几年大型设备、特种设备得到显著发展，并还有较大的发展前景。其相应的零件规格也随之增大，其中不乏精密型零件，这些零件往往对加工尺寸精度的要求极为严格。加工方式分为冷加工和热加工，热加工往往还伴有组织调质的热处理工艺，对于高强度型材料，热处理容易引起零件变形，不适用于加工尺寸精度要求高的产品。对于加工精度要求高的零件，目前冷加工仍然是主要方式。

大尺寸零件的加工需要用到大规格的钢材，开发大规格钢材成为企业的研发课题之一。钢材的生产主要由连铸和模铸两种工艺，其中连铸工艺的生产周期短、成材率高、能耗也低是企业的主要生产方式，但随着连铸坯生产规格的变大，连铸坯芯部的质量控制难度也显著上升，表现为大规格连铸坯的芯部偏析、疏松难以达到要求，要改善这些偏析、消除疏松，往往需要依赖后期的大压下轧制，有些甚至需要使用到热锻，这无疑给后期的热成型带来极大的挑战，且对于大规格铸坯而言，轧制变形很难深入到芯部。模铸虽然能够提高铸坯的致密性，改善芯部疏松，但模铸的能耗高、成材率低、生产周期长，往往不作为批量生产的优选方式。

基于上述生产现状，开发以连铸坯生产大规格高致密钢材的方法成为企业重要的研发方向之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种连铸坯生产大规格高致密圆钢的方法。

本申请的圆钢是由两种成分的圆坯组合轧制而成，其中大圆坯采用中碳设计，小圆坯采用低碳设计，其它相同的元素成分按质量百分比计均满足：Si:≤0.040％，Mn:0.55～1.5％，Cr:1.10～2.0％，S:≤0.050％,P:≤0.010％,Al:0.020～0.045％，N:0.008～0.021％，余量为Fe及不可避免的杂质。

大圆坯的元素成分还包括Cu和Mo，且满足(Cu+Mo)≤0.06％，小圆坯的元素成分还包括Ni，Ni的含量为0.02-0.08％。

本发明钢各化学元素对应的主要作用及设计依据是：

C:碳是对钢的强度贡献最大的元素。碳溶解在钢中形成间隙固溶体，起固溶强化的作用，但是碳含量的增加会使钢的塑性、韧性明显变差，从而影响圆钢的韧性。而对于一些长轴类零件而言，芯部韧性越高越有利于长轴类零件的抗疲劳性能，考虑到这一点，本申请将圆钢中心的小圆坯采用低碳设计0.12-0.20wt％。另外，为了提高圆钢表层强度、硬度等，将用于圆钢表层的大圆坯采用中碳设计0.4-0.6wt％，另外在轧制过程中，尤其是粗轧过程中，通过向高温状态下的圆钢表面喷水，可以对表层组织起到在线淬火的激冷效果，硬化表层组织，碳含量越高，硬度越高，传递轧制变形的能力越强，可以促进轧制变形深入到钢坯芯部，促进芯部的致密度。

Si:在高温状态下，钢材中的硅元素会提高脱碳现象，另外，当需要对圆钢进行后期渗碳处理时，Si会在渗碳过程中出现晶间氧化现象。因此，本申请严格控制Si的含量，本发明Si含量的选择范围为Si≤0.040％。

Mn:锰是提高淬透性最有效的合金元素，它溶入铁素体中有固溶强化作用，同时能够改善钢的热处理性能，细化珠光体晶粒，提高钢的强度和硬度。本发明中的Mn含量选择范围为0.55～1.5％。

Cr:铬是强碳化物形成元素，Cr可降低钢中碳的活度，改善钢的抗氧化作用，抑制脱碳趋势，本申请主要是抑制表层大圆坯的脱碳趋势，增加钢的强度，显著提高钢的淬透性。Cr与C有较强的亲和力，能够提高钢中碳扩散的激活能，减少钢的脱碳倾向和晶粒粗化倾向。因此，本发明中的Cr含量选择范围为1.10～2.0％。

S:在钢中会形成析出物，阻断组织的连续性，应尽量减小其含量，本发明S含量的选择范围为S≤0.050％。

P:在钢中属于有害元素，尤其是不利于大规格连铸坯的生产，另外钢中的P含量过高，也会增加钢的脆性，容易引起微裂纹。因此，本发明P含量的选择范围为≤0.010％。

Al:铝在钢中用作炼钢脱氧元素与细化晶粒的元素，Al的固溶温度较高，在轧制和冷却过程中均会析出，钉扎组织，起到细化晶粒的作用。本发明的Al含量选择范围为0.020～0.045％。

N:与Al形成AlN析出物，细化奥氏体晶粒，钢中的N含量选择范围为N:0.008～0.021％。

大圆坯的元素成分中还可以添加Cu和Mo，且满足(Cu+Mo)≤0.06％，其目的是提高和稳定表层的淬透性，保证了在线硬化的平稳。小圆坯的元素成分还包括Ni，Ni的添加量为0.02-0.08％，可以提高最终圆钢的芯部韧性。

一种连铸坯生产大规格高致密圆钢的方法，其特征在于，包括：

步骤一、钢水冶炼：涉及初炼、精炼和真空脱气，分别冶炼小圆坯和大圆坯两种成分的钢水，其中大圆坯采用碳含量为0.4-0.6wt％的中碳钢，小圆坯采用碳含量为0.12-0.20wt％的低碳钢；

步骤二、连铸：采用连铸工艺将芯坯对应的钢水浇铸成直径300-600mm的小圆坯，将外坯对应的钢水浇铸成直径1000-1200mm的大圆坯，连铸过程采用结晶器电磁搅拌、末端电磁搅拌和动态轻压下，这样连铸手段都有利于改善连铸坯的芯部疏松；

步骤三、大圆坯开坯：大圆坯入炉加热，加热温度950-1100℃，保温0.6-2.4min/mm*D,D为大圆坯直径，单位mm，出炉后高压水除鳞即去除表面氧化层，然后开坯轧制，开坯压缩比大于1.2；

步骤四、组合：将步骤三得到的大圆坯穿孔，穿孔后将步骤二中的小圆坯填入大圆坯中心孔内，并在两端的圆形间隙进行真空焊接得到组合坯，为了减小结合处氧化，组合前在小圆坯表面先涂上涂层；

步骤五、连轧：将步骤四的组合坯重新入炉加热，使组织完全奥氏体化，元素成分充分固溶，加热后坯料经粗轧、中轧、精轧轧制成圆钢，粗轧温度区间为1020-1100℃，中轧温度区间为980-1020℃，精轧温度区间为930-980℃，粗轧过程压缩比≥1.8，中轧过程压缩比≥1.5，精轧过程压缩比≥1.2，且粗轧阶段至少进行2-3次利用淬水环对钢坯表面喷水冷却，以硬化表层组织使粗轧的变形深入坯料芯部；

步骤六、冷却：轧后圆钢入炉保温，炉内温度预先设置为910-960℃，圆钢入炉后先保温2-3小时然后随炉冷却，冷却至400℃以下后出炉。

作为本申请的实施方式之一，步骤一、初炼过程中向钢水加石灰脱磷，同时钢水底部吹氮促进钢水与石灰充分反应，将钢中的磷含量降低至≤0.010％，底吹氮的方式也可以去除初始钢水中的Ti，避免在组织中产生TiN析出物；对于低碳钢的钢水冶炼，初炼过程采用吹氧脱硅，对于中碳钢的钢水冶炼，脱硅也必须在初炼时完成大部分，但应当控制吹氧的时间和吹氧量，避免过量后造成钢中碳元素的显著降低，建议在冶炼过程中及时取样分析，避免冶炼过程碳元素的显著波动。

作为本申请的实施方式之一，步骤一、精炼过程加入铝块沉淀脱氧，钢包采用底吹氩气的方式搅拌钢水，精炼后期在钢水中加入锰铁、铬铁，调整钢液的化学成分，所用锰铁、铬铁也应当选择低硅成分的合金。

作为本申请的实施方式之一，步骤一、采用RH炉真空脱气，在60-130Pa的真空度下保持20分钟以上，尽可能去除钢水中轻质元素和上浮的夹杂物，真空脱气中后期采用底吹氮气的方式搅拌钢水，同时给钢水增氮，是满足设计要求。

作为本申请的实施方式之一，步骤三，小圆坯也可进行开坯，开坯加热温度为950-1100℃，保温1.2-2.0min/mm*D,D为圆坯直径，单位mm，出炉后高压水除鳞即去除表面氧化层，然后开坯轧制，开坯压缩比大于1.2。对小圆坯开坯可以预先消除芯部的缺陷，弥合连铸过程产生的疏松结构。当然对于小圆坯的生产而言，已经具备生产芯部缺陷少的连铸技术了，但是因元素成分的区别比如采用了容易产生偏析的成分设计或者各生产企业钢水冶炼水平的差异也都会产生难以预料的芯部缺陷，无法确保小圆坯的芯部质量，因此，对小圆坯进行开坯也是可靠方式之一。

作为本申请的实施方式之一，步骤五、组合坯入三段式加热炉加热，预热段炉温设定为680-750℃，铸坯表面升温速率为5.0-7.0℃/min，铸坯表面到温后保温1.5h以上；加热段炉温设定为1050-1200℃，铸坯表面升温速率6.5-7.6℃/min,铸坯表面到温后保温2h以上；均热段炉温设定为1220℃，铸坯表面升温速率7.2-8.2℃/min，铸坯表面到温后保温2h以上。

基于以上方法生产的圆钢，圆钢组织为铁素体与珠光体，其中芯部金相图中铁素体的面积占比为65-75％，芯部硬度≤150HBW；近表层金相图中铁素体的面积占比为40-60％，表层硬度≤180HBW。芯部碳含量低，钢材硬度低，铁素体占比相对升高，相比较，近表层碳含量高，再加上Cu、Mo元素的作用，最终硬度相比芯部要高，铁素体的占比相对较低。但圆钢仍然具有优异的冷加工性能。

基于以上方法生产直径240-400mm规格的圆钢，所述圆钢的中心疏松≤0.5级，一般疏松≤0.5级，中心偏析≤0.5级。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明针对高致密的圆钢，成分上采用低硫、低硅、低磷设计，初炼过程采用底吹氮的方式去除钢中的钛元素，并且在钢中添加适量的铝、氮元素，以保证钢材高温奥氏体晶粒细小均匀。

(2)为了生产大规格的圆钢，本申请采用大圆坯和小圆坯组合的方式，对大圆坯开坯，通过变形促进大圆坯近表层组织的致密化，然后穿孔去除芯部，大圆坯芯部存在无法确保通过大变形压下可以充分弥合的缺陷、疏松结构。然后将芯部质量相较更好的小圆坯和大圆坯组合，组合前在小圆坯表面涂上防氧化涂料，其目的是减少组合坯加热过程中在结合界面处发生氧化。

(3)组合坯的轧制采用粗轧、中轧和精轧，粗轧过程中利用淬水环对坯料表面多次喷水，使表层组织硬化，促进结合界面的结合，并有助于促进轧制变形向圆坯芯部传递，使热轧材拥有均匀致密的低倍组织。

(4)对应组合坯近表层的大圆坯采用中碳成分设计，在粗轧阶段的在线淬水过程中，有时难以避免会因为冷却过大而促使少量贝氏体的产生，另外在线淬水也或多或少会增加表层组织的应力。轧后采用入炉保温，并设置炉温为910-960℃，其目的是消除不稳定的贝氏体组织，使组织重新回到奥氏体平衡态，保温后圆钢随炉冷却，消除轧制过程积累在组织中复杂的应力。并在冷却过程中使奥氏体分解为铁素体和珠光体。

(5)鉴于本申请表层和芯部的元素成分的区别，采用随炉冷却的方式可以尽可能的缩小芯部和表层的温度差，保护结合界面，确保钢材芯部和近表层均拥有较低的硬度与较高的铁素体含量，满足冷加工的条件。随炉冷却的温降≤6℃/min，可以延长AlN的析出，对抑制晶粒的长大有更好的作用，尤其可以避免出现混晶。

(6)按照本发明方法生产的热轧钢材，产品具备优异的低倍组织，钢材的中心疏松≤0.5级，一般疏松≤0.5级；中心偏析≤0.5级；钢材高温奥氏体晶粒细小，950℃保温8小时后奥氏体晶粒度≥6.0级。

附图说明

图1为本申请实施例1中近表层的金相组织图；

图2为本申请实施例1中近芯部的金相组织图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1与实施例2：

两实施例所涉及的圆钢制造方法：转炉初炼→精炼炉精炼→RH炉真空脱气→连铸大圆坯(直径1000-1200mm)、连铸小圆坯(直径300-600mm)→大圆坯开坯→穿孔→组合坯→粗轧→中轧→精轧→入炉保温→随炉冷却。分别制造两个批次直径φ240mm、φ400mm的大规格高致密圆钢。

转炉初炼过程中向钢水加石灰脱磷，同时钢水底部吹氮促进钢水与石灰充分反应，将钢中的磷含量降低至≤0.010％，并去除初始钢水中的Ti。小圆坯的钢水初炼过程采用吹氧脱硅，大圆坯的钢水初炼过程在吹氧脱硅使硅含量快达到设计含量时立即减小吹氧量，避免吹氧过度造成钢中碳元素的波动。精炼过程加入铝块沉淀脱氧，钢包采用底吹氩气的方式搅拌钢水，促使氧化物上浮，精炼后期在钢水中加入低硅锰铁、低硅铬铁等，调整钢液的化学成分。RH炉的真空度在60-130Pa，该真空条件下保持25min，尽可能去除钢水中轻质元素和上浮的夹杂物，真空脱气中后期采用底吹氮气的方式搅拌钢水。

实施例1的直径1000mm的大圆坯开坯、组合坯加热、粗轧、中轧、精轧、热轧材冷却的具体工艺为：大圆坯的加热温度950-1100℃，保温0.6-2.4min/mm*D,D为大圆坯直径，单位mm，出炉后高压水除鳞，开坯轧制，压缩比为1.4。开坯后的大圆坯穿孔，将表面涂有防氧化层涂料的直径为350mm的小圆坯与大圆坯组合，并采用真空焊接方式将两端密封焊接。组合坯入三段式加热炉加热，预热段炉温设定为680-750℃，铸坯表面升温速率为5.0-7.0℃/min，铸坯表面到温后保温1.5h以上；加热段炉温设定为1050-1200℃，铸坯表面升温速率6.5-7.6℃/min,铸坯表面到温后保温2h以上；均热段炉温设定为1220℃，铸坯表面升温速率7.2-8.2℃/min，铸坯表面到温后保温2h以上，出炉。

粗轧温度区间为1020-1100℃，中轧温度区间为980-1020℃，精轧温度区间为930-980℃；粗轧、中轧、精轧的压缩比逐渐减小，粗轧阶段在两道次轧制前利用淬水环对钢坯表面喷水冷却。轧后圆钢入炉保温，炉内温度预先设置为930℃，圆钢入炉后先保温2小时然后随炉冷却，冷却至360℃后出炉，空冷至室温。

实施例2的直径1200mm大圆坯、直径600mm的小圆坯开坯、组合坯加热、粗轧、中轧、精轧、热轧材冷却的具体工艺为：大圆坯的加热温度980-1050℃，保温0.6-2.4min/mm*D,D为圆坯直径，单位mm，出炉后高压水除鳞，开坯轧制，压缩比为1.2。小圆坯的加热温度为1000-1100℃，保温1.2-2.0min/mm*D,D为圆坯直径，单位mm，出炉后高压水除鳞即去除表面氧化层，然后开坯轧制，开坯压缩比为1.2。开坯后的大圆坯穿孔，将表面涂有防氧化层涂料的小圆坯与大圆坯组合，并采用真空焊接方式将两端密封焊接。组合坯入三段式加热炉加热，加热方式同实施例1。

粗轧温度区间为1020-1100℃，中轧温度区间为980-1020℃，精轧温度区间为930-980℃；粗轧、中轧、精轧的压缩比逐渐减小，粗轧阶段三道次轧制前利用淬水环对钢坯表面喷水冷却。轧后圆钢入炉保温，炉内温度预先设置为950℃，圆钢入炉后先保温3小时然后随炉冷却，冷却至380℃后出炉，空冷。

实施例1和2的大圆坯的化学成分见表1。

表1(wt％)

实施例1和2的小圆坯的化学成分见表2。

表2(wt％)

实施例1和2制得的圆钢低倍组织评级见表3。

表3

	钢材直径	一般疏松	中心疏松	中心偏析
					实施例1	φ240mm	0级	0.5级	0级
实施例2	φ400mm	0.5级	0.5级	0级

实施例1和2制得的热轧圆钢表面脱碳层深度与高温奥氏体晶粒(钢材加热至950℃保温8小时后水淬)等级见表4。

表4

	圆钢表面脱碳层深度	高温奥氏体晶粒度
			实施例1	0.12mm	7级
实施例2	0.14mm	6级

实施例1和2制得的热轧圆钢硬度与显微组织含量见表5。

表5

结合两个实施例的检测性能，本申请的大规格高致密圆钢具有优异的低倍组织，同时具备冷加工的条件。

尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种连铸坯生产大规格高致密圆钢的方法，其特征在于，包括：

步骤一、钢水冶炼：涉及初炼、精炼和真空脱气，分别冶炼小圆坯和大圆坯两种成分的钢水，其中大圆坯采用碳含量为0.4-0.6wt％的中碳钢，小圆坯采用碳含量为0.12-0.20wt％的低碳钢；

步骤二、连铸：采用连铸工艺将芯坯对应的钢水浇铸成直径300-600mm的小圆坯，将外坯对应的钢水浇铸成直径1000-1200mm的大圆坯，连铸过程采用结晶器电磁搅拌、末端电磁搅拌和动态轻压下；

步骤三、大圆坯开坯：大圆坯入炉加热，加热温度950-1100℃，保温0.6-2.4min/mm*D,D为大圆坯直径，单位mm，出炉后高压水除鳞即去除表面氧化层，然后开坯轧制，开坯压缩比大于1.2；

步骤四、组合：将步骤三得到的大圆坯穿孔，穿孔后将步骤二中的小圆坯填入大圆坯中心孔内，并在两端的圆形间隙进行真空焊接得到组合坯，为了减小结合处氧化，组合前在小圆坯表面先涂上涂层；

步骤五、连轧：将步骤四的组合坯重新入炉加热，使组织完全奥氏体化，元素成分充分固溶，加热后坯料经粗轧、中轧、精轧轧制成圆钢，粗轧温度区间为1020-1100℃，中轧温度区间为980-1020℃，精轧温度区间为930-980℃；粗轧过程压缩比≥1.8，中轧过程压缩比≥1.5，精轧过程压缩比≥1.2，且粗轧阶段至少进行2-3次利用淬水环对钢坯表面喷水冷却，以硬化表层组织使粗轧的变形深入坯料芯部；

步骤六、冷却：轧后圆钢入炉保温，炉内温度预先设置为910-960℃，圆钢入炉后先保温2-3小时然后随炉冷却，冷却至400℃以下后出炉。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤一、初炼过程中向钢水加石灰脱磷，同时钢水底部吹氮促进钢水与石灰充分反应，将钢中的磷含量降低至≤0.010％；对于低碳钢的钢水冶炼，初炼过程采用吹氧脱硅。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤一、精炼过程加入铝块沉淀脱氧，钢包采用底吹氩气的方式搅拌钢水，精炼后期在钢水中加入锰铁、铬铁，调整钢液的化学成分。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤一、采用RH炉真空脱气，在60-130Pa的真空度下保持20分钟以上。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤一，大圆坯和小圆坯的元素成分除了碳C含量不同外，其余相同的元素按质量百分比计均满足：Si:≤0.040％，Mn:0.55～1.5％，Cr:1.10～2.0％，S:≤0.050％,P:≤0.010％,Al:0.020～0.045％，N:0.008～0.021％，余量为Fe及不可避免的杂质。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：大圆坯的元素成分还包括Cu和Mo，且满足(Cu+Mo)≤0.06％，小圆坯的元素成分还包括Ni，Ni的含量为0.02-0.08％。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述圆钢组织为铁素体与珠光体，其中芯部金相图中铁素体的面积占比为65-75％，芯部硬度≤150HBW；近表层金相图中铁素体的面积占比为40-60％，表层硬度≤180HBW。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述圆钢的中心疏松≤0.5级，一般疏松≤0.5级，中心偏析≤0.5级。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤三，小圆坯也进行开坯，开坯加热温度为950-1100℃，保温1.2-2.0min/mm*D,D为圆坯直径，单位mm，出炉后高压水除鳞即去除表面氧化层，然后开坯轧制，开坯压缩比大于1.2。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤五、组合坯入三段式加热炉加热，预热段炉温设定为680-750℃，组合坯表面升温速率为5.0-7.0℃/min，组合坯表面到温后保温1.5h以上；加热段炉温设定为1050-1200℃，组合坯表面升温速率6.5-7.6℃/min,组合坯表面到温后保温2h以上；均热段炉温设定为1220℃，铸坯表面升温速率7.2-8.2℃/min，铸坯表面到温后保温2h以上。