專利名稱：一種大規格超高強韌性免時效鐵路基建用鋼的生產方法
技術領域：
本發明屬于鐵路用鋼技術領域，特別是涉及一種大規格超高強韌性免時效鐵路基 建用鋼的生產方法，適用于超高強韌性大跨度鐵路基建大橋用精軋螺紋鋼的生產。
背景技術：
近年來，隨著我國拉動內需大規模鐵路建設，傳統的通過控軋控冷工藝提高強度 級別的一般鋼材很難達到要求，迫切需要一種超高強韌性鐵路跨海大橋基建結構用鋼。為 確保“永久性”建筑的使用壽命，對超高強韌性鐵路跨海大橋基建結構用鋼的安全性、抗震 性、耐火性要求越來越高。保證新建建筑的安全性、抗震性的關鍵是提高建筑用鋼的綜合力 學性能。然而，普通混凝土構架用鋼仍為現澆混凝土結構的主導鋼材。目前，最高強度級別 鋼種大多數為通過V-N或Nb-N微合金的析出強化，采用控軋控冷工藝，生產的鋼材已達到 最大極限(Rel 785 830Mpa，Rm :980 1030Mpa)，此種鋼材已不能滿足高質量、大跨度高 速鐵路以及公路橋梁交通基建用鋼的需求。在傳統高強度鋼生產工藝過程中，一般采用通過提高合金元素和控軋控冷兩種生 產工藝途徑提高鋼材性能。由于生產添加V、Nb合金元素的鋼材，盡管微量使用，但V、Nb鐵 合金的價格較高，噸鋼成本增加較多。另外，對于傳統棒材軋鋼生產存在加熱溫度不穩定， 機架間控冷設備控制波動大，造成傳統工藝生產大規格(> Φ25πιπι)高強精軋螺紋存在以 下問題1)傳統生產棒材軋機控軋控冷工藝的特點，即使具備機架間有多段水冷和控溫 裝置等條件，在Nb、V微合金化大規格圓鋼軋制過程中，也難實現低溫控軋(即終軋溫度 ^ 700°C，變形量> 30% )細化晶粒，鋼材最終組織難控制，造成鋼材力學性能波動較大，不穩定。2)在實際生產中，一般棒材軋機實現低溫控軋難度較大，終軋溫度若高于 1000°C，鋼的奧氏體晶粒相對粗大，在冷卻過程中，Y - α相變轉變速率較低，鐵素體相變 不充分，相變可產生一定數量的貝氏體，當其比例大于20%時，Rm指標較高，屈服強度Rel 不明顯，塑性指標(延伸率Α5%)明顯降低。3)熱軋低合金高強度圓鋼，經過控冷工藝，強制冷卻和自回火過程難控制，其 心部正常組織通常為P+F類型，在該金相組織狀態下，即使晶粒度達到超細晶，其綜合 力學性能的強度指標和韌性指標已達到最大極限，鋼材性能不能滿足Rm ^ 1230Mpa、 Rel彡1080Mpa、A5彡6%、松弛性能彡3%的要求。4)通過控冷方式生產鋼材的力學性能存在自然時效的特點，性能隨時間變化波動 范圍較大。鋼材直徑規格不同，其性能隨時效時間不同而變化。5)對于高強度精軋螺紋帶有橫肋，傳統控軋控冷工藝只能通過“超快冷+自回火 工藝”提高強度，精軋螺紋橫截面基圓的螺紋齒根會帶來冷卻不均勻，依靠冷床上鋼筋在空 氣中的自回火無法滿足高強度殘余應力的釋放。6)鋼材規格尺寸的增加，其規格尺寸效應增大。隨著鋼材規格尺寸的增加，其屈服強度呈下降趨勢。主要原因為直徑增加，鋼的表面到心部冷卻速率降低，導致內部晶粒粗 大，屈服強度降低。研究表明，如果控軋控冷鋼材直徑大于25mm，其屈服強度明顯降低。所以，需要開發研制一種大規格(> Φ 25mm)超高強韌性免時效鐵路大橋基建用 鋼，通過離線特殊熱處理生產工藝裝置和手段，在保證鋼的化學成分設計配比經濟合理，鋼 質潔凈、組織均勻細小、表面質量優良，綜合力學性能達到超高強韌性免時效要求的生產方 法，使大規格鋼材綜合力學性能達到Rm彡1230Mpa、Rel彡1080Mpa、A5彡6%、松弛性能 (3%等技術性能指標。
發明內容
本發明的目的在于提供一種大規格超高強韌性免時效鐵路基建用鋼的生產方法， 通過冶煉成分、連鑄內部質量控制，在軋制過程中無需控軋控冷進行晶粒組織準備，直接通 過熱處理裝置離線感應熱處理，鋼材不經過自然時效即可達到超高強韌性能。本發明采用轉爐初煉+精煉+連鑄的生產工藝流程，以鐵水、廢鋼及多種合金元素 做原料，加之特殊的冶煉工藝；鋼坯加熱連續軋制；鋼材離線中頻感應熱處理后，生產高強 度(Rel彡1080Mpa、Rm彡1230Mpa、A5 ^ 6% )、松弛性能彡3%的超高強韌性免時效建鐵 路基建用鋼。本發明通過以下技術方案來實現采用轉爐初煉+LF爐精煉+連鑄+連軋+離線多段中頻感應加熱淬火+多段回火， 在各工藝中控制如下技術參數轉爐中加入L08牌號鐵水及重型廢鋼I類，鐵水與廢鋼的重量比例為(95 80) (5 20)；轉爐出鋼時，按順序合金化加入鐵合金硅錳(FeMn65 Sil7) :10Kg/t、硅 鐵(FeSi75A12) :12Kg/t ；硅鋁鋇復合脫氧劑1.0Kg/t。LF精煉工藝鋼水經LF爐精煉提純，精煉溫度1590 1640°C ；精煉期間按順序 加入鋁鐵(Fe50A150) :0. 60Kg/t、鋁粒(Φ 10mm) :0. 20Kg/t、鈦鐵(FeTi30) :0. 25Kg/t、硼 線Φ13讓(FeB18C0. 5) :lm/t、硅鈣線(Φ 13mm) :lm/t ；精煉時間35_50分鐘；全程小流量 (30-50L/min)吹氬攪拌；精煉渣堿度Ca0/Si02 3. 5-5. 0 ；精煉渣料、鐵合金塊料、脫氧劑分 期分批由LF精煉爐加料口順序加入；在1530 1560°C進行連鑄，鑄成130mmX 130mm方坯。軋制工藝鋼坯加熱溫度1100 12000C ；開軋溫度1050°C 1100°C ；同根鋼坯 溫差不超過30°C;鋼坯開軋前高壓水除磷，除磷水壓> 18MPa ；終軋溫度950 1000°C，采用 非控軋控冷工藝直接上冷床，軋后冷床空冷，所以軋制過程可以采用高速軋制(Φ32πιπι規 格成品軋制速度為9. 5m/s)，減少了機間和軋后冷卻對軋機彈跳及軋機電機動態速降影響， 軋材外形尺寸精度較高，保證產品外在精軋螺紋與螺母的通條配合性。(見圖1)離線感應熱處理工藝鋼材離線熱處理根據規格和力學性能不同要求，采用1-3 段中頻電源機組感應加熱和1-3段式水、汽霧強制冷卻處理。可采用單段中頻感應加熱淬 火+單段式中頻感應加熱回火工藝，進行單次淬火+回火熱處理；也可以采用兩段中頻感應 加熱淬火+兩段式中頻感應加熱回火工藝，進行雙重淬火+雙重回火熱處理。熱處理工藝中淬火分為兩段持續加熱，1#淬火預熱段電源機組升溫速度平均為 8°C /s,2#淬火提溫段電源機組升溫速度平均為20°C /S。熱處理工藝中回火加熱電源也分為兩段，3#回火電源機組主要功能是升溫，4#回火電源機組主要功能是均溫，3#電源機組回火升溫速度平均為5°C /s，軋件在3#與4#電源 機組回火保溫時間總計只需要70-80S，在線生產效率高，并且能夠保證15米定尺彎鋼率不 超過0. 2%。無需要求熱軋態組織進行正火或者TMCP工藝準備，軋材原始晶粒度對本工藝下 熱處理材終端性能影響小。該熱處理工藝回火保溫時間短，所以冬季生產采取了一些緩冷措施淬火后至回 火前階段的輥道上設置保溫罩，配分保溫加強鋼的TRIP效應提高延塑性，回火后入封閉保 溫垛保溫。淬火后至回火前配分時間約300s，配分期間碳的分配方向是從馬氏體向奧氏體 擴散使其富碳，使得部分殘余奧氏體的化學穩定化并在回火之后能夠得以保留，使鋼在應 變過程中容易誘發Trip效應，提高了高強鋼的韌塑性。鋼材達至Ij Rel彡1080Mpa、Rm彡1230Mpa、A5彡6%、松弛性能彡3%性能。本發明的貢獻是利用現有鋼種的生產冶煉工藝裝備，通過廉價合金元素合理配 比化學成分、優化生產工藝等手段，再通過離線中頻感應熱處理，消除熱軋組織遺傳對鋼材 性能的影響，使鋼材達到超高強韌性能的目標技術要求。使該發明鋼種力學性能大大高于 傳統工藝生產的鋼種。鋼的高純凈度(氧含量< 14ppm)、組織結構致密、細晶粒、鋼材物理 化學性能穩定，綜合力學性能優良，軋材成品熱處理后，無需時效可直接使用，力學性能的 穩定性大幅提高，完全可滿足現代高速、大跨度鐵路橋、公路斜拉橋等鐵路基建需求。
圖1為鋼筋在TMCP軋制和非TMCP下端淬性能對比。圖2為感應熱處理工藝路線。圖3為SEM掃描電鏡下的熱處理材組織(邊部SEM，500 X)。圖4為SEM掃描電鏡下的熱處理材組織(1/4處SEM，500 X)。圖5為SEM掃描電鏡下的熱處理材組織(心部SEM，500 X)。
具體實施例方式下面通過實施例詳細介紹本發明。首鋼高強韌性免時效鐵路基建用鋼典型成分、典型感應熱處理工藝參數和力學性 能如下表1.本發明鋼種典型化學成分 表2.感應熱處理執行工藝參數 表3.本發明中熱處理設備參數設定值 由圖3-5可以看出最終成品心部組織為回火索氏體+鐵素體，基體為保留著馬氏 體位向的回火索氏體組織，淬火得到的針狀馬氏體，然后通過中高溫回火，促使馬氏體中析 出的碳化物向針葉邊緣聚集，致使其易侵蝕變黑。該工藝下和其它工藝生產的大規格高強圓鋼產品時效性能比較如表5、6所示，該 工藝下生產的高強鋼時效性能變化很小。表4.本發明兩種試驗案例當天力學性能(Φ32mm) 表5.鋼材放置數天時效后的力學性能變化(Φ32πιπι) 表6.非該工藝下生產的高強鋼時效性能變化
權利要求
一種大規格超高強韌性免時效鐵路基建用鋼的生產方法，采用轉爐初煉+LF爐精煉+連鑄+連軋+離線多段中頻感應加熱淬火+多段回火，在各工藝中控制如下技術參數轉爐中加入L08牌號鐵水及重型廢鋼I類，鐵水與廢鋼的重量比例為(95～80)∶(5～20)；轉爐出鋼時，按順序合金化加入硅錳FeMn65Si1710Kg/t，硅鐵FeSi75Al212Kg/t；硅鋁鋇復合脫氧劑1.0Kg/t；LF精煉工藝鋼水經LF爐精煉提純，精煉溫度1590～1640℃；精煉期間按順序加入鋁鐵Fe50Al500.60Kg/t，φ10mm鋁粒0.20Kg/t，鈦鐵FeTi300.25Kg/t，φ13mm硼線FeB18C0.51m/t，φ13mm硅鈣線1m/t；精煉時間35 50分鐘；全程小流量30 50L/min吹氬攪拌；精煉渣堿度CaO/SiO23.5 5.0；精煉渣料、鐵合金塊料、脫氧劑分期分批由LF精煉爐加料口順序加入；在1530～1560℃進行連鑄，鑄成130mm×130mm方坯；軋制工藝鋼坯加熱溫度1100～1200℃；開軋溫度1050℃～1100℃；同根鋼坯溫差不超過30℃；鋼坯開軋前高壓水除磷，除磷水壓＞18MPa；終軋溫度950～1000℃，采用非控軋控冷工藝直接上冷床，軋后冷床空冷，軋制過程采用高速軋制，Φ32mm規格成品軋制速度為9.5m/s；離線感應熱處理工藝采用單段中頻感應加熱淬火+單段式中頻感應加熱回火工藝，進行單次淬火+回火熱處理；或者采用兩段中頻感應加熱淬火+兩段式中頻感應加熱回火工藝，進行雙重淬火+雙重回火熱處理。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，熱處理工藝中淬火分為兩段持續加熱， 1#淬火預熱段電源機組升溫速度平均為8°C /s,2#淬火提溫段電源機組升溫速度平均為 20 0C /s ；熱處理工藝中回火加熱電源也分為兩段，3#回火電源機組升溫，4#回火電源機組是均 溫，3#電源機組回火升溫速度平均為5°C /s，軋件在3#與4#電源機組回火保溫時間總計只 需要70-80S，保證15米定尺彎鋼率不超過0. 2%。
全文摘要
一種大規格超高強韌性免時效鐵路基建用鋼的生產方法，屬于鐵路用鋼技術領域。采用轉爐初煉+LF爐精煉+連鑄+連軋+離線多段中頻感應加熱淬火+多段回火，以鐵水、廢鋼及多種合金元素做原料，加之特殊的冶煉工藝；采用非控軋控冷型工藝，鋼坯加熱連續軋制；鋼材經離線中頻感應熱處理后，生產高強度Rel≥1080MPa、Rm≥1230MPa、A5≥6％、松弛性能≤3％的超高強韌性免時效建鐵路基建用鋼。優點在于，利用現有鋼種的生產冶煉工藝裝備，通過廉價合金元素合理配比化學成分、優化生產工藝等手段，再通過離線中頻感應熱處理，消除熱軋組織遺傳對鋼材性能的影響，使鋼材生產當天達到超高強韌性能的目標技術要求、免去時效時間。
文檔編號C21C7/00GK101906503SQ20101023215
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月15日 優先權日2010年7月15日
發明者劉健, 劉志忠, 劉斌, 周玉麗, 徐興全, 李睿英, 李艷平, 王勇, 王新華, 程四華, 趙洪濤, 邸全康, 陳京生, 魯麗燕 申請人:首鋼總公司