一种高韧性适焊微合金化铸钢及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高韧性适焊微合金化铸钢及其制备方法；属于铸钢材料冶炼制备
技术领域，具体涉及一种适用于船舶、石油、电力等设备中的大型铸件用高韧性适焊微合金 化铸钢材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 我国现有大型铸钢企业一般采用中频炉、电弧炉对废钢、废铁进行冶炼生产铸钢 材料。其中，中频炉具有融化速率快、生产效率高，氧化烧损小、合金收得率高，炉温便于调 控等特点，因而在大型铸钢企业有着较为广泛的应用。但是中频炉炼钢过程一般不能对钢 水脱磷、脱硫，致使钢水质量较差，从而导致铸钢件力学性能和使用寿命较低。同时，大型铸 钢件常用的材料为合金铸钢材料，其冶炼过程中要加入较多的合金。由于合金中磷、硫元素 含量较高，合金的加入会导致钢水中磷、硫元素的进一步增加，从而使钢水质量恶化、铸件 的力学性能变差、使用寿命更低。
[0003] 此外，大型铸钢件在生产过程中一般需要进行焊补，其优良的焊补性能可以在降 低制造加工难度的同时，提高铸件质量和性能。对于大型船用铸钢件和海上石油机械铸钢 件，良好的冲击韧性也是其必须具备的性能之一。
[0004] 中国专利文献CN1033845A提出了一种微合金铸钢材料及其制备方法，该微合金 铸钢以Nb、Ti为微合金元素，采用电弧炉或中频炉熔炼。其具体成分为碳0. 06-0. 18%、锰 1. 4-1. 8%、铌0. 02-0. 12%、钛0. 01-0. 10%，磷硫含量各小于0. 035%，残余铝小于或等于 0. 06%。该微合金铸钢具有较好的综合力学性能，但是该铸钢用中频炉熔炼时所采用的原 材料、冶炼工艺方法及脱磷脱硫方法没有具体说明，且铸钢中S元素含量和碳当量相对较 高。其中，S元素含量的上限接近0. 015%，碳当量值接近或超过0. 4%，不利于铸钢材料焊 接性能的提高。除此之外，该专利所得产品的延伸率最高仅为28%。更为关键的是，微合金 铸钢的成分设计以及制备并没有涉及如何提高其可焊性能。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的不足，本发明设计了 一种以Cr、Ni、Nb、V为微合金元素，具有较高 的韧性和良好的焊接性能的微合金化铸钢以及该合金的冶炼制备、热处理方法。该铸钢可 用于石油、电力、船舶等工程领域中的大型铸钢件，也可应用于其他工程领域。
[0006] 本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢；以质量百分比计包括下述组分：C 0? 10%~0? 25%、优选为 0? 12%~0? 20%、进一步优选为 0? 14%~0? 16%;Si0? 30%~ 0? 70%、优选为 0? 35%~0? 60%、进一步优选为 0? 40%~0? 50%;Mn0? 65%~L00%、 优选为〇? 70 %~0? 90 %、进一步优选为0? 70 %~0? 80 %;Cr0? 01 %~0? 15 %、优选为 0.01%~0.08%、进一步优选为 0.01%~0.06%;Ni0.01%~0.04%、优选为 0.01%~ 0? 03%、进一步优选为 0? 01%~0? 02%;Nb0? 01%~0? 15%、优选为 0? 01%~0? 09%、进 一步优选为 〇? 03%~0? 08%;V0? 005%~0? 015%、优选为 0? 007%~0? 013%、进一步优 选为 0? 085%~0? 012% ;A1 0? 025%~0? 075%、优选为 0? 030%~0? 060%、进一步优选 为 0? 035%~0? 050%;P彡 0? 02%，S彡 0? 005%，
[0007] 其余为Fe以及不可避免的微量杂质元素。
[0008] 本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢；所述铸钢中P的质量百分含量优选为小于 0. 0185%。
[0009] 本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢；所述铸钢中S的质量百分含量优选为小于 等于 0. 0018%。
[0010] 本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢的制备方法是：以废钢、废铁为原料，按设计 铸钢的组分配取废钢、合金元素补充源、Nb元素补充源；所述合金元素补充源为C、Si、Mn、 Cr、Ni、V、Al中的一种或多种元素与铁形成的合金；所述Nb元素补充源为Nb-Fe合金；然 后先熔化废钢，在往废钢熔液中加入合金元素补充源；继续熔炼至合金元素补充源完全熔 化后，再加入Nb元素补充源，搅拌均匀后，浇铸，得到铸件。
[0011] 本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢的制备方法；包括下述步骤：
[0012] 步骤一
[0013] 以废钢、废铁为原料，按设计铸钢的组分配取废钢、合金元素补充源、Nb元素补充 源；所述合金元素补充源为c、Si、Mn、Cr、Ni、V、Al中的一种或多种元素与铁形成的合金； 所述Nb元素补充源为Nb-Fe合金；
[0014]步骤二
[0015] 先将废钢加入中频炉进行熔融，待废钢熔化得到钢液后，将炉温控制在1540°C~ 1590°C，再往钢液中加入部分合金元素补充源；待所加合金元素补充源完全熔化后，将炉温 升至1580°C~1620°C，取样检测炉前钢水化学成分；
[0016] 步骤三
[0017] 根据步骤二所检测出的炉前钢水化学成分，计算最终所需合金元素的量，并依据 计算结果调整剩余部分合金元素补充源的成分和用量；再将调整后的剩余部分合金元素补 充源，加入钢水中，搅拌直至其完全熔化后，静置、扒渣，得到待微合金化的钢液；
[0018] 步骤四
[0019] 往步骤三所得待微合金化的钢液中加入步骤一所配取的Nb元素补充源，搅拌至 Nb元素补充源完全溶化后，移至盛有纯铝和碳粉的钢包中，并于1650°C~1680°C出钢浇 铸，得到铸件。
[0020] 本发明，步骤四中Nb元素补充源加入后，与待微合金化的钢液反应，得到微合金 化的钢液。
[0021] 为了实现快速生产，本发明冶炼前将钢包、炉体、铸型、废钢、废铁、以及合金烘烤 干燥以减少其中水汽的含量，并去除废钢表面的泥污和铁锈。烘烤温度为l〇〇°C~350°C， 烘烤时间为20min~30min。
[0022] 本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢的制备方法；步骤二中所加入的部分合金元 素补充源的质量，占步骤一所配取合金元素补充源总质量的50%~70%。
[0023] 本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢的制备方法；所述合金元素补充源包括锰铁 和硅铁。
[0024] 为了进一步及提升最终产品的品质，步骤二以及步骤三中添加合金元素补充源 时，按先加锰铁、再加硅铁、再加其它合金元素补充源的顺序加入中频炉中进行冶炼。
[0025] 为了控制所得铸件的质量，本发明根据铸钢的化学成分要求及合金烧损率计算配 料。同时经步骤三的细微调整，可进一步保证所得铸件的质量。
[0026] 本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢的制备方法；步骤四中所用纯铝的质量为钢 水总质量的〇. 05%~0. 1%。
[0027] 本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢的制备方法；步骤四中所用碳粉的质量根据 炉前钢水中碳含量计算。
[0028] 本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢的制备方法；所制备的高韧性适焊微合金化 铸钢的碳当量（CEV)值小于0. 35。
[0029] 本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢的制备方法；所得铸件经正火处理和回火处 理后，得到非焊接成品。
[0030] 本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢的制备方法；所述正火处理的条件为：
[0031] 在箱式电阻炉中以80°C/h~120°C/h的速度升温至850°C~950°C，保温 I. 5-2. 5h，然风冷至室温。所述风冷的冷却速度为5°C/s~15°C/s。
[0032] 本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢的制备方法；所述回火热处理的条件为：在 箱式电阻炉中以80°C/h~120°C/h的速度升温至500°C~650°C，保温2. 5-3. 5h，然后在 空气中冷却至室温。
[0033] 本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢的制备方法；正火处理和回火处理的时间间 隔依据铸件的大小进行选择。最优的间隔时间不超过6h。
[0034] 本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢的制备方法；所述非焊接成品的伸长率大 于等于32%、断面收缩率大于等于40%、屈服强度大于等于325MPa、抗拉强度大于等于 490MPa、室温时冲击吸收功大于等于120J。
[0035] 本发明一种高韧性适焊微合金化铸钢的制备方法；所得铸件经焊接后，依次经 淬火处理和回火处理（调质处理）后，所得焊接成品的伸长率大于等于30% (最优可达 35% )、断面收缩率大于等于60% (最优可达68% )、屈服强度大于等于340M