专利名称：高合金钢和高合金钢复合材料的高效短流程生产线的制作方法
技术领域：
本发明涉及高合金钢(包括合金)及其复合材的生产方法，涉及不能连铸或连铸 坯质量问题严重而必须模铸(包括传统电渣重熔)的高合金钢的生产，本发明涉及高合金 钢和以高合金钢为覆层的复合金属材料的高效短流程生产线，涉及高合金钢和高合金钢为 覆层的复合金属板材高效短流程生产线，涉及高合金钢和高合金钢为覆层的复合金属管 材高效短流程生产线，涉及高合金钢和高合金钢为覆层的复合金属棒线材高效短流程生产 线。
背景技术：
高合金钢如高速工具钢、合金工具钢、高合金工具钢、内燃机阀门钢、各种不锈钢、 高合金耐热钢、精密合金、高温合金、电阻合金等都是各国带战略性的金属材料，是特殊钢 行业中的高技术含量高附加值的高端产品，也是衡量一个国家钢铁总体水平的重要指标。 如以吨钢利润来比较，生产一千万吨高合金钢厂的利润相当于1亿吨普钢厂的利润。高合 金钢和合金的主要合金元素是铬、镍、钨、钼和钒等，恰恰它们是战略资源。在地球表层中这 种资源是很有限的，全球各地分布又是极不均勻的，如果一个国家长期依赖进口这些资源 来生产高合金钢，对于一个国家来说从持续发展观来看是很危险的。总之，从以上叙述中可 以看出高合金钢的生产及其产品在国民经济中具有重要的战略地位。在世界各国，高合金钢和合金生产是难度很大的行业，其特点是(1)按国家标准来看，高合金钢和合金牌号有400多个，规格型号4000个以上，因 此称高合金钢是多品种产品。从每次每个品种的订货量来看有几十公斤、几百公斤、几吨、 几十吨，最多几百吨不等，因此又是小批量生产和供货的产品，工厂组织生产是极困难的。(2)400多个牌号的高合金钢和合金性能差别是很大的，从冶炼到压力加工过程工 艺差别是很大的，后步热处理方法差别是巨大的，如冶炼方法有的可在电弧炉+炉外精炼 炉中生产，有的必须在真空感应炉中生产，有的要真空浇铸，有的必须电渣重熔，大部分不 能连续铸坯，只能模铸。压力加工温度范围高低温相差有的不足100度，有的达400度。压 力加工时变形抗力各合金钢间相差最大达3倍，二辊轧制时合金钢间宽展相差最大到二倍 等等，说明工厂组织生产是极复杂的。(3)高合金钢和合金产品有板材、带材、极薄板带、箔材，有棒材、线材、丝材、极细 丝材，还有管材，包括大型管材、中小型管材、小到针管等极细管材。因此是深加工的材料， 是生产周期长的产品。(4)高合金钢和合金产品是无论外观光洁度、尺寸精度、各牌号各项性能要求严格 度都是很高的，是工厂质量管理系统最复杂的品种。(5)高合金钢复合材料，即以高合金钢为覆层，中心是优质碳钢的或低合金钢的复 合材料，即表层或为高耐磨或为高耐腐蚀或为耐高温等高合金钢材料而内层为高强度高韧 性的复合材料，也是高合金钢生产中的重要产品，也是当前生产流程极长的产品。从长远看 发展高合金钢复合材料，是在改进高合金钢材料性能前提下大幅度降低贵金属资源消耗的有效途径。当前国内国外在生产上述各种牌号、规格高合金钢和合金方面工艺流程是很落后 的，总的问题如下(1)铸锭到热压力加工成材过程流程长，多火反复中间加热，导致总成材率低，吨 钢能耗高，成本高。(2)除了不锈钢一些牌号，在大量修磨连铸坯表面前提下实行连铸连轧，绝大多数 高合金钢牌号不能实行连铸连轧生产。(3)所有现行国内国外的高合金钢从冶炼到压力加工成材的工艺过程都不能规模 化地生产以高合金钢为覆层的复合金属材料。以下分别参照图1-图4，就国内国外现行典型的高合金钢板、管、线棒生产工艺流 程进行说明，其中图1为传统高合金钢板材生产工艺流程；图2为传统高合金钢管材生产工艺流程；图3为国外高合金钢线棒材生产工艺流程；图4为中国当前认为较先进的高合金钢生产工艺流程。从图1传统高合金钢板材生产工艺流程看出问题如下(1)合金钢模铸锭其钢锭表面和内部质量问题多，如锭子表面重皮结疤，内部疏 松、夹杂，成份偏析等，生产中还要切除帽口，金属收得率低。(2)流程长，三火甚至多火成材，许多对裂纹敏感的高合金钢每次冷却要采用缓 冷，延长了待产时间，造成了同一板坯生产时间拉得很长。如采取热精整表面，工作环境恶 劣，操作者劳动条件恶劣。(3)板材质量不高，总收得率低，吨钢能耗高。(4)生产效率低。(5)不能生产以高合金钢为覆层的金属复合板材。从图2传统高合金钢管材生产工艺流程看出问题如下(1)流程长，从锭到管材中间加热五次，能耗高。(2)工序多，加工费用大，金属收得率低。(3)管材质量不高。(4)不能生产以高合金钢为覆层的金属复合管。从图3所示传统高合金钢线棒材生产工艺流程存在问题如下(a)将特殊钢中的大路货与特殊钢中难变形钢混合在一条生产线中生产，这种工 艺将性能差异极大的钢种在一条生产线必然导致后者成材率低、废品多。(b)高速工具钢、气阀钢、大钢锭经五次加热，才生产出棒线材，造成极高的单位能 耗，金属烧损大，生产过程不连续，属长流程工艺路线。(c)多次加热，多次缓冷，多次修磨，进一步增加了废品。(d)精锻机锻压表面变形，加工的钢材内部晶粒大，碳化物网状破碎程度低。(e) 二辊轧制高速工具钢、21-4N等钢种，中间废多。(f) 二辊轧制，高速工具钢和21-4N阀门钢的钢材心部质量差，心部晶粒粗大，高 速工具钢心部碳化物不均勻性级别高。
(g) 二辊轧制线棒尺寸公差大，上述钢种圆材椭圆度士0. 3 0. 4mm，增加了生产 银亮钢棒时磨削难度(磨成三角形)和增加了磨削量。(h) 二辊轧制线棒材导致冷拔成材率低。(i)所有模式都不能生产合乎质量要求的覆层厚度均勻的高合金钢为覆层的金属 复合线棒材，例如二辊轧机轧制覆层厚度为35mm的Φ 350mm不锈钢复合圆坯轧到Φ 16mm 棒材时，覆层厚度在同一截面上最薄为0. 16mm，最厚为2. 4mm，两者之比达到15。图4模式优点是专业化生产，电渣质量高于常规模铸锭，但依然有以下问题(1)炼钢一铸锭一退火一重熔一退火，经历五个工序，四次加热，生产过程不连续， 能耗高。(2)重熔锭经两次加热，两次精锻，生产出小型坯(Φ40 Φ50)，再由Φ40圆在 二辊轧机上轧出Φ9盘圆，无论是棒材还是线材单重小。(3)精锻机表面变形，钢材内部加工不透，造成钢材(高速工具钢)心部碳化物级 别高，全断面晶粒严重不均勻，心部晶粒粗大。(4)精锻机后跟二辊轧机变形，恶化了高速工具钢内部质量。(5)线棒材椭圆度大，增加了生产银亮钢时磨削量。(6) 二辊轧制热轧成材率低。(7) 二辊轧制线棒材椭圆度大，冷拔时成材率低。(8)精锻机压力加工中工件变形易造成复合层分层，整个生产线不能生产覆层厚 度均勻的高合金钢+普碳钢复合线棒材。采用传统方法生产高合金钢复合板材、管材、线棒材，如图5、图6、图7所示。其中 传统高合金钢复合板材生产流程涉及到总的工序数是37个，传统高合金钢复合管材生产 流程涉及到总的工序数是60个，传统高合金钢复合线棒材生产流程涉及到总的工序数是 47个，这些生产流程生产方法存在问题如下(1)所有高合金钢复合材都不是冶金复合，因而联接强度低，生产的产品质量次， 有的高温下分层。(2)所有高合金钢复合材都是由各个厂单独生产出的终了产品，送到另一个厂进 行复合，属于终端复合，而不是源头复合。(3)如此繁多的工序，大量金属在过程中损失掉，大量能源浪费掉，大量辅助劳动 消耗掉，还有长途运输等，从社会观点看是极大的浪费。(4)所有的传统高合金钢复合过程，都不可能是规模化的生产，都是小单重生产， 使得在用户手上造成进一步损失。(5)传统的高合金钢复合过程导致严重制约高合金钢复合材的推广，研究和开发。(6)所有传统的复合方法不适应许多高合金钢牌号的复合。由以上叙述可知，当前国内外在生产小批量多品种的高合金钢以及高合金钢为 覆层的复合金属材料方面，在工艺路线和设备选型上存在严重问题，这已是世界性的难 题。多少年来人们提出许多方案，但都没有找到一个满意的解决方案。近年来发明专利 ZL98124855. 1提出液体金属电渣半连续铸造技术和以Y型三辊复二重布置轧制线为主的 压力加工相结合方案，试图解决这一问题，但是该方案有以下问题而不能解决上述问题，该 方案问题是
(1)虽然名为棒材，实为线材，棒材尺寸范围小。(2) Y型三辊轧机为老式轧辊不可调，不能适应多品种高合金钢的生产。(3)45°交叉布置二辊轧机不适合生产覆层均勻的高合金钢复合材料。(4)螺旋斜轧机有表面变形特点，不适合生产覆层为高合金钢的复合材料。还有一个申请号为03137684. 3，公开号为CN1514025A的专利申请，也是近期试图解决高合金钢生产线问题的方案。在申请书中提出以三辊Y型开坯机组、三辊Y型粗轧机 组、三辊Y型中轧机组、三辊Y型棒材精轧机组和三辊Y型线材精轧机组，组成高合金钢线 棒材生产线，但由于以下问题，依然不能从根本上解决以上问题，该方案问题是(1)整个方案不能生产高合金钢复合材料。(2)对于许多高合金钢来说，液体金属电渣金属模铸三角坯质量得不到保证。(3)板坯用连轧机生产板材没有灵活性，不适应于高合金钢材料生产。还有系列专利ZL98249024. 0,96213558. 5,9621610. 2都是液体金属电渣熔铸技 术，尤其是后两个专利重点是用在生产工模具等近终形产品。而没有发挥它们可以生产优 质高合金钢板坯和优质高合金钢管坯的优势，没有放在短流程高合金钢板材生产线和短流 程高合金钢管材生产线来发挥其重要优势。技术方案有鉴如此，为了从根本上解决高合金钢和高合金钢复合材料工艺流程现有的各种 严重问题，作者提出从冶炼到热压力加工生产高合金钢和高合金钢复合材料的短流程生产 工艺流程方案，这些方案是(1)高合金钢和高合金钢复合板材短流程生产工艺流程(图13)。(2)高合金钢和高合金钢复合管材短流程生产工艺流程(图14)。(3)高合金钢和高合金钢复合线、棒材短流程生产工艺流程(图15)。根据本发明的优选实施例，提供一种高合金钢和高合金钢复合材料的高效短流程 生产线，该生产线包括冶炼车间，应对钢种不同而设立不同炉型进行冶炼，以灵活地应对不 同高合金钢的不同冶炼要求；并且将几种液体金属电渣熔铸技术分别予以组合，在所配套 液体金属电渣熔铸设备上可根据生产要求安排生产相应的金属板坯及复合板坯、管坯及复 合管坯、圆坯及复合圆坯，所有的坯子都可以在冶炼车间完成而不必外购；热压力加工车 间，根据高合金钢生产时不同生产工艺的要求，采用在线加热装置进行在线再加热，以保证 高合金钢在最佳压力加工温度范围内进行热压力加工；并且采用热挤压技术和现代化柔性 Y型三辊轧制技术进行相应的热压力加工，以保证在最佳应力即压应力条件对高合金钢及 其复合材料进行热压力加工。根据本发明的优选实施例，所述高合金钢和高合金钢复合材料的高效短流程生产 线以不同的液体金属电渣熔铸技术为核心，与相应的不同的热压力加工技术相结合，可分 别构成的三种高效短流程生产线(1)高合金钢和以高合金钢为覆层的金属复合板材高效 短流程生产线；(2)高合金钢和以高合金钢为覆层的金属复合管材高效短流程生产线；(3) 高合金钢和以高合金钢为覆层的金属复合线棒材高效流程生产线。根据本发明的优选实施例，所述不同炉型包括以下三种电弧炉+炉外精炼，中频 感应炉以及真空感应炉。根据本发明的优选实施例，在冶炼车间装设有液体金属电渣金属模铸造机，以生产不同尺寸规格的高合金钢板坯；还装设有液体金属电渣熔铸复合金属装置，以生产不同 尺寸规格的高合金钢复合板坯，灵活地供应热压力加工车间所要求的不同规格的高合金钢 复合板坯；这两种熔铸设备相结合可以生产二层、三层的高合金钢复合板坯；所述这些高 合金钢板坯和高合金钢复合板坯或者供应热压力加工车间继续加工，或者部分地直接供应 特种用户使用。根据本发明的优选实施例，在冶炼车间装设有一定数量的液体金属电渣离心铸造 设备，以生产单一钢号的高合金钢空心管坯；还装设有液体金属电渣半连续铸造装置，生 产单一钢种的空心管坯，或者生产以高合金钢为覆层的复合金属管坯；这两种熔铸装置相 结合，可生产二层、三层复合的管坯，这些熔铸设备可以灵活地生产不同直径不同壁厚的空 心管坯，从而可使后步热挤压工序生产不同直径不同壁厚的管材；所述这些高合金钢管坯 和高合金钢复合管坯或者供应热压力加工车间继续加工，或者部分地直接供应特种用户使 用。根据本发明的优选实施例，在冶炼车间装设有液体金属电渣半连铸装置，该装置 既可生产不同直径的同一钢种圆坯，也可生产不同直径的以高合金钢为覆层的复合金属圆 坯；所述这些高合金钢圆坯和高合金钢复合圆坯或者供应热压力加工车间继续加工，或者 部分地直接供应特种用户使用。根据本发明的优选实施例，所述在线加热装置，一是按钢种要求加热到要求的开 轧温度，一是在轧制过程中对变形窄的钢件再加热，以灵活应对不同钢种加热要求，同时这 种加热有利于减少钢坯氧化。根据本发明的优选实施例，在热压力加工车间，首先在所述加热工序设有步进式 板坯加热炉和在线加热装置，以保证灵活地加热不同的高合金钢钢种及高合金钢复合板 坯，也保证板坯在可逆粗轧中轧件得到在线加热，以应对合金钢所要求不同的加工温度范 围；在热压力加工车间设可逆粗轧机的同时，还设有板材精轧机或连轧精轧机，以及在该精 轧机前后设有保温辊道以保证上述高合金钢和高合金钢复合材顺利生产；这样的生产线既 可生产单一牌号的高质量高合金钢板材，也可以生产以高合金钢为覆层的金属复合板材。根据本发明的优选实施例，在热压力加工车间，用挤压机将相应空心管坯挤压成 不同直径、不同壁厚的高合金钢管材，以及以高合金钢为外层的复合管材，并进行管材热处 理；或者在热加工车间将相应的空心管坯加热后，在Y型三辊轧管机组和Y型三辊钢管减径 定径机组上生产不同直径不同壁厚的高合金钢管材及以高合金钢为外层的复合管材。根据本发明的优选实施例，在热压力加工车间，所述圆坯经加热后，在Y型三辊开 坯机组、Y型三辊粗轧机组、Y型三辊中轧机组、Y型三辊棒线材精轧机组轧Φ 13mm-Φ 150mm 棒材；或从Y型三辊棒材精轧机组出来的Φ13πιπι轧件经Y型三辊线材精轧机生产出 Φ5mm-Φ 13mm线材；在所述以Y型三辊轧机组成的连轧生产线上，设置若干在线感应加热 和在线控温装置，以灵活应对不同钢种对轧制工艺的不同要求；对于要生产超过150mm直 径的大型材，采用大型圆坯经加热后，在挤压机上生产。综上所述，这些流程一个共同特点 就是在炼钢车间采用液体金属电渣熔铸技术。液体金属电渣熔铸技术是近十几年发展起来 的取代传统的采用自耗电极重熔钢锭技术，即在保证电渣重熔钢同样质量条件下高效生产电渣锭。 由发明者近十几年所申请的一系列专利技术可以看出，它包括
1)液体金属在导电结晶器中熔铸圆锭的技术。该技术可以高质量地生产单一牌号 高合金钢圆锭，可以生产高合金钢复合圆锭，可以生产单一牌号高合金钢空心管坯，可以生 产高合金钢复合空心圆坯。2)液体金属电渣金属模铸造技术，该技术在利用坩埚余热条件下在渣盖保温条件 下定向凝固成高合金钢单一牌号薄板坯(100-200mm)。该技术生产的板坯放在水冷结晶器 中在密集水冷石墨电极加热渣池条件下，注入另一种钢液可以生产高合金钢复合板坯。3)液体金属电渣离心铸造技术，该技术以高质量地高效地生产各种高合金钢空心 管坯。该技术与上述第一个在导电结晶器中液体金属电渣熔铸技术相结合，可以高效生产 双层甚至三层金属复合空心管坯。图8、9、10、11、12分别显示液体金属电渣技术如何生产高合金钢和高合金钢复合 板坯、高合金钢和高合金钢复合管坯和高合金钢和高合金钢复合圆坯的原理图。图8为液体金属电渣金属模铸造板坯原理图。有关数字代表如下含义1-坩埚；2-合成渣包；3-钢包；4-合成渣；5-非自耗电极；6-钢液；7-金属模；8-辐射热；9-板坯；10-固体合成渣。液体合成渣4和钢液6先后经渣包2和钢包3注入坩埚1内，液渣经钢液浮至钢 液表面形成液渣层，然后一组非自耗电极5对渣池进行加热，经一定时间后盖上金属模7， 经一锁紧和翻转机构(图中未示出)将坩埚1和金属模7共同旋转180度，液渣4首先进 入模子7内，先进入的渣液很小部份在模腔壁上形成渣层，钢液后进入模子内，大部份液渣 经钢液6上浮至钢液表面。此后钢液6进入凝固阶段，由于坩埚1向下发出辐射热，在凝固 过程中渣层始终处于高温状态，从而造成钢液6从模子7底部自下向上定向凝固的有利条 件，从而在无浇口无帽口条件下生产出优质的电渣板坯。图9为液体金属电渣熔铸双金属板坯原理图。有关数字代表如下含义1-普钢或低合金钢坯；2-水冷结晶器；3-合成渣池；4-非自耗电极；5-钢包；6-高合金钢液；7-高合金钢覆层；普钢或低合金钢坯1上放置一水冷结晶器2，将液体合成渣3注入钢坯上面的结晶 内，立即降下成组非自耗电极4，对渣池进行加热，待钢坯表面熔化后，再注入高合金钢钢液 6与钢坯1实现冶金复合。此时液渣3浮至高合金钢钢液6上面，在成组非自耗电极4加热 渣池的条件下，实现高合金钢液定向凝固，实现双金属复合过程。这里要说明的，本过程也可以按以下过程实现。即全部在一个结晶器内，先注入一 种钢液，在电渣加热的条件下，逐步凝固，然后在合适时间注入第二种钢液，在与第一种已 凝固形成的固体状的板坯冶金复合后，也在非自耗电极电渣加热的条件下逐步使第二种钢 液凝固形成合成坯。这里更要说明的，这套装置理所当然的可以直接生产单一牌号板坯。图10为液体金属电渣离心铸造空心管坯原理图。有关数字代表如下含义1-铸模；2-渣皮；3-液渣；4-液体金属；5空心管坯。
a过程显示出上层为液渣，下层为液体金属的钢包向铸模1浇注时，液渣3首先注 入正在旋转的模1内，除了少量在模壁形成渣皮2外，大部分保持液态；b过程表示紧接着液渣3入模1后，液体金属4注入正在旋转模1内，在离心力作 用下，液体金属4进至模壁，液渣3进入自由表面在运动中精炼金属并最后为金属定向凝固 创造条件；c过程表示形成空心管坯5的最终过程。图11为液体金属电渣半连续熔铸管坯和双金属管坯原理图。有关数字代表如下含义1-浇注装置；2-水冷芯棒；3-液体合成渣；4-钢液；5-凝固的管坯；6-叠加式导电结晶器；7-芯管。a过程示出在具有叠加式导电结晶器6和水冷芯棒2组成的装置中先注入合成渣 3，然后经装置1按一定批量注入钢液4，按一定速度向下抽拉已凝固的管坯，半连铸地生产 出空心管坯。b过程示出，在叠加式导电结晶器5中放置一空心管坯7，注入合成渣3，合成渣3 在结晶器中得到加热，并按一定速度旋转，以便熔化管坯表面，然后按一定批量注入钢液4， 钢液4与管坯7实现冶金复合，在已复合好的双金属管坯5向下运动中实现双金属管坯生产。这里需要指出的，a过程可独立生产单一牌号管坯，也可以配合b过程，为b过程 提供需要复合的管坯。这里更要指出的是，液体金属电渣离心铸造空心管坯，同样可以生产高质量高合 金钢单一牌号的空心管坯，使之与b过程结合，提供b过程所需的管坯。这里还需要指出的，更换不同结晶器可在b过程复合三层复合管坯。这里需要指出的，以上过程不排除液体电渣连铸。图12为液体金属电渣半连续熔铸圆坯和双金属圆坯原理图。有关数字代表如下含义a 1-浇注装置；2-液体合成渣；3-钢液；4-凝固的钢坯；5-叠加式导电结晶器.b 浇注装置；2-液体合成渣；3-钢液；4-复合层；5-叠加式结晶器；6-芯棒。a过程在导电结晶器5中先注入一定量液体合成渣3，在一定时间后经过浇注装置 1注入定量钢液3，再按一定速度向下移动已凝固的电渣圆坯，从而可以半连铸或连铸地生 产高合金钢电渣圆坯。b过程在导电结晶器中放置一根要复合的圆坯6，该圆坯可以是从另一个导电结 晶器生产出来。然后注入液体合成渣2，该液体渣由导电结晶供电加热并旋转，使需要复合 的圆坯6表层熔化，及时定量的由装置1注入另一种钢液，与圆坯6实现冶金复合，按一定 速度向下移动(或向上移动结晶器)已复合的双金属圆坯，实现电渣半连铸或连铸地生产 高质量高合金钢复合电渣坯。这里需要指出的，无论a、b过程，在更换导电结晶器条件下，可在现有设备生产出 大型圆坯。
在上述三个工艺流程方案中由于采用液体金属电渣熔铸技术，使得可以在生产源头上实现高合金钢和优质碳结钢或低合金钢高联接强度的冶金复合，为大幅度缩短生产流 程创造条件。在上述三个工艺流程方案中由于采用液体金属电渣熔铸技术，可以在炼钢车间灵活地生产不同牌号高合金钢钢坯和复合坯，可以生产不同尺寸规格的钢坯，为以后热压力 加工灵活地生产不同钢种创造良好的条件，即为全流程柔性生产创造条件。在上述三个工艺流程方案中都应用了在线加热，保证了高合金钢生产时不同生产 工艺的要求，保证了高合金钢在最佳压力加工温度范围进行压力加工，消除传统方法中几 冷几热而造成的能源浪费和工序不连续问题。在上述三个方案中体现了高合金钢及其复合材料，在最佳应力即压应力条件下进 行热压力加工，即采用热挤压技术和现代化柔性Y型三辊轧制技术。不同的挤压模具，快速 的Y型轧机更换，Y型轧机机组全线快速数控孔型调速，全线快速单架轧机数控调速保证了 压力加工时灵活地适应各种高合金钢不同特性。在方案3中采用的Y型连轧机组，该机组 见发明专利(ZL01136638.9)线棒轧机及连轧机组。这种连轧机组能保证高合金钢轧件表 面不产生裂纹，有利于轧件晶粒细化。总之实现上述三个方案在技术上是有保证的。实施上述三个工艺流程方案后，将对高合金钢生产模式升级换代，将对钢铁产品 结构改进，进而对国民经济的发展产生重大的不可估量的影响1) 一举改变了国内外高合金钢生产现有落后模式，有利于钢铁工业产品向高技术 含量高附加值高合金产品方向发展，为从钢铁大国转向钢铁强国创造了条件。使高合金钢 生产模式站在世界最高点而具有重大的战略意义。2)新模式的实现，使高合金钢生产过程大大简化和灵活化，从而大幅度降低吨钢 能耗，大幅度降低吨钢金属消耗，大幅度降低吨钢工序费用，从而大幅度降低高合金钢生产 成本。3)新模式的实现，在冶金车间实现电弧炉+炉外精炼+液体金属电渣熔铸，成为高 合金钢生产中最佳结合模式，所有铸坯都是电渣坯，铸坯质量达到电渣钢水平。而随后压力 加工过程都是在压应力条件下实现的，特别是Y型三辊轧机，轧制时轧件全断面变形，晶粒 全断面破碎，从而使产品无裂纹，钢材晶粒细化，网状碳化物不均勻性级别低，从而使所有 高合金钢产品质量档次大幅度提高。4)新模式的实现，可实现无序轧制，精密轧制，供应的高合金钢钢材尺寸能满足用 户任意要求，尺寸公差在士0. 15mm以内，特别是棒线材可深加工到Φ5πιπι，这将使下游用户
节约大量资金。5)上述三条生产线还有一个共同特点，就是每一条生产线既能生产单一牌号的高 合金钢，又能生产高合金钢复合材，这一点极具意义。电渣冶金复合高合金钢和低合金或 优质碳结构钢，这种冶金复合联结强度大，全断面联接连续，后步压力加工工序是挤压或Y 型三辊轧制，更保证联接更紧密，覆层均勻。解决了迄今为止如高合金钢复合材质量不稳 定问题，实现了高耐磨、高耐腐蚀、高耐高温性等高合金钢与高强度、高韧性基材高质量复 合。从而为在国内经济各部门推广高合金钢复合材料打下坚实的基础。从而为国家可节 约60-80%高合金钢材打下可靠的基础。更应指出的，高合金钢材料的推广，将要大量节约铬、镍、钨、钼和钒等战略资源，为高合金钢的可持续性生产创造了重要前提，这是具有战略 意义的。6)新模式的高合金钢复合材料生产工艺流程较现有生产工艺流程缩短了几十个 环节。新模式是源头复合，较老模式节约大量能源，节约了大量的工序费用，节约了大量的 辅助费用，节约了大量金属材料。与此同时，新模式是规模化较大单重生产，复合材单重最 大可达8吨，棒材最少几百公斤，因此新模式生产对生产企业和用户双方都会得到大效益。本发明的其它优点、目标和特征在某种程度上将在下文的说明中进行阐述，并且 在某种程度上，基于对下文的考察研究、对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以 从本发明的实践中得到彰显。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求 书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面集中列出有关附图其中，图1-图7为落后的高合金钢和高合金钢复合材生产工艺流程；图1为传统高合金钢板材生产工艺流程；图2为传统高合金钢管材生产工艺流程；图3为国外高合金钢线棒材生产工艺流程(以高速钢为例)；图4为中国当前认为较先进的高合金钢生产工艺流程(以高速钢为例)；图5为高合金钢复合板材生产传统工艺路线；图6为高合金钢复合管材传统生产工艺路线；图7为高合金钢复合棒材传统生产工艺路线；以上7个流程在背景技术作了详细说明。图8-图12为液体金属电渣熔铸新技术原理图；图8为液体金属电渣金属模铸造板坯原理图；图9为液体金属电渣熔铸双金属板坯原理图；图10为液体金属电渣离心铸造空心管坯原理图；图11为液体金属电渣半连续熔铸空心管坯和双金属空心管坯原理图；图12为液体金属电渣半连续熔铸圆坯和双金属圆坯原理图；以上在介绍本发明核心新技术时作了详细说明。图13-15为本发明涉及的三个高效短流程生产线。图13为高合金钢和高合金钢复合板材生产的短流程工艺路线；图14为高合金钢和高合金钢复合管材生产的短流程工艺路线；图15为高合金钢和高合金钢复合线棒材的短流程生产工艺路线；以上三个流程作为本发明的核心将在下面作详细说明。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步的详细描述。需要注意的是，本 发明不受下述实施例的限制，可根据本发明的技术方案与实际情况来确定具体的实施方式。以下将参照图13-15，详细介绍三个高合金钢和高合金钢复合材料生产的高效短 流程工艺路线。图13为高合金钢和高合金钢复合板材生产的高效短流程生产工艺路线。第道为冶炼工序，有三种炉型，一种是电弧炉+炉外精炼；一种是中频感应炉；一 种是真空感应炉。以应对不同特性的高合金钢不同冶金要求，也为了应对不同批量订货的 要求，即应对钢种不同而设立不同炉型。第二道工序为液体金属电渣熔铸板坯工序，在该工序配套的电渣熔铸设备上可根 据生产安排或生产单一牌号的高合金钢板坯或生产高合金钢+优质碳结钢或低合金钢复 合板坯，也可生产高合金钢+碳结钢或低合金钢+高合金钢三层复合板坯。第三道工序，由于板坯表面质量好，清理量小，主要是除去渣皮，在热状态清理，可 直接红转。第四道工序，红转板坯到步进炉内加热，该炉炉温控制在所有钢种中要求最低的 那个温度。第五道工序，在线加热，该加热装置装在步进炉和可逆粗轧机之间辊道上。其作用 有二一是按钢种要求加热到要求的开轧温度，一是在轧制过程中对变形窄的钢件再加热， 以灵活应对不同钢种加热要求，同时这种加热有利于减少钢坯氧化。第六道工序，板坯在四辊可逆粗轧机上反复轧制，由于轧机前面有在线有加热和 在轧机后面有在线保温装置，保证那些变形温度范围很窄的钢种能顺利轧制，保证那些每 次压下量要求小的钢种实现顺利轧制。由于板坯规整，此工序也可直接生产特厚板。第七道工序，四辊可逆精轧机轧制板材，由于精轧机可轧出最小厚度5mm的板材， 由于粗轧机轧件温度可控，又由于保温辊道的存在，进入精轧机的轧件处于良好温度状态， 又由于精轧机轧后有保温辊道，能有效的保证各种高合金钢顺利进行轧制。图14为高合金钢和高合金钢复合管材生产的高效短流程工艺路线。第一道工序为冶炼工序，具有多种炉型如电弧炉+炉外精炼、中频感应炉、真空感 应炉等以应对不同高合金钢产品对冶炼的不同要求，因而在炉型上有灵活性。第二道工序为液体金属电渣熔铸工序，该工序具有若干组以导电结晶器为核心的 液体金属电渣半连续空心管坯铸造设备。每个半连铸设备对应一个保温炉，以承接由冶炼 工序送来的钢水。液体金属电渣熔铸半连铸设备，靠更换不同结晶器内径和水冷芯轴可以 灵活地生产不同外径、内径、不同厚度的空心管坯。在此工序配备有若干台液体金属电渣离 心铸造机，以生产出空心管坯，如优质碳结管坯、低合金钢管坯、高合金钢管坯，供应液体金 属电渣半连铸装置复合成二层或三层复合空心管坯等。如(1)内层为高合金钢，外层为碳 结钢或低合金钢空心管坯；(2)内层为优质碳结钢或低合金钢，外层为高合金钢的空心管 坯；(3)内层为高合金钢，中间层为优质碳结钢，外层为高合金钢的三层复合空心管坯。这 些复合管坯可以有不同的内、外径。第三道工序为退火工序，将上述管坯退火以消除应力，并为后步工序机加工作准 备。第四道工序，将上述管坯车外圆。第五道工序，将上述管坯镗内孔。
第六道工序，将上述管坯车端面。第七道工序，将上述管坯予热。第八道工序，将上述管坯加热。第九道工序，涂润滑剂。第十道工序，在挤压机将相应管坯挤压成不同直径、不同厚度高合金钢管材，以及高合金钢为外层的复合管材。第十一道工序，管材热处理。除上述流程外，这是需要提出的是空心管坯也可在加热后经Y型三辊轧管机和Y 型三辊减径定径机组轧出高合金钢和高合金钢复合材料管材，这里不再在本流程图上示
出ο图15为高合金钢和高合金钢复合线棒材生产的高效短流程工艺路线。第一道工序为冶炼，炉型有电弧炉+炉外精炼、中频感应炉、真空感应炉，以灵活 应对不同高合金钢对冶炼方式的要求。第二道工序为液体金属电渣熔铸，设有若干组(每组三个)以导电结晶器为核心 的液体金属电渣半连铸装置以及相应的保温炉，该装置既可生产出不同牌号的高合金钢和 合金圆坯，亦可生产出以高合金钢在优质碳结钢或低合金钢为基体上冶金复合出圆坯。这 些圆坯直径可在Φ120-Φ200πιπι之间或更大，灵活地供坯以适应不同钢种不同加工工艺。第三道工序为热状态在线清理。第四道工序为圆坯保温，应对步进加热炉与熔铸设备产量不同步。第五道为加热工序，该工序设有步进式加热炉和在线加热炉，步进式加热炉有预 热性质。在线加热装置有定温性质，为的是减少坯料氧化和灵活应对不同高合金钢不同的 加热制度。第六道工序为热轧开坯工序，该工序装有6架800Υ型三辊连轧开坯机组，该机组 通过快速更换轧机和全机组数控快速调整孔型，以应对不同高合金钢不同热加工工艺，以 及应对不同直径的来坯。并在开坯机组和粗轧机组之间设有快速互换的在线加热装置和控 温装置，以应对不同钢种不同的工艺要求。该机组孔型全部为圆_圆系统。第七道工序为粗轧工序，该工序装有6架600Υ型三辊粗轧机组，该机组通过快速 更换轧机和全机组数控快速调整孔型，以应对不同高合金钢不同热加工工艺，以及不同的 直径来料。并在粗轧机与中轧机间设有快速互换的在线加热装置和在线控温装置，该机组 孔型全部为圆-圆系统。第八道工序为中轧工序，该工序装有6架500Υ型三辊轧机机组，该机组通过快速 更换轧机及全机组数控快速调整孔型来应对不同高合金钢不同的热轧工艺和不同的来料。 并在中轧机组与精轧机组间设有可互换的在线保温或控温装置。同时此机组可独立无序地 轧出φ 100-Φ 150mm棒材，这些棒材包括复合材。尺寸公差最大士0. 2mm，整个机组孔型为 圆-圆系统。第九道工序为棒材精轧工序，该工序装有6架370Y型三辊轧机机组，通过快速更 换轧机和数控快速调整孔型，轧出Φ13-Φ100πιπι棒材。并在Φ 13-Φ IOOmm之间可无序轧 出产品，并包括复合材，机组孔型为圆_圆系统，尺寸公差最大士0. 12mm。第十道工序为线材精轧工序，该工序装有10架210Y型三辊精轧机机组，可从棒材精轧机组直接引来Φ 13圆轧件，经过10个轧机生产出Φ 5-Φ 13mm之间尺寸无序的产品，尺寸公差最大士0. 1mm。除上述流程外，针对大于Φ 150mm大型材生产，可采用更大型的上述高合金钢圆 坯和高合金钢复合坯经加热后，在挤压机生产大型高合金钢和高合金钢复合圆材，也不再 在流程图上示出。最后要指出的是，所述的三个短流程生产线中，在不少情况下，在液体金属电渣熔 铸工序所生产的高合金钢板坯和高合金钢复合板坯、高合金钢管坯和高合金钢复合管坯， 高合金钢和高合金钢复合圆坯，由于具有其优良的各向同性的接近锻态的力学性能，可直 接供应用户。如果在熔铸时作某些变性处理，所生产的这些高合金钢坯，更将具有超常的使 用性能，满足一些特种用户的需要。则理所当然视为本发明的范围，视为本发明三个短流程 中的超短流程。又例如本发明提出的线棒材生产线，生产规格上限定为Φ150πιπι，是针对极 难变形的钢种。有些高合金钢其上限可超过此数，则也应视为在本发明范围之内。总之，以上所述仅为本发明的优选三个实例而已，并不用于限制本发明，显然，本 领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型，而不脱离本发明的精神和范围。因此 倘若本发明的一些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明自 然包含这些改动和变型在内。
权利要求
一种高合金钢和高合金钢复合材料的高效短流程生产线，该生产线包括冶炼车间，应对钢种不同而设立不同炉型进行冶炼，以灵活地应对不同高合金钢的不同冶炼要求；并且将几种液体金属电渣熔铸技术分别予以组合，在所配套液体金属电渣熔铸设备上可根据生产要求安排生产相应的金属板坯及复合板坯、管坯及复合管坯、圆坯及复合圆坯，所有的坯子都可以在冶炼车间完成而不必外购；热压力加工车间，根据高合金钢生产时不同生产工艺的要求，采用在线加热装置进行在线再加热，以保证高合金钢在最佳压力加工温度范围内进行热压力加工；并且采用热挤压技术和现代化柔性Y型三辊轧制技术进行相应的热压力加工，以保证在最佳应力即压应力条件对高合金钢及其复合材料进行热压力加工。
2.根据权利1所述的高合金钢和高合金钢复合材料的高效短流程生产线，其特征还在 于以不同的液体金属电渣熔铸技术为核心，与相应的不同的热压力加工技术相结合，可分 别构成的三种高效短流程生产线(1)高合金钢和以高合金钢为覆层的金属复合板材高效短流程生产线；(2)高合金钢和以高合金钢为覆层的金属复合管材高效短流程生产线；(3)高合金钢和以高合金钢为覆层的金属复合线棒材高效流程生产线。
3.根据权利1或2所述的高合金钢和高合金钢复合材料的高效短流程生产线，其特征 还在于所述不同炉型包括以下三种电弧炉+炉外精炼，中频感应炉以及真空感应炉。
4.根据权利1-3任一项所述的高合金钢和高合金钢复合材料的高效短流程生产线，其 特征还在于在冶炼车间装设有液体金属电渣金属模铸造机，以生产不同尺寸规格的高合金钢板坯；还装设有液体金属电渣熔铸复合金属装置，以生产不同尺寸规格的高合金钢复合板 坯，灵活地供应热压力加工车间所要求的不同规格的高合金钢复合板坯；这两种熔铸设备相结合可以生产二层、三层的高合金钢复合板坯；所述这些高合金钢板坯和高合金钢复合板坯或者供应热压力加工车间继续加工，或者 部分地直接供应特种用户使用。
5.据权利1-3任一项所述的高合金钢和高合金钢复合材料的高效短流程生产线，其特 征还在于在冶炼车间装设有一定数量的液体金属电渣离心铸造设备，以生产单一钢号的高合金 钢空心管坯；还装设有液体金属电渣半连续铸造装置，生产单一钢种的空心管坯，或者生产以高合 金钢为覆层的复合金属管坯；这两种熔铸装置相结合，可生产二层、三层复合的管坯，这些熔铸设备可以灵活地生产 不同直径不同壁厚的空心管坯，从而可使后步热挤压工序生产不同直径不同壁厚的管材；所述这些高合金钢管坯和高合金钢复合管坯或者供应热压力加工车间继续加工，或者 部分地直接供应特种用户使用。
6.根据权利1-3任一项所述的高合金钢和高合金钢复合材料的高效短流程生产线，其特征还在于在冶炼车间装设有液体金属电渣半连铸装置，该装置既可生产不同直径的同一钢种圆 坯，也可生产不同直径的以高合金钢为覆层的复合金属圆坯；所述这些高合金钢圆坯和高合金钢复合圆坯或者供应热压力加工车间继续加工，或者 部分地直接供应特种用户使用。
7.根据权利1-3任一项所述的高合金钢和高合金钢复合材料的高效短流程生产线，其 特征还在于所述在线加热装置，一是按钢种要求加热到要求的开轧温度，一是在轧制过程中对变 形窄的钢件再加热，以灵活应对不同钢种加热要求，同时这种加热有利于减少钢坯氧化。
8.根据权利4所述的高合金钢和高合金钢复合材料的高效短流程生产线，其特征还在于在热压力加工车间，首先在所述加热工序设有步进式板坯加热炉和在线加热装置，以 保证灵活地加热不同的高合金钢钢种及高合金钢复合板坯，也保证板坯在可逆粗轧中轧件 得到在线加热，以应对合金钢所要求不同的加工温度范围；在热压力加工车间设可逆粗轧机的同时，还设有板材精轧机或连轧精轧机，以及在该 精轧机前后设有保温辊道以保证上述高合金钢和高合金钢复合材顺利生产；这样的生产线既可生产单一牌号的高质量高合金钢板材，也可以生产以高合金钢为覆 层的金属复合板材。
9.根据权利5所述的高合金钢和高合金钢复合材料的高效短流程生产线，其特征还在于在热压力加工车间，用挤压机将相应空心管坯挤压成不同直径、不同壁厚的高合金钢 管材，以及以高合金钢为外层的复合管材，并进行管材热处理；或者在热加工车间将相应的空心管坯加热后，在Y型三辊轧管机组和Y型三辊钢管减 径定径机组上生产不同直径不同壁厚的高合金钢管材及以高合金钢为外层的复合管材。
10.根据权利6所述的高合金钢和高合金钢复合材料的高效短流程生产线，其特征还 在于在热压力加工车间，所述圆坯经加热后，在Y型三辊开坯机组、Y型三辊粗轧机组、Y型 三辊中轧机组、Y型三辊棒线材精轧机组轧Φ 13mm-Φ 150mm棒材；或从Y型三辊棒材精轧机组出来的Φ 13mm轧件经Y型三辊线材精轧机生产出 Φ 5mm-Φ 13mm 线材；在所述以Y型三辊轧机组成的连轧生产线上，设置若干在线感应加热和在线控温装 置，以灵活应对不同钢种对轧制工艺的不同要求；对于要生产超过150mm直径的大型材，采用大型圆坯经加热后，在挤压机上生产。
全文摘要
本发明涉及高合金钢和高合金钢为覆层的金属材料高效短流程生产线，这里的高合金钢包括镍基高温合金等材料，这种生产线应对的是不能连铸连轧或连铸质量不能保证或连铸坯大量修磨的高合金钢钢种。本发明具体涉及三种生产线，即高合金钢和以高合金钢为覆层的金属复合板材、管材和棒材高效短流程生产线。其特点是冶炼车间不同冶炼设备灵活应对不同钢种，所有铸坯设备都是液体金属电渣熔铸设备。这些设备可以灵活生产高质量板坯和复合板坯、空心管坏和复合管坯以及圆坯和复合圆坯。板坯与可逆粗轧、精轧相结合，辅以在线轧前加热、保温辊道等灵活生产高合金板材。与挤压机相结合灵活生产管材，与Y型三辊连轧相结合灵活生产线棒材。
文档编号B21B1/00GK101804564SQ20091000896
公开日2010年8月18日 申请日期2009年2月16日 优先权日2009年2月16日
发明者方崇实, 方钧 申请人:方崇实