超强耐腐蚀钢材的加工工艺及其轧制机组的制作方法

本发明涉及一种钢材，特别涉及一种超细晶钢材。

背景技术：

随着国内工业化高速发展进程，各个行业对高性能钢材的需求显著增加。尤其在石油、海洋作业、市政建设等方面，对于钢材的强度、韧性、抗腐蚀等各个方面的性能要求日益增加。近年来，已知在钢铁材料中降晶粒微细化是不依靠添加合金元素来提高强度与韧性的最佳方法。然而目前的奥氏体系钢材的晶粒微细化技术中，已知存在在包含如氯化物离子等腐蚀环境中产生腐蚀断裂的问题。

在2015年2月11日，公开号为CN102753717B的中国发明专利文本中揭露了一种耐应力腐蚀裂纹性和加工性优异的细粒度奥氏体系不锈钢板。其在钢材中使用的大量铬元素导致钢材塑性及韧性大幅度下降，单靠晶粒微细化亦难以挽救钢材的整体性能。

技术实现要素：

本发明的第一发明目的是提供一种兼具突出的强度、韧性、抗腐蚀性能的钢材加工工艺。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种超强耐腐蚀钢材的加工工艺，包括以下步骤：

Stp1、取钢坯，其按重量百分比包括如下组分：0.03％～0.05％的碳元素，0.035％～0.05％的硅元素，5％～6％的锰元素，0.25％～0.35％的磷元素，0.015％～0.017％的硫元素，9.50％～10.5％的铬元素，0.35％～0.5％的镍元素，0.20％～0.35％的钼元素，0.15％～0.16％的钛元素，0.04％～0.05％的钒元素，0.01～0.015％的铌元素，0.050％～0.060％的钨元素，0.018％～0.020％的钴元素，0～0.001％的锑元素，其余为铁和不可避免的杂质；

Stp2、在加热炉中对上述钢坯加热，控制加热温度不小于其固溶温度；

Stp3、钢坯出炉后采用高压除磷，在奥氏体再结晶区进行第一阶段轧制，第一道轧制压下量不小于钢坯厚度的65％，平均道次压下量大于钢坯厚度的50％并满足总变形量要求；

Stp4、在奥氏体未再结晶区进行第二阶段轧制，终轧温度控制在Ar3以上；

在Stp2～Stp4中，轧制冷却速度控制在15～30℃/h。

通过采用上述技术方案，在Mn、Nb系钢基础上降低碳、提高锰并加入钼形成产生针状铁素体钢的基础条件。保持碳含量在6％以下，有效促进针状铁素体的生成。钼元素在相变过程中抑制多边形铁素体的形成，同时钼还具有固溶强化和沉淀强化的作用，尤其是微合金化元素铌的加入，扩大形变奥氏体未再结晶区的温度范围，有利于增加奥氏体未再结晶的轧制变形量，促进两阶段轧制工艺的实现。

在轧制过程中采用控扎控冷工艺，在严格的加热温度和保温时间控制下，使连铸坯或钢锭中的微合金元素主要以大颗粒形式存在的碳氮化合物在加热过程中固溶到奥氏体中，起到有效的细化晶粒以及后续的沉淀强化作用。

在奥氏体再结晶区进行的第一阶段轧制，利用巨大的道次压下量保证变形的渗透和回复再结晶，通过反复“再结晶”过程，破碎、细化钢坯凝固结晶时形成的粗大树枝晶晶粒，从而得到超细晶钢材。而且保持高强度的道次压下量，显著降低钢坯中微孔的密度，极大的提高钢材的致密度，从而获得兼具高强度、高韧性、高抗腐蚀性能的钢材。

在奥氏体未再结晶区的轧制，使未再结晶的奥氏体晶粒变扁和拉长，使得在随后的快冷中形成具有微细亚结构的针状铁素体。通过精确控制冷却速度，最后得到以针状铁素体、贝氏体为主的组织。而在上述工艺下生成的钢材，晶粒尺寸在0.06～0.1um。属于超细晶范畴。经试验验证具有超高的强度、韧性，其强塑积高达201130.7MPa·％。且耐腐蚀。

且利用上述工艺使材料纳米化，形成了大量微细晶粒以及晶界，从而实现低温下渗铬，促使Cr元素在本材料中的扩散速度相比普通奥氏体材料快几十倍。在同等条件下，材料金相组织中晶内和晶界的Cr元素容易达到平衡，利用整体平面均匀均的微小化腐蚀，有效防止晶界腐蚀。

本发明进一步设置为：在Stp2中，钢坯从室温加热到目标温度的加热时间＜3min。

通过采用上述技术方案，利用高速加热，从而防止奥氏体在加热过程中的晶粒长大，在提高微合金元素对钢坯固溶强化作用的同时又避免了因奥氏体晶粒变得粗大导致钢坯的韧性降低。

本发明进一步设置为：在Stp2中，加热炉中对钢坯加热的均热温度为1150～1125℃，加热保温时间＞2小时，钢坯出炉温度1130～1230℃。

通过采用上述技术方案，对钢坯进行充分的保温，使钢坯均匀受热，合金元素的固溶强化更加全面。

本发明进一步设置为：钢坯出炉后采用高压除磷，在1050～1150℃温度区间进入粗轧机组，初轧过程中，一方面使钢坯均匀变形，另一方面控制钢坯降温速度，使钢坯出粗轧温度稳定在970～1030℃。控制钢坯进精轧机组钱的冷却速度，在该过程中使钢坯中的形变奥氏体完成再结晶。

通过采用上述技术方案，使未再结晶的奥氏体晶粒变扁和拉长，并在晶粒内部形成大量的变形带，增加形核率，为随后快冷形成具有微细亚亚结构的针状铁素体做准备。

本发明进一步设置为：钢坯出粗轧后，控制钢坯在线冷却，冷却速度40～80℃/h，钢坯在980～900℃之间进入多道次精轧机组，在奥氏体未再结晶区轧制，轧制过程中控制线材的冷却速度，使其在780～850℃温度区间内出精轧，在输送线上冷却至650～750℃后进入缓冷区缓慢冷却，使形变奥氏体中析出大量细小的先共析，其余奥氏体在随后的冷却中转变为贝氏体。

通过采用上述技术方案，在900℃完全奥氏体化、30～300℃/min的冷却范围内可获得贝氏体组织，低于该速冷可获得铁素体和贝氏体混合组织，高于该冷速则获得马氏体和贝氏体混合组织热轧控制淬透性钢材晶粒度为8～11级。组织为先共析铁素体、贝氏体，其中贝氏体组织由贝氏体铁素体、马氏体和参与奥氏体组成，这种组织有利于防止钢材点腐蚀，提高钢材抗腐蚀性能。

本发明进一步设置为：在Stp3中钢坯由辊道带动往第一轧制道次移动，第一轧制道次的上轧辊升起保证钢坯前端顺利进入第一轧制道次的轧制工位中，继而上轧辊下压钢坯直至达到钢坯总厚度的65％；钢坯由辊道逆向带动后退，同时轧辊逆向启动反向轧制钢坯，完全钢坯前端的轧制；之后辊道正向转动将钢坯输送至第一轧制道次，轧辊正向转动进行轧制。

通过采用上述技术方案，利用冲压式咬入实现大压下量下的钢材咬入，并利用反复式轧制使钢材充分、均匀受力，确保对钢材内部微孔施加强制变形压力。

本发明进一步设置为：轧辊表面均匀分布有若干凸起，该凸起的高度为轧辊半径的0.2％～0.4％。

通过采用上述技术方案，利用凸起增加轧辊与钢材之间的接触摩擦力，避免在大咬入角下，轧辊与钢材之间打滑，确保轧制正常进行。

本发明的另一发明目的在于提供一种用于具突出的强度、韧性、抗腐蚀性能的钢材加工工艺的轧制机组。

一种热轧机组，包括用于输送钢坯的辊道、与辊道衔接的机架、位于辊道下方并与机架铰接的下轧辊、带动下轧辊转动的主动力部、竖直滑移连接于机架的上轧辊以及对上轧辊施加竖直向下压力的压下部。

通过采用上述技术方案，改变传统的固定式被动咬入轧制机组，转而采用活动式主动咬入轧制机组。实现了钢材大压下量的咬入、轧制，在高强度的道次压下量下显著加强钢材致密度。进而充分提高钢材的综合力学性能。

本发明进一步设置为：所述辊道上方具有将钢坯朝轧辊方向推进的辅助辊，该辅助辊与一副动力部联动。

通过采用上述技术方案，辅助辊与钢坯上方抵触，通过其转动往钢坯上传递推进力，使钢材具有主动进入轧辊的动力并防止钢材在轧辊的反作用力下出现倒退、弯曲。

本发明进一步设置为：所述辊道上同列排布有传送辊，所述传送辊内设置有冷却系统，该冷却系统包括设置在轧辊内部的水冷腔室、位于轧辊轴心位置的水冷通道、用于向冷却腔室输送冷却液的冷却水泵以及储存冷却水的蓄水池。

通过采用上述技术方案，在通过控扎控冷获得针状铁素体、贝氏体以及马氏体的过程中，冷却速度越快，获得微细化晶粒的数量越多。而通过采用在辊道中加设冷却系统，使得与钢材接触的辊道具有快速降温效果，有效增加了钢坯的热传递效率，加快了其冷却速度。

与现有技术相比，本发明所提供的钢材加工工艺具有以下突出优点：

1、成本适宜，本钢材是一种节Ni、节Mo型材料，同时又具有超高强度、韧性以及抗腐蚀性；

2、利用特殊轧制工艺提高钢材的组织致密度，获得多金相组织，晶粒微细化至纳米级，兼具高强度与高韧性；

3、利用Cr在微细晶粒以及高数量级晶界中的低温快速扩散，有效解决钢材点腐蚀缺陷；

4、钢材表面一致性针状铁素体结构把钢材的表面转化为片状摩擦，减小了钢材表面的摩擦系数。

附图说明

图1是实施例1中针状铁素体的显微组织；

图2是实施例1中不同条件下贝氏体的显微组织对比图；

图3是实施例1中不同道次压下量下钢材的显微组织对比图；

图4是实施例1中马氏体的显微组织；

图5是实施例2中热轧机组的立体结构示意图；

图6是实施例2中第一道次咬入过程示意图；

图7是实施例2中第一道反向轧制过程示意图；

图8是实施例2中第一道正向轧制过程示意图；

图9是实施例2中传送辊的结构示意图；

图10是实施例2中凸起凸出于轧辊时的位置示意图

图11是实施例2中凸起回缩于轧辊时的位置示意图。

图中，1、机架；2、辊道；3、下轧辊；4、上轧辊；5、主动力部；6、副动力部；7、传送辊；8、辅助辊；9、水冷腔室；10、水冷通道；11、冷却水泵；12、蓄水池；13、凸起；14、液压机；15、钢坯；16、沉孔；17、弹簧；18、挡块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1：一种钢材的加工工艺：包括下列步骤：

第一步：取钢坯15，其按重量百分比包括如下组分：0.03％～0.05％的碳元素，0.035％～0.05％的硅元素，5％～6％的锰元素，0.25％～0.35％的磷元素，0.015％～0.017％的硫元素，9.50％～10.5％的铬元素，0.35％～0.5％的镍元素，0.20％～0.35％的钼元素，0.15％～0.16％的钛元素，0.04％～0.05％的钒元素，0.01～0.015％的铌元素，0.050％～0.060％的钨元素，0.018％～0.020％的钴元素，0～0.001％的锑元素，其余为铁和不可避免的杂质。

其中主要元素在钢中的作用如下：

碳：碳有助于提高钢的强度，但对于钢的韧性不利，控制碳含量在0.03％～0.05％可以保证获得足够的强度，同时使钢具有良好的韧性和焊接性。

锰：作为固溶强化元素，同时还可以降低奥氏体-铁素体相变温度，有效提高钢淬透性。

硅：是钢中主要合金元素，硅能显著提高铁素体的强度，能改变回火过程中碳化物的析出的形态、数量和尺寸，提高钢的回火稳定性，间接促进沉淀强化。硅在一定程度上对钢的塑性和韧性有不良影响，但硅能促进相变过程中碳元素的再分配，提高残余奥氏体的稳定性，从而改善韧性。控制在0.03％～0.05％的硅含量可以起到固溶强化的同时提高韧性。

钼：在低合金钢中能提高钢的耐硫化物氢腐蚀能力，同时它可以强烈推迟铁素体转变，显著提高钢的淬性。可降低钢的回火脆性，改善热处理工艺性能，提高钢材的疲劳性能。钼能降低钢中氢的活度，大大降低钢的吸氢倾向。可以强烈的阻碍碳化物的形核和长大，减少钢中的储氢陷阱，本发明中加入0.02％～0.35％的钼既充分发挥了钼元素在钢材中的利用率，又降低了经济成本。

铬：能显著提高钢的耐硫化物破裂能力，提高钢的淬透性，铬与Mn共同使用效果良好，由于Cr降低钢中的碳活度，同时又是碳化物形成元素，提高碳的扩散激活能，故能减轻钢的脱碳倾向。能改变钢材的电极电位，提高耐腐蚀性能。9.5％～10.5％的铬能确保钢的抗腐蚀性能同时又不致使其经济成本过高。

镍：对低合金钢耐硫化物破裂是有害的，含镍钢上的析氢过电位最低，氢离子易于放电，因而强化了析氢过程，使钢的硫化物破裂敏感性增加。但镍可抑制热加工过程中Cu脆，降低碳在基体中的固溶程度，降低冷却转变温度，促进Cr、Mo碳化物的析出。

铌：能显著提高钢的耐硫化物破裂能力显著提高钢的淬透性，在钢中能形成细小的NbCN颗粒，钢坯15在加热时未溶NbCN颗粒可以组织奥氏体晶粒的长大；Nb能显著提高钢的再结晶温度，使钢在较高较大的热变形温度范围进行未再结晶控扎，促进晶粒的细化，提高钢的强韧性。在Mn、Nb系钢基础上降低碳、提高锰并加入钼形成产生针状铁素体钢的基础条件。针状铁素体的显微结构参见说明书附图1，其具有非常细小的晶粒，有利于增加有效晶界面积。同时还能阻碍位错运动，使钢材得到强化。保持碳含量在6％以下，有效促进针状铁素体的生成。钼元素在相变过程中抑制多边形铁素体的形成，同时钼还具有固溶强化和沉淀强化的作用，尤其是微合金化元素铌的加入，扩大形变奥氏体未再结晶区的温度范围，有利于增加奥氏体未再结晶的轧制变形量，促进两阶段轧制工艺的实现。

第二步：在加热炉中对钢坯15加热的均热温度为1150～1125℃，钢坯15从室温加热到目标温度的加热时间＜3min，加热保温时间＞2小时，钢坯15出炉温度1130～1230℃。

第三步：钢坯15出炉后采用高压除磷，在1050～1150℃温度区间进入粗轧机组，初轧过程中，一方面是钢坯15均匀变形，另一方面控制钢坯15降温速度，使钢坯15出初轧温度稳定在970～1030℃。控制钢坯15进精轧机组钱的冷却速度，在该过程中使钢坯15中的形变奥氏体完成再结晶。在钢坯15由辊道2带动往第一轧制道次移动，第一轧制道次的上轧辊4升起保证钢坯15前端顺利进入第一轧制道次的轧制工位中，继而上轧辊4下压钢坯15直至达到钢坯15总厚度的65％；钢坯15由辊道2逆向带动后退，同时轧辊逆向启动反向轧制钢坯15，完全钢坯15前端的轧制；之后辊道2正向转动将钢坯15输送至第一轧制道次，轧辊正向转动进行轧制。轧制过程中道次压下量决定钢材内部的微孔尺寸，在平均道次压下率为38％时，由说明书附图3中的(a)可知钢材内部具有明显的微孔结构。而把平均道次压下率增加至51％时，显微状态下微孔数量略有减少，参见说明书附图3中的(b)。当道次压下量增加至65％时，参见说明书附图3中的(c)，钢材中的微孔尺寸、数量显著下降，几近消失。通过增加道次压下量显著改善了钢材显微结构，强化了钢材的力学性能。

第四步：钢坯15出初轧后，控制钢坯15在线冷却，冷却速度40～80℃/h，钢坯15在980～900℃之间进入多道次精轧机组，在奥氏体未再结晶区轧制，轧制过程中控制线材的冷却速度，使其在780～850℃温度区间内出精轧，通过精确控制冷却速度，最后得到以针状铁素体、贝氏体为主的组织，参见说明书附图1。而在上述工艺下生成的钢材，晶粒尺寸在0.06～0.1um。属于超细晶范畴。经试验验证具有超高的强度、韧性，其强塑积高达201130.7MPa·％。且耐腐蚀。随后在输送线上冷却至650～750℃后进入缓冷区由钢材自行冷却。使形变奥氏体中析出大量细小的先共析，其余奥氏体在冷却中转变为贝氏体。低碳贝氏体的显微结构参见说明书附图2，贝氏体的形成需严格控制轧制过程中的温度变化，如说明书附图2中的(a)，其形成的贝氏体为0.1～0.5um宽的板条组织结构，具有良好的力学性能。但在两阶段的轧制过程中，若没有严格控制轧制温度，导致轧制温度过高，则会导致钢材内部组织无法实现变形渗透，“有效晶粒尺寸”增加，最终得到粗大的贝氏体组织，导致钢的韧性降低，如说明书附图2中的(b)。在钢坯15经两次轧制以及快速降温后，钢材内部除针状铁素体、贝氏体外还生成部分马氏体，其显微结构参见说明书附图4。

取经上述工艺加工成的00Cr9MoNi样品实测其力学性能：

参见上表，经本实施例中的方法加工成的00Cr9MoNi在各种条件下均具有超高力学性能。

将上述样品与其他钢材做力学性能的比较，详细试验结果如下：

由上表可见，经本实施例工艺上次的00Cr9MoNi钢材兼具超高强度以及优异的韧性。同时因钢材组分中合金元素用量低，相比与同类型钢材具有性能突出、成本低廉的优势。

另因在石油矿井中含有的腐蚀性元素较多，钢材腐蚀往往也集中在这一领域，故模拟各个油田环境做钢材抗腐蚀性能试验。具体模拟条件见下表：

将本实施例中的00Cr9MoNi以及对比样Q235、40Cr分别在上述环境下进行试验，获得结果如下：

通过上述试验结果对比可知，按本实施例中方法加工出的00Cr9MoNi在成本级别的钢材中具有明显的抗腐蚀性能优势。

实施例2，一种轧制机组，参见说明书附图5，包括一较长的辊道2。在辊道2上平整的布置若干传送辊7，大功率电机作为主动力部5控制传送辊7的运转。在辊道2上方设置有若干辅助辊8，同样的大功率电机作为副动力部6控制辅助辊8的运转。钢坯15在辊道2上传送时，传送辊7与辅助辊8分别位于钢坯15的下方、上方，一方面起稳定作用，避免钢坯15出现因送料不稳而脱轨，另一方面辅助辊8与传送辊7的相互作用使得钢坯15的推进力更强，防止在轧制过程中出现打滑。

在辊道2的末端衔接轧机，轧机包括并列设置的下轧辊3与上轧辊4。上轧辊4与下轧辊3之间的间隙称为辊缝。辊缝与辊道2上平面对齐。上轧辊4通过液压机14竖直活动连接于机架1上。从而通过液压机14控制来实现上轧辊4的上下活动。

参见说明书附图6，在轧制过程中，首先上轧辊4由液压机14带动升起。钢坯15由辊道2正向传送至一端置于下轧辊3之上。随后上轧辊4由液压机14满载荷下压，直至上轧辊4挤压钢坯15达到预定的钢坯15厚度65％的下压量。参见说明书附图7，此时当上轧辊4与下轧辊3夹紧钢坯15后，上轧辊4与下轧辊3反向转动，将钢坯反向挤出轧机。并通过传送辊7、辅助辊8的辅助，促使钢坯15收到足够的拉力沿相反方向退出辊缝，通过这种方式对钢坯15前端进行轧制。参见说明书附图8，在完成该端轧制成型后，上轧辊4、传送辊7以及辅助辊8开始正向转动，重新将钢坯15推进辊缝，进行正常轧制。在钢坯15已经咬入辊缝的情况下，不仅利用轧辊的拉力拉动钢坯，同时在钢坯15未进入轧机的部分利用传送滚7以及辅助辊8向其施加推力，保证钢坯15在大压下量下的顺利轧制。利用上述步骤解决在单道次大压下量轧制时，咬入角过大而导致钢坯15难以顺利咬入辊缝的技术难题，同时为防止在单道次大压下量下上轧辊4潜在的打滑风险，在上轧辊4和下轧辊3的表面均匀设置凸起13，该凸起13的高度为轧辊半径的0.2％～0.4％。

参见说明书附图5、9，为保证钢坯15的快速冷却。在热轧机组中还加入了冷却系统。该冷却系统包括用于设置在传送辊7中的水冷腔室9、与水冷腔室9连通的水冷通道10、储存冷却水并同时供其降温的蓄水池12以及用于输送冷却水的冷却水泵11。水冷腔室9位于传送辊7表层，从而取得更佳的散热效果。而水冷通道10位于传送辊7的轴心位置通过旋转接头与传送辊7连接，避免水冷通道10随传送辊7的旋转而转动。

参见说明书附图5可知，在上轧辊4和下轧辊3的表面上均与设置若干凸起13。具体地，参见说明书附图10、11，在上轧辊4、下轧辊3的表面均匀分布若干沉孔16，呈柱状设置的凸起13轴向活动连接于沉孔16中，在凸起13的底部与沉孔16的底部之间设置一弹簧17。凸起13的底部沿径向向外设置有档沿，在将凸起13置入沉孔16之后，在沉孔16的开口处焊接一挡块18，从而防止凸起13由沉孔中掉出。

通过上述设置，在轧辊转动时，凸起13首先由弹簧17顶出。凸起13随轧辊转动，直至凸起13与钢坯15相切，如说明书附图10，利用凸起13增加轧辊对于钢坯15的摩擦力。而当凸起13随着轧辊转动至竖直方向上时。如说明书附图11，凸起13受钢坯15的挤压，凸起13压缩弹簧17从而完全缩回至沉孔16中，避免凸起13的设置导致在钢坯上压出孔洞。同时在大压下量的轧制条件下，钢坯15容易粘连在轧辊上。而在凸起13约过竖直位置，处于钢坯15出轧位置时，凸起13由弹簧17顶出，使得凸起13对钢坯15具有反作用力，使得凸起13的上述结构设置还能起到帮助钢坯15与轧辊分离的效果。

本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。