本发明属于冶金工业技术领域，具体涉及一种工程机械用高强度钢材的生产工艺。
背景技术：
高强度钢作为一种特种钢材，集中体现了一个国家冶金水平的高低，高强度钢材按用途可分为高强度压力容器用调质钢板、高强度工程机械用钢、高强度船体结构用钢等，同时铁路列车原油运输槽罐及水电站压力钢管的需求也很大，目前我国高强度调质钢板供应中的大部分仍然是从国外进口的。
高强度钢的定义是相对于时代要求的技术进步程度而在变化的。一般讲，屈服强度在1370mpa以上，抗拉强度在1620mpa以上的合金钢超高强度钢。按其合金化程度和显微组织可分为低合金中碳马氏体强化超高强度钢、中合金中碳二次沉淀硬化型超高强度钢、高合金中碳ni—co型超高强度钢、超低碳马氏体时效硬化型超高强度钢、半奥氏体沉淀硬化型不锈钢等。
其中，超低碳马氏体时效硬化型超高强度钢，通常称马氏体时效钢；钢的基体为超低碳的铁镍或铁镍钴马氏体；其特点是，马氏体形成时不需要快冷，可变温及等温形成；具有体心立方结构；硬度约为hrc20，塑性很好；加热时不出现低碳马氏体中发生的回火现象，并有很大的逆转变温度迟滞，因而可以在较高温度进行马氏体基体内的时效硬化。在这样的高镍马氏体中含有能引起时效强化的合金元素，借助于时效强化，从过饱和的马氏体中析出弥散分布的金属间化合物，使钢获得高强度和高韧性。按镍含量，马氏体时效钢分为25%ni、20%ni、18%ni和12%ni等类型。18%ni型应用较广，为含有钼、钛等强化原素的超低碳铁-镍（18%）-钻（8.5%）合金，包括3个牌号：18%ni（200）、18%ni（250）、和18%ni（300）（200、250、300为抗拉强度等级，单位为ksi）。这种钢是通过金属间化合物的析出使钢强化。借无碳的马氏体基体取得高塑性，最后达到很高的强度塑性配合。这类钢具有良好的成形性能、焊接性能和尺寸稳定性，热处理工艺也较简单，用于航空、航天器构件和冷挤、冷冲压模具等。但是这种钢材成分配比要求严格，锻造难度大，生产成本高昂，不适合大规模推广应用。
目前高强度调质钢的生产工艺大多采用“中板轧机热轧+离线淬火+离线回火”的工艺进行生产。如国内90年代初，武汉钢铁公司首先采用“离线淬火+回火”工艺生产高强度调质钢板，填补了国内空白，部分高强度调质钢可替代进口，但是应用该工艺的生产成本依然相对较高，且生产的钢材强度也不够大。
技术实现要素：
针对以上问题，本发明的目的在于提供一种工程机械用高强度钢材的生产工艺，应用该工艺生产的钢材强度高，具有优异的低温韧性，且生产成本相对较低，可以满足工程机械用钢的需求。
一种工程机械用高强度钢材的生产工艺，其特征在于：所述钢材化学成分组成按质量比如下：
c：0.21-0.25%，cr：0.75-0.83%，
ca：0.64-0.72%，al：0.30-0.45，
si：0.32-0.35%，ni：0.15-0.22%，
re：0.17-0.23%，y：0.14-0.19%，
ti：0.12-0.17%，zr：0.38-0.42%，
ge：0.16-0.22%，b：0.45-0.48%，
w：0.34-0.46%，mo：0.16-0.21%，
mg：0.17-0.24%，mn：0.51-0.64%，s≤0.04%，p≤0.06%，
稀土金属：0.13-0.26%，余量为fe；还包括下列生产加工的工艺步骤：
（1）钢水预处理：按上述成分组成比例投入物料，在高炉中冶炼得到含有所需各元素的钢水，转炉出钢过程中按比例加入足量的硅锰合金和铝合金，并使用合成渣进行渣洗，出钢结束后喂入铝线，控制钢水中ald的含量低于0.30%；lf冶炼过程采用cao、al2o3造渣，冶炼过程全程吹入氩气，造白渣后搅拌5-10min，lf冶炼结束后控制钢水中al含量在0.30-0.45%之间，mn含量在0.51-0.64%之间；钢水在vd真空处理过程中全程吹氩气，在50-70pa状态下保持12-20min，确保钢水中氢含量低于0.002%，破真空后保持软吹状态15-30min。
（2）连铸和加热轧制：钢水在连铸浇注过程中，大包长水口和浸入式水口采取氩气密封，中包使用包盖板和中包覆盖剂隔绝空气；浇注后的钢坯的温度加热到1130-1220℃之间，轧制过程采用两阶段轧制，粗轧开轧温度≥1050℃，精轧温度控制在850-890℃之间。
（3）淬火处理：钢材轧后通过mulpic冷却系统快速冷却，冷却速率为25-35℃/s，冷却后温度在220-350℃之间；在输出管道上设置采用u型上集管和直管下集管的柱状层流冷却装置，冷却装置分成快冷区和精调冷却区，采用强冷连续水喝强冷间隔水两种冷却策略，最小冷却速率为20℃/s，冷却后采用温矫和冷矫保证离线回火热处理前钢板不平整度小于10mm/全板宽。
（4）回火处理：将钢材通过回火炉加热到1200℃左右，出炉后通过压缩空气快速冷却到950℃左右，然后经第一道冷却工序将钢板冷却到500-550℃，经第二道冷却工序将钢材冷却到常温。
优选的，稀土金属的组成和质量百分比为：nd：10-15%，pr：9-15%，ce：12-15%，er：3-5%，gd：4-8%，pm：2-4%，余量为la。
优选的，步骤（1）中钢水的冶炼温度在1580-1650℃之间。
优选的，步骤（2）中粗轧过程必须保证压下率≥20%。
优选的，步骤（3）中钢材在所述mulpic冷却系统中快速冷却时间不超过55s。
优选的，步骤（4）中的第一冷却工序采用水冷、风冷与气雾冷相结合的方式，先采用水冷以14℃/s的冷却速率将钢板冷却到900-950℃，然后采用风冷以7℃/s的冷却速率将板坯冷至600-650℃，最后采用气雾冷却以3℃/s的冷却速率将钢板冷却至500-550℃。
优选的，步骤（4）中的第二道冷却工序采用水冷和风冷结合的方式，先采用风冷以4℃/s的冷却速率将钢板水冷至300-350℃，再采用水冷以7℃/s的冷却速率将钢材冷却至室温。
优选的，步骤（4）中钢材在回火炉中加热后保温时间为5-8min。
与现有技术相比，该发明具有如下有益效果：通过不同冶炼物料的准确添加，保证钢水中各元素配比更精确，保证合金的精度更高，为下一步处理提供了条件。通过对转炉冶炼、lf精炼和真空处理工艺进行调整，保证了钢水的纯净度，并通过低过热度的连铸过程，在氩气氛围保护下进行浇注，可以生产出高质量的钢坯，为对钢材进行高强的热处理工艺的进行奠定了更好的基础。
本发明利用mulpic快速冷却系统精准控制整个淬火过程，在快冷区和精调冷却区采用不同的不同的冷却策略，降温效果更好，似的淬火后的钢材强度和硬度更好，提升钢材的品质。
回火过程中，应用两道工序进行两级降温，水冷、风冷和气雾冷的综合应用，既保证了回火的效果，提高了钢材的韧性和延展性，使得钢材的加工性能更好，也节约了能源和成本，非常绿色环保。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例1
（1）钢水预处理：按成分组成成分：fe：96%；c：0.23%，cr：0.80%，ni：0.17%，re：0.21%，y：0.17%，ti：0.16%，zr：0.39%，ge：0.21%，b：0.47%，w：0.42%，mo：0.20%，mg：0.22%，s：0.07%，p：0.04%的比例投入物料，在高炉中冶炼得到含有所需各元素的钢水，钢水的冶炼温度为1590℃，转炉出钢过程中按比例加入足量的硅锰合金和铝合金，并使用合成渣进行渣洗，出钢结束后喂入铝线，控制钢水中ald的含量低于0.30%；lf冶炼过程采用cao、al2o3造渣，冶炼过程全程吹入氩气，造白渣后搅拌8min，lf冶炼结束后控制钢水中al含量为0.45%，mn含量为0.64%；钢水中还加入稀有金属元素，含量为0.16%，其中稀土金属中各成分占比为nd：15%，pr：9%，ce：15%，er：5%，gd：8%，pm：3%，la：45%；钢水在vd真空处理过程中全程吹氩气，在65pa状态下保持17min，确保钢水中氢含量低于0.002%，破真空后保持软吹状态22min。
（2）连铸和加热轧制：钢水在连铸浇注过程中，大包长水口和浸入式水口采取氩气密封，中包使用包盖板和中包覆盖剂隔绝空气；浇注后的钢坯的温度加热到1200℃，轧制过程采用两阶段轧制，粗轧开轧温度为1075℃，粗轧过程必须保证压下率为23%，精轧温度控制在890℃。
（3）淬火处理：钢材轧后通过mulpic冷却系统快速冷却，冷却速率为29℃/s，冷却后温度为270℃，冷却时间为47s；在输出管道上设置采用u型上集管和直管下集管的柱状层流冷却装置，冷却装置分成快冷区和精调冷却区，采用强冷连续水喝强冷间隔水两种冷却策略，最小冷却速率为20℃/s，冷却后采用温矫和冷矫保证离线回火热处理前钢板不平整度为8mm/全板宽。
（4）回火处理：将钢材通过回火炉加热到1200℃左右，加热后保温7min，出炉后通过压缩空气快速冷却到950℃左右，然后经第一道冷却工序将钢板冷却到550℃，经第二道冷却工序将钢材冷却到常温。第一冷却工序采用水冷、风冷与气雾冷相结合的方式，先采用水冷以14℃/s的冷却速率将钢板冷却到900℃，然后采用风冷以7℃/s的冷却速率将板坯冷至650℃，最后采用气雾冷却以3℃/s的冷却速率将钢板冷却至520℃。第二道冷却工序采用水冷和风冷结合的方式，先采用风冷以4℃/s的冷却速率将钢板水冷至330℃，再采用水冷以7℃/s的冷却速率将钢材冷却至室温。
实施例2
（1）fe：95%；c：0.25%，cr：0.82%，ni：0.20%，re：0.25%，y：0.17%，ti：0.16%，zr：0.39%，ge：0.21%，b：0.50%，w：0.42%，mo：0.30%，mg：0.22%，s：0.07%，p：0.04%的比例投入物料，在高炉中冶炼得到含有所需各元素的钢水，钢水的冶炼温度为1590℃，转炉出钢过程中按比例加入足量的硅锰合金和铝合金，并使用合成渣进行渣洗，出钢结束后喂入铝线，控制钢水中ald的含量低于0.30%；lf冶炼过程采用cao、al2o3造渣，冶炼过程全程吹入氩气，造白渣后搅拌8min，lf冶炼结束后控制钢水中al含量为0.45%，mn含量为0.65%；钢水中还加入稀有金属元素，含量为0.16%，其中稀土金属中各成分占比为nd：12%，pr：9%，ce：13%，er：5%，gd：8%，pm：3%，la：50%；钢水在vd真空处理过程中全程吹氩气，在65pa状态下保持18min，确保钢水中氢含量低于0.002%，破真空后保持软吹状态20min。
（2）连铸和加热轧制：钢水在连铸浇注过程中，大包长水口和浸入式水口采取氩气密封，中包使用包盖板和中包覆盖剂隔绝空气；浇注后的钢坯的温度加热到1170℃，轧制过程采用两阶段轧制，粗轧开轧温度为1120℃，粗轧过程保证压下率为22%，精轧温度控制在860℃。
（3）淬火处理：钢材轧后通过mulpic冷却系统快速冷却，冷却速率为25℃/s，冷却后温度在220℃，冷却时间为45s；在输出管道上设置采用u型上集管和直管下集管的柱状层流冷却装置，冷却装置分成快冷区和精调冷却区，采用强冷连续水喝强冷间隔水两种冷却策略，最小冷却速率为20℃/s，冷却后采用温矫和冷矫保证离线回火热处理前钢板不平整度为7mm/全板宽。
（4）回火处理：将钢材通过回火炉加热到1180℃，加热后保温8min，出炉后通过压缩空气快速冷却到950℃，然后经第一道冷却工序将钢板冷却到550℃，经第二道冷却工序将钢材冷却到常温。第一冷却工序采用水冷、风冷与气雾冷相结合的方式，先采用水冷以14℃/s的冷却速率将钢板冷却到950℃，然后采用风冷以7℃/s的冷却速率将板坯冷至600℃，最后采用气雾冷却以3℃/s的冷却速率将钢板冷却至550℃。第二道冷却工序采用水冷和风冷结合的方式，先采用风冷以4℃/s的冷却速率将钢板水冷至300℃，再采用水冷以7℃/s的冷却速率将钢材冷却至室温。
实施例3
（1）钢水预处理：按成分组成成分：fe：95%；c：0.25%，cr：0.83%，ni：0.22%，re：0.23%，y：0.19%，ti：0.17%，zr：0.42%，ge：0.22%，b：0.48%，w：0.46%，mo：0.21%，mg：0.24%，s：0.04%，p：0.06%的比例投入物料，在高炉中冶炼得到含有所需各元素的钢水，钢水的冶炼温度为1650℃，转炉出钢过程中按比例加入足量的硅锰合金和铝合金，并使用合成渣进行渣洗，出钢结束后喂入铝线，控制钢水中ald的含量为0.28%；lf冶炼过程采用cao、al2o3造渣，冶炼过程全程吹入氩气，造白渣后搅拌10min，lf冶炼结束后控制钢水中al含量为0.45%，mn含量为0.64%；钢水中还加入稀有金属元素，含量为0.13%，其中稀土金属中各成分占比为nd：15%，pr：15%，ce：15%，er：5%，gd：8%，pm：2%，la：40%；钢水在vd真空处理过程中全程吹氩气，在70pa状态下保持20min，确保钢水中氢含量低于0.002%，破真空后保持软吹状态30min。
（2）连铸和加热轧制：钢水在连铸浇注过程中，大包长水口和浸入式水口采取氩气密封，中包使用包盖板和中包覆盖剂隔绝空气；浇注后的钢坯的温度加热到1170℃，轧制过程采用两阶段轧制，粗轧开轧温度为1090℃，粗轧过程必须保证压下率为20%，精轧温度控制为880℃。
（3）淬火处理：钢材轧后通过mulpic冷却系统快速冷却，冷却速率为30℃/s，冷却后温度为350℃，冷却时间50s；在输出管道上设置采用u型上集管和直管下集管的柱状层流冷却装置，冷却装置分成快冷区和精调冷却区，采用强冷连续水喝强冷间隔水两种冷却策略，最小冷却速率为20℃/s，冷却后采用温矫和冷矫保证离线回火热处理前钢板不平整度为8mm/全板宽。
（4）回火处理：将钢材通过回火炉加热到1200℃左右，加热后保温6min，出炉后通过压缩空气快速冷却到950℃左右，然后经第一道冷却工序将钢板冷却到550℃，经第二道冷却工序将钢材冷却到常温。第一冷却工序采用水冷、风冷与气雾冷相结合的方式，先采用水冷以14℃/s的冷却速率将钢板冷却到950℃，然后采用风冷以7℃/s的冷却速率将板坯冷至650℃，最后采用气雾冷却以3℃/s的冷却速率将钢板冷却至550℃。第二道冷却工序采用水冷和风冷结合的方式，先采用风冷以4℃/s的冷却速率将钢板水冷至350℃，再采用水冷以7℃/s的冷却速率将钢材冷却至室温。
性能测试
根据《工程机械用高强度耐磨钢板》国家标准，工程机械用钢应符合以下的力学性能测试标准：
表1：本标准规定的力学性能
测试本实施例的各项力学性能，得到如下测试数据，
表2：本实施例各项力学性能测试结果
与国家标准的性能要求对比，本实施例生产的高强度钢材，性能普遍超过nm450编号的要求，接近nm500号钢材的标准，具有优异的抗拉伸性能以及较优秀的延展性，结果证明本发明提供的是一种非常优秀的工程机械用高强度钢材的生产工艺。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。