一种减少VD工序结合组分优化生产低成本20CrMoA圆钢的方法
阅读说明：本技术 一种减少VD工序结合组分优化生产低成本20CrMoA圆钢的方法 (Method for optimizing production of low-cost 20CrMoA round steel by reducing VD (vacuum distillation) process and combining components ) 是由 寿先涛 陈振芳 张勇 于 2021-08-06 设计创作，主要内容包括：本发明属于圆钢生产技术领域,涉及一种减少VD工序结合组分优化生产低成本20CrMoA圆钢的方法；钢材成分：C：0.19～0.20％、Mn：0.60～0.63％、Si：0.23～0.25％、Mo：0.16～0.18％、Cr：0.92～1.00％、Ni：≤0.30％、P：≤0.020％、S：≤0.020％、Cu：≤0.20％,Alt：0.16～0.18％、余量为Fe及不可避免杂质；步骤包括转炉冶炼、LF精炼、连铸、堆冷、加热、高温剪切和热钢收集；本发明通过优化组分和工艺,保证钢材性能的同时降低吨钢成本；还有效避免连铸坯存在中心偏析及轧制过程中冷却工艺不当使钢材端部产生中心裂纹的问题,应用前景广阔。(The invention belongs to the technical field of round steel production, and relates to a method for optimizing and producing low-cost 20CrMoA round steel by reducing VD (vacuum distillation) process combined components; the steel comprises the following components: c: 0.19 to 0.20%, Mn: 0.60 to 0.63%, Si: 0.23 to 0.25%, Mo: 0.16-0.18%, Cr: 0.92 to 1.00%, Ni: less than or equal to 0.30 percent, P: less than or equal to 0.020%, S: less than or equal to 0.020%, Cu: less than or equal to 0.20 percent, Alt: 0.16-0.18%, the balance being Fe and unavoidable impurities; the method comprises the steps of converter smelting, LF refining, continuous casting, heap cooling, heating, high-temperature shearing and hot steel collection; according to the invention, the components and the process are optimized, so that the ton steel cost is reduced while the steel performance is ensured; the method also effectively avoids the problems that the center segregation exists in the continuous casting billet and the center crack is generated at the end part of the steel due to improper cooling process in the rolling process, and has wide application prospect.)
技术领域
本发明属于圆钢生产技术领域，具体涉及一种减少VD工序结合组分优化生产低成本20CrMoA圆钢的方法。
背景技术
20CrMoA是一种常用的高淬透性合金结构钢，具有较高的高强度和良好的韧性，冷应变塑性良好，无明显的回火脆性。调质或渗碳处理后有较高的疲劳极限和抗冲击能力，具有良好的综合力学性能，被广泛应用于加工高压管道和紧固件、齿轮、轴等机械零件。
但是目前生产本20CrMoA圆钢均是遵循传统常规方法，致使生产成本一直处于较高水平；随着市场竞争的加剧，降低吨钢的成本是亟需解决的技术问题。而且，在目前已公开的文献中也未见诸有相应的技术报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的技术缺陷，本发明提供一种减少VD工序结合组分优化生产低成本20CrMoA圆钢的方法。
为了实现以上目的，本发明首先提供一种低成本20CrMoA圆钢，由下列重量百分比的成分组成：
C：0.17～0.24％、Mn：0.40～0.70％、Si：0.17～0.37％、Mo：0.15～0.25％、Cr：0.80～1.10％、Ni：≤0.30％、P：≤0.020％、S：≤0.020％、Cu：≤0.20％，Alt：0.16～0.18％，余量为Fe及不可避免杂质。
进一步优化成分设计：
C：0.19～0.20％、Mn：0.60～0.63％、Si：0.23～0.25％、Mo：0.16～0.18％、Cr：0.92～1.00％、Ni：≤0.30％、P：≤0.020％、S：≤0.020％、Cu：≤0.20％，Alt：0.16～0.18％，余量为Fe及不可避免杂质。
采用部分Mn、Cr替代部分Mo合金元素，降低吨钢成本。降低吨钢成本；这看似简单的调整，实质上是经过大量的创造性实验才能获知的结果，其用量必须严格控制，并非是简单调整所能实现的，适当提高Mn、Cr成分、降低Mo含量，否则会影响钢材的性能。
碳含量对材料的强度的影响最为显著。随着碳含量的增加，材料强度随之增加，但塑韧性降低、焊接性能也开始变差。
锰能与铁无限固溶，在提高强度的同时对塑性影响较小。对于调质钢，适当增加锰含量，在提高强度的同时，可以增加钢的淬透性。铬在调质钢种主要提高淬透性，并能提高强度。
钼属于贵重金属；钼能明显提高钢的淬透性、提高回火脆性和回火稳定性。
由于锰、铬、钼对淬透性、强度方面的作用具有一定的一致性，在合适的用量条件下才能发挥良好的协同作用，而且20CrMo使用状态是调质状态，既要保证材料的淬透性，也要保证回火稳定性，因此材料的锰、铬、钼等含量要保持一个合理的比例含量，才能使材料具有良好的使用性能。
同时为了细化晶粒，在合金中添加一定量的铝，有利于产品性能稳定和产品的加工。
常规冶炼方式为转炉冶炼、LF精炼、VD真空处理、连铸、铸坯避风堆冷、加热、高温剪切、热钢收集。为了进一步降低成本，冶炼方式改为转炉冶炼、LF精炼、连铸、铸坯避风堆冷、加热、高温剪切、热钢收集。
合金钢对气体含量[H]、[O]、[N]比较敏感。VD炉可以有效的去除钢水中的[H]、[N]以及部分氧化物夹杂物。取消VD工序会增加钢水气体含量、提高非金属夹杂物等级的风险。增加LF白渣时间保证脱氧效果，降低钢水铝含量，增加软吹时间可以降低非金属夹杂物风险。控制连铸钢水过热度、可以改善铸坯低倍质量；调整连铸坯加热温度、时间、圆钢冷却温度可以改善圆钢低倍质量。
为了最大程度降低生产成本，从调整成分及减少VD工序两方面综合着手。
本发明还提供一种低成本20CrMoA圆钢的生产方法，包括以下步骤：
常规冶炼方式为转炉冶炼、LF精炼、VD真空处理、连铸、铸坯避风堆冷、加热、高温剪切、热钢收集。为了进一步降低成本，冶炼方式改为转炉冶炼、LF精炼、连铸、铸坯避风堆冷、加热、高温剪切、热钢收集。
(1)转炉冶炼：出钢碳含量0.06～0.12％，出钢磷含量P≤0.015％，出钢温度T≥1600℃；
(2)LF精炼：采用铝粒和碳化硅为脱氧剂，保证白渣时间≥18min，软吹强度控制在40～60NL/min，时间≥15min；
(3)连铸全程采用保护浇注，控制过热度和比水量；连铸过程中的结晶器采用电磁搅拌；将连铸后得到的连铸坯进行避风堆冷，堆冷时间≥36h；
(4)加热：堆冷处理后的连铸坯进行加热保温，总加热时间≥180min，加热段分为预热段、加热一段、加热二段与均热段，其中预热段≤650℃，加热一段温度950～1000℃，加热二段与均热段温度控制在1160～1200℃，加热二段与均热段的总时间≥120min，保证钢坯心部温度达标；
(5)轧制：开轧温度1130±50℃，终轧温度≥850℃，剪切温度≥450℃；
(6)圆钢进行避风堆冷，堆冷时间≥36h，堆冷温度≥200℃。
进一步地，步骤(1)中所述终点温度为1600～1610℃。
进一步地，步骤(2)中所述LF精炼过程中转包前10min不得加入任何合金元素。
进一步地，步骤(3)中所述电磁搅拌采用首搅，M-EMS参数为I＝400A，f＝2Hz，末搅，F-EMS参数为I＝300A，f＝10Hz的工艺，能够打碎柱状晶，增加等轴晶，有效控制柱状晶生长，增加等轴晶率。
进一步地，步骤(3)中所述控制过热度为22～30℃，比水量为3.0L/kg。
进一步地，步骤(3)中所述连铸坯为220mm方坯；所述堆冷时间为36～38h。
进一步地，步骤(4)中所述总加热时间为295～326min；所述热二段+均热段时间的时间为125～135min。
进一步地，步骤(5)中所述终轧温度850～868℃；所述剪切温度为450～472℃。
进一步地，步骤(6)中所述堆冷时间为36～37h，堆冷温度200～300℃。
本发明的优点和技术效果是：
采用部分Mn、Cr替代部分Mo合金元素，降低吨钢成本；降低吨钢成本；这看似简单的调整，实质上是经过大量的创造性实验才能获知的结果，其用量必须严格控制，并非是简单调整所能实现的，否则会影响钢材的性能；适当提高Mn、Cr成分、降低Mo含量，在保证力学性能合格的基础上节约成本；同时结合工艺步骤的改进，本发明生产工艺采用炼钢不过VD程序，在不影响钢材性能的同时进一步节约成本。
本发明的连铸过程中的结晶器采用电磁搅拌；电磁搅拌采用首搅，M-EMS参数为I＝400A，f＝2Hz；末搅，F-EMS参数为I＝300A，f＝10Hz的工艺，能够打碎柱状晶，增加等轴晶，有效控制柱状晶生长，增加等轴晶率。
通过以上简约有效的工艺流程设计，还有效避免连铸坯存在中心偏析及轧制过程中冷却工艺不当，使钢材端部产生中心裂纹；保证了圆钢的力学性能，超声波探伤的指标要求；节约成本在85～120元/吨，大幅降低了吨钢成本，具有良好的应用前景。
具体实施方式
以下结合实例对本发明进行详细描述，但本发明不局限于这些实施例。
对比例1：
传统成分：C：0.20％、Si：0.25％、Mn：0.55％、P：0.016％、S：0.005％、Cr：0.90％、Ni：0.01％、Mo：0.19％、Cu：0.02％、Alt：0.22％；余量为Fe及不可避免杂质。
.步骤：转炉冶炼、LF精炼、VD真空处理、连铸、铸坯避风堆冷、加热、剪切、收集。
(1)转炉冶炼：出钢碳含量0.08％，出钢磷含量P：0.014％，出钢温度T：1607℃；
(2)LF精炼：采用铝豆和碳化硅脱氧剂，白渣时间15min，软吹强度在40～60NL/min；破空氩气流量120NL/min，软吹气体流量20～40NL/min，以覆盖钢液面为准；最大真空度53Pa，真空时间12min，软吹时间15min；
(3)连铸全程采用保护浇注，过热度28℃，比水量3.0L/kg。M-EMS参数400A/2HZ，F-EMS参数300A/10HZ；连铸坯进行避风堆冷36h；连铸坯为220mm方坯；
(4)铸坯总加热时间300min，其中加热二段1163℃、均热段温度1170℃；
(5)开轧温度1130℃，终轧温度860℃；
(6)圆钢进行避风堆冷，堆冷时间为36h，堆冷温度200℃。
实施例1：
本发明成分：C：0.19％、Si：0.24％、Mn：0.60％、P：0.015％、S：0.001％、Cr：0.95％、Ni：0.02％、Mo：0.16％、Cu：0.02％、Alt：0.18％；余量为Fe及不可避免杂质。
本发明步骤：转炉冶炼、LF精炼、连铸、铸坯避风堆冷、加热、高温剪切、热钢收集。
(1)转炉冶炼：出钢碳含量0.10％，出钢磷含量P：0.014％，出钢温度T：1606℃；
(2)LF精炼：采用铝豆和碳化硅脱氧剂，保证白渣时间22min，软吹强度在40～60NL/min，时间15min；
(3)连铸全程采用保护浇注，过热度30℃，比水量3.0L/kg；M-EMS参数400A/2HZ，F-EMS参数300A/10HZ。连铸坯进行避风堆冷36h；连铸坯为220mm方坯；
(4)铸坯总加热时间295min；加热二段温1175℃，时间72min；均热段1170℃，时间60min；加热二段+均热段总时间132min；
(5)开轧温度1100℃，终轧温度856℃，剪切温度455℃；
(6)圆钢进行避风堆冷，堆冷时间为38h，堆冷温度200℃。
实施例2：
本发明成分：C：0.19％、Si：0.25％、Mn：0.63％、P：0.016％、S：0.002％、Cr：0.92％、Ni：0.02％、Mo：0.18％、Cu：0.02％、Alt：0.18％；余量为Fe及不可避免杂质。
本发明步骤：包括转炉冶炼、LF精炼、连铸、铸坯避风堆冷、加热、高温剪切、热钢收集。
(1)转炉冶炼：出钢碳含量0.09％，出钢磷含量P：0.013％，出钢温度T：1600℃；
(2)LF精炼：采用铝豆和碳化硅脱氧剂，保证白渣时间25min，软吹强度在40～60NL/min，时间18min；
(3)连铸全程采用保护浇注，过热度25℃，比水量3.0L/kg；M-EMS参数400A/2HZ，F-EMS参数300A/10HZ；连铸坯进行避风堆冷38h；连铸坯为220mm方坯；
(4)铸坯总加热时间326min；加热二段温1170℃，时间80min；均热段1170℃，时间55min；加热二段+均热段总时间135min；
(5)开轧温度1180℃，终轧温度868℃，剪切温度472℃；
(6)圆钢进行避风堆冷，堆冷时间为37h，堆冷温度250℃。
实施例3：
本发明成分：C：0.20％、S：0.23％、Mn：0.60％、P：0.017％、S：0.006％、Cr：1.00％、Ni：0.01％、Mo：0.17％、Cu：0.02％、Alt：0.16％；余量为Fe及不可避免杂质。
本发明步骤：转炉冶炼、LF精炼、连铸、铸坯避风堆冷、加热、高温剪切、热钢收集。
(1)转炉冶炼：出钢碳含量0.12％，出钢磷含量P：0.014％，出钢温度T：1610℃；
(2)LF精炼：采用铝豆和碳化硅脱氧剂，白渣时间25min，软吹强度在40～60NL/min，时间19min；
(3)连铸全程采用保护浇注，过热度控制在27℃，比水量3.0L/kg。M-EMS参数400A/2HZ，F-EMS参数300A/10HZ；连铸坯进行避风堆冷的时间为36h，连铸坯为220mm方坯；
(4)铸坯总加热时间310min；加热二段段1165℃，50min；均热段温度1170℃，时间75min，加热二段+均热段总时间125min；
(5)开轧温度1160℃，终轧温度850℃，剪切温度450℃。
(6)圆钢进行避风堆冷，堆冷时间为36h，堆冷温度300℃。
效果数据呈现：
(1)成本效益：
(a)以目前合金市场价格计算：每0.01wt％的Mn平均成本1.0元，Cr为1.5元，Mo为22.8元。根据对比例1以及实施例1-3的成分对比计算，仅合金方面：
实施例1节省55.9元/吨，实施例2节省12.8元/吨，实施例3节省25.6元/吨。
(b)工艺步骤中简化取消了VD工序，节约成本在60元/吨；
通过成分和工艺优化，两项合计：实施例1降本117.9元/吨，实施例2降本74.8元/吨，实施例3降本87.6元/吨，节约成本在85～120元/吨，具有很好的推广意义。
(2)性能指标：
性能要求
抗拉强度|实测/Mpa
屈服强度/Mpa
断后伸长率/％
断面收缩率/％
冲击均值(J)
超声探伤
标准
≥885
≥685
≥12
≥50
≥78
GB/T 4162B级
对比例1
932
785
16
54
180
合格
实施例1
1021
949
15
52
132
合格
实施例2
1021
925
16
66
165
合格
实施例3
920
780
17.5
68
174
合格
通过结果可以看出，本发明得到一种强度、韧性良好的20CrMoA圆钢；Mn是固溶强化元素，对提高圆钢的强度和韧性均有利；Cr与铁形成连续固溶体，缩小奥氏体相区域，显著提高强度及淬透性，提高圆钢强度并且具有良好的耐磨性能；Mo固溶于钢中的作用是消除回火脆性、细化晶粒，同时提高钢的淬透性。适当提高Mn、Cr成分、降低Mo含量，在保证力学性能合格的基础上节约成本；同时添加Al可以起到细化晶粒强化作用，结合电磁搅拌，有利于产品性能稳定，降低吨钢成本的同时，使得钢材具备良好的强度和韧性。
结合工艺步骤的改进，本发明生产工艺采用炼钢不过VD程序，在不影响钢材性能的同时进一步节约成本。
说明：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
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