專利名稱：制造鋼坯的方法
制造鋼坯的方法本發(fā)明涉及制造鋼坯，尤其是制造構成至少 一個壓力設備元件的 管坯的方法?，F(xiàn)有技術用于制造能承受4,000-10,000巴壓力的壓力設備元件，特別包括 用于構成壓力設備元件的氣缸蓋的塞或套筒或壓力設備元件的管，尤 其是炮管的超高性能鋼已經(jīng)研發(fā)了很多年。這些鋼必須符合定義非常 嚴格的組分質量且必須具有非常良好的機械性能，特別是在低溫下， 具有非常高的彈性極限及良好的彈性/韌性極限比。獲得很低的硅和錳含量，但相對高的鉻、鉬和鎳含量是非常必要的。與這些機械性能相對應的鋼生產(chǎn)中所用的不同組分已經(jīng)在現(xiàn)有技 術中提出，但這些鋼的機械性能必須進一步提高。專利DE 195 31 260 C2對這些組分進行了特別描述。因此，組分在機械性能方面，特別是 低溫下的彈性極限及彈性/韌性極限比必須得到改進。已知方法不能相對可靠地生產(chǎn)具有所需機械性能特別是在低溫下 的彈性極限和彈性極限/韌性比的鋼組分。發(fā)明目的本發(fā)明主要目的是解決上文中提及的技術問題，特別是提供適合 構成壓力設備元件、能提供高機械性能，特別是在低溫下的彈性極限 和最優(yōu)彈性極限/韌性比的鋼組分。本發(fā)明的主要目的還在于解決上文中提到的技術問題，特別包括 提供符合上述要求的組分坯的制造方法，尤其用于生產(chǎn)具有良好機械 性能，尤其包括極高彈性極限，同時能在低溫下獲得高彈性極限值和 高韌性值的鋼。本發(fā)明的目的特別在于在制造壓力設備元件范圍內解決此技術問題。發(fā)明的描述特別地，已發(fā)現(xiàn)的鋼坯組分主要包括碳0.35-0.43,錳<0.20，硅<0.20，鎳3.00-4.00,鉻1.30-1.80，鉬0.70-1.00，釩0.20-0.35，其余為鐵，以總組分及控制在最低水平、不可避免的雜質的重量百分比計， 雜質尤其包括銅(優(yōu)選O.100);鋁(優(yōu)選<0.015);硫(優(yōu)選<0.002);磷(優(yōu) 選<0.010);錫(優(yōu)選O.008);砷(優(yōu)選O.010);銻(優(yōu)選<0.0015);通常 主要由原材料引入；4丐(優(yōu)選<0.004)，分子氧(優(yōu)選<0.004);分子氫(優(yōu) 選<0.0002)和分子氮(優(yōu)選<0.007),通常主要在制造工藝中引入。該組 分響應于符合制造能承受4,000-10,000巴壓力的壓力設備元件(例如壓 力設備的氣缸蓋的塞子或套筒或壓力設備的管所必須的機械性能要 求。主要由于分子氮、分子氧和分子氬的含量，還與特定的碳、錳、 硅、鎳和鉻含量相關，特別當熱力學平衡在某種程度上被打破時，這 些鋼不容易獲得。令人驚奇地發(fā)現(xiàn)，上文中提到的技術問題可以通過采用電渣重熔 工藝或真空孤重熔工藝并且優(yōu)選電渣重熔工藝加以解決。電渣重熔工別不用于降低在壓力設備和武器領域中應用必需的機械性能，尤其是 非常高的彈性極限。重熔。在電渣重熔或真空弧重熔后，所述坯具有組分主要包括 碳0.35-0.43,優(yōu)選0,37-0.42， 錳<0.20，優(yōu)選<0.15， 硅<0.20,優(yōu)選O.IOO, 鎳〉3.00且S4.00,優(yōu)選3.50-3.80, 鉻1.30-1.80，優(yōu)選1.50-1.70, 鉬優(yōu)選0.70-1.00, 釩優(yōu)選0.20-0.35，更優(yōu)選0.25-0.30， 其余是鐵，以總組分及不可避免的雜質的重量百分比計，雜質尤其包括分子 氮(優(yōu)選〈70ppm)，分子氧(優(yōu)選〈30ppm)和分子氫(優(yōu)選〈2ppm)。所述方法優(yōu)選包括焊條的電渣重熔，以在上述電渣重熔后得到所 述坯組分，電渣重熔包括以渣總組分的重量百分比計，渣組分主要包括CaF2: 60-70;A1203: 10-20;CaO: 10-20;Si02: 5-10%。優(yōu)選地，電渣重熔在惰性氣氛并且優(yōu)選在氬氣氣氛中進行。 優(yōu)選地，該方法包括加入鋁以連續(xù)還原渣。 優(yōu)選地，渣以液體或固體形態(tài)引入。優(yōu)選地，以總組分及不可避免的雜質的重量百分比計，在電渣重 熔或真空弧重熔后坯組分主要是 碳0.37-0,42, 錳0.060-0.130， 硅0.040-0.120,4臬〉3.00且^4.00， <尤選3.50-3.80, 鉻1.30-1.80,優(yōu)選1.50-1.70， 鉬0.70-1.00, 釩0.25-0.30，鋁^0.015，優(yōu)選<0.012。在電渣重熔后，坯組分優(yōu)選包括控制在最低水平的不可避免的雜 質，尤其以分子氧(優(yōu)選〈30ppm)、分子氫(優(yōu)選〈1.8ppm)和分子氮(優(yōu) 選〈70ppm)的形式存在。通常與原材料相關的其它雜質主要以銅(優(yōu)選<0.100);鋁(優(yōu)選 <0.012); 硫(優(yōu)選〈10ppm);磷(優(yōu)選〈50ppm);錫(優(yōu)選<0,008);砷(優(yōu) 選O.010);銻(優(yōu)選O.0015);鈣(優(yōu)選〈30ppm)的形式存在。根據(jù)具體實施例，所述方法包括在電渣重熔或真空弧重熔前進行 VAD(真空電弧脫氣)處理。真空電弧脫氣(VAD)處理優(yōu)選包括VCD(真空碳脫氧)處理，包括 測量氧活度；在電渣重熔或真空弧重熔前添加渣補充物以調整焊條組 分，從而確保硅含量低于0.050%、鋁含量低于0.012%,同時確保分 子氧活性含量低于10ppm，最終脫氣以特別得到分子氫含量〈1.2ppm， 最終傾析以確保消除金屬摻雜物。優(yōu)選地，所述方法包括，真空電弧脫氣(VAD)處理前，在不從電 加熱爐帶入渣的情況下轉移金屬的方法，優(yōu)選逐鋼包地轉移。優(yōu)選地，所述方法包括逐鋼包地轉移前，在電弧加熱爐上進行處理。優(yōu)選地，所述方法包括在電渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)后， 對得到的鑄錠退火，包括至少在足夠長的時期內恒溫，以確保電渣重 熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)后得到的坯組分的基本完全馬氏體相變。電渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)后得到的坯能用于制造壓力 設備件，尤其是能承受4,000-10,000巴壓力的壓力設備元件的氣缸蓋 的塞或套筒或壓力設備元件的管，特別包括炮管。優(yōu)選地，所述方法包括退火后鍛造完成變形，其后，對坯進行熱 處理，以得到主要具有馬氏體結構的鋼，從而得到優(yōu)選的機械性能。利用氣體分析儀，鋼的氣體含量(02, N2, H。被方便地計量出來。本發(fā)明尤其涵蓋此方法任一階段中可能得到的任何形式的鋼，特 別包括用于電渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)的坯、管、汽缸或焊條。通過下列解釋性描述，本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)勢將清晰地展現(xiàn)于專家面前，該解釋性描述參考以說明性方式單獨給出的實施例， 但絕不限制本發(fā)明的范圍。實施例是本發(fā)明的主要部分，在包括實施例在內的作為 一個整體 的描述中，任何相對于現(xiàn)有技術看起來很新穎的特征，其功能和通用性是本發(fā)明的主要部分。所以每個實施例具有一個通用范圍。盡管如此，除有另外說明，此處實施例中全部百分比均以重量記， 并且除有另外說明，溫度以攝氏度給出，而除有另外說明，壓力均是 大氣壓力。實施例實施例1:焊條鋼電渣重熔電渣重熔工藝在焊條上進行，該焊條的組分主要包括碳0.37-0.42，錳<0.15，硅<0.100，鎳3.50-3.80,鉻1.50-1.70,鉬0.70-1.00，釩0.25-0.30，以總組分及不可避免的雜質的重量百分比計，雜質包括分子氮(優(yōu) 選〈70ppm),分子氧(優(yōu)選〈15ppm)和分子氫(優(yōu)選〈1.2ppm)。 電渣重熔(ESR)主要包括 -優(yōu)選將殘頭焊接到焊條底側；-啟動前，將固態(tài)渣裝填物置于焊條與電渣重熔(ESR)錠模之間， 或者將液態(tài)渣加于電渣重熔(ESR)錠模底部；-渣組分例如包括60-65%的CaF2， 10-15%的A1203, 10-15% 的CaO, 5-10%的Si02。渣代表焊條重量的最少2.3%;畫重熔速率通常為穩(wěn)態(tài)下10隱20kg/min;-通過加入鋁還原渣(<1 />斤/噸焊條)；9-整個重熔過程在微過壓的氬氣中進行，以避免氮氣吸入和鋼再氧化。優(yōu)選地，所述方法包括對重熔完成時與液體對應良好的部分進行 密封。然后，待頂部完全固化后，立即將鑄錠從模具中趁熱移出。渣中硅、鋁含量的控制主要調節(jié)重熔錠中硅、鋁含量的均勻性，優(yōu)選在電渣重熔(ESR)后得到20.040%的硅含量，從而避免產(chǎn)品出現(xiàn)多 孔類的任何缺陷。該坯能用于制造管，特別是用于武器工業(yè)中的管，尤其包括炮管。實施例2:鋼焊條真空弧重熔(VAR)真空弧重熔(VAR)工藝焊條上進行，該焊條的組分主要包括碳0.37-0.42，錳<0.15,硅〈0.跳鎳3.50-3.80,鉻1.50-1.70，鉬0.70-1.00，釩0.25-0.30,以總組分及不可避免的雜質的重量百分比計，雜質包括分子氮(優(yōu) 選〈70ppm),分子氧(優(yōu)選〈15ppm)和分子氫(優(yōu)選〈1.2ppm)。 真空弧重熔(VAR)主要包括 -優(yōu)選將殘頭焊接到焊條底側； -低速重熔裝填物；-重熔速率通常為真空度< 10-5大氣壓時，穩(wěn)態(tài)下7-16kg/min; 優(yōu)選地，所述方法包括對重熔完成時與液體對應良好的部分進行 封蓋。然后，待頂部完全固化后，立即將鑄錠從模具中趁熱移出。 該坯能用于制造管，特別是用于武器工業(yè)中的管，尤其包括炮管。實施例3:鋼處理-得到電渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)重熔錠 該實施例闡明了用于電渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)例如在實施例1范圍內可用的焊條制備。1)初處理:1.1分析針對鑄造中和電渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)前，以百 分比計?？傮w目標是在電渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)前，坯組分主要 包括O0.37-0.42 Mn<0,15如果初加工時<0.100 Ni=3,50/4.00 Cr=1.50-1.70 Mo=0.70-1.00 V=0.25-0.30以總組分及不可避免的雜質的重量百分比計，雜質通常包括下文 給出的、含量控制在盡可能低范圍內的組分，優(yōu)選如下給出的值 S < 20 ppm，通常< 10 ppm P<60ppm，通常< 50 ppm Cu< 0.100Al< 0,015,優(yōu)選<0.012As < 0.010Sn < 0.008Sb < 20 ppmCa < 30 ppmN2 < 70 ppm02 < 30 ppmH2 < 1.8 ppm以總組分的重量百分比計。 1.2原材料的選擇原材料的選擇旨在限制雜質的含量，但主要用作后續(xù)渣脫氧的鋁 除外。1.3電弧加熱爐處理(EAF)
由實施例，電弧加熱爐處理包括如下階^爻
a) 加入原材料的同時加入石灰和石灰(石墨)，并氧化熔融金屬元素；
b) 加料目標，例如以總組分的重量百分比計，C 1.0-1.4,如果 0.5,Mn〈0.4,CK0.7，Ni纟々3.5， Mo約0.70, PO.010, S<0.008， V< 0.50;
c) 例如約1500。C下氧化熔融；
d) 脫磷以確保磷含量^K)ppm;
e) 約1580°C下《子細清除渣；
f) 加入石灰和CaF2，并加熱到約1600。C;
g) 脫碳例如，吹氧得到
0.150<C<0.200%， Mn<0.08%,如果<0. 030 %， P^40ppm;
h) 加熱到約1700。C;
i) 清除渣，測量02活度(〈400ppm)。 例如，用電化學柱測量02活度。
1.4鋼包鑄造轉移
此階段特別除去源于加熱爐的氧化渣，確保了對錳、硅、鋁含量 的控制。
此階段不包括鋼脫氧或加入碳(石墨)，其目標是02活度低于 100ppm。
1.5將渣初始加入到真空電弧脫氣(VAD)處理的鋼包底部，在真空電弧 脫氣(VAD)處理的鋼包中逐鋼包地轉移。
-渣組分石灰(例如約50-70%), CaF2(例如約5-10%)，鋁(例如約 10-20%)加入到真空電弧脫氣(VAD)鋼包中。
-逐鋼包地轉移在加熱爐渣通過前停止。 1.6真空弧重熔(VAR)處理在真空加熱鋼包中進4亍真空電弧脫氣 (APCV)
此階段包括
a)VCD處理通過反應C + O ^ CO進行真空碳脫氧以確保鋼 的最大脫氧，從而避免金屬摻雜物沉淀。
此工藝尤其包括測量02活度及至少加熱到1600°C以上。b) 渣脫氧加入渣補充物以調節(jié)其組成并用碳、鋁和硅-鈣(SiCa) 對后者進行脫氧，以確保含量例如如下硅<0.050%，鋁<0.010%,并 確保氧含量活度< 10ppm。
-渣組分主要是石灰(例如約50-70%)， CaF2(例如約5-10%), A1203(例如約10-20%),例如通過加入SiCa(例如約2/3), Al(例如約 1/3)和C 〉0.350%的碳(石墨)，其被還原。
-例如加熱到約1600°C，測量氧氣活度(〈10ppm)。
c) 分析調控確保包括碳、錳和硅在內的分析目標。 -例如加熱到1630/1650。C;
-分析控制增加Mn、 Cr、 Ni、 Mo、 C、 V; 國例如溫度加熱到1620。C以上。 -測定02活度(〈10ppm)。
d) 最終脫氣降低氫含量到1.2ppm下，以避免鍛造后產(chǎn)品出現(xiàn) 任何發(fā)裂類缺陷的后續(xù)危險。
這些尤其能被泛應用于
-在壓力(P)低于1.33毫巴(約1托)下，脫氣超過約15min;
-加熱到約1600。C:
-測定02活度(〈10ppm);
-通過Hydriss探針控制分子氫含量。
e) 最終傾析
-鑄模鑄造前，在約700毫巴壓力和約1570°C溫度下，傾析超過 15分鐘以確保除去金屬摻雜物。
真空弧重熔(VAR)的整個過程在部分真空(例如約700毫巴)下進 行，以避免任何金屬再氧化；貫穿不同階段，該工藝通過測定氧氣活 度(〈10ppm)加以控制。初始真空碳脫氧處理能控制鋼的氧化狀態(tài)，以 得到低錳含量(<0.050%)，如果(<0.050%)及小于0.012%的鋁含量。
最終脫氣處理同時確保了非常低的硫(〈10ppm)和分子氧(〈15ppm) 含量及低分子氫(< 1.2ppm)和分子氮(〈70卯m)含量。
最終脫氣確保了最終清除相當多的鋼的摻雜物。 2)錠模中的鑄錠:
13當在錠模中鑄造時，用于重熔的鑄錠或焊條在例如氬氣保護下進 行鑄造，以避免任何金屬再氧化。
用于電渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)的焊條優(yōu)選在電渣重熔 (ESR)或真空弧重熔(VAR)前密封，以確保適宜的密度及鑄錠良好的宏 觀清潔度。
優(yōu)選地，鑄造速率被仔細控制以避免任何在焊條上形成表面裂紋 的危險。
3) 在電渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)前使焊條退火:
在完全固化后，鑄錠或焊條從模具中趁熱移出，并在加熱爐中或 隔熱罩下緩慢冷卻至低于約150-200°C。保持該溫度約6-10個小時， 以確保表層產(chǎn)物的完全馬氏體相變。
隨后，在加熱爐中，鑄錠或焊條在約6-8小時內回升溫度到約 650。C，然后保持此溫度至少24個小時使其軟化。此后，鑄錠被緩慢(例 如< 30。C/h)冷卻到最低約300。C。
4) 焊條的制備:
如果鑄錠已經(jīng)被密封，通過除去較早獲得的鑄錠(或焊條)的頭罩， 確保了用于電渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)的焊條的制備。
5) 焊條的重熔:
根據(jù)5.1或5.2進行焊條重熔
5.1根據(jù)實施例1進行電渣重熔(ESR),以得到鑄錠形式的坯(例 如具有735mm的直徑)。
5.2根據(jù)實施例2進行真空弧重熔(VAR),以得到鑄錠形式的坯 (例如具有640或710mm的直徑)
6) 電渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)鑄錠的退火:
此退火與階^殳3中的退火相同或可比。然而，在650。C下保溫后， 可以直接取回鑄錠進行鍛造。
7) 變形:鍛造及熱處理
考慮到鋼組分及制造工藝對機械性能的影響，得到的鑄錠能變形 以提供能用于壓力設備中的管；作為武器元件，例如炮管；或氣缸蓋 元件。鑄錠尤其經(jīng)歷了如下變形階段 7.1在鍛造前加熱鑄錠
在幾個階段加熱鑄錠，以減少產(chǎn)品中出現(xiàn)偏析(例如至少15個小時)。
7.2鍛造包括至少一個熱的管(例如具有120mm的內徑)。 7.3鍛造后退火，以改善鋼的微結構(規(guī)格化階段)，并避免任何冷 卻時開裂的危險(加熱爐冷卻階段)，當電渣重熔(ESR)鑄錠已在固態(tài)渣 中重熔后，采用抗發(fā)裂退火以避免冷卻后產(chǎn)品出現(xiàn)發(fā)裂或氫缺陷。 7.4隨后，能在包括調質熱處理在內的熱處理型面上進行預鍛造。 7.5調質處理的目的在于通過優(yōu)化-40。C下的彈性極限/恢復力及 Klc(或KQ)或Jlc，賦予管全部必需的機械性能。
通過避免裂化危險，在適當強度的液體中淬火導致了完全馬氏體 結構的形成。調質熱處理優(yōu)選包括500。C以上、最高硬度時的第一回 火；通過提高恢復力水平，在非常接近的溫度下進行兩次回火以確保 沿管的機械性能具有很強的均勻性；進行兩次回火且在最終回火后緩 慢冷卻，以確保管的最終平直度，防止在最終加工中變形。
權利要求
1.包括電渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)的鋼坯制造方法，在ESR或VAR后，所述鋼坯的組分主要包括碳0.35-0.43，優(yōu)選0.37-0.42，錳＜0.20，優(yōu)選＜0.15，硅＜0.20，優(yōu)選＜0.100，鎳＞3.00且≤4.00，優(yōu)選3.50-3.80，鉻1.30-1.80，優(yōu)選1.50-1.70，鉬0.70-1.00，釩0.20-0.35，優(yōu)選0.25-0.30其余為鐵，以總組分及不可避免的雜質的重量百分比計，所述雜質包括氮(優(yōu)選＜70ppm)，氧(優(yōu)選＜30ppm)和分子氫(優(yōu)選＜2ppm)。
2. 如權利要求l所述的方法，其特征在于其包括焊條的電渣重 熔(ESR)，以在ESR后生產(chǎn)所述坯組分，所述渣的組分主要包括CaF2: 60-70; A1203: 10-20; CaO: 10-20; Si02: 5畫10;以所述渣的總組分的重量百分比計。
3. 如權利要求2所述的方法，其特征在于其包括加入鋁對所述 渣進行連續(xù)脫氧。
4. 如權利要求2或3所述的方法，其特征在于所述ESR在惰 性氣氛，優(yōu)選在氬氣氣氛中完成。
5. 如前述任一^L利要求所述的方法，其特征在于在ESR或VAR后，所述坯組分主要是 碳0.37-0.42， 錳0.060-0.130， 硅0.040-0.120，鎳〉3.00且S4.00，優(yōu)選3.50/3.80，鉻1.30-1.80，優(yōu)選1.50-1.70,鉬0.70-1.00，釩0.25-0.30，鋁SO.015，優(yōu)選<0.012，以總組分及不可避免的雜質的重量百分比計。
6. 如前述任一權利要求所述的方法，其特征在于其包括在ESR 或VAR前的VAD(真空電弧脫氣)處理，優(yōu)選包括VCD(真空碳脫氧) 處理，其包含測定氧氣活度，在ESR或VAR前加入用于調節(jié)焊條組 分的渣補充物，以確保硅含量小于0.050%、鋁小于0.012%，同時確 保分子氧活度含量小于10ppm,最終脫氣以尤其得到分子氫含量 <1.2ppm,最終傾析以確保消除金屬摻雜物。
7. 如權利要求6所述的方法，其特征在于其包括在VAD處理 前，在不從所述電加熱爐帶入渣的情況下轉移金屬的方法，優(yōu)選逐鋼 包地轉移。
8. 如權利要求7所述的方法，其特征在于其包括在逐鋼包地轉 移前，在電弧加熱爐上進行處理。
9. 如前述任一權利要求所述的方法，其特征在于其包括在電渣 重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)后退火，包括至少在足夠長的時期內恒 溫，以確保電渣重熔或真空弧重熔后得到的坯組分的基本完全馬氏體 相變。
10. 如權利要求9所述的方法，其特征在于其包括退火后鍛造 完成坯變形，然后，進行熱處理，以得到主要具有完全馬氏體結構的 鋼。
11. 根據(jù)權利要求1至10中任一權利要求所述方法得到的鋼組 分，所述組分主要包括碳0,35-0.43, 錳<0.20, 硅<0.20, 鎳3.00-4.00， 鉻1,30-1.80， 鉬0.70-1.00, 釩0.20-0.35， 其余為鐵，以總組分及不可避免的雜質的重量百分比計，所述雜質包括分子 氮〈70ppm,分子氧〈30ppm和分子氫〈2ppm。
12. 權利要求1至10中任一權利要求所述方法得到的鋼坯。
13. 權利要求12中定義的坯在制造壓力設備元件，尤其是在制造 炮管中的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及鋼坯制造方法，尤其涉及包括電渣重熔(ESR)或真空弧重熔(VAR)，以得到良好機械性能的鋼坯的制造方法。所得鋼坯能廣泛用于制造壓力設備元件，特別是制造炮管的領域之中。
文檔編號C22B9/18GK101568662SQ200780037189
公開日2009年10月28日 申請日期2007年8月2日 優(yōu)先權日2006年8月3日
發(fā)明者布魯諾·蓋亞爾德-阿萊曼德, 格瑞德·蓋伊 申請人:奧貝爾&杜瓦爾公司