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一种可用于加工连轧管机限动芯棒的钢及其生产工艺，属于炼钢技术领域。主要由下列重量含量的成分组成：C 0.30－0.43％、Mn≤0.60％、Si 0.70－1.00％、P≤0.010％、S≤0.007％、Cr 4.50－5.50％、Mo 1.00－1.50％、V 0.7－1.00％、Nb 0－0.25％、Al≤0.015％、Ni 0.10－0.75％、Cu≤0.10％、[O]≤30PPm、[H]≤2PPm，余量为铁。还含有一种或一种以上下列重量含量的成分：RE 0.008－0.10％、W 0.30－1.70％、B≤0.005％、Ca 0.002－0.01％、Mg 0.002－0.012％、Zr 0.01－0.15％、Ti 0.005－0.05％。本发明钢生产工艺合理，生产的钢性能好，制成的芯棒使用寿命长。

1、  一种可用于加工连轧管机限动芯棒的钢，其特征在于，主要由下列重量含量的成分组成：C 0.30-0.43％、Mn≤0.60％、Si 0.70-1.00％、P≤0.010％、S≤0.007％、Cr 4.50-5.50％、Mo 1.00-1.50％、V 0.7-1.00％、Nb 0-0.25％、Al≤0.015％、Ni 0.10-0.75％、Cu≤0.10％、[O]≤30PPm、[H]≤2PPm，余量为铁。

2、  如权利要求1所述的钢，其特征在于，还含有一种或一种以上下列重量含量的成分：RE 0.008-0.10％、W 0.30-1.70％、B≤0.005％、Ca 0.002-0.01％、Mg 0.002-0.012％、Zr 0.01-0.15％、Ti 0.005-0.05％。

3、  可用于加工连轧管机限动芯棒的钢的生产工艺，包括电渣重熔步骤，其特征在于，电极坯主要由下列重量含量的成分组成：C 0.30-0.43％、Mn≤0.60％、Si 0.70-1.00％、P≤0.010％、S≤0.007％、Cr 4.50-5.50％、Mo 1.00-1.50％、V 0.7-1.00％、Nb 0-0.25％、Al≤0.015％、Ni0.10-0.75％、Cu≤0.10％、[O]≤30PPm、[H]≤2PPm，余量为铁；电渣重熔步骤渣系选自下列重量含量的渣系之一：(1)稀土二元渣：CaF₂60-70％、Re_xO_y 30-40％；(2)三元渣：CaF₂ 65-80％、Al₂O₃ 18-33％、SiO₂ 2-5％；(3)四元渣：CaF₂ 60-70％、Al₂O₃ 20-35％、CaO＞0-20％、CaC₂＞0-2％；(4)稀土多元渣：CaF₂ 50-60％、CaO＞0-15％、MgO＞0-10％、Re_xO_y 15-30％、ZrO₂＞0-15％、TiO₂＞0-5％；(5)多元渣：CaF₂ 15-40％、Al₂O₃ 10-45％、CaO 10-30％、SiO₂＞0-15％、MgO＞0-5％、ZrO₂＞0-15％、TiO₂＞0-5％；(6)酸性渣：CaF₂ 40-55％、Al₂O₃ 10-15％、CaO 10-15％、SiO₂ 15-25％、MgO＞0-5％；重熔过程中用氮气保护。

4、  如权利要求3所述的生产工艺，其特征在于，电极坯中还含有一种或者一种以上下列重量含量的成分：RE 0.008-0.10％、W 0.30-1.70％、B≤0.005％、Ca 0.002-0.01％、Mg 0.002-0.012％、Zr 0.01-0.15％、Ti0.005-0.05％。

5、  如权利要求3或4所述的生产工艺，其特征在于，电渣重熔过程中加入Ca-Si合金、Fe-Si合金、金属Al、金属RE、金属Zr之中至少一种作为脱氧剂，用量为0.3-1.5千克/吨重熔金属。

6、  如权利要求5所述的生产工艺，其特征在于，电渣重熔时抽锭生产，对电渣锭抽出部分进行二次冷却，冷却速度2-15℃/分钟，冷至≥350℃；提模后立即退火。

7、  如权利要求3或4所述的生产工艺，其特征在于，电渣重熔溶化率(千克/小时)＝(1000-500)×结晶器直径(米)。

8、  如权利要求5所述的生产工艺，其特征在于，电渣重熔溶化率(千克/小时)＝(1000-500)×结晶器直径(米)。

9、  如权利要求6所述的生产工艺，其特征在于，电渣重熔熔化率(千克/小时)＝(1800-800)×结晶器直径(米)。

10、  如权利要求6、9所述的生产工艺，其特征在于，抽锭结晶器的设计高度为结晶器直径的1.2-2倍，锥度为0.2-2％。

一种可用于加工连轧管机限动芯棒的钢及其生产工艺
技术领域
本发明属于炼钢技术领域，特别涉及一种可用于加工连轧管机限动芯棒的钢及其生产工艺。
背景技术
连轧管机限动芯棒是生产大口径无缝钢管不可缺少的重要工具。在轧制钢管时，芯棒穿入经加热穿过孔的坯料中，一起推入轧机。在轧制工序结束时，从管坯中拔出芯棒，喷雾使其迅速冷却。芯棒在轧制中要承受很大的接触应力，并且其表面在10秒钟的时间内温度可达700℃，随后激冷，这样的循环应力常导致芯棒表面形成热疲劳裂纹。
目前，国内外普遍采用4Cr5MoSiV(H11)、4Cr5MoSiV1(H13)两种钢生产轧管机芯棒，这两种钢具有高淬透性和淬硬性、一定的热强性和抗冷热疲劳性能。但这两种钢易产生回火脆性且高温强度偏低，在600℃强度仅为630MPa，只能在500-550℃温度范围内使用。而在轧制钢管时，芯棒表面温度可达700℃，高温强度偏低易导致芯棒使用初期损坏。同时，这两种钢含有相当数量的碳及碳化物形成元素，固相线及液相线之间温度区间较宽(T＝90℃)，加上金属导热性能较差，凝固速度较慢，促使凝固过程中碳化物带状偏析严重，此带状偏析在常规退火、正火、淬火加热条件下难以消除，造成钢的各向异性，降低了冲击性能和冷热疲劳性能。因此，用这两种钢制成的芯棒使用寿命短，从而影响无缝钢管生产效率和产品生产成本。
电渣重熔是一种精炼钢的手段，它把精炼和铸锭合而为一，在同一个水冷结晶容器中进行，重熔时不接触耐火材料。电渣重熔时熔渣的覆盖避免了一般冶炼方法在钢液浇注过程中的二次氧化，消除了夹杂物的外部来源。电渣重熔过程中，金属以薄膜形式熔化，以细小熔滴下落穿过渣池，渣-钢接触界面大，加之渣池过热度大，电磁力及热对流的强烈搅拌，电制度、渣制度、温度制度、脱氧制度和速度制度等工艺自由度大，可对重熔金属的不同杂质实现有选择的可控精炼。电渣锭在顶部大功率高温加热、底部强制水冷这样很陡的温度梯度条件下，边精炼边凝固，即以微量液态金属渐进定向结晶的方式进行可控快速凝固，不但凝固收缩可以源源不断得到电极金属的补充，而且枝晶间距小，因而组织致密，成分均匀。模壁与钢锭之间形成的薄薄的渣皮还使电渣锭表面平滑光洁。现有芯棒用钢电渣重熔工艺(CN1251786A)中，采用CaF₂∶Al₂O₃＝70∶30渣系，该渣系中Al₂O₃含量较大，电渣重熔时钢中的硅会把Al₂O₃中的Al还原出来，致使重熔后钢中残铝含量偏高，在0.02％-0.04％之间。钢中残铝含量偏高将导致钢的蠕变强度和断裂韧性降低，用此钢制成的芯棒寿命较低，一次装机到下线修复穿管少于1000次。
发明内容
本发明目的在于提供一种可用于生产连轧管机限动芯棒的高性能钢及其生产工艺，利用该钢生产的芯棒使用寿命长。
为达上述目的，本发明采用如下技术方案：一种可用于加工连轧管机限动芯棒的钢，主要由下列重量含量的成分组成：C 0.30-0.43％、Mn≤0.60％、Si 0.70-1.00％、P≤0.010％、S≤0.007％、Cr 4.50-5.50％、Mo1.00-1.50％、V 0.7-1.00％、Nb 0-0.25％、Al≤0.015％、Ni 0.10-0.75％、Cu≤0.10％、[O]≤30PPm、[H]≤2PPm，余量为铁。
还含有一种或一种以上下列重量含量的成分：RE 0.008-0.10％、W 0.30-1.70％、B≤0.005％、Ca 0.002-0.01％、Mg 0.002-0.012％、Zr 0.01-0.15％、Ti 0.005-0.05％。
连轧管机限动芯棒用钢生产工艺，包括电渣重熔步骤，电极坯主要由下列重量含量的成分组成：C 0.30-0.43％、Mn≤0.60％、Si 0.70-1.00％、P≤0.010％、S≤0.007％、Cr 4.50-5.50％、Mo 1.00-1.50％、V 0.7-1.00％、Nb 0-0.25％、Al≤0.015％、Ni 0.10-0.75％、Cu≤0.10％、[O]≤30PPm、[H]≤2PPm，余量为铁；电渣重熔步骤渣系选自下列重量含量的渣系之一：(1)稀土二元渣：CaF₂ 60-70％、Re_xO_y 30-40％；(2)三元渣：CaF₂ 65-80％、Al₂O₃ 20-25％、SiO₂ 2-5％；(3)四元渣：CaF₂ 60-70％、Al₂O₃ 20-25％、CaO＞0-20％、CaC₂＞0-2％；(4)稀土多元渣：CaF₂ 50-60％、CaO＞0-15％、MgO＞0-10％、Re_xO_y15-30％、ZrO₂＞0-15％、TiO₂＞0-5％；(5)多元渣：CaF₂ 15-40％、Al₂O₃ 10-25％、CaO＞10-30％、SiO₂＞0-15％、MgO＞0-5％、ZrO₂＞0-15％、TiO₂＞0-5％；(6)酸性渣：CaF₂ 40-55％、Al₂O₃ 10-15％、CaO 10-15％、SiO₂ 15-25％、MgO＞0-5％；重熔过程中用氮气保护。
电极坯中还含有一种或者一种以上下列重量含量的成分：RE 0.008-0.10％、W 0.30-1.705％、B≤0.005％、Ca 0.002-0.01％、Mg 0.002-0.012％、Zr 0.01-0.15％、Ti 0.005-0.05％。
电渣重熔过程中加入Ca-Si合金、Fe-Si合金、金属Al、金属RE、金属Zr之中至少一种作为脱氧剂，用量为0.3-1.5千克/吨重熔金属。
电渣重熔时抽锭生产，对电渣锭抽出部分进行二次冷却，冷却速度2-15℃/分钟，冷至≥350℃；提模后立即退火。
电渣重熔溶化率(千克/小时)＝(1000-500)×结晶器直径(米)。
电渣重熔熔化率(千克/小时)＝(1800-800)×结晶器直径(米)。
抽锭结晶器的设计高度为结晶器直径的1.2-2倍，锥度为0.2-2％。
本发明的钢中，Al含量低于0.015％(根据电渣母材含铝量选择重熔时的渣系，母材含铝量高，则选择SiO₂渣系)，比CN1251786A大为降低，从而提高了钢的蠕变强度和断裂韧性。
在化学成分设计上，本发明调低了4Cr5MoSiV1(H13)钢中钒、硅的成分含量，以减少钢的回火脆性。同时添加镍、铌元素和稀土、锆、钛、硼、镁、钙等微合金化元素对钢进行变性处理，进一步细化晶粒，控制凝固过程，改善碳化物分布、减少碳化物偏析，提高高温强度、冷热疲劳性能和冲击性能。所加金属中，镍是非碳化物形成元素，通过固溶强化的方式提高钢的强度，改善钢的塑性，同时提高钢对疲劳的抗力和减小钢对缺口的敏感性。但其含量过高会使冷热加工的工艺性能恶化，经济性也差。适宜的镍重量百分含量为0.10-0.75％。铌是比钒还强的碳化物形成元素，钢中少量的铌主要以碳化铌(NbC)形式存在，NbC在高温加热时很难熔入奥氏体，可以阻止奥氏体晶粒长大，从而细化晶粒，提高钢的冲击性能，减少碳化物偏析，改善钢的热加工工艺性能。最佳的铌重量百分含量为0.03-0.25％。钨是碳化物形成元素，钨的加入对提高钢淬火后的回火稳定性和耐磨性能特别有效，同时提高钢的热强性，从而改善钢的高温蠕变抗力。但钨含量过高易引起碳化物偏析，同时不利于提高钢的冲击性能，适宜的钨重量百分含量为0.30-1.70％。稀土元素加入钢中后，首先形成稀土氧化物，稀土元素还与钢中的碳、氢、氮、低熔点杂质(铅、锡、锑、铋等)作用形成化合物，这些氧化物和化合物熔点很高。氧化物和化合物析出形成晶核对非均匀相起催化作用，促进结晶。同时由于稀土与硫的亲和力大于锰与硫的亲和力，因而钢中还会形成稀土氧硫化合物或稀土硫化物，使MnS夹杂物逐步减少，以至于消失。经稀土处理后的模具钢，其中的片状MnS为小球状的稀土夹杂物取代，从而使钢的各向异性显著减少。而且，随着钢中稀土/硫(RE/S)比值增加，钢的纵横向性能(尤其是韧性和塑性)的差别逐渐减少，当RE/S值达一定值时，钢材地方向性基本消失。稀土对夹杂物的变质作用不仅改善了钢的韧性和塑性，而且还改善了钢的疲劳性能，提高钢的耐磨性，改善可焊性，提高热塑性和高温强度等。适宜的稀土重量百分含量为0.008-0.10％之间。锆是强有力的脱氧和脱氮元素，能细化钢的奥氏体晶粒，阻止奥氏体在高温下长大，和硫能化合成硫化锆，因而能防止钢的热脆性，锆固熔于奥氏体中能显著增加钢的淬透性和抗疲劳性能。适宜的锆重量百分含量为0.01-0.15％。硼和氧、氮都有很强的亲和力，和碳也能形成碳化物。微量的硼在钢中能成倍增加钢的淬透性，同时可以通过强化晶界来提高钢的高温强度，改善晶界碳化物的析出状态，有利于改善塑性。适宜的硼重量百分含量为小于0.005％。钛和氮、氧、碳都有极强亲和力，和硫的亲和力也强于铁和硫的亲和力。钛可细化钢的晶粒，提高钢的热强性。适宜的钛重量百分含量为0.025-0.15％。镁加入钢中可使碳化物有效细化、分散，去除硫、氧、氮等有害杂质，使沿晶界偏聚的硫化物、氧化物消失，晶界净化，显著提高钢的蠕变断裂塑性和寿命，适宜的镁重量百分含量为0.002-0.012％。钙加入钢中可改善钢中夹杂物的形态和分布，使钢中的夹杂物球化、细化，从而提高钢的塑性和韧性。适宜的钙重量百分含量为0.002-0.010％。
本发明在电渣重熔过程中，根据电渣母材的脱氧制度、夹杂物类型和数量、硫含量、残铝含量以及对钢变性处理加入的元素种类，选用表1中适宜渣系，实现对钢中不同杂质有选择的可控精炼。若母材中铝偏高，电渣重熔时可选择含有SiO₂的渣系，控制成品中铝含量小于0.015％，以提高钢的蠕变强度和断裂韧性。若电渣母材含有稀土、锆、钛、镁、钙等微合金化元素，可选择含有相应元素氧化物的渣系重熔，以抑制微合金化元素的烧损，或采用含有微合金化元素氧化物的渣系重熔，在重熔时持续加入脱氧剂，将合金化元素还原金钢中。本发明中的稀土渣系就可从渣中的稀土氧化物中还原出稀土元素进入钢中。在电渣重熔过程中并视母材中硅含量在重熔时持续加入脱氧剂脱氧，保持渣中FeO小于0.6wt-％。采用氧气站副产品干燥氮气保护重熔，相比现有技术(中国专利申请92108419.6)中用干燥空气保护重熔来说，既可达到降低钢中氢、氧含量，又有利于降低电渣钢的成本。电渣锭是在一层渣皮的包裹中凝固成形，由于渣皮的绝热作用，降低了电渣锭的冷却强度。在电渣重熔时抽锭生产电渣锭，对电渣锭抽出的部分进行吹风冷却，可增大电渣锭的冷却强度，达到细化晶粒、减小偏析的目的。抽锭结晶器的设计高度为结晶器直径的1.2-2倍，锥度(结晶器下口半径和上口半径之差与结晶器高度的比值)控制在0.2-2％之间。锥度过小，电渣锭表面易出现翻皮，锻造前需打磨处理；锥度过大，抽锭时易漏渣，导致重熔过程不能正常进行。抽锭可采取连续或断续抽锭，短须抽丁胶连续抽丁所的钢锭表面好。重熔时对电渣锭采取二次冷却，提模后应对电渣锭立即退火，以防电渣锭炸裂。在电渣重熔时，如果不进行二次冷却，熔化率取较低值，熔化率(千克/小时)＝(1000-500)×结晶器直径(米)；如果进行二次冷却，熔化率可取较大值，熔化率(千克/小时)＝(1800-800)×结晶器直径(米)。按此熔化率控制可使铸锭呈纵向结晶，铸造后具有良好的横向冲击性能，制成芯棒的使用寿命大为提高。
本发明芯棒用钢可采用电弧炉+真空精练浇铸成钢锭或电弧炉+真空精练浇铸成电极坯，然后经电渣重熔成电渣锭。镍、钨和铌在电炉熔炼时加入；变性处理视加入物质不同，可在电炉熔炼或者真空精炼过程中加入，也可在电渣重熔时加入，或采用含有变形物质的氧化物作渣料，在电渣重熔时，加入脱氧剂将变性物质还原进钢中。
本发明芯棒用钢的热加工可采用锻造或者轧制，锻、轧加热温度为1050-1200℃，终锻、轧温度≥850℃。热处理采用调质处理，由于铌、钨的碳化物不易进入奥氏体，故淬火温度应比4Cr5MoSiV(H11)、4Cr5MoSiV1(H13)稍高，为1020-1100℃，回火温度为550-650℃。
本发明中的钢也可用作黑色或者有色金属的热挤压模具钢、精锻模具钢或铝、铜合金的压铸模具钢。
具体实施方式
实施例1、本实施例中，芯棒生产工艺路线为：电炉+精炼→电渣重熔→锻造→退火→切取试片→机加工→检测组织→调质→切取试片→机加工→性能检测。
一、电极坯的熔炼：采用30吨偏心底电弧炉熔炼低磷、硫钢水，氧化期脱碳量大于0.30％，充分去除气体和夹杂物，镍板、钼铁可在电弧炉配料时配入或在氧化期加入，电弧炉出钢时在钢包中加入铬铁、铌铁、钒铁、硅铁合金化，电弧炉出钢温度≥1630℃；进真空精炼炉进一步去除气体和夹杂物，脱气后调整化学成份，稀土、锆铁、钛铁、镁在脱气后插入钢水中，吹氩后出钢。共冶炼3炉，化学成份见表2中的电极坯1、电极坯2、电极坯3。
二、电渣重熔：电渣重熔时通过调整电压、电流控制自耗电极端头呈平头或准平头，重熔电流稳定，波动小于2.5％，铸锭中心金属熔池深度等于或小于铸锭半径，结晶前沿轮廓应是粗略的抛物面，柱状晶垂直于固液相界面生长，柱状晶方向与液面上长方向(纵轴方向)夹角小于45度，以保证铸锭呈纵向结晶，锻造后具有良好的横向冲击功。金属熔池上部圆柱形段的高度5～15mm，以保证铸锭表面光洁。采用本发明技术重熔轧管机芯棒用钢，在电炉熔炼电极坯时在钢中加入锆、铌、稀土、钛微合金化。在电渣重熔时选用含有微合金化元素氧化物的渣系，抑制稀土、锆、钛的烧损，提高它们的回收率。电渣重熔所用渣系具体配方见表3。重熔时采取二次冷却和采用干燥氮气保护重熔，并视母材的硅含量在重熔时持续加入脱氧剂脱氧，保持渣中FeO小于0.6wt-％。成品钢中残铝含量在0.015％以下，氧含量在14PPm左右。由电极坯1、电极坯2、电极坯3重熔所得电渣锭1、电渣锭2、电渣锭3化学成分见表2。为了比较，用本发明工艺得到的电渣锭制成φ166mm的芯棒，在芯棒上取样进行试验的同时，与采用原工艺技术得到的电渣锭在完全相同的锻造加工热处理和性能测试条件下，将4Cr5MoSiV1(H13)钢也制成φ166mm的芯棒，进行了对比试验。表2中H13 1#、H13 2#为原钢种H13按原工艺生产的电渣锭。
三、锻造：锻造可打碎电渣锭中的柱状晶，改善宏观偏析，把铸态组织变为纤维状组织，提高材料的致密度，控制晶粒的大小，改善化学成份的均匀性，从而达到产品的性能和尺寸要求。芯棒的锻造是先在油压机上开坯锻造，然后上精锻机，锻成锻件。锻后入退火炉退火。
四、退火：退火的目的是消除内应力，细化晶粒，降低锻件的硬度，便于机加工。退火采用本领域常规退火制度。退火后理化检测：由H13 1#、H132#所得锻件4₁、5₁取样检测夹杂物，按ASTM E45评级，各类夹杂物的总和为5～6级；制成芯棒4₂、5₂中带状偏析按北美压铸协会NADCA #207-90标准评定组织为E和F级，带状偏析略重，属不合格级别；制成芯棒中晶粒度低于9级。由电渣锭1、电渣锭2、电渣锭3锻后锻件1₁、2₁、3₁取样检测夹杂物，按ASTM E45评级，各类夹杂物的总和为1.5～3级；制成芯棒1₂、2₂、3₂中带状偏析按北美压铸协会NADCA #207-90标准评定组织为B级，带状偏析轻微，达到国际先进水平；制成芯棒中晶粒度达10级。检测结果见表5和表6。
五、调质：调质的目的是调整钢的组织以获得所需要的性能，芯棒的调质是把芯棒加热到1020℃～1080℃，油淬，然后在550℃～650℃之间回火两次。检测性能合格后即可精加工、镀铬使用。由H13 1#、H13 2#制作的芯棒4₂、5₂，成品性能检测横向冲击功在10～15J之间，芯棒使用寿命低于1500次，不理想。由电渣锭1、电渣锭2、电渣锭3锻后锻件1₁、2₁、3₁制成的芯棒1₂、2₂、3₂，成品性能检测横向冲击功在28～45J之间；高温性能实验表明，本发明中的钢高温屈服强度较原钢种H13有较大的提高，而高温断面收缩率和高温冲击性能较H13增长缓慢，体现了本发明的钢良好的高温性能。采用本发明中的钢制成的芯棒(Φ166mm)1₃、2₃、3₃穿管次数为2850次，可完全替代进口。而用原钢种H13制成的芯棒(Φ166mm)穿管次数低于1500次。具体结果见表6、表7和表8。
上述实验数据表明，本发明中的钢较H13钢有较大的改进和优化，其Al含量低，晶粒细小、碳化物均匀，具有优异的高温强度、冲击性能和抗冷热疲劳性以及耐磨性能。用该钢制成的轧管机芯棒成本虽增加3-8％，使用寿命却是目前所用钢种制芯棒的1.3-2倍。
                          表1电渣重熔选用渣系成分及作用表