一种利用连铸板坯制造 150-400mm 厚碳素结构钢板的工艺 【技术领域】
本发明属于金属材料领域， 涉及一种利用连铸板坯制造 150-400mm 厚碳素结构钢 板的工艺。背景技术
150-400mm 厚碳素结构钢板广泛应用于重型机械制造、 结构加工等国民经济领域。 产品要求良好的塑韧性及内部质量。受连铸坯料厚度的限制， 国内用连铸坯生产保探伤保 性能钢板一般最厚到 150mm， 150mm 以上钢板一般采用模铸钢锭、 电渣锭等形式， 生产过程 存在成材率低， 能耗高， 生产效率低等缺点。 发明内容
本发明突破连铸坯坯料厚度限制， 提供一种利用现有连铸板坯生产保探伤保性能 150mm 以上厚度碳素结构钢板技术， 可生产最大厚度为 400mm 的保探伤保性能特厚碳结钢 板。
本发明通过以下技术方案实现 ： 一种利用连铸板坯制造 150-400mm 厚碳素结构钢 板的工艺， 包括以下步骤 ：
（1） 以两块以上 （包含两块） 四周相同尺寸 （即长度、 宽度相等， 厚度可以不同） 的连 铸板坯为原料， 所用连铸板坯包含如下化学成分 （质量百分比， wt%） ： C 0.14 ～ 0.20％， Si 0.20 ～ 0.50％， Mn 0.08 ～ 1.40％， S ≤ 0.010％ ；
（2） 对所有连铸板坯待焊接面的三条边通过火焰切割或刨、 铣等形式加工坡口， 坡 口深度 10-40mm， 坡口角度 15-35° ； 将连铸板坯叠放在一起， 并旋转 90° 竖直放置， 组齐 对正， 然后采用气体保护焊的焊接方式， 对连铸板坯有坡 口的三个面上的边缝进行打底焊 接， 再采用埋弧自动焊进行填充及盖面焊接， 最后将剩余面上的边缝在高真空下进行真空 电子束进行焊接， 组焊成大厚度坯料 ； 或者不开坡口， 将连铸板坯叠放在一起， 并旋转 90° 竖直放置， 组齐对正， 然后全部采用真空电子束焊接的方式将 4 个面焊接成大厚度坯料 ；
（3） 对焊接好的大厚度坯料采用车底式炉或均热炉进行加热， 出炉温度控制在 1160 ～ 1300℃ ；
（4）出炉后轧制， 第一阶段开轧温度 1050 ～ 1150 ℃， 第二阶段开轧温度 820 ～ 920℃， 中间坯厚度不小于成品厚度的 1.4 倍 ；
（5） 对轧后钢板进行弱水冷却， 冷却速度 <5℃ /S， 表面返红温度 620 ～ 780℃ ；
（6） 对钢板进行正火热处理， 热处理温度 860 ～ 950℃， 保温系数 1.2 ～ 2.0min/ mm。
所述步骤 （1） 的连铸板坯为经转炉炼钢、 LF 和 RH 炉外精炼、 连铸工序的连铸板坯， 所述 RH 炉外精炼工序中要进行真空脱气处理， 要求 ： 真空度≤ 100Pa， 保压时间 10 分钟以 上。
所述步骤 （2） 连铸板坯， 其焊接前通过铣床、 刨床等机加工方法， 去除待复合表面的氧化铁皮、 油污等， 实现表面洁净。
所述步骤 （2）气体保护焊， 其焊丝直径 1.2-2.0mm， 焊接电压 20-35V， 焊接电流 120-400A， 焊接速度 250-600mm/min， 焊丝干伸长度 15-25mm， 保护气体 CO2 或 Ar+CO2， 保护 气体流量 15-25L/min， 熔深 5-20mm ；
所述步骤 （2）埋弧自动焊， 其焊丝直径 4.0-6.0mm， 焊接电压 30-45V， 焊接电流 250-1600A， 焊接速度 250-600mm/min， 焊丝干伸长度 25-45mm， 熔深 10-30mm ；
所述步骤 （2） 真空电子束焊接， 其焊接电压 30-150KV， 真空度高于 1×10-1Pa， 焊接 电流 100-500mA， 焊接速度 50-700mm/min， 熔深 20-50mm。
本发明利用经转炉炼钢、 炉外精炼的连铸板坯， 其化学成分如上所述， 其化学成分 设计原则如下 ： C、 Mn 为主要强化元素， 为降低生产成本， 在保证易焊接性的前提下， C、 Mn 含 量尽量高 ； S 元素含量尽量降低， 以减少钢中夹杂物等对钢板内部质量的影响。
本发明炉外精炼工序中进行真空脱气处理， 要求真空度≤ 100Pa， 保压 10 分钟以 上， 其主要目的 ： 一是为了充分脱气， 尽可能降低钢中氢等气体的含量， 减少氢致裂纹等对 钢板内部质量的影响 ； 二是为了使钢水中的夹杂物尽可能上浮， 减少钢中夹杂物的含量。
本发明采用气体保护焊、 埋弧焊和真空电子束焊组合焊接工艺， 将坯料四周焊接 在一起， 组焊成大厚度坯料， 焊接界面处坯料为高的真空状态， 在后续热加工变形过程中， 极易焊合在一起， 形成一个整体， 与基体保持一致， 可充分利用形成的大厚度坯料增加轧制 成品钢板的压缩比。
本发明对焊接好的大厚度坯料采用车底式炉或均热炉进行加热， 适当增加高温段 保温时间， 确保钢板烧透、 烧均匀。
本发明轧制过程中采用二阶段轧制法， 在第一阶段进行高温低速大压下轧制， 通 过反复再结晶过程细化晶粒 ； 第二阶段采用控制轧制， 增加相变形核点细化晶粒， 中间坯 1.4 倍成品厚度是为了保证二阶段轧制过程的累积变形量。
本发明对轧后钢板进行弱水冷却， 轧后水冷是为了更快地冷却到相变点， 防止晶 粒过分长大， 低冷却速度是为了减少钢板厚度方向上的组织性能差异。
本发明对钢板进行正火热处理， 使钢板组织均匀， 增加钢板的塑韧性及钢板厚度 方向组织性能均匀性。
本发明的有益效果 ： 本发明生产的 150-400mm 碳素结构钢板具备良好的综合力学 性能， 探伤合格率达到 98％以上， Z 向拉伸断面收缩率达到 60％以上， 坯材得率 85％以上。 生产工艺可操作性强， 成本低， 生产效率高。尤其是气体保护焊、 埋弧焊和真空电子束焊的 组焊方式， 具有以下优势 ：
1、 本发明对连铸板坯组的三条边缝首先采用气体保护焊进行打底焊接， 在不污染 结合面的前提下自动高效地完成基础焊接， 并为下一步埋弧焊做好准备 ； 然后对这三条边 缝再采用埋弧自动焊的方式快速地完成焊缝的填充焊接， 最后将剩余一条边缝在真空环境 下应用真空电子束焊工艺， 完成坯料的最终焊接 ； 相比四边真空电子束焊工艺大幅度提高 了焊接效率。
2、 本发明采用固定顺序进行先后焊接的工艺， 不是气体保护焊、 埋弧焊和真空电 子束焊的简单结合， 而是严格按照大厚度板坯制备的内在质量要求， 充分考虑了三种焊接 方式的各自优势， 将其优化组合的结果。因为气体保护焊不会污染板坯组结合面同时可以实现自动化提高焊接效率， 埋弧自动焊是比气体保护焊更加高效的一种焊接方式， 而气体 保护焊和埋弧焊操作均在正常环境下进行， 不像真空焊接时需要反复进出真空室， 从而不 必反复抽真空操作， 因此大幅减少了真空作业时间， 这种组合焊接顺序和方式可以在保证 焊接要求 （特别是对结合面的洁净度要求） 的前提下大幅度提高焊接效率， 降低了生产成 本。
3、 本发明由于板坯组是竖直方向放置， 因此可以保证坯料之间保持 1mm 左右的间 隙， 而不会形成局部的封闭区域。 真空电子束焊确保了最终的焊接在高真空中完成， 避免了 结合面处存在空气影响轧后质量的可能性， 相比较现有真空焊接工艺而言， 只需要一次性 抽真空和焊接操作， 同时由于板坯组为竖直放置焊接， 避免了水平焊接时复杂的机械机构 和升降操作， 大幅度提高了焊接效率。
4、 本发明组焊工艺可以完全替代全真空环境下的制造工艺， 所生产的特厚钢板内 部质量优良， 性能优异， 完全达到全真空复合轧制工艺的水平 ； 且与全真空复合轧制工艺相 比， 本发明操作简单、 投资少， 成本降低 80% 以上， 生产效率提高一倍以上， 生产组织形式灵 活， 适用于大批量工业化生产， 而全真空电子束焊接无法批量生产。 附图说明
图 1 为实施例 1 生产的钢板原始铸坯叠合面金相组织图。 实施具体方式 以下结合具体的实施例， 对此种 150-400mm 碳素结构钢板的制造工艺作详细描述。 实施例 1 ： 生产 200mm 厚 Q235B 钢板 ：
1) 高纯净度钢水冶炼， 钢液经转炉冶炼后进行 LF+RH 双精炼， LF 精炼充分去除 夹杂、 脱硫， RH 真空处理保持真空度 100Pa 共 14 分钟， 精炼后钢液中的气体 [O]13ppm， [H]2ppm。
2） 钢水连铸过程采用全程保护浇注， 并使用电磁搅拌， 恒速浇注， 生产 250mm 厚同 定尺的连铸坯， 熔炼成分分析结果如下表 ：
表 1 实施例 1 连铸坯化学成分
化学成分 C Si Mn P S 含量 wt% 0.20 0.25 1.10 0.016 0.0043） 将生产好的两支 250mm 厚连铸板坯通过铣床加工， 去除表面的氧化铁皮、 油污 等， 实现表面洁净。
4） 将完成表面洁净的坯料拟焊接面的三条边利用火焰切割方法加工坡口， 坡口深 度 25mm， 坡口角度 25°。
5） 将加工好的坯料叠放在一起， 旋转 90°竖直放置， 并组齐对正、 夹紧。
6） 采用气体保护焊的焊接方式， 对坯料三个面上已加工好坡口的边缝进行打底 焊接， 焊丝直径 2.0mm， 焊接电压 20V， 焊接电流 200A， 焊接速度 300mm/min， 焊丝干伸长度 25mm， 保护气体 CO2， 保护气体流量 20L/min， 熔深 15mm。
7） 将经气体保护焊打底焊接后的三条边缝， 再采用埋弧自动焊进行填充及盖面 焊接， 焊丝直径 5.0mm， 焊接电压 30V， 焊接电流 400A， 焊接速度 350mm/min， 焊丝干伸长度
30mm， 熔深 20mm。
8） 将剩余边缝在高真空度下采用真空电子束焊接， 最终形成 500mm 大厚度坯料。 -2 焊接电压 100KV， 真空度 1.5×10 Pa， 焊接电流 300mA， 焊接速度 150mm/min， 熔深 35mm。
9） 采用台车炉对 500mm 厚坯料进行加热， 总加热时间 12 个小时以上， 出炉温度 1280℃。
10） 轧制过程中粗轧开轧 1120℃， 中间坯厚 300mm ； 精轧开轧温度 880℃。
11） 轧后钢板进行弱水冷， 冷却速度 4℃ /S， 冷却后钢板表面返红温度 740℃。
12） 钢板进行正火热处理， 热处理温度 890℃ ±10℃， 保温时间 1.2min/mm。
利用该工艺生产的钢板原始铸坯叠合面与基体组织完全一致， 得到了很好的熔 合， 如图 1 所示。
实施例 2 ： 生产 200mm 厚 Q235B 钢板 ：
1) 高纯净度钢水冶炼， 钢液经转炉冶炼后进行 LF+RH 双精炼， LF 精炼充分去除 夹杂、 脱硫， RH 真空处理保持真空度 100Pa 共 16 分钟， 精炼后钢液中的气体 [O]12ppm， [H]2.1ppm。
2） 钢水连铸过程采用全程保护浇注， 并使用电磁搅拌， 恒速浇注， 生产 250mm 厚同 定尺的连铸坯， 熔炼成分分析结果如下表 2 ：
表 2 实施例 2 连铸坯化学成分
化学成分 C Si Mn P S 含量 wt% 0.18 0.30 1.15 0.010 0.0083） 将生产好的两支 250mm 厚连铸板坯通过铣床加工， 去除表面的氧化铁皮、 油污 等， 实现表面洁净。
4） 将加工好的坯料叠放在一起， 旋转 90°竖直放置并组齐对正。
5） 采用真空电子束焊接的方式， 对坯料四个面上的边缝进行焊接， 形成 500mm 大 -2 厚度坯料。焊接电压 150KV， 真空度 1.0×10 Pa， 焊接电流 200ma， 焊接速度 250mm/min， 熔 深 40mm。
6） 采用均热炉对 500mm 厚坯料进行加热， 总加热时间 12 个小时以上， 出炉温度 1200℃。
7） 轧制过程中粗轧开轧 1150℃， 中间坯厚 500mm ； 精轧开轧温度 820℃。
8） 轧后钢板进行弱水冷， 冷却速度 4℃ /S， 冷却后钢板表面返红温度 700℃。
9） 钢板进行正火热处理， 热处理温度 910℃ ±10℃， 保温系数 1.5min/mm。
对实施例 1 和实施例 2 钢板按标准进行拉伸、 冲击、 Z 向、 探伤等实验检测， 结果如 下表 3 所示， 各项性能优良 ； 实施例 1 的气体保护焊、 埋弧焊和真空电子束焊接的组焊方式 （简称组焊方式） 和实施例 2 的全真空电子束焊接方式相比， 抽真空次数、 生产周期及电耗指 标如表 4 所示， 从表 4 可以看出 ： 组焊方式比全真空电子束焊接方式生产效率大幅提高， 且 节能。
表 3 实施例 1 和实施例 2 制备的碳素结构钢板的性能指标
表 4 两种焊接方式主要指标对比 。工艺 实施例 2 全真空电子束焊接方式 实施例 1 组焊方式 抽真空次数 生产周期 （h) 2 24 1 9 电耗 （元 /t） 31 19