一种特殊钢和合金的坯料生产方法 【技术领域】
本发明涉及一种特殊钢和合金的坯料生产方法，主要用于合金结构钢、合金工具钢、精密合金、高温合金等坯料的制备，可生产出厚度20mm～800mm之间的板坯、方坯、矩形坯等坯料。
背景技术
特殊钢和合金材料是采用特殊的生产工艺、具有特殊的化学成分、具备特殊的组织和性能、能够满足特殊需要的钢种，包括：碳素结构钢、碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢、弹簧钢、滚珠轴承钢、高合金工具钢、高速工具钢、不锈钢和耐热钢、高温合金、精密合金和电热合金等很多种类。
目前，特殊钢和合金材料的生产工艺主要有两种：一是将钢水冶炼后采用模型铸造方法浇铸成铸锭，经初轧开坯后切除尾部水口端与头部冒口端，经再次加热后轧制成形；干勇，王忠英，在国内特殊钢连铸生产技术的现状与发展，特殊钢，2005，5中，叙述了另一种特殊钢坯料的生产工艺-特殊钢连铸工艺，即将钢水冶炼后采用连续铸造方法制成连铸坯，经少量补热或加热后轧制成形。前者(模铸流程)的成材率低，能源消耗大；后者(连铸流程)的成材率高，大大降低了能源消耗，但仅适用于低碳钢和低合金钢种，中高碳钢和高合金钢的连铸质量还难于保证，合金则基本上不可行。由于传统凝固过程的局限，模铸坯水口端A偏析，冒口端V偏析、缩孔、疏松缺陷密布；连铸坯头尾偏析、缩孔、疏松缺陷等大大降低，但表面缺陷、裂纹、气孔等问题则更为严重，也是限制高碳钢、高合金钢、合金材料难于连铸的主要原因。更为严重的问题是，由于凝固顺序的影响，低熔点金属、夹杂物等易于集中在模铸坯和连铸坯的心部，造成金属板材板厚方向性能远远低于宽度和长度方向，型材、线棒材横向性能远低于轴向性能。
【发明内容】
为了克服特殊钢和合金材料产品因坯料心部成分偏析严重、夹杂物密集等导致的板材厚度方向性能和长材横向性能过低，大断面或小批量连铸坯无法生产和生产成本高等缺点，本发明提供了一种特殊钢和合金坯料的生产方法，可以用来制备各种特殊钢和合金材料的板坯、方坯和矩形坯，并且大大缩短了生产工艺流程。
本发明所采用的技术方案如下：
1)采用间隔式的钢水浇铸方法，钢水浇铸时的过热度为50℃～100℃；铸坯分成3～10次浇铸；先将总钢液重量的1/10～1/3浇入离心机铸模，同时保持离心机转速为250～400转/分钟，待其内表面过冷度达到10℃～80℃时，再继续浇入占钢液总重量1/10～1/3的钢水，重复这一过程，直至所有的钢水浇铸完毕，调解离心机转速300～700转/分钟，使整个钢坯凝固，最后脱模，生产出的铸坯外径为200mm～3500m，厚度40mm～1500mm的特殊钢和合金的圆柱形空心铸坯；
所述的圆柱形空心铸坯应进行内外表层切削加工，内层切削量为3mm～6mm；外层切削量为2mm～4mm；
2)将所述的空心铸坯沿纵轴方向切割成3～20个扇形截面坯料，切割后的坯料，宽度方向上两个侧边之间的夹角α应小于30；
3)将所述的扇形截面坯料通过锻造或者热轧的方式进行平整矫直，对于α小于5～10的扇形截面坯料，直接进行热轧；对于α大于5～10的坯料，则必须经过锻造或者立辊轧机轧制，进行侧边平整，锻造时的始锻温度为1000℃～1200℃之间，终锻温度为700℃～950℃之间，锻造的变形量约为30％～50％，将坯料的扇形截面压平，并且改善其组织性能；热轧平整的轧制温度在1250℃～900℃之间，轧制温度在1250℃～850℃之间，道次压下量控制在20％以下；
4)将平整后的坯料直接进行轧制，得到不同规格的特殊钢钢坯，轧制温度在1250℃～850℃之间；其中：
①第一道次压下量控制在20％以下；
②后续的道次可以加大变形量，采用30％-50％的压下量反复轧制。
本发明的另一个技术方案是上述铸坯的厚度为20mm～150mm，分成3～5次浇铸。
本发明的再一个技术方案是上述铸坯的厚度大于150mm～800mm，分成5～10次浇铸。
本发明的优点
本发明提出了一种过程简单、流程短的特殊钢以及合金的坯料生产方法，可以生产厚度为20mm～800mm的板坯、方坯等。本发明利用了离心浇铸的特点，通过间隔式浇铸法，减少了坯料厚度方向上的成分偏析；采用切割管坯+平整+热轧的生产方式，从根本上降低了成分偏析和坯料心部的缺陷，提高了坯料组织的均匀性。因此，与传统的特殊钢铸坯相比，本发明改善了坯料质量，提高了成材率和生产效率；与连铸连轧方式相比，本发明可以生产厚度大于400mm的大尺寸钢坯，减少钢坯内部的夹杂物等缺陷，提高钢坯质量。
具体实施方式：
本发明可以用于多种特殊钢坯料的生产，具体实施实例如下：
实施例1
厚度为20mm地管线钢X80矩形截面钢坯。
1)坯料浇铸
空心圆柱形铸坯的外径为200mm，厚度为45mm，浇注温度为1550℃～1570℃之间。先保持离心机转速在250～300转/分钟，浇铸占钢液总重量1/3的钢液，使其在铸模中厚度为15mm，待这些钢液温度冷却至1410℃～1460℃之间时，继续占钢液总重量1/3的钢液，使其在铸模累计厚度为45mm。重复这一浇铸过程，直至钢液浇铸完毕，将离心机转速提高至300～350转/分钟，直至钢液凝固脱模。整个浇铸过程中均应通入氩气进行保护。
浇铸后的坯料应当进行内外层切削加工，内层的切削量为3mm；外层的切削量为2mm。
2)坯料切分
按照生产要求，将圆柱形坯料切分成不同宽度的扇形板坯，两侧边夹角α为5～20之间。
3)坯料平整
将扇形坯料进行压平矫直。锻压起始温度为1150℃～1250℃，终锻温度为900℃～1000℃，最初的锻压变形量为15％～25％，随后可以达到30％～50％，直至将坯料锻压成为厚度30mm厚的矩形截面坯料。
也可以采用立辊轧机进行热轧矫平。轧制温度为950℃～1250℃之间，道次变形量小于20％。
4)轧制成形
将锻坯轧制成厚度为20mm的管线钢X80坯料，轧制温度在1250℃～850℃之间；其中：
①第一道次压下量控制在20％以下；
②后续的道次可以加大变形量，采用30％～50％的压下量反复轧制。
实施例2
厚度为800mm的管线钢X80矩形截面钢坯。
1)坯料浇铸
空心圆柱形铸坯的外径为3500mm，厚度为1500mm，浇注温度为1550℃～1570℃之间。先保持离心机转速在250～300转/分钟，浇铸占钢液总重量1/10的钢液，使其在铸模中厚度为1510mm，待这些钢液温度冷却至1410℃～1460℃之间时，继续占钢液总重量1/10的钢液。重复这一浇铸过程，直至钢液浇铸完毕，将离心机转速提高至300～350转/分钟，直至钢液凝固脱模。整个浇铸过程中均应通入氩气进行保护。
浇铸后的坯料应当进行内外层切削加工，内层的切削量为6mm；外层的切削量为4mm。
2)坯料切分
按照生产要求，将圆柱形坯料切分成不同宽度的扇形板坯，两侧边夹角α为5～20之间。
3)坯料平整
将扇形坯料进行压平矫直。锻压起始温度为1150℃～1250℃，终锻温度为900℃～1000℃，最初的锻压变形量为15％～25％，随后可以达到30％～50％，直至将坯料锻压成为厚度1200mm厚的矩形截面坯料。
也可以采用立辊轧机进行热轧矫平。轧制温度为950℃～1250℃之间，道次变形量小于20％。
4)轧制成形
将锻坯轧制成厚度为800mm的管线钢X80坯料，轧制温度在1250℃～850℃之间；其中：
①第一道次压下量控制在20％以下；
②后续的道次可以加大变形量，采用30％～50％的压下量反复轧制。
实施例3
横截面200mm～400mm之间的叶片钢方坯。
1)坯料浇铸
圆柱形铸坯的外径为2.0m～3.0m，厚度为300mm～700mm，浇注温度为1550℃～1570℃之间。先保持离心机转速在250～300转/分钟，浇铸占钢液总重量1/5～1/8的钢液，使其在铸模中厚度为20mm～30mm，待这些钢液温度冷却至1410℃～1460℃之间时，继续占钢液总重量1/5～1/8的钢液，使其在铸模累计厚度为40mm～60mm。重复这一浇铸过程，直至钢液浇铸完毕，将离心机转速提高至300～600转/分钟，直至钢液凝固脱模。整个浇铸过程中均应通入氩气进行保护。
浇铸后的坯料应当进行内外层切削加工，内层的切削量为3mm～6mm；外层的切削量为2mm～4mm。
2)坯料切分
按照生产要求，将圆柱形坯料切分成不同宽度的扇形板坯，两侧边夹角α为5～20之间。切割后的板坯，其宽度可达300mm～600mm。
3)锻压平整
将扇形坯料进行压平矫直。锻压起始温度为1150℃～1200℃，最初的锻压变形量为15％～25％，随后可以达到30％～50％，直至将坯料锻压成为厚度400mm～700mm厚的矩形截面坯料。
4)轧制成形
将锻坯轧制成厚度为200mm～400mm的叶片钢方坯，轧制温度在1250℃-850℃之间；其中：
①第一道次压下量控制在20％以下；
②后续的道次可以加大变形量，采用30％～50％的压下量反复轧制。
实施例4
横截面300mm～600mm之间的高温合金INCONEL600方坯。
1)坯料浇铸
圆柱形铸坯的外径为2.5m～3.5m，厚度为400mm～800mm，浇注温度为1460℃～1510℃之间。先保持离心机转速在250～300转/分钟，浇铸占钢液总重量1/4～1/6的钢液，使其在铸模中厚度为20mm～30mm，待这些钢液温度冷却至1330℃～1380℃之间时，继续占钢液总重量1/4～1/6的钢液，使其在铸模累计厚度为40mm～60mm。重复这一浇铸过程，直至钢液浇铸完毕，将离心机转速提高至300～600转/分钟，直至钢液凝固脱模。整个浇铸过程中均应通入氩气进行保护。
2)坯料切分
按照生产要求，将圆柱形坯料切分成不同宽度的扇形板坯，两侧边夹角α为5～20之间。切割后的板坯，其宽度可达400mm～700mm。
3)锻压平整
将扇形坯料进行压平矫直。锻压起始温度为1100℃～1200℃，最初的锻压变形量为15％～25％，随后可以达到30％～50％，直至将坯料锻压成为厚度300mm～600mm厚的矩形截面坯料。
4)轧制成形
将锻坯轧制成厚度为300mm～600mm的INCONEL600钢坯料，轧制温度在1250℃～850℃之间；其中：
①第一道次压下量控制在20％以下；
②后续的道次可以加大变形量，采用30％～50％的压下量反复轧制。
实施例5
横截面600mm～800mm之间的高温合金工NCONEL600方坯。
1)坯料浇铸
圆柱形铸坯的外径为3000mm～3500mm，厚度为1000mm～1200mm，浇注温度为1460℃～1510℃之间。先保持离心机转速在280～300转/分钟，浇铸占钢液总重量1/10的钢液，使其在铸模中厚度为10mm～12mm，待这些钢液温度冷却至1330℃～1380℃之间时，继续占钢液总重量1/10的钢液。重复这一浇铸过程，直至钢液浇铸完毕，将离心机转速提高至580～600转/分钟，直至钢液凝固脱模。整个浇铸过程中均应通入氩气进行保护。
2)坯料切分
按照生产要求，将圆柱形坯料切分成不同宽度的扇形板坯，两侧边夹角α为5～20之间。切割后的板坯，其宽度可达400mm～700mm。
3)锻压平整
将扇形坯料进行压平矫直。锻压起始温度为1150℃～1200℃，最初的锻压变形量为15％～25％，随后可以达到30％～50％，直至将坯料锻压成为厚度1000mm～1200mm厚的矩形截面坯料。
4)轧制成形
将锻坯轧制成厚度为600mm～800mm的INCONEL600钢坯料，轧制温度在1250℃～850℃之间；其中：
①第一道次压下量控制在20％以下；
②后续的道次可以加大变形量，采用30％～50％的压下量反复轧制。