鍛造油氣閥體用AISI 4130熱軋圓鋼的開發(fā)生產(chǎn)實(shí)踐

馬玉超，王萬春，呂秋影

（山東壽光巨能特鋼有限公司，山東 壽光262711）

1 前 言

隨著油氣行業(yè)的發(fā)展，工礦環(huán)境日趨惡劣，鍛造閥體用鋼的要求也越來越高，既要有足夠高的強(qiáng)度，又要有良好的沖擊韌性和淬透性。AISI 4130鋼是ASTMA29 標(biāo)準(zhǔn)中一種合金結(jié)構(gòu)鋼，廣泛用于制造鍛造油氣閥體。目前國內(nèi)生產(chǎn)廠商主要選用連鑄坯或鋼錠進(jìn)行鍛造加工，山東壽光巨能特鋼有限公司根據(jù)國外客戶需求，結(jié)合現(xiàn)有生產(chǎn)線，利用裝備優(yōu)勢，組織大規(guī)格鍛造油氣閥體用AISI 4130熱軋圓鋼的研制和開發(fā)。經(jīng)過對該鋼種成分設(shè)計(jì)、冶煉工藝和軋制工藝的優(yōu)化及生產(chǎn)過程控制，產(chǎn)品發(fā)往國外用戶使用后，各項(xiàng)指標(biāo)全部合格。

2 產(chǎn)品成分設(shè)計(jì)及工藝流程

工藝流程：BOF→LF→VD→CC→鑄坯緩冷→軋制→材緩冷→理化檢驗(yàn)→表面檢查、修磨→無損探傷→包裝入庫。

根據(jù)ASTM A29 標(biāo)準(zhǔn)中AISI 4130 的化學(xué)成分要求，同時(shí)結(jié)合客戶要求，設(shè)計(jì)本次生產(chǎn)的化學(xué)成分內(nèi)控成分見表1。

表1 AISI 4130鋼要求及內(nèi)控化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

本次使用Φ600 mm 連鑄坯生產(chǎn)Φ300 mm 鋼材，為防止因偏析C 含量超標(biāo)，冶煉時(shí)要控制C 元素含量范圍；DI值要求≥89.4 mm，為保證淬透性及DI 值，Cr、Mo 元素含量目標(biāo)值按照上限控制，為防止端淬硬度超標(biāo)，Mn 元素按照中限控制；P、S 雜質(zhì)及氣體會降低鋼的韌性，影響低溫沖擊韌性，因此需要進(jìn)一步減少鋼中夾雜物、有害雜質(zhì)元素的含量；通過加入Al 合金促進(jìn)脫氧和合金化同時(shí)有效細(xì)化晶粒［1］；通過合理成分設(shè)計(jì)，使鋼材良好的綜合力學(xué)性能獲得保證。

3 冶煉工藝操作控制

3.1 轉(zhuǎn)爐操作

轉(zhuǎn)爐出鋼鋼包使用熱周轉(zhuǎn)紅包，出鋼溫度要求控制在1 640～1 670 ℃。轉(zhuǎn)爐出鋼成分調(diào)整目標(biāo)要求，P≤0.010%、C 按標(biāo)準(zhǔn)下限、Mn、Cr、Mo 按照內(nèi)控下限。轉(zhuǎn)爐出鋼渣料要求按照石灰300～400 kg、預(yù)熔渣350 kg、螢石100～150 kg 加入。脫氧劑在出鋼10～15 t后加入包中，鐵合金料、增碳劑、渣料隨后加入包中；出鋼C≤0.12%時(shí)鋼芯鋁加2.0 kg/t 鋼、出鋼C＞0.12%時(shí)鋼芯鋁加1.5 kg/t 鋼；鋼包自由空間≥600 mm，出鋼擋渣良好，無下渣。

3.2 LF爐操作

鋼包到位送電后，補(bǔ)加石灰200～400 kg、螢石適量，后加入電石20～40 kg、鋁粒10～20 kg、碳化硅30～50 kg，鋼渣形成良好。取樣分析，調(diào)整化學(xué)成分至內(nèi)控下限，S≤0.010%，各元素收得率按100%計(jì)算，確保Al按0.040%～0.045%控制。出鋼溫度連鑄第一爐按照T=TL＋（160～180）℃控制；連澆爐次按照T=TL＋（140～160）℃控制。

3.3 VD爐操作

真空度≤67 Pa，保持時(shí)間≥15 min；真空處理完畢，按1～1.5 m/t鋼喂硅鈣線，Al根據(jù)分析結(jié)果適量補(bǔ)喂；軟吹≥20 min，避免大流量吹氬。

3.4 連 鑄

中包在開澆前充氬5 min 進(jìn)行氣氛保護(hù)，中包烘烤良好。連鑄第一爐上臺溫度按照T=TL＋（90～100）℃控制；連澆爐次按照T=TL＋（60～80）℃控制。結(jié)晶器電磁攪拌參數(shù)電流/頻率為900 A/1.6 Hz，末端電磁攪拌參數(shù)分別為550 A/4.5 Hz。保護(hù)渣使用Φ600 斷面中碳專用保護(hù)渣，中包覆蓋劑使用高堿度中包覆蓋劑［2］。

3.5 鑄坯緩冷

鑄坯入坑加蓋緩冷≥48 h，入坑溫度≥550 ℃，出坑溫度≤250 ℃。

4 軋鋼工藝操作

加溫度控制：預(yù)熱段爐溫控制在700 ℃以下，加熱一段爐溫控制700～1 100 ℃，加熱二段爐溫控制1 230～1 260 ℃，均熱段爐溫控制1 240～1 260 ℃。加熱時(shí)間≥10.0 h，出鋼節(jié)奏≤6 支/h，并防止加熱缺陷［3］。

軋制及緩冷：成品尺寸按GB/T 702標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ組控制，收集后及時(shí)入坑緩冷。軋制過程溫度控制如表2所示。

表2 軋制過程溫度控制 ℃

5 質(zhì)量檢驗(yàn)情況

5.1 成品化學(xué)成分檢驗(yàn)

對熱軋圓鋼的成品進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn)，全部合格且成分均勻穩(wěn)定，檢驗(yàn)結(jié)果匯總見表3。

表3 成品化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

5.2 鋼材低倍、高倍組織檢驗(yàn)

根據(jù)ASTM E381、A45 標(biāo)準(zhǔn)對該澆次每爐取2片試樣進(jìn)行低倍、高倍質(zhì)量檢驗(yàn)并統(tǒng)計(jì)，結(jié)果顯示其組織致密均勻，夾雜物含量低，晶粒細(xì)小，晶粒度均為6.5 級，低倍評級均為C2、R1、S1，全部合格且數(shù)據(jù)一致性好。

表明該較次產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)及客戶要求。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

表4 低倍組織、各類夾雜物及晶粒度檢驗(yàn)結(jié)果 級

5.3 力學(xué)性能檢驗(yàn)情況

根據(jù)ASTM A370 標(biāo)準(zhǔn)要求，在淬火、回火狀態(tài)下進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，綜合力學(xué)性能好，各項(xiàng)指標(biāo)均有較多富余量，統(tǒng)計(jì)結(jié)果匯總見表5。

表5 力學(xué)性能檢驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)匯總

5.4 末端淬透性檢驗(yàn)及DI值計(jì)算

（1）末端淬透性檢驗(yàn)。根據(jù)AISI4130鋼種特性及大規(guī)格取樣對末端淬透性的影響，根據(jù)客戶要求的位置取樣，按照末端熱處理工藝（900 ℃、20 min后，裝爐計(jì)時(shí)保溫35 min 正火；到870 ℃、20 min后，裝爐計(jì)時(shí)保溫35 min淬火）進(jìn)行處理檢測，檢驗(yàn)結(jié)果匯總見表6。

表6 末端淬透性檢驗(yàn)情況統(tǒng)計(jì) HRC

（2）DI值計(jì)算。按照客戶要求DI值≥89.4 mm。該澆次9 個(gè)爐號按照成品熔煉成分計(jì)算，DI 值在89.4～94 mm，全部符合客戶要求。

對該批Φ300 mm 產(chǎn)品進(jìn)行100%超聲波探傷，探傷等級為D（Φ4 平底孔），既保證了產(chǎn)品出廠合格率，又為客戶后續(xù)鍛造成品合格率提供了保證。

6 結(jié) 語

通過優(yōu)化成分設(shè)計(jì)、制定合理的冶煉工藝和軋制工藝路線，山東壽光巨能特鋼有限公司成功開發(fā)生產(chǎn)大規(guī)格鍛造油氣閥體用AISI 4130 熱軋圓鋼。該批次產(chǎn)品全部發(fā)往國外客戶，用于鍛造油氣閥體。通過了解，各項(xiàng)指標(biāo)經(jīng)用戶驗(yàn)證全部達(dá)標(biāo)，鍛造油氣用閥體后，探傷合格率高，獲得客戶認(rèn)可。