一种气阀钢53Cr21Mn9Ni4N磨光棒材的生产方法与流程

　　本发明涉及钢铁冶炼技术领域，具体涉及一种气阀钢53Cr21Mn9Ni4N的磨光棒材生产方法。

　　背景技术：

　　气阀钢53Cr21Mn9Ni4N是国标GB/T12773-2008中奥氏体气阀钢中的一种，简称为21-4N，以重量百分计含有以下成分：C：0.48～0.58％；Si：≤0.35％；Mn：8.00～10.00％；P：≤0.040％；S≤0.030％；Ni：3.25～4.50％；Cr：20.00～22.00％；N：0.35～0.50％；Cu：≤0.30％；C+N≥0.90％。

　　53Cr21Mn9Ni4N钢是以碳化物为沉淀硬化相的奥氏体耐热钢，该钢种导热性差，热胀系数大，变形抗力大，塑性比一般奥氏体耐热钢要差，属于奥氏体时效钢，也常划归于难变形钢种，生产难度大。因其含有较高的锰、镍、碳、氮和铬而具有奥氏体显微组织和高的结晶温度，从而具有高的高温强度，改善了耐热耐蚀性能，高的含锰量和含铬量使钢在室温下具有奥氏体组织；较高的碳、氮含量，产生较强的沉淀硬化效应，增强了强度、硬度和耐磨性。一般用于850℃工作的中速、大功率、中负荷发动机中，在国内外汽车排气阀中得到了广泛的应用。

　　53Cr21Mn9Ni4N气阀钢由于其具有的特性，目前国内其金属制品棒材的生产流程一般为：电炉冶炼→炉外精炼→模铸→修磨→加热→开坯(轧开坯或锻开坯)→剥皮或修磨处理→加热→轧制→热处理→矫直→磨光→检验→入库。53Cr21Mn9Ni4N产品质量要求严格，其生产工艺过程复杂，采取轧制或锻造开坯，加热修磨损耗大，开裂等现象频发，造成成材率低下，特别是热加工中出现裂纹，一直是生产厂家密切关注和棘手的问题，对于小规格的气阀钢，尺寸公差、尺寸精度控制难度更大。以上因素直接导致气阀钢53Cr21Mn9Ni4N成品率低下，影响着生产企业的经济效益。

　　技术实现要素：

　　有鉴于此，本发明的目的是提供一种气阀钢53Cr21Mn9Ni4N新的生产工艺，提高生产效率，轧制成品盘条尺寸精度控制也大大提高，并克服了53Cr21Mn9Ni4N高温塑性差、变形抗力大难以连铸的特点。

　　为达到本发明的目的，本发明的一种气阀钢53Cr21Mn9Ni4N磨光棒材的生产方法包括以下步骤：

　　S1：在电弧炉中配入废钢和高碳铬铁，镍铁等合金料，进行熔化初炼，出钢温度≥1600℃，P≤0.040％；

　　S2：AOD冶炼，氧化期吹氮与氧冶炼，当温度达到≥1660℃，C≤0.60％时，开始加入硅铁量还原操作，吹氮气合金化，调整合金成分；当成分满足标准要求，温度T≥1490℃时出钢，转LF精炼；

　　S3：LF精炼，微调成分、温度，保持白渣操作，当钢液温度达到连铸吊包温度后即可出钢；

　　S4：方坯连铸机连铸，吊包温度为：连铸**包1490～1510℃，连包1480～1500℃；浇铸过程中，钢液过热度控制在25～35℃之间，浇注时，采用结晶器与末端电磁搅拌的组合方式；出坯时连铸坯做好标识，空冷堆放；

　　S5：轧前加热，在推钢式加热炉或步进式加热炉中加热；

　　S6：高速线材轧制，开轧温度：1160～1190℃，终轧吐丝温度控制≥1050℃，吐丝后使用水喷淋强制冷却；冷却后进入收集卷，收集后进入进行打包﹑运输进入热处理工序；

　　S7：热处理；

　　S8：矫直，在53Cr21Mn9Ni4N盘条热处理后，将盘条浸入石灰涂层溶液中保持片刻，拉出，自然干燥，以表面涂层干燥、发白为准；盘条采用七辊矫直机进行矫直，直线度≤1mm/m；以及

　　S9：磨光，采用无心磨床加工，先进行粗磨，然后进行精磨达到设计要求。

　　优选的，在步骤S4中，浇注时的温度为1415-1430℃，拉速为1.3-1.0m/min。

　　再优选的，在步骤S4中，冷却控制方式为二冷区采用三段式分区配水的方式，当拉速低于1.0m/min时，二冷区三段水全部开启，三段水的配水量的比例为50％：30％：20％；比水量随着拉速自动匹配；正常拉速范围时即1.0～1.2m/min，二冷区仅开启前两段水量，其分配比例为55％：45％，总的比水量控制为0.27～0.32L/Kg钢。

　　再优选的，在步骤S5中，连铸方坯加热温度控制为：预热段≤1050℃；加热段：1030～1080℃；均热段：1170～1210℃。

　　再优选的，所述步骤S6中，线材轧制的速度控制为：一中轧出口段轧制速度为1.10～1.15m/s；预精轧出口段速度为4.78～5.64m/s，出口精轧速度为28～33m/s。

　　再优选的，所述步骤S7的热处理分为离线式热处理和在线式热处理，其中所述离线式热处理方法为：将53Cr21Mn9Ni4N热轧盘元固溶处理，固溶温度1040-1150℃，时间30-60min；冷却方式：水冷；晶粒度控制要求细于6级，试样端面硬度为32～37HRC；所述在线式热处理方法为：将53Cr21Mn9Ni4N连铸坯经高速轧机轧制，轧制加热工艺需符合步骤五所叙述的要求，盘条在吐丝后使用在线热处理方式，即入水冷却，晶粒度控制要求细于8级，试样端面硬度为31～36HRC。

　　与现有的生产工艺比较，本发明有如下优点：

　　(1)采用连铸的浇注方式，克服了53Cr21Mn9Ni4N高温塑性差、变形抗力大难以连铸的特点，替代了原有生产流程中“模铸→修磨→开坯(轧开坯或锻开坯)→剥皮或修磨处理-加热”环节(即模铸坯初轧开坯的工艺)，直接用连铸坯进行轧制，大大降低了该环节中的材料加工损耗和能耗，提高了坯料的成材率；

　　(2)采用了连铸坯直接高速线材精密轧制技术，提高了生产效率，轧制成品盘条尺寸精度控制也大大提高，实现了53Cr21Mn9Ni4N钢连铸坯直接轧制到盘条的“一火成材”；

　　(3)热处理实现了离线和在线两种方式，可根据客户质量要求进行自由选择。

　　附图说明

　　通过下面结合附图的详细描述，本发明前述的和其他的目的、特征和优点将变得显而易见。其中：

　　图1所示为本发明的气阀钢53Cr21Mn9Ni4N磨光棒材的生产方法流程示意图。

　　具体实施方式

　　参照图1所示的本发明的气阀钢53Cr21Mn9Ni4N磨光棒材的生产方法流程示意图，其生产工艺流程概括为：电炉冶炼→炉外精炼→连铸→加热→高速线材轧制→热处理(离线式/在线式两种)→矫直→磨光→检验→入库；其包括了气阀钢53Cr21Mn9Ni4N的冶炼、连铸、高线轧制、热处理到成品的完整的生产方法。结合具体实施例详细说明本发明的生产方法如下。

　　实施例一

　　生产一炉53Cr21Mn9Ni4N的盘条规格为φ6.7mm产品。其生产工艺流程如下：25t电炉冶炼→25tAOD冶炼→25tLF精炼→两流150×150mm断面小方坯连铸→加热→高速线材轧制→离线式热处理→矫直→磨光→检验合格→成品入库。具体的生产步骤如下：

　　**步：在电弧炉中配入废钢和高碳铬铁，镍铁等合金料，进行熔化初炼。出钢温度为1620℃，P：0.030％；

　　第二步：AOD冶炼，氧化期吹氮与氧冶炼，当温度达到≥1660℃，在C≤0.60％时，开始加入硅铁量还原操作，吹氮气合金化，调整合金。当成分满足标准要求，温度T≥1490℃时出钢，转LF(LADLE FURNACE，即钢包精炼炉)精炼；

　　第三步：LF精炼，微调成分、温度，保持白渣操作，当钢液温度达到连铸吊包温度后即可出钢。出钢钢水成分为：C：0.54％；Si：0.31％；Mn：8.53％；P：0.028％；S：0.007％；Ni：3.76％；Cr：21.80％；N：0.39％；出钢软吹静置10min后吊包；

　　第四步：连铸吊包温度为1507℃，浇注时，采用结晶器与末端电磁搅拌的组合方式，结晶器电磁搅拌目标参数：I(电流)＝380A，f(频率)＝～3.5Hz；末端电磁搅拌目标参数：I＝350A，f＝7～8Hz；两流开浇，起步拉速0.5m/min，待开浇正常2分钟后转为液面自动控制系统，待液面平稳后，慢慢上调拉速到1.0m/min，浇注中注意中包温降情况，当过热度30-35℃时，加大拉速至1.2m/min，尽量低温快拉，保证连铸坯质量，连铸坯定尺3米，空冷堆放；

　　第五步：轧前加热，在推钢式加热炉中加热，连铸方坯加热温度按以下要求控制：预热段≤1050℃；加热段：1050～1080℃，均热段：1180～1200℃；

　　第六步：高速线材轧制，开轧温度：1170℃，进入精轧机温度为1030℃，终轧吐丝温度为1120℃，吐丝后入水冷却。

　　一中轧出口段轧制速度1.15m/s；预精轧出口段速度控制在5.60m/s，出口段轧制速度控制在33m/s，规格为φ6.7mm±0.15mm，吐丝强制水冷后经过斯太尔摩风冷线冷却后进入收集卷，收集后打包﹑运输进入热处理工序；

　　第七步：热处理，采用离线式固溶处理，固溶温度1060-1080℃，时间50min。冷却方式：水冷。晶粒度：8-10级，试样端面硬度：32～35HRC；

　　第八步：矫直，将盘条浸入石灰涂层溶液中保持片刻，拉出，自然干燥，以表面涂层干燥、发白为准，盘条采用七辊矫直机进行矫直，控制直线度≤1mm/m；

　　第九步：磨光，采用M1080无心磨床，三粗一精，更后得到规格φ6.7mm光亮棒。

　　光亮棒热处理(固溶+时效处理)后的力学性能指标如下：

　　实施例二

　　生产一炉53Cr21Mn9Ni4N的盘条规格为φ6.5mm产品。其生产工艺流程如下：EBT电炉冶炼→AOD冶炼→LF精炼→两流150×150mm小方坯连铸→加热→高速线材轧制→在线热处理→矫直→磨光→检验合格→成品入库。具体生产步骤为：

　　**步：在电弧炉中配入废钢和高碳铬铁，镍铁等合金料，进行熔化初炼。出钢温度为1610℃，P：0.036％；

　　第二步：AOD冶炼，氧化期吹氮与氧冶炼，当温度达到≥1660℃，在C≤0.60％时，开始加入硅铁量还原操作，吹氮气合金化，调整合金。当成分满足标准要求，温度T≥1490℃时出钢，转LF精炼；

　　第三步：LF精炼，微调成分、温度，保持白渣操作，当钢液温度达到连铸吊包温度后即可出钢。出钢钢水成分为：C：0.53％；Si：0.25％；Mn：8.67％；P：0.032％；S：0.005％；Ni：3.83％；Cr：21.05％；N：0.41％；出钢软吹静置15min后吊包；

　　第四步：连铸吊包温度为1500℃，浇注时结晶器电磁搅拌参数设置为：I＝380A，f＝～3.5Hz；末端电磁搅拌参数设置为：I＝350A，f＝7～8Hz；起步拉速0.6m/min，待开浇正常3分钟后转为液面自动控制系统，液面平稳后，慢慢上调拉速到1.1m/min，浇注中注意中包温降情况，当过热度为25-30℃时，加大拉速至1.2m/min，低温快拉，保证连铸坯质量，连铸坯定尺3米，空冷堆放；

　　第五步：轧前加热，在步进式加热炉中加热，连铸方坯加热温度按以下要求控制：预热段≤1050℃；加热段：1030～1060℃，均热段：1170～1190℃；

　　第六步：高速线材轧制，开轧温度为1180℃，终轧吐丝温度为1110℃，吐丝后入水冷却。一中轧出口段轧制速度为1.10m/s；预精轧出口段速度控制在5.30m/s，出口段轧制速度控制在28m/s，规格为φ6.5mm±0.15mm，吐丝入水冷后经过斯太尔摩风冷线冷却后进入收集卷，收集后打包﹑运输进入热处理工序；

　　第七步：在线入水冷却。晶粒度：10-12级，试样端面硬度：34～37HRC；

　　第八步：矫直，将盘条浸入石灰涂层溶液中保持片刻，拉出，自然干燥，以表面涂层干燥、发白为准，盘条采用七辊矫直机进行矫直，控制直线度≤1mm/m；

　　第九步：磨光，采用M1080无心磨床，更后得到规格φ6.5mm光亮棒。

　　光亮棒热处理(固溶+时效处理)后的力学性能指标如下：

　　本发明的气阀钢53Cr21Mn9Ni4N磨光棒材的生产方法，采用连铸的浇注方式，克服了53Cr21Mn9Ni4N高温塑性差、变形抗力大难以连铸的特点，替代了原有生产流程中“模铸→修磨→开坯(轧开坯或锻开坯)→剥皮或修磨处理-加热”环节(即模铸坯初轧开坯的工艺)，直接用连铸坯进行轧制，大大降低了该环节中的材料加工损耗和能耗，提高了坯料的成材率；常规生产中采用轧制或锻造开坯，开坯和轧制前都需进行坯料的加热处理，俗称“两火成材”；本发明的制造工艺中采用了连铸坯直接高速线材精密轧制技术，提高了生产效率，轧制成品盘条尺寸精度控制也大大提高，实现了53Cr21Mn9Ni4N钢连铸坯直接轧制到盘条的“一火成材”；热处理实现了离线和在线两种方式，可根据客户质量要求进行自由选择。