CN102764936B - 一种大厚度板坯制造工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大厚度板坯制造工艺方法，属于钢铁冶金技术领域，该工艺方法利用两块以上连铸板坯坯料叠放在一起后，通过采用气体保护焊、埋弧焊和真空电子束焊三种组合焊接工艺，将坯料四周组合焊接在一起，形成一种大厚度板坯。本发明突破了现有大厚度坯料制造工艺复杂、内部质量无法保证或生产效率低下的限制性环节，提供了一种利用现有连铸板坯优质高效生产大厚度板坯的方法，操作简单、投资少、生产效率高，组织形式灵活，能够更好地满足大单重、大压缩比的大厚度钢板生产用原料要求，实现批量工业化工厂生产，尤其适用于厚度600mm以上大厚度板坯的生产，可广泛应用于各类重大技术装备用优质特厚钢板的制造。

Description

一种大厚度板坯制造工艺方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金领域，涉及一种大厚度板坯的制造工艺方法。

背景技术

大厚度板坯是指厚度大于400mm的坯料，主要用于重型机械、模具、高层建筑、压力容器、电力等重大技术装备行业用优质特厚钢板的生产制造，国内大厚度板坯的生产制造多采用大型模铸钢锭、电渣重熔板坯等形式。

传统模铸制坯生产工艺效率低，能耗高，坯料成材率低，同时由于模铸钢锭截面尺寸大，心部质量缺陷难以消除，不能满足高质量特厚钢板的质量要求。电渣重熔法生产的大型板坯，具有非常高的内部质量，适合高品质特厚钢板的生产，但是这种生产工艺效率低，需将钢坯二次熔化，消耗大量能源，导致生产成本高。

专利CN101927336A“一种大型特厚板坯及其生产方法”公开了一种采用向两块或三块连铸坯之间浇注钢水生产特厚板坯的方法，该方法需要将连铸坯表面进行清理，并粘结一层含有铝热剂和造渣剂的涂层，同时需要将钢坯预热到一定温度后浇注钢水，并采用惰性气体或保护渣进行保护浇注，工艺复杂，技术要求高，生产难度大。

专利CN102009332A“一种叠轧焊工艺生产特厚板的方法”，公开了一种采用氩弧焊将多块连铸坯料焊接后再用真空泵抽真空的方式制造大厚度板坯并轧制特厚板的方法，但这种方法的生产效率极低，且存在真空度不高、焊接部位熔深较浅容易造成破真空等缺点，且容易导致结合面在后续加工过程中生成大量氧化物而影响产品内部质量。

专利CN101590596A“一种真空复合轧制特厚板的方法”公开了一种对两块坯料结合面的四周（四条边缝）全部采用真空电子束焊接的方法来生产大厚度坯料并轧制特厚板的方法，这种方法是采用水平焊接的方式，为防止接合面处形成局部封闭空间导致后续热加工过程中产生氧化物，其首先要在坯料上焊接支撑板，然后由机械机构的支撑杆通过支撑板将坯料抬起，使复合面之间的距离达到1mm以上，同时要保持四个支撑杆的速度一致，坯料抬起后再抽真空到要求真空度，然后再下降坯料，进行真空电子束焊接。由于目前真空焊接是在大型真空室中进行，每次抽真空只能焊接一到两条边缝，一般需要多次抽真空，因此这种方法存在着操作复杂、生产效率低下，生产成本较高的问题。特别是800mm以上厚度的坯料由于需采用3块或以上的连铸坯料组焊制备，这种方法根本无法实现。

埋弧焊和气体保护焊作为低成本和高效率的焊接方式，在工业生产中特别是在钢材的焊接方面有着广泛的应用。例如，专利CN101239422A“小坡口角度全自动CO₂气保焊和埋弧焊的组合式焊接工艺”公开了一种CO₂气保焊和埋弧焊的组合式焊接方式，该组合焊接方式适用于钢结构件的焊接。钢结构的焊接仅仅是要求将两个钢结构件焊接在一起，只要保证焊接质量即可，可以采用单独的埋弧焊、气体保护焊、激光焊等多种焊接方法，该专利仅是提高钢结构焊接效率的一种方法，主要解决的是在两焊件焊缝间距8-10mm时减少清渣作业、提高焊接效率的问题，无法独立应用于大厚度板坯制备过程。

大厚度板坯制备过程中的焊接是一个全新的概念。大厚度板坯复合轧制是特厚板制造领域的一种全新工艺技术，而大厚度板坯的焊接制备是其中非常关键的一个工序，要求将两块以上经表面处理后的板坯料四周边缝焊合，形成一块大厚度板坯。在板坯四周边缝焊接过程中，由于熔深有限，而板坯中间并没有焊合，为保证大厚度板坯在轧制时四周焊缝不开裂，同时保证轧后特厚钢板的内部质量，所以对焊接质量的要求非常高，既要保证焊缝质量，又要保证在焊接时不对复合表面造成二次污染，同时还要保证板坯接合面中间没有空气存在。鉴于上述原因，大厚度板坯复合轧制工艺中大厚度坯料的制备一般都采用真空电子束焊接的方式，而不能采用单独的气保焊、单独的埋弧焊或其组合焊接工艺。另外，由于目前的大厚度板坯采用水平放置进行焊接的方式，为避免局部形成的封闭空间内气体形成氧化物夹杂，要采用专利CN101590596A所述的机械支撑方式，因此也无法采用气保焊、埋弧焊或其组合焊接工艺。

综上，现有的气保焊、埋弧焊无法独立应用于大厚度板坯复合轧制工艺中大厚度坯料的制备，而真空电子束焊接虽然可以满足上述技术要求而被广泛使用，但是真空电子束焊接又存在操作复杂、生产效率低下，生产成本较高的问题。

发明内容

本发明克服了组合连铸板坯的四条边缝全部采用全真空电子束焊接的焊接方式存在的生产成本高、操作复杂、生产效率低下的问题，提供了一种在组合连铸板坯竖直放置的条件下对连铸板坯组的三条边缝采用气体保护焊和埋弧焊，最后一条边缝在真空环境下采用真空电子束焊的焊接工艺。这种方法在保证板坯接合面质量的前提下，可以实现厚度600mm以上大厚度板坯的高效生产，广泛应用于各类重大技术装备用优质特厚钢板的制造，且大幅度降低了生产成本，提高了生产效率。

本发明通过以下技术方案实现：一种大厚度板坯制造工艺方法，其特征是，

1）以两块以上（包括两块）的连铸板坯为原料，将所有连铸板坯通过铣床、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，并将所有连铸板坯四周加工成相同尺寸（即长度、宽度相等，厚度可以不同），尺寸偏差<5mm；

2）将所有经步骤（1）表面处理的连铸板坯拟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°；

3）将经步骤（2）加工好坡口的连铸板坯叠放在一起后，旋转90°竖直放置，并组齐对正、夹紧；

4）采用气体保护焊对组齐对正、夹紧后的连铸板坯三个面上的边缝进行打底焊接，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；

5）采用埋弧自动焊对经气体保护焊打底焊接后三个面上的边缝进行填充及盖面焊接，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；

6）将最后一个面的剩余边缝在高真空下采用真空电子束进行焊接，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。

本发明的有益效果是：

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，在不对接合面产生污染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；因此相对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，在充分考虑了这些焊接方式的突出优势，并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（特别是对接合面的洁净度要求）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，避免了接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、本发明进一步实验证明，本发明的大厚度板坯制造工艺可以完全替代全真空环境下的制造工艺，所生产的大厚度板坯及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，生产效率大幅提高一倍以上，生产组织形式灵活，适用于大批量工业化生产大厚度板坯，尤其是适用于厚度≥800mm（全真空电子束焊接无法批量生产）的板坯生产，能够较好地满足各类重大技术装备行业的用钢需求。

附图说明

图1为本发明大厚度板坯制造工艺示意图；其中：①为气体保护焊，②为埋弧焊，③为真空电子束焊接；

图2为实施例1的铸坯结合面金相组织图；

图3为实施例1的铸坯基体金相组织图；

图4为实施例2的铸坯结合面金相组织图；

图5为实施例2的铸坯基体金相组织图。

具体实施方式

以下结合具体钢板生产实施例，对此种大厚度板坯的制造工艺作详细描述。

实施例1：生产180mm厚Q345B钢板

1)将生产好的两支300mm厚Q345B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，并将两支板坯加工成相同尺寸。

2）将表面加工好的连铸板坯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30°。

3）将加工好的连铸板坯叠放在一起后，旋转90°竖直放置，并组齐对正、夹紧。

4）采用气体保护焊的焊接方式，对连铸板坯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，保护气体为CO₂，保护气体流量20L/min，熔深15mm。

5）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，一次性焊接完成。

6）将剩余一条边缝在高真空度下采用真空电子束焊接，最终形成600mm大厚度坯料。焊接电压100KV，真空度1.5×10^-2Pa，焊接电流300mA，焊接速度150mm/min，熔深35mm；

7）对焊接好的600mm大厚度坯料采用车底式炉加热，出炉温度控制在1160～1280℃。

8）轧制过程中采用二阶段轧制法，第一阶段开轧温度1000～1150℃，第二阶段开轧温度820～920℃，中间坯厚度300mm。

9）轧后钢板采用弱水冷却，冷却速度<5℃/S，表面返红温度620～780℃。

10）对钢板进行正火热处理，热处理温度850～950℃，保温系数1.2～2.0min/mm。

利用该工艺生产的钢板内部质量优良，铸坯结合面与基体的微观金相组织一致（见图2、图3），各项性能检测指标优异（见表1），生产效率得到大幅度提升，生产成本明显降低（见表2）。

表1实施例1钢板性能检测数据汇总表

表2两种焊接方式主要指标对比

实施例2：生产400mm厚Q345B特厚钢板

1)将生产好的三支300mm厚Q345B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，并加工成相同尺寸。

2）将表面加工好的连铸板坯拟焊接面的三条边利用火焰切割方法加工坡口，坡口深度30mm，坡口角度30°。

3）将加工好的坯料叠放在一起后，旋转90°竖直放置，并组齐对正、夹紧。

4）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六条边缝进行打底焊接，焊丝直径2.0mm，焊接电压20V，焊接电流200A，焊接速度500mm/min，焊丝干伸长度25mm，保护气体为CO₂，保护气体流量20L/min，熔深12mm。

5）将经气体保护焊打底焊接后的六条边缝，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500A，焊接350mm/min，焊丝干伸长度30mm，熔深20mm。

6）将剩余两条边缝在高真空度下采用真空电子束焊接，最终形成900mm大厚度坯料。焊接电压100KV，真空度1.5×10^-2Pa，焊接电流300mA，焊接速度150mm/min，熔深32mm。

7）对焊接好的大厚度坯料采用车底式炉进行加热，出炉温度控制在1160～1280℃。

8）轧制过程中采用高温低速大压下的方法进行轧制。轧制温度>1000℃，轧制速度<30rpn，单道次压下率不低于10%。

9）轧后钢板采用弱水冷却，冷却速度<5℃/S，表面返红温度620～780℃。

10）对钢板进行正火热处理，热处理温度850～950℃，保温系数1.2～2.0min/mm。

利用该工艺生产的钢板内部质量优良，铸坯结合面与基体的微观金相组织一致（见图4、图5），各项性能检测指标优异（见表3），生产效率得到大幅度提升，生产成本明显降低（见表4）。

表3实施例2钢板性能检测数据汇总表

表4两种焊接方式主要指标对比

Claims (5)

1.一种大厚度板坯制造工艺方法，其特征是，包括以下步骤：

1）以两块以上的连铸板坯为原料，将所有连铸板坯四周加工成相同尺寸；

2）将所有经步骤（1）表面处理的连铸板坯拟焊接面的三条边加工坡口，坡口深度10-40mm，坡口角度15-35°；

3）将经步骤（2）加工好坡口的连铸板坯叠放在一起后，旋转90°竖直放置，并组齐对正、夹紧；

4）采用气体保护焊对组齐对正、夹紧后的连铸板坯三个面上的边缝进行打底焊接，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，保护气体为CO₂或Ar+CO₂，保护气体流量15-25L/min，熔深5-20mm；

5）采用埋弧自动焊对经气体保护焊打底焊接后三个面上的边缝进行填充及盖面焊接，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；

6）将最后一个面的剩余边缝在高真空下采用真空电子束进行焊接，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。

2.如权利要求1所述的大厚度板坯制造工艺方法，其特征是，所述大厚度板坯的厚度≥800mm。

3.如权利要求1或2所述的大厚度板坯制造工艺方法，其特征是，所述坡口加工方式为火焰切割或刨、铣方式。

4.如权利要求1或2所述的大厚度板坯制造工艺方法，其特征是，所述步骤（1）要将所有连铸板坯的待复合面进行表面处理，实现表面洁净。

5.如权利要求4所述的大厚度板坯制造工艺方法，其特征是，所述表面处理采用铣床或刨床处理。