鍛造油氣閥體用AISI 4130熱軋圓鋼的開發生產實踐

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

隨著油氣行業的發展，工礦環境日趨惡劣，鍛造閥體用鋼的要求也越來越高，既要有足夠高的強度，又要有良好的沖擊韌性和淬透性。AISI 4130鋼是ASTMA29 標準中一種合金結構鋼，廣泛用于制造鍛造油氣閥體。目前國內生產廠商主要選用連鑄坯或鋼錠進行鍛造加工，山東壽光巨能特鋼有限公司根據國外客戶需求，結合現有生產線，利用裝備優勢，組織大規格鍛造油氣閥體用AISI 4130熱軋圓鋼的研制和開發。經過對該鋼種成分設計、冶煉工藝和軋制工藝的優化及生產過程控制，產品發往國外用戶使用后，各項指標全部合格。

2 產品成分設計及工藝流程

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

根據ASTM A29 標準中AISI 4130 的化學成分要求，同時結合客戶要求，設計本次生產的化學成分內控成分見表1。

表1 AISI 4130鋼要求及內控化學成分（質量分數） %

本次使用Φ600 mm 連鑄坯生產Φ300 mm 鋼材，為防止因偏析C 含量超標，冶煉時要控制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 元素含量目標值按照上限控制，為防止端淬硬度超標，Mn 元素按照中限控制；P、S 雜質及氣體會降低鋼的韌性，影響低溫沖擊韌性，因此需要進一步減少鋼中夾雜物、有害雜質元素的含量；通過加入Al 合金促進脫氧和合金化同時有效細化晶粒［1］；通過合理成分設計，使鋼材良好的綜合力學性能獲得保證。

3 冶煉工藝操作控制

3.1 轉爐操作

轉爐出鋼鋼包使用熱周轉紅包，出鋼溫度要求控制在1 640～1 670 ℃。轉爐出鋼成分調整目標要求，P≤0.010%、C 按標準下限、Mn、Cr、Mo 按照內控下限。轉爐出鋼渣料要求按照石灰300～400 kg、預熔渣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%時鋼芯鋁加2.0 kg/t 鋼、出鋼C＞0.12%時鋼芯鋁加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，調整化學成分至內控下限，S≤0.010%，各元素收得率按100%計算，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，保持時間≥15 min；真空處理完畢，按1～1.5 m/t鋼喂硅鈣線，Al根據分析結果適量補喂；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 進行氣氛保護，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。結晶器電磁攪拌參數電流/頻率為900 A/1.6 Hz，末端電磁攪拌參數分別為550 A/4.5 Hz。保護渣使用Φ600 斷面中碳專用保護渣，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 ℃。加熱時間≥10.0 h，出鋼節奏≤6 支/h，并防止加熱缺陷［3］。

軋制及緩冷：成品尺寸按GB/T 702標準Ⅱ組控制，收集后及時入坑緩冷。軋制過程溫度控制如表2所示。

表2 軋制過程溫度控制 ℃

5 質量檢驗情況

5.1 成品化學成分檢驗

對熱軋圓鋼的成品進行化學成分檢驗，全部合格且成分均勻穩定，檢驗結果匯總見表3。

表3 成品化學成分（質量分數） %

5.2 鋼材低倍、高倍組織檢驗

根據ASTM E381、A45 標準對該澆次每爐取2片試樣進行低倍、高倍質量檢驗并統計，結果顯示其組織致密均勻，夾雜物含量低，晶粒細小，晶粒度均為6.5 級，低倍評級均為C2、R1、S1，全部合格且數據一致性好。

表明該較次產品質量穩定，達到標準及客戶要求。統計結果見表4。

表4 低倍組織、各類夾雜物及晶粒度檢驗結果 級

5.3 力學性能檢驗情況

根據ASTM A370 標準要求，在淬火、回火狀態下進行力學性能試驗，綜合力學性能好，各項指標均有較多富余量，統計結果匯總見表5。

表5 力學性能檢驗結果統計匯總

5.4 末端淬透性檢驗及DI值計算

（1）末端淬透性檢驗。根據AISI4130鋼種特性及大規格取樣對末端淬透性的影響，根據客戶要求的位置取樣，按照末端熱處理工藝（900 ℃、20 min后，裝爐計時保溫35 min 正火；到870 ℃、20 min后，裝爐計時保溫35 min淬火）進行處理檢測，檢驗結果匯總見表6。

表6 末端淬透性檢驗情況統計 HRC

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

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

6 結 語

通過優化成分設計、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生產大規格鍛造油氣閥體用AISI 4130 熱軋圓鋼。該批次產品全部發往國外客戶，用于鍛造油氣閥體。通過了解，各項指標經用戶驗證全部達標，鍛造油氣用閥體后，探傷合格率高，獲得客戶認可。