CN108866422A - 一种高塑韧性螺纹钢及其制备方法 - Google Patents

一种高塑韧性螺纹钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及钢铁冶炼领域，提供一种高塑韧性螺纹钢及其制备方法，用于提高螺纹钢的塑韧性。本发明提供的一种高塑韧性螺纹钢及其制备方法，依次包括电炉冶炼、炉外精炼、连铸、热轧、冷却、切割和平头工序，所述的电炉冶炼工序中，将生铁、铝锭和钒锭共熔搅拌，电炉冶炼到炉外精炼的过程中加入硅铁和锰铁合金，在炉外精炼工序中加入磷铁，所述的生铁900~1000质量份，所述的铝锭0.2~60质量份，所述的钒锭0.5~3.5质量份，所述的硅铁5~9质量份，所述的锰铁合金30~50质量份，所述的磷铁10~25质量份。将C、Mn、Ni、P、Cu同Fe复配制成的合金，可以有效的提高螺纹钢的强度，同时并不会影响螺纹钢的强度。

Description

一种高塑韧性螺纹钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及钢铁冶炼领域，具体涉及一种高塑韧性螺纹钢及其制备方法。
背景技术
具有非常高的强度和断裂韧性的组合的时效硬化马氏体钢是已知的。在已知的钢中包括在美国专利号4076525和美国专利号5087415中描述的那些。前者被称为AF1410合金，后者以注册商标AERMET出售。这些合金提供的非常高的强度和韧性的组合是它们的组成的结果，其中包含显著量的镍、钴、钼，这些元素通常是最昂贵的合金元素。因此，相比其他不包含这些元素的合金，这些钢以高得多的溢价出售。
在螺纹钢受到外部冲击时，材料的韧性大小和抗冲击能力非常关键，如果韧性较差，抗冲击能力较小，则会对材料的质构产生破坏性影响。此时，如果材料具有非常高的冲击韧性，则可以避免上述危害的产生。
CN103502498A公开了一种高强度、高韧性钢。所述合金具有如下重量百分比组分：元素C0.30-0.47、Mn0.8-1.3、Si1.5-2.5、Cr1.5-2.5、Ni3.0-5.0、Mo+1/2W0.7-0.9、Cu0.70-0.90、Co最多0.01、V+(5/9)×Nb0.10-0.25、Ti最多0.005、Al最多0.015，Fe余量。余量中包括为相似用途和性能制造的商品级钢中常见的杂质，包括不超过约0.01％的磷，不超过约0.001％的硫。还公开了一种调质制品，其具有非常高的强度和断裂韧性。该发明可以有效的提高钢材的韧性，但是配方较为复杂，同时钢材的韧性同强度的平衡点不易把握。
发明内容
本发明解决的技术问题为提高螺纹钢的塑韧性，提供一种高塑韧性螺纹钢及其制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
一种高塑韧性螺纹钢制备方法，依次包括电炉冶炼、炉外精炼、连铸、热轧、冷却、切割和平头工序，所述的电炉冶炼工序中，将生铁、铝锭和钒锭共熔搅拌，电炉冶炼到炉外精炼的过程中加入硅铁和锰铁合金，在炉外精炼工序中加入磷铁，所述的生铁900~1000质量份，所述的铝锭0.2~60质量份，所述的钒锭0.5~3.5质量份，所述的硅铁5~9质量份，所述的锰铁合金30~50质量份，所述的磷铁10~25质量份。
C是钢材中最基本的强化元素，C含量每增加0.01%，钢的抗拉强度增加约10MPa；Mn主要用于增加钢材强度，同时降低矿石中S损害；Al、V都可以有效的提高钢材的塑性或韧性，通过碳粉、磷铁、硅铁、锰铁合金、镍锭、铜锭同生铁冶炼来提高钢材的耐腐蚀效果。
将C、Mn、Al、P、V同Fe复配制成的合金，可以有效的提高螺纹钢的强度，同时并不会影响螺纹钢的强度。
优选地，所述的生铁950~1000质量份，所述的铝锭55~60质量份，所述的钒锭2.5~3.5质量份，所述的硅铁6~9质量份，所述的锰铁合金35~50质量份，所述的磷铁15~25质量份。
优选地，所述的生铁950质量份，所述的铝锭55质量份，所述的钒锭2.5质量份，所述的硅铁6质量份，所述的锰铁合金35质量份，所述的磷铁15质量份。
优选地，所述铝锭为改性铝锭。改性铝可以显著的提高钢材的韧性。
优选地，所述的改性铝锭通过以下方法制得：
取铝锭90~120质量份，真空熔融后加入改性剂5~10质量份搅拌1~3h后浇铸成型；
所述的改性剂包括碳纳米管2~4质量份，纯铝粉末15~20质量份，纳米氧化铈1~3质量份，纳米氧化铜2~6质量份，三氧化二铬2~8质量份；将碳纳米管同纳米氧化铈、纳米氧化铜和三氧化二铬混合后同纯铝粉末在真空下球磨，所得的混合粉末加入乙醇中混合均匀，50℃超声2~4h，再冷却、抽滤，用去离子水清洗所得固体物质，所得固体物质经过真空干燥后的粉末即改性剂。
碳纳米管同金属氧化物混合可以增强碳纳米管同铝粉的复合效果，之后同铝粉球磨可以使得碳纳米管预分散到铝粉中，进而加入到乙醇中混合均匀，超声使得碳纳米管充分的分散到铝粉中，同铝粉复合，得到改性剂。
优选地，改性Al通过以下方法制得：
取铝锭100~120质量份，真空熔融后加入改性剂8~10质量份搅拌2~3h后浇铸成型；
所述的改性剂包括碳纳米管3~4质量份，纯铝粉末18~20质量份，纳米氧化铈2~3质量份，纳米氧化铜4~6质量份，三氧化二铬6~8质量份；将碳纳米管同纳米氧化铈、纳米氧化铜和三氧化二铬混合后同纯铝粉末在真空下球磨，所得的混合粉末加入乙醇中混合均匀，50℃超声3~4h，再冷却、抽滤，用去离子水清洗所得固体物质，所得固体物质经过真空干燥后的粉末即改性剂。。
优选地，改性Al通过以下方法制得：
取铝锭100质量份，真空熔融后加入改性剂8质量份搅拌2h后浇铸成型；
所述的改性剂包括碳纳米管3质量份，纯铝粉末18质量份，纳米氧化铈2质量份，纳米氧化铜4质量份，三氧化二铬6质量份；将碳纳米管同纳米氧化铈、纳米氧化铜和三氧化二铬混合后同纯铝粉末在真空下球磨，所得的混合粉末加入乙醇中混合均匀，50℃超声3h，再冷却、抽滤，用去离子水清洗所得固体物质，所得固体物质经过真空干燥后的粉末即改性剂。
直接将碳纳米管或者金属氧化物加入到螺纹钢中作为生产原料，会导致各种物质的用量显著增大，同时搅拌时间增加，显著的增加的螺纹钢的生产成本，而通过改性铝进而改性螺纹钢，可以进一步提高螺纹钢的韧性的同时有效的控制成本，也不会降低改性效果。
改性铝同Fe、Mn、Si、V共熔，改性铝中碳纳米管和金属氧化物进入熔融体系中，铝和碳纳米管分散到钢液内部，提高螺纹钢的韧性。
优选地，所述的电炉冶炼工序中，包括第一和第二加热工序，第一加热工序中，预热800~900℃；第二加热工序，快速升温至1000~1350℃。先预热可以有效降低各物质混合不均匀的情况，快速升温可以有效的提高产率。
优选地，出钢到1/5~1/4时加入碳粉，出钢过程中氩气搅拌0.1~0.3MPa。C可以有效的提高钢材的强度，保证螺纹钢的正常使用，氩气搅拌搅拌不宜过于剧烈。
一种高塑韧性螺纹钢，根据上述的制备方法制得的螺纹钢。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：将C、Mn、Ni、P、Cu同Fe复配制成的合金，可以有效的提高螺纹钢的强度，同时并不会影响螺纹钢的强度；碳纳米管或者金属氧化物通过改性铝进而改性螺纹钢，可以进一步提高螺纹钢的韧性的同时有效的控制成本，也不会降低改性效果。
具体实施方式
以下实施列是对本发明的进一步说明，不是对本发明的限制。
实施例1
一种高塑韧性螺纹钢及其制备方法，所述的生铁950质量份，所述的铝锭55质量份，所述的钒锭2.5质量份，所述的硅铁6质量份，所述的锰铁合金35质量份，所述的磷铁15质量份。所述铝锭为改性铝锭。
改性Al通过以下方法制得：
取铝锭100质量份，真空熔融后加入改性剂8质量份搅拌2h后浇铸成型；
所述的改性剂包括碳纳米管3质量份，纯铝粉末18质量份，纳米氧化铈2质量份，纳米氧化铜4质量份，三氧化二铬6质量份；将碳纳米管同纳米氧化铈、纳米氧化铜和三氧化二铬混合后同纯铝粉末在真空下球磨，所得的混合粉末加入乙醇中混合均匀，50℃超声3h，再冷却、抽滤，用去离子水清洗所得固体物质，所得固体物质经过真空干燥后的粉末即改性剂。依次包括电炉冶炼、炉外精炼、连铸、热轧、冷却、切割和平头工序，所述的电炉冶炼工序中，将Fe、Mn、Si、Al、V共熔搅拌，在炉外精炼工序中加入磷铁。出钢到1/4时加入碳粉，出钢过程中氩气搅拌0.3MPa。所述的电炉冶炼工序中，包括第一和第二加热工序，第一加热工序中，预热900℃；第二加热工序，快速升温至1350℃。
C是钢材中最基本的强化元素，C含量每增加0.01%，钢的抗拉强度增加约10MPa；Mn主要用于增加钢材强度，同时降低矿石中S损害；Al、V都可以有效的提高钢材的塑性或韧性，通过碳粉、磷铁、硅铁、锰铁合金、镍锭、铜锭同生铁冶炼来提高钢材的耐腐蚀效果。
将C、Mn、Ni、P、Cu同Fe复配制成的合金，可以有效的提高螺纹钢的强度，同时并不会影响螺纹钢的强度。改性铝可以显著的提高钢材的韧性。
碳纳米管同金属氧化物混合可以增强碳纳米管同铝粉的复合效果，之后同铝粉球磨可以使得碳纳米管预分散到铝粉中，进而加入到乙醇中混合均匀，超声使得碳纳米管充分的分散到铝粉中，同铝粉复合，得到改性剂。
直接将碳纳米管或者金属氧化物加入到螺纹钢中作为生产原料，会导致各种物质的用量显著增大，同时搅拌时间增加，显著的增加的螺纹钢的生产成本，而通过改性铝进而改性螺纹钢，可以进一步提高螺纹钢的韧性的同时有效的控制成本，也不会降低改性效果。先预热可以有效降低各物质混合不均匀的情况，快速升温可以有效的提高产率。
C可以有效的提高钢材的强度，保证螺纹钢的正常使用，氩气搅拌搅拌不宜过于剧烈。先预热可以有效降低各物质混合不均匀的情况，快速升温可以有效的提高产率。
实施例2
实施例2和实施例1不同之处在于，依次包括电炉冶炼、炉外精炼、连铸、热轧、冷却、切割和平头工序，所述的电炉冶炼工序中，将生铁、铝锭和钒锭共熔搅拌，电炉冶炼到炉外精炼的过程中加入硅铁和锰铁合金，在炉外精炼工序中加入磷铁，所述的生铁900质量份，所述的铝锭0.2质量份，所述的钒锭0.5质量份，所述的硅铁5质量份，所述的锰铁合金30质量份，所述的磷铁10质量份。
实施例3
实施例3和实施例1不同之处在于，依次包括电炉冶炼、炉外精炼、连铸、热轧、冷却、切割和平头工序，所述的电炉冶炼工序中，将生铁、铝锭和钒锭共熔搅拌，电炉冶炼到炉外精炼的过程中加入硅铁和锰铁合金，在炉外精炼工序中加入磷铁，所述的生铁1000质量份，所述的铝锭60质量份，所述的钒锭3.5质量份，所述的硅铁9质量份，所述的锰铁合金50质量份，所述的磷铁25质量份。
实施例4
实施例4和实施例1不同之处在于，所述的改性铝锭通过以下方法制得：
取铝锭90质量份，真空熔融后加入改性剂5质量份搅拌1h后浇铸成型；
所述的改性剂包括碳纳米管2质量份，纯铝粉末15质量份，纳米氧化铈1质量份，纳米氧化铜2质量份，三氧化二铬2质量份；将碳纳米管同纳米氧化铈、纳米氧化铜和三氧化二铬混合后同纯铝粉末在真空下球磨，所得的混合粉末加入乙醇中混合均匀，50℃超声2h，再冷却、抽滤，用去离子水清洗所得固体物质，所得固体物质经过真空干燥后的粉末即改性剂。
实施例5
实施例5和实施例1不同之处在于，所述的改性铝锭通过以下方法制得：
取铝锭120质量份，真空熔融后加入改性剂10质量份搅拌3h后浇铸成型；
所述的改性剂包括碳纳米管4质量份，纯铝粉末20质量份，纳米氧化铈3质量份，纳米氧化铜6质量份，三氧化二铬8质量份；将碳纳米管同纳米氧化铈、纳米氧化铜和三氧化二铬混合后同纯铝粉末在真空下球磨，所得的混合粉末加入乙醇中混合均匀，50℃超声4h，再冷却、抽滤，用去离子水清洗所得固体物质，所得固体物质经过真空干燥后的粉末即改性剂。
实施例6
实施例6和实施例1不同之处在于，所述的电炉冶炼工序中，包括第一和第二加热工序，第一加热工序中，预热800~900℃；第二加热工序，快速升温至1000~1350℃。出钢到1/5~1/4时加入碳粉，出钢过程中氩气搅拌0.1~0.3MPa。
实施例7
实施例7和实施例1不同之处在于，所述的铝未改性。
实施例8
实施例8和实施例1不同之处在于，所述的改性铝中未加入碳纳米管。
实施例9
实施例9和实施例1不同之处在于，所述的改性铝中未加入纳米氧化铜、纳米氧化铈和三氧化二铬。
实验例
通过分析实施例1~5和实施例6~9制备的螺纹钢的塑性和韧性性能来筛选优选方案。
冲击功用于评价螺纹钢的韧性，延伸率用于评价螺纹钢的塑性，同时测定各实施例的抗拉强度。
表 1 螺纹钢力学性能
延伸率（%） 冲击功（J） 抗拉强度（MPa）
实施例1 51 251 612
实施例2 42 213 545
实施例3 50 260 555
实施例4 43 239 542
实施例5 49 244 551
实施例6 47 238 599
实施例7 27 146 505
实施例8 28 152 513
实施例9 33 187 506
表中韧性为-40℃测试时冲击功平均值。
实施例1~6均采用改性铝作为螺纹钢的制备原料，可以看出实施例1~6的塑性和韧性性能显著优于实施例7~9，表明了改性铝对提高螺纹钢塑韧性的显著作用。同时采用本发明的制备方法，螺纹钢的强度并未发生改变，应用的领域并未因制备方法的改变而受到限制。
实施例1是实施例1~6中较优的实施方案，其塑性或韧性的提升效果显著的优于实施例7，同时抗拉强度同实施例6相比略有上升，表明了改性的镍中添加碳纳米管和纳米金属氧化物的对提高螺纹钢的塑性/韧性有着显著的作用；实施例2和3中各种原料的添加量不同，实施例2的添加量偏低，导致其塑性和韧性同实施例1和3相比均较差，但仍显著的优于实施例7~9，实施例3的各种原料添加量偏高，但是塑韧性提升效果并未显著的优于实施例1，同时成本较高，因此实施例1是更优的实施方案。
实施例4和5主要是铝改性过程中，不同原料添加量对螺纹钢力学性能的影响，可以看出实施例4同实施例1的差别较大，表明添加量不宜过低，实施例5同实施例1的差别不大，表明在本发明的优选实施范围内，钢材塑韧性的提高使较为显著的，当原料的添加达到一定量后本发明的技术方案带来的塑性/韧性的提高效果并不会发生显著的改变，同时力学性能也较为稳定。
实施例6同实施例1想比，不同之处在于冶炼的方式不同，各种温度偏低，但实施例6对刚才塑韧性的改善效果仍较为明显，表明本发明对螺纹钢塑韧性的提高主要是同原料的配比实现的，冶炼制备方法的影响较小。
实施例7中未添加改性铝，其塑性或韧性性能均较差，进一步说明了本发明中铝改性的必要性；实施例8不含碳纳米管，其塑性和韧性较实施例6有所提高，但幅度有限；实施例9仅添加了碳纳米管，同实施例7相比，塑性或韧性的提升较为显著，表明碳纳米管可能对螺纹钢塑性或韧性的提高起着更为关键的作用。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，以上实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (10)

1.一种高塑韧性螺纹钢制备方法，依次包括电炉冶炼、炉外精炼、连铸、热轧、冷却、切割和平头工序，其特征在于，所述的电炉冶炼工序中，将生铁、铝锭和钒锭共熔搅拌，电炉冶炼到炉外精炼的过程中加入硅铁和锰铁合金，在炉外精炼工序中加入磷铁；所述的生铁900~1000质量份，所述的铝锭0.2~60质量份，所述的钒锭0.5~3.5质量份，所述的硅铁5~9质量份，所述的锰铁合金30~50质量份，所述的磷铁10~25质量份。
2.根据权利要求1所述的高塑韧性螺纹钢制备方法，其特征在于，所述的生铁950~1000质量份，所述的铝锭55~60质量份，所述的钒锭2.5~3.5质量份，所述的硅铁6~9质量份，所述的锰铁合金35~50质量份，所述的磷铁15~25质量份。
3.根据权利要求2所述的高塑韧性螺纹钢制备方法，其特征在于，所述的生铁950质量份，所述的铝锭55质量份，所述的钒锭2.5质量份，所述的硅铁6质量份，所述的锰铁合金35质量份，所述的磷铁15质量份。
4.根据权利要求2所述的高塑韧性螺纹钢制备方法，其特征在于，所述铝锭为改性铝锭。
5.根据权利要求1所述的高塑韧性螺纹钢制备方法，其特征在于，所述的改性铝锭通过以下方法制得：
取铝锭90~120质量份，真空熔融后加入改性剂5~10质量份搅拌1~3h后浇铸成型；
所述的改性剂包括碳纳米管2~4质量份，纯铝粉末15~20质量份，纳米氧化铈1~3质量份，纳米氧化铜2~6质量份，三氧化二铬2~8质量份；将碳纳米管同纳米氧化铈、纳米氧化铜和三氧化二铬混合后同纯铝粉末在真空下球磨，所得的混合粉末加入乙醇中混合均匀，50℃超声2~4h，再冷却、抽滤，用去离子水清洗所得固体物质，所得固体物质经过真空干燥后的粉末即改性剂。
6.根据权利要求1所述的高塑韧性螺纹钢，其特征在于，改性Al通过以下方法制得：
取铝锭100~120质量份，真空熔融后加入改性剂8~10质量份搅拌2~3h后浇铸成型；
所述的改性剂包括碳纳米管3~4质量份，纯铝粉末18~20质量份，纳米氧化铈2~3质量份，纳米氧化铜4~6质量份，三氧化二铬6~8质量份；将碳纳米管同纳米氧化铈、纳米氧化铜和三氧化二铬混合后同纯铝粉末在真空下球磨，所得的混合粉末加入乙醇中混合均匀，50℃超声3~4h，再冷却、抽滤，用去离子水清洗所得固体物质，所得固体物质经过真空干燥后的粉末即改性剂。
7.根据权利要求1所述的高塑韧性螺纹钢，其特征在于，改性Al通过以下方法制得：
取铝锭100质量份，真空熔融后加入改性剂8质量份搅拌2h后浇铸成型；
所述的改性剂包括碳纳米管3质量份，纯铝粉末18质量份，纳米氧化铈2质量份，纳米氧化铜4质量份，三氧化二铬6质量份；将碳纳米管同纳米氧化铈、纳米氧化铜和三氧化二铬混合后同纯铝粉末在真空下球磨，所得的混合粉末加入乙醇中混合均匀，50℃超声3h，再冷却、抽滤，用去离子水清洗所得固体物质，所得固体物质经过真空干燥后的粉末即改性剂。
8.根据权利要求1所述的一种高塑韧性螺纹钢制备方法，其特征在于，所述的电炉冶炼工序中，包括第一和第二加热工序，第一加热工序中，预热800~900℃；第二加热工序，快速升温至1000~1350℃。
9.根据权利要求1所述的一种高塑韧性螺纹钢制备方法，其特征在于，出钢到1/5~1/4时加入碳粉，出钢过程中氩气搅拌0.1~0.3MPa。
10.一种高塑韧性螺纹钢，其特征在于，包括权利要求1~9任一项所述的制备方法制得的螺纹钢。
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