CN109797343A - 一种适用于极寒地区的低合金高强度热轧钢带及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于极寒地区的低合金高强度热轧钢带及其制备方法，以重量百分比计，其化学成份为：C:0.06～0.10％，Si:0.6～0.7％，Mn:1.40～1.70％，Nb:0.015～0.025％，Ti:0.005～0.010％，Mg:0.004～0.007％，P≤0.010％，S≤0.010％，Al≤0.002％，N:0.002～0.005％，余量为Fe及不可避免的夹杂。所述制备方法包括以下步骤：KR法铁水脱S→双联转炉脱P、脱C→LF精炼炉→板坯连铸→加热炉内钢坯再加热→粗轧、精轧→超快冷→层流冷却→卷取。本发明解决了超快速冷却工艺易出现轧材组织不均匀现象的问题。

Description

一种适用于极寒地区的低合金高强度热轧钢带及其制备方法

技术领域

本发明属于板带钢生产技术领域，具体涉及一种适用于极寒地区的低合金高强度热轧钢带及其生产方法。

背景技术

西伯利亚等极寒地区的最低温度能达到-60℃以下，由于该地区储存有大量的石油、天然气等资源，国际上对该地区的开采力度也越来越大，开采设备及其附属建筑大部分由钢铁制成，相应的该地区所使用的钢铁在-60℃低温下也需具备良好的力学性能。

钢材存在韧脆转变温度，低于该温度下，钢材的断裂方式由韧性断裂转变为脆性断裂，即出现低温脆性现象，本来韧性良好的钢失去了应有的韧性，变得像玻璃棒一样脆而易折，研究表明，降低钢材中C、P元素的含量、细化轧材晶粒、提高轧材组织中的针状铁素体含量均能降低韧脆转变温度，使得钢材在极寒地区也有良好的力学性能，但在实际的钢铁生产中如何通过经济高效的方法生产出耐极寒地区温度的钢材，目前还没有公开的技术。

有学者提出利用氧化物冶金技术来诱导析出晶内针状铁素体来提高钢材的低温冲击性能的理论，该理论是通过在钢材中形成大量的细小MgO、TiO₂、CaO、ZrO₂类夹杂物来诱导析出针状铁素体，但在实际的钢铁生产流程中还没有成熟的工艺技术来生成大量细小夹杂物。目前也有报道采用轧后超快冷技术来细化铁素体组织，但由于超快速冷却过程中轧材表面和心部温差大，若超快冷终止温度和冷却速度控制不当会出现轧材表面和心部组织不一致现象。

中国专利201610871499.2《一种船板钢钢液镁处理工艺》提高一种镁处理技术，其技术为：首先，确定镁处理的工位与时机：在LF工序合金微调后或在RH工序真空处理后加入Mg-Al-Fe合金包芯线；其次，根据钢种酸溶铝含量，在保证Mg-Al-Fe合金包芯线镁处理效果的前提下，协调配置喂铝量和镁处理喂线量；然后，进行镁处理：在LF或RH工序中，采用包芯线喂入法向船板钢钢液中加入Mg-Al-Fe合金包芯线，最终获得成品钢水，应用在船板钢精炼过程中，能够控制船板钢洁净度和钢中夹杂物成分、数量、粒度及其分布，提高船板钢洁净度和非金属夹杂物控制水平，从而改善船板钢的力学性能及其稳定性。该申请喂入Mg-Al-Fe合金包芯线，生成的夹杂物为镁铝尖晶石(MgO·Al₂O₃)，MgO·Al₂O₃夹杂物易聚集长大且易堵塞连铸的浸入式水口，夹杂物细化效果不明显，且影响连铸的正常运行。

中国专利201610178135.6《一种提高镁收得率的氧化物控制方法》公开一种提高镁收得率的氧化物控制方法，属于炼钢技术领域，该发明方法中，在RH工位向钢包内喂入Ti-Fe合金包芯线添加合金元素Ti，钢包吊至回转台后，控制钢液中的自由氧含量在10-18ppm范围内，钢液过热度为20-30℃，在连铸工位向钢包内喂入Ni-Mg合金包芯线添加合金元素Mg，并以0.4MPa的压力软搅拌3min，合金元素Mg收得率能够稳定在1 5-30％，制得的板坯中的氧化物以Mg-Ti系列复合氧化物为主，其中尺寸≤2.0μm的氧化物占所有上述氧化物的比例达到83％及以上，尺寸≤2.0μm的氧化物的体积密度达到3.7×10⁵个/mm³及以上。但在生产实践中发现，利用该技术控制在自由氧含量在10-18ppm范围内喂入含镁合金生成的Mg-Ti系列复合氧化物数量偏少，细小夹杂物数量不够，轧材中晶内针状铁素体含量少，在自由氧含量在10-18ppm范围内喂入含镁合金不合理。

发明内容

为了解决以上技术的不足，本发明提供一种适用于极寒地区的低合金高强度热轧钢带及其生产方法。

为达到上述目的，本发明提供的适用于极寒地区的低合金高强度热轧钢带，以重量百分比计，其化学成份为：

C:0.06～0.10％，Si:0.6～0.7％，Mn:1.40～1.70％，Nb:0.015～0.025％，Ti：0.005～0.010％，Mg:0.004～0.007％，P≤0.010％，S≤0.010％，Al≤0.002％，N:0.002～0.005％，余量为Fe及不可避免的夹杂。

本发明中化学成分对钢带性能的影响：

C：降低钢水中C含量会提高钢材低温冲击性能，但会降低钢材屈服强度，并且C含量低于0.05％会增加钢材冶炼成本，在综合考虑下控制钢水中C含量为0.06～0.10％。

N：在传统钢中氮是杂质元素，但是，N和Nb、Ti反应生成(Nb、Ti)N，(Nb、Ti)N能阻止奥氏体晶粒长大，起到细化晶粒的效果，(Nb、Ti)N还能起到沉淀强化提高钢材强度的效果。因此本发明中氮控制范围为：0.002-0.005％。

Si：硅能起到固溶强化的效果，能提高钢材强度，本发明中采用Si来控制钢水氧位，在精炼炉钢水温度下，与0.6～0.7％的Si平衡的溶解氧含量约为20～30ppm，因此，本发明中控制硅含量范围为：0.6～0.7％。

S：硫是杂质元素，会引起钢材热脆性，并引起钢材的各向异性，S含量越低越好，考虑到冶炼成本，本发明中S含量的控制范围为：≤0.010％。

Ti：钛是强碳、氮和硫化物的形成元素，Ti与N的结合能力大于Nb，TiN的生成能抑制奥氏体晶界处NbN的生成，从而解决含铌钢铸坯裂纹问题，但Ti与O的结合能力较强，为达到控制钢水中溶解氧含量约为20～30ppm的效果，只能加入微量的Ti，因此，本发明中控制钛含量范围为：0.005～0.01％。

Nb:铌能起到强烈的细晶强化和沉淀强化的效果，本申请中需要采用Nb、Ti微合金化增加40Mpa的强化效果，由于Ti控制在0.005～0.010％，根据Nb、Ti的强化效果，因此，本发明中控制铌含量范围为：0.015～0.025％。

Mn:锰能提高钢材强度并且不会降低钢材韧性，但Mn含量过高会引起轧材出现带状组织，因此，本发明中控制锰含量范围为：1.40～1.70％。

P:磷显著的恶化钢材的韧性，对于寒冷地区使用的钢材需要控制钢水中P尽量低，考虑到冶炼成本，本发明中控制磷含量范围为：P≤0.010％

Mg：本申请通过钢材内生成MgO夹杂来诱导生成晶内针状铁素体组织，以此来提高钢材的低温冲击性能，因此需要钢材中有一定范围的镁含量，考虑到冶炼成本，本发明中控制镁含量范围为：Mg:0.004～0.007％

Al:本申请通过钢材内生成MgO夹杂来诱导生成晶内针状铁素体组织，但MgO易和Al₂O₃夹杂发生反应生成镁铝尖晶石(MgO·Al₂O₃)，MgO·Al₂O₃夹杂物易聚集长大且易堵塞连铸的浸入式水口，因此需尽量降低钢水中Al含量，本发明中控制铝含量范围为：Al≤0.002％

本发明还提供一种适用于极寒地区的低合金高强度热轧钢带的制造方法，其包括以下步骤：

其工艺流程为：KR法铁水脱S→双联转炉脱P、脱C→LF精炼炉→板坯连铸→加热炉内钢坯再加热→粗轧、精轧→超快冷→层流冷却→卷取；具体生产工艺为：

1)采用KR机械搅拌法对铁水进行脱硫，石灰消耗量为5～8kg/吨铁，将铁水硫脱至0.01％以下；然后经双联转炉对铁水进行深脱P和深脱碳，将铁水中P脱至0.007％以下，铁水中C脱至0.006％以下，在脱碳转炉钢水出至五分之一时，分批加入硅钙钡、硅锰、硅铁、铌铁进行脱氧合金化，钢水出至四分之三时加完，硅钙钡加入量为3～5kg/t钢，硅锰加入量23～27kg/t钢，硅铁加入量6～8kg/t钢，铌铁加入量0.3～0.5kg/t钢；

2)然后经LF精炼炉对钢水进行温度、成份、纯净度的调整，采用硅钙钡和CaC对钢水进行脱氧，精炼炉渣造出黄白渣后向钢水中加入含Ti合金调整Ti成份，精炼终点炉渣中T·Fe含量≤1％，在软吹氩前控制钢水中溶解氧氧位在20～30ppm范围内，在钢坯的整个制造流程中不加入含铝的脱氧剂，控制钢坯成份中Al≤0.002％，钢水成份、温度、钢水溶解氧氧位、精炼炉渣氧化性满足要求后，对钢水进行软吹氩操作以促进大尺寸夹杂物的上浮，软吹氩7～9分钟后向钢液中喂入镁锰线生成大量细小MgO夹杂物，镁锰线成份为：Mg：10wt％～15wt％，Mn：30wt％～80wt％，Fe为余量，控制钢水中Mg含量为：0.004～0.007％，喂入镁锰线后继续软吹氩2～3分钟均匀钢水成份，然后将钢水运至连铸工位进行板坯浇铸。

镁锰线起到深脱氧和细化夹杂的作用，所生成的MgO夹杂物不易聚集长大，尺寸小于5μm的夹杂物数量占夹杂物总数量的99％以上，钢材中尺寸0.05～5μm尺寸的夹杂物数量为4000～10000个/mm²。

3)连铸操作过程中全程保护浇铸，结晶器断面为175mm×(950～1350)mm，结晶器内加低碳保护渣，铸坯拉速为1.2～1.3m/min，保持稳定拉速。

为了解决MgO夹杂易引起的连铸水口结瘤问题，采用不与MgO夹杂起化学反应且不易吸附MgO夹杂的连铸水口内腔内衬，连铸过程中中间包至结晶器间的浸入式水口内腔的内衬材质为氧化锆质，浸入式水口内腔的内衬成分为氧化锆：92％～95％、氧化钇：3～5％、碳：2～3％、氧化铝≤0.5％、氧化镁≤0.5％。

4)在加热炉内对所述钢坯进行再加热，入炉板坯加热制度具体要求见表1。

表1板坯加热制度

5)对所述再加热的钢坯进行粗轧，粗轧采用单机架轧机进行往返5道次轧制，粗轧开轧温度：1180～1220℃，粗轧之后使用热卷箱对中间坯进行保温和均热，减小中间坯头尾温差，中间坯温度：1050～1080℃。之后在A_r3以上的温度下对中间坯进行精轧，精轧采用7架轧机连续轧制，精轧终轧温度：840～880℃，通条温差控制在30℃以内，成品轧材厚度为2～15mm。

精轧后立即将轧材进行超快速冷却，将轧材平均温度冷却至720～760℃，冷却速度为100～200℃/S，然后将轧材进行层流冷却，将轧材冷却至640～680℃，冷却速度为10～15℃/S，然后将轧材空冷至卷取温度，卷取温度为620～660℃，不同厚度规格的轧材轧后冷却制度要求见表2。

表2轧材轧后冷却制度

与常规的钢铁冶炼工艺相比，本发明提供的制造方法有以下几点不同：

(1)钢材成分设计时采用低碳、低磷、铌钛复合的技术方案，低碳、低磷能提高钢材的低温冲击性能，通过加入少量的Nb、Ti来细化晶粒和提高强度，而且加入少量的Ti能抑制含铌钢铸坯裂纹的发生。

(2)采用双联转炉对钢水进行深脱P和深脱碳，将钢水中P脱至0.007％以下，钢水中C脱至0.006％以下。

双联转炉为采用两座转炉对钢水进行深脱磷和深脱碳处理，钢水经脱磷转炉处理后，钢水中的P含量被脱至0.025％以下，然后钢水经过钢包周转被重新兑入脱碳转炉内，由于脱磷转炉内的脱磷炉渣不会被倒入脱碳转炉，脱碳转炉内造新炉渣后炉渣中磷含量低，所以脱碳炉内炉渣和钢水之间的脱磷反应可以继续进行，能继续将钢水中P含量脱至0.007％以下，磷含量低能显著提高钢材的低温冲击性能。

(3)在LF精炼的软吹氩之前控制钢水中溶解氧氧位在20～30ppm范围内，在钢坯的整个制造流程中不加入含铝的脱氧剂，控制钢坯成份中Al≤0.002％。

本申请采用镁质脱氧剂来细化夹杂物，所以在加入镁质脱氧剂之前需在钢水中预留足够的溶解氧来生成MgO夹杂，以达到生成足够数量的细小MgO夹杂的效果，所以在LF精炼的软吹氩之前控制钢水中溶解氧氧位在20～30ppm范围内。由于镁质脱氧剂脱氧后生成的MgO夹杂物易与Al₂O₃生成镁铝尖晶石MgO·Al₂O₃夹杂物，MgO·Al₂O₃夹杂物易聚集长大且易堵塞连铸的浸入式水口，所以需要严格控制钢水中Al含量，在钢坯的整个制造流程中不加入含铝的脱氧剂。

(4)LF精炼临近结束的软吹氩分为两个阶段，软吹氩前7～9分钟的作用为促进大尺寸夹杂物上浮去除，软吹氩7～9分钟后向钢液中喂入镁锰线生成大量细小的MgO夹杂，镁锰线成份为：Mg：10wt％～15wt％，Mn：30wt％～80wt％，Fe为余量，控制钢水中Mg含量为：0.004～0.007％，喂入镁锰线后继续软吹氩2～3分钟均匀钢水成份，然后将钢水运至连铸工位进行板坯浇铸。

镁锰线起到深脱氧和细化夹杂的作用，所生成的MgO夹杂物不易聚集长大，尺寸小于5um的MgO夹杂物数量占夹杂物总数量的99％以上，钢材中尺寸0.05～5um尺寸的夹杂物数量为4000～10000个/mm²。

本申请采用镁质脱氧剂来细化夹杂物，镁质脱氧剂脱氧后生成的MgO夹杂物相互之间吸引力小，MgO夹杂物不易聚集长大，细小的MgO夹杂在轧后冷却过程中能够诱导析出晶内针状铁素体，在奥氏体晶粒内形成的多个针状铁素体能分割奥氏体晶粒，使得生成的针状铁素体晶粒更加细小化，并且生成的针状铁素体晶粒的位向排列为不同的方向，针状铁素体呈纵横交错的形貌。一般情况下针状铁素体在非金夹杂物处非均匀形核，然后从这个形核地点向许多不同的方向辐射生长。由于其组织为连锁结构，能很好地阻止裂纹的扩展，故具有很好的力学性能，特别是韧性，能显著提高钢材的低温冲击性能。典型的针状铁素体形貌如下图1所示。

(5)连铸过程中中间包至结晶器间的浸入式水口内腔的内衬材质为氧化锆质(ZrO₂)，浸入式水口内腔的内衬成分为氧化锆：92％～95％、氧化钇：3～5％、碳：2～3％、氧化铝≤0.5％、氧化镁≤0.5％。

本申请提供技术中将钢水中夹杂物控制为MgO夹杂，MgO和ZrO₂均为强碱性离子化合物，MgO和ZrO₂难以起化学反应；并且MgO与ZrO₂为不同分子类型的物质，根据相似相熔原理和不相似难相熔原理，MgO与ZrO₂难以互相熔合在一起；所以MgO夹杂难以在内衬材质为氧化锆质(ZrO₂)的浸入式水口内腔上聚集生长，不会发生浸入式水口堵塞现象，连铸浇铸能稳定顺行。

(6)在热轧工序中，控制精轧终轧温度在840～880℃范围内，精轧后立即将轧材进行超快速冷却，将轧材平均温度冷却至720～760℃，冷却速度为100～200℃/S，然后将轧材进行层流冷却，将轧材冷却至640～680℃，冷却速度为10～15℃/S，然后将轧材空冷至卷取温度，卷取温度为620～660℃。

轧后立即将钢材超快速冷却至铁素体相变点温度，由于冷却时间短，轧件迅速通过奥氏体区，奥氏体晶粒内部的位错来不及回复，保持轧件奥氏体硬化状态，轧材内部的变形能得以保存，能极大的提高后续铁素体相变的形核数量，细化铁素体晶粒；由于超快速冷却过程中轧材表面温度低于轧材平均温度约50～100℃，将轧材平均温度冷却至720～760℃时，轧材表面温度仍能达到650℃以上，在该温度下轧材表面不会发生贝氏体转变，能保持轧材组织的均匀性，防止轧材表面是贝氏体、轧材心部是珠光体+铁素体现象的出现。

轧材经过超快速冷却后进行层流冷却，冷却速度为10～15℃/S，该冷速范围大于珠光体转变冷速，但小于贝氏体转变冷速，该冷速范围为针状铁素体的冷速范围，能促进晶内针状铁素体形成。

卷取温度为620～660℃，在该温度下轧材不发生贝氏体转变，轧材组织为针状铁素体+少量珠光体。

本发明的优点

1、本发明采用氧化物冶金技术来诱导晶内针状铁素体的析出，晶内针状铁素体有利于提高钢材的低温冲击性能。本发明通过细小的MgO夹杂来实现氧化物冶金技术，详细论述了生成大量细小MgO夹杂物的方法、防止MgO夹杂物引起浸入式水口堵塞的方法、轧后促使晶内针状铁素体析出的冷却制度，将氧化物冶金技术从理论迈向实践，实现氧化物冶金技术的工程化。

2、本发明采用超快冷技术来细化铁素体晶粒，轧材在精轧结束温度至铁素体相变温度之间的区间内采取极快的冷却速度进行冷却，使得轧材内部的变形能得以保存，能极大的提高后续铁素体相变的形核数量，细化铁素体晶粒；同时为了形成均匀的针状铁素体+少量珠光体组织，防止轧材心部和表面的不一致，本申请设计了超快速冷却的终止温度为720～760℃，在该终止温度下轧材表面的温度高于贝氏体转变温度，在随后的层流冷却过程中，轧材心部和表面的温度差值进一步缩小，在层流冷却终止温度为640～680℃的情况下，能实现在轧材水冷过程中表面无贝氏体组织的出现，能保持轧材组织的均匀性，防止轧材表面是贝氏体、轧材心部是珠光体+铁素体现象的出现，解决了超快速冷却工艺易出现轧材组织不均匀现象的问题。

3、钢材成分设计时采用低碳、低磷、铌钛复合的技术方案，低碳、低磷能提高钢材的低温冲击性能，通过加入少量的Nb、Ti来细化晶粒和提高强度，而且加入少量的Ti能抑制含铌钢铸坯裂纹的发生。

附图说明

图1为典型的针状铁素体组织形貌图。

具体实施方式

本说明书中公开得任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或者类似特征中的一个例子而已。所述仅仅是为了帮助理解本发明，不应该视为对本发明的具体限制。

实施例的钢坯成份见下表3；

表3实施例钢坯成份

实施例的工艺流程采用发明内容部分所述的工艺流程，实施例的轧制及轧后冷却工艺见下表4；

表4实施例的轧制及轧后冷却工艺

实施例轧材的夹杂物密度、力学性能、组织见下表5；

表5实施例轧材的夹杂物密度、力学性能、组织

实施例1～5的轧材力学性能均满足俄标GOST 19281-2014和GOST 27772-2015规定的345系列钢材的力学性能，且-60℃的低温冲击韧性大于200J，远大于标准要求，呈现出良好的低温韧性指标；轧材内部0.05～5um尺寸的夹杂物密度为5000～9000个/mm²，细小夹杂物数量多，能起到良好的诱导析出晶内针状铁素体的效果；轧材表面和心部的组织相同，由于轧材在厚度方向上呈现均匀一致的组织，轧材受力过程中表面和心部的变形也会均匀，不会出现应力集中的现象，轧材延伸率高；轧材晶粒度10～12级，晶粒细，低温冲击性能好。

本发明的工艺参数(如温度、时间等)区间上下限取值以及区间值都能实现本法，在此不一一列举实施例。

本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种适用于极寒地区的低合金高强度热轧钢带，其特征在于，以重量百分比计，其化学成份为：

C:0.06～0.10％，Si:0.6～0.7％，Mn:1.40～1.70％，Nb:0.015～0.025％，Ti:0.005～0.010％，Mg:0.004～0.007％，P≤0.010％，S≤0.010％，Al≤0.002％，N:0.002～0.005％，余量为Fe及不可避免的夹杂。

2.权利要求1所述适用于极寒地区的低合金高强度热轧钢带的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

KR法铁水脱S→双联转炉脱P、脱C→LF精炼炉→板坯连铸→加热炉内钢坯再加热→粗轧、精轧→超快冷→层流冷却→卷取；

其中，

采用镁质脱氧剂来细化夹杂物，在LF精炼的软吹氩之前控制钢水中溶解氧氧位在20～30ppm范围内；

LF精炼临近结束的软吹氩分为两个阶段，软吹氩前7～9分钟的作用为促进大尺寸夹杂物上浮去除，软吹氩7～9分钟后向钢液中喂入镁锰线生成大量细小的MgO夹杂，控制钢水中Mg含量为：0.004～0.007％，喂入镁锰线后继续软吹氩2～3分钟均匀钢水成份，然后将钢水运至连铸工位进行板坯浇铸；

连铸过程中中间包至结晶器间的浸入式水口内腔的内衬材质为氧化锆材质。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，采用KR机械搅拌法对铁水进行脱硫，石灰消耗量为5～8kg/吨铁，将铁水硫脱至0.01％以下；然后经双联转炉对铁水进行深脱P和深脱碳，将铁水中P脱至0.007％以下，铁水中C脱至0.006％以下，在脱碳转炉钢水出至五分之一时，分批加入硅钙钡、硅锰、硅铁、铌铁进行脱氧合金化，钢水出至四分之三时加完，硅钙钡加入量为3～5kg/t钢，硅锰加入量23～27kg/t钢，硅铁加入量6～8kg/t钢，铌铁加入量0.3～0.5kg/t钢。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，加热炉内钢坯再加热，入炉板坯加热制度具体为：

出钢温度1180-1220℃；均热段温度控制1200-1260℃，加热段温度控制1210-1280℃，预热段温度控制1000-1150℃；冷坯加热时间≥130min，热坯加热时间≥100min。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在热轧工序中，控制精轧终轧温度在840～880℃范围内，精轧后立即将轧材进行超快速冷却，将轧材平均温度冷却至720～760℃，冷却速度为100～200℃/S，然后将轧材进行层流冷却，将轧材冷却至640～680℃，冷却速度为10～15℃/S，然后将轧材空冷至卷取温度，卷取温度为620～660℃。