CN112011738B - 一种低成本复合稀土结构钢及其生产方法 - Google Patents

一种低成本复合稀土结构钢及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种低成本复合稀土结构钢及其生产方法，涉及冶金技术领域，通过添加合适的稀土化合物起到微合金化作用，能够降低贵金属元素的加入量，细化晶粒与析出强化，实现材料强度、塑性和低温韧性的提升；该方法包括：转炉：终点碳含量>0.04％，终点温度1640±15℃；精炼：钙处理；RH真空处理：加入稀土真空循环复压软吹后上钢；连铸：液相线温度为1521℃，第一包中间包钢水过热度25～35℃，拉速：1.0～1.2m/min；热轧：板坯加热温度1180～1220℃；在炉时间180～300min；先粗轧后精轧再冷却。本发明提供的技术方案适用于结构钢生产的过程中。

Description

一种低成本复合稀土结构钢及其生产方法
【技术领域】
本发明涉及冶金技术领域，尤其涉及一种低成本复合稀土结构钢及其生产方法。
【背景技术】
进入21世纪，市场逐渐对高强度、高韧性和产品的减量化发展提出了较高的要求，要求结构钢应具备承受大型建筑、船舶等在服役阶段脆性破坏和抗震强度的能力，广泛地应用在工程机械、起重机械设备、船舶、管线钢等领域。稀土元素作为一系列廉价的微合金元素，在钢中起净化钢液、变质夹杂物机理，从而细化目标晶粒组织，有效地提高材料的强度、塑性和韧性指标，开发出一种低成本稀土型结构钢产品。
专利201310669853.X公开了一种稀土处理的高强度工程机械用钢板，具有良好的低温冲击性能和Z向性能，经过稀土处理改变夹杂物形态，细化组织晶粒，屈服强度大于460MPa，-20℃时低温冲击韧性大于200J，但未涉及降低其他合金元素的量，原料成本高。
专利201811397212.2公开了一种稀土处理的铁路车厢用Q450NQR1型钢及其制备方法，主要说明在国标基础上添加稀土元素，使该钢板具有优良的耐腐蚀性，提高了产品的使用寿命，没有研究稀土取代或少量替代其中某种贵金属的性能变化，研究过于单一，且不利于工业低成本化发展要求。
专利201811335977.3公开了一种稀土处理的耐低温X80M管线钢及其制备方法为确保管道低温安全运行，添加稀土元素后，可以提升材料的低温冲击性能和落锤剪切面积，但未阐述稀土元素作用机理特点。
因此，有必要研究一种低成本复合稀土结构钢及其生产方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
【发明内容】
有鉴于此，本发明提供了一种低成本复合稀土结构钢及其生产方法，通过添加合适的稀土化合物起到微合金化作用，能够降低贵金属元素的加入量，细化晶粒与析出强化，实现材料强度、塑性和低温韧性的提升。
一方面，本发明提供一种低成本复合稀土结构钢，其特征在于，所述复合稀土结构钢以质量百分比计，其化学成分为：C 0.06～0.07％，Si≤0.050％，Mn 1.35～1.45％，P≤0.015％，S≤0.005％，Nb 0.020～0.030％，Ti 0.020～0.030％，Als 0.030～0.040％，Ca0.0010～0.0030％，RE 0.0025～0.0050％，余量为Fe及其它原料残留元素。
另一方面，本发明提供一种低成本复合稀土结构钢的生产方法，其特征在于，所述生产方法用于生产如权利要求1所述的复合稀土结构钢；
所述生产方法通过加入稀土元素来全部或部分替代贵金属元素，在钢种起到净化钢液以及细化晶粒、析出强化的作用。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述生产方法的步骤包括：
S1、转炉：终点碳含量大于0.04％，终点温度1640±15℃；
S2、精炼：喂入钙线进行钙处理；
S3、RH真空处理：加入稀土后真空循环预定时间后复压，软吹一定时间后上钢；
S4、连铸：钢的液相线温度为1521℃，第一包中间包钢水过热度为25～35℃；铸机采用恒拉速，拉速范围：1.0～1.2m/min；
S5、热轧，该工艺包括：
S5.1、加热：加热温度控制在1180～1220℃；在炉时间控制在180～300min；
S5.2、轧制：先粗轧后精轧；粗轧采用3+3模式或者1+5模式，粗轧终轧温度≤1100℃；精轧开轧温度控制在950～1050℃；终轧温度控制在800～830℃；
S5.3、冷却：钢带冷却速度控制在15～25℃均匀冷却，卷取温度在520～560℃。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S1的内容还包括：采用锰铁和/或硅铁合金进行合金化，终脱氧采用铝铁脱氧。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S2的内容还包括：在LF炉进行造渣、脱氧、脱硫及去除夹杂物的过程控制，根据钢水成分加入锰铁、硅铁和/或铌铁合金微调钢水成分到目标范围；所述目标范围为与所述的低成本复合稀土结构钢的组分相对应的范围。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S3的具体内容包括：加入La-Ce复合稀土铁合金，真空循环3min复压，保证软吹7～8min后上钢；软吹期间钢包渣面保持平静，不得有钢水液面裸露在空气中。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S5.2中1+5模式具体为：1#粗轧机轧制1道次，2#粗轧机轧制5道次；3+3模式具体为：1#粗轧机轧制3道次，2#粗轧机轧制3道次。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S5.2中精轧工艺采用2250mm精轧机轧制。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S5.3中采用加密层流冷却工艺。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S5.2中粗轧之前和精轧之前均进行高压水除磷操作。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：通过添加合适的稀土化合物起到微合金化作用，能够降低贵金属元素的加入量，通过形成的稀土细小颗粒，替代铌、钛与碳、氮形成的细小化合物，阻止晶粒的长大，起到细化晶粒与析出强化的机理，实现材料强度、塑性和低温韧性的提升；复合稀土结构钢的各项性能富余量较大，添加稀土元素的该材料对后续焊接工艺及抗腐蚀性也会起到较好的效果。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明一个实施例提供的不同复合稀土元素与未添加稀土元素热轧钢的金相组织形貌图。
【具体实施方式】
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本发明阐释RE成分系低成本制备结构钢的工艺及方法，RE为稀土元素简称。以稀土元素替代常用的贵金属元素为理念，结合控轧控轧控冷工艺，确定添加适量的稀土化合物数量，形成弥散、细小的稀土析出颗粒替代铌、钛的碳氮化合物，补偿降低贵金属元素损失的强度指标；说明适量的复合稀土化合物形成的第二项颗粒物质进一步拖曳晶界，细化晶粒尺寸，增加组织的位错密度，进一步提升材料的低温冲击韧性，降低材料的韧脆转变温度，从而实现合适的稀土化合物替代其他贵金属元素，开发出一种低成本复合稀土型结构钢产品。
一种低成本复合稀土结构钢，以质量百分比计，其化学成分为：C 0.06～0.07％，Si≤0.050％，Mn 1.35～1.45％，P≤0.015％，S≤0.005％，Nb 0.020～0.030％，Ti 0.020～0.030％，Als 0.030～0.040％，Ca 0.0010～0.0030％，RE 0.0025～0.0050％，余量为Fe及原料中其它残留元素。
加入的稀土元素作为一系列廉价的微合金元素，在钢中优先与钢液中的[S]和[O]反应，起到净化钢液、变质夹杂物机理的作用，从而细化目标晶粒组织，有效地提高材料的强度、塑性和韧性指标，开发出一种低成本稀土型结构钢产品。
稀土元素与钢液中的[S]和[O]反应，具体反应如下：
RE+3[O]+[Al]＝CeAlO3
RE+[O]+[S]＝REO2S
其中，形成大颗粒的稀土复合夹杂物，使夹杂物上浮到渣中，起到深度净化钢液的作用；而适量的复合稀土元素具有相互的耦合机制，进一步变质钢液中链状、棱角状的夹杂物，形成椭球状或近似球状的稀土复合颗粒，钉扎晶界，阻碍晶粒长大。
一种低成本复合稀土结构钢的生产方法，包括：
步骤1：转炉工序：终点碳含量控制大于0.04％，终点温度1640±15℃，提高钢水洁净度；
步骤2：精炼工序：喂入钙线进行钙处理；
步骤3：RH真空处理工序：加入稀土后真空循环3min复压，保证软吹7～8min后上钢；稀土元素为稀土La和Ce；
软吹一般以生产实际钢液面为参照，观测液面的变化情况，钙处理后即算软吹(吹Ar)时间，7～8min是经验分析数据获得，具有一定的理论指导；
步骤4：连铸工序：该钢种液相线温度为1521℃，第一包中间包钢水过热度25～35℃，铸机采用恒拉速，控制范围：1.0～1.2m/min；
步骤5：热轧工序：板坯加热温度控制在1180～1220℃，在炉时间控制在180～300min；粗轧采用3+3模式或者1+5模式；精轧开轧温度控制在950～1050℃；终轧温度控制在800～830℃；卷取温度在520～560℃。
热轧工序具体包括：
步骤5.1：加热制度：板坯加热温度控制在1200±20℃，在炉时间控制在≥180min，保证铸坯中合金成分固溶及充分奥氏体化；均热温度为1190～1230℃，均热时间为35～60min；
步骤5.2：轧制工艺：采用高压水除磷，压力机定宽，E1R1粗轧机轧制和E2R2粗轧机轧制；粗轧模式选择1#粗轧机轧制1道次，2#粗轧机轧制5道次；或1#粗轧机轧制3道次，2#粗轧机轧制3道次；粗轧机终轧温度≤1100℃；飞剪；高压水除磷；2250mm精轧机轧制，精轧开轧温度控制在950～1050℃；终轧温度控制在800～830℃；进一步保证道次变形量及合适的温度控制，确定成品的组织类型。
步骤5.3：冷却制度：采用加密层流冷却，钢带冷却速度控制在15～25℃均匀冷却，保证稀土颗粒物质弥散、均匀析出，组织的均匀性；卷取温度在520～560℃。
本发明具有的优势包括：
1)对于结构钢生产，采用加入微量复合稀土元素，结合2250mm在线控轧控冷工艺，降低贵金属元素的加入量，通过形成的稀土细小颗粒，替代铌、钛与碳、氮形成的细小化合物，阻止晶粒的长大，起到细化晶粒与析出强化的机理，实现材料强度、塑性和低温韧性的提升，应用前景广泛。
2)本发明采用加入适量的稀土复合化合物替代其他微合金元素制备的低成本复合稀土结构钢的各项性能富余量较大，添加稀土元素的该材料对后续焊接工艺及抗腐蚀性能也会起到较好的效果。
实施例1：
1.材料的冶炼
1.1转炉：终点碳含量控制大于0.04％，终点温度1640±15℃，提高钢水洁净度；该钢种采用锰铁、硅铁等合金进行合金化，终脱氧采用铝铁脱氧。
1.2精炼：LF炉进行造渣、脱氧、脱硫及去除夹杂物过程控制，根据钢水成分加入锰铁、硅铁、铌铁等合金微调钢水成分到目标范围，喂入钙线进行钙处理。
1.3 RH处理工序：加入La-Ce复合稀土铁合金后真空循环3min复压，保证软吹7～8min后上钢；真空处理结束后进行软吹，软吹期间钢包渣面保持平静，不得有钢水液面裸露在空气中。
1.4连铸：该钢种液相线温度为1521℃，第一包中间包钢水过热度25～35℃，铸机采用恒拉速，控制范围：1.0～1.2m/min。
2.控轧控冷工艺
采用步进式加热炉加热铸坯，具体工艺见表1，粗轧采用3+3模式或者1+5模式，精轧采用F1～F7。
轧制阶段：精轧开轧温度控制在950～1050℃；终轧温度控制在800～830℃；卷取温度在520～560℃。
表1铸坯加热工艺参数
铸坯厚度mm 加热温度℃ 在炉时间min 均热温度℃ 均热时间min 出炉温度℃
230 1180～1220 180～300 1190～1230 35～60 1200±20
下面对采用本申请生产方法生产的复合稀土结构钢的性能进行分析：
根据本申请的生产工艺，冶炼后规格产品的化学成分见表2所示。由RE的含量可以表现出稀土添加量的变化，稀土含量从0ppm(对比例)到56ppm(实施例3)，稀土量越来越大。
表2材料化学成分
C Si Mn P S Nb Al<sub>S</sub> Ti Ca RE
对比例 0.07 0.03 1.44 0.012 0.003 0.030 0.028 0.025 0.0008 0
实施例1 0.06 0.02 1.52 0.015 0.001 0.025 0.033 0.027 0.0001 0.0036
实施例2 0.06 0.03 1.48 0.010 0.001 0.024 0.040 0.029 0.0001 0.0047
实施例3 0.08 0.02 1.52 0.013 0.002 0.023 0.037 0.026 0.0004 0.0056
按照上述成分设计和本申请的热轧工艺，材料性能见表3。
表3拉伸性能和冲击性能
Figure BDA0002638482230000091
产品的金相组织主要为铁素体，具体组织形貌如图1所示，复合稀土元素为36ppm时，较未加稀土(0ppm RE)铁素体组织细小；更优于合稀土元素为47ppm和56ppm的，即当稀土含量超过36ppm时，随着稀土元素量增加，产品的铁素体组织粗大，甚至出现混晶或者带状缺陷。加入适量的稀土元素(36ppm)，可以替代析出的铌、钛的碳氮化合物，可以拖曳晶界，显著细化晶粒，提升材料的综合性能；反之，加入过量的稀土元素，未能起到细化晶粒作用，则出现混晶缺陷，恶化材料的综合性能。36ppm对于该类型的产品是最佳加入量，通常加入量达到47ppm以上时产品性能已经恶化明显。对于表3，拉伸性能较未加稀土的无明显变化规律，也未出现随着稀土含量的增加拉伸性能出现下降趋势，反而随着稀土含量的增加，屈服强度和抗拉强度呈现微小的递增趋势。但对于材料低温韧性，稀土含量为36ppm时，-40℃的低温韧性最优。
以上对本申请实施例所提供的一种低成本复合稀土结构钢的生产方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者***不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者***所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者***中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (5)

1.一种低成本复合稀土结构钢的生产方法，其特征在于，所述生产方法通过加入稀土元素来全部或部分替代贵金属元素，在钢中起到净化钢液以及细化晶粒、析出强化的作用；
所述生产方法的步骤包括：
S1、转炉：终点碳含量大于0.04%，终点温度1640±15℃；
S2、精炼：喂入钙线进行钙处理；
S3、RH真空处理：加入稀土后真空循环预定时间后复压，软吹一定时间后上钢；所述 S3的具体内容包括：加入La-Ce复合稀土铁合金，真空循环3min复压，保证软吹7~8min后上钢；软吹期间钢包渣面保持平静，不得有钢水液面裸露在空气中；
S4、连铸：钢的液相线温度为1521℃，第一包中间包钢水过热度为25~35℃；铸机采用恒拉速，拉速范围：1.0~1.2m/min；
S5、热轧，该工艺包括：
S5.1、加热：加热温度控制在1180~1220℃；在炉时间控制在180~300min；
S5.2、轧制：先粗轧后精轧；粗轧采用3+3模式或者1+5模式，粗轧终轧温度≤1100℃；精轧开轧温度控制在950~1050℃；终轧温度控制在800~830℃；
S5.3、冷却：钢带冷却速度控制在15℃/s~25℃/s均匀冷却；
所述S1的内容还包括：采用锰铁和/或硅铁合金进行合金化，终脱氧采用铝铁脱氧；
所述S2的内容还包括：在LF炉进行造渣、脱氧、脱硫及去除夹杂物的过程控制，根据钢水成分加入锰铁、硅铁和/或铌铁合金微调钢水成分到目标范围；
复合稀土结构钢的化学成分及各成分的质量百分比为：C 0.06~0.07%，Si≤0.050%，Mn1.35~1.45%，P≤0.015%，S ≤0.005%，Nb 0.020~0.030%，Ti 0.020~0.030%，Als 0.030~0.040%，Ca 0.0010~0.0030%，RE 0.0025~0.0050%，余量为Fe及其它原料残留元素。
2.根据权利要求1所述的低成本复合稀土结构钢的生产方法，其特征在于，所述S5.2中1+5模式具体为：1#粗轧机轧制1道次，2#粗轧机轧制5道次；3+3模式具体为：1#粗轧机轧制3道次，2#粗轧机轧制3道次。
3.根据权利要求1所述的低成本复合稀土结构钢的生产方法，其特征在于，所述S5.2中精轧工艺采用2250mm精轧机轧制。
4.根据权利要求1所述的低成本复合稀土结构钢的生产方法，其特征在于，所述S5.3中采用加密层流冷却工艺
5.根据权利要求1所述的低成本复合稀土结构钢的生产方法，其特征在于，所述S5.2中粗轧之前和精轧之前均进行高压水除鳞操作。
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