CN115475834A - 一种超短流程近终形实现低碳钢铁素体轧制的方法 - Google Patents

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Abstract

一种超短流程近终形实现低碳钢铁素体轧制的方法，采用薄带连铸+奥氏体轧制+铁素体轧制；从含碳量、碱度、Als、自由氧总氧以及低熔点MnO‑SiO2‑Al2O3三元夹杂物等多方面控制，使制备得到的钢水可以采用薄带连铸进行浇注；轧制采用两次轧制，并在两次轧制之间采用气雾冷却有效精确控制带钢温度均匀降低至Ar3温度以下5～50℃，保证带钢在第二次轧制阶段能够进行铁素体轧制，获得具有均匀的多边形铁素体组织的超薄低碳钢，其厚度最薄可达0.5mm，获得的低碳钢与现有热轧工艺生产的低碳钢相比具有较低的屈服强度、抗拉强度、屈强比和较好深冲性能，性能和厚度精度达到同规格冷轧产品水平，实现“以热代冷”。

Description

一种超短流程近终形实现低碳钢铁素体轧制的方法
技术领域
本发明涉及低碳钢制造领域，特别涉及一种超短流程近终形实现低碳钢铁素体轧制的方法。
背景技术
铁素体轧制，最早是由比利时钢铁研究中心Appell教授及团队在1994年开发成功的，当时开发该技术的主要目的是用薄规格热轧取代1.0-2.0mm厚度范围的冷轧产品，实现“以热代冷”，降低生产成本。在传统的工艺流程下，该技术工艺流程是：连铸铸坯+加热炉加热保温+粗轧(奥氏体轧制)+快速冷却+精轧(铁素体轧制)+冷却+卷取，即首先通过连铸得到厚度为200mm左右的铸坯，对铸坯进行再加热并保温后，再进行粗轧和精轧，最后对钢带进行层流冷却和卷取，完成整个热轧生产过程。特殊的是，粗轧过程在全奥氏体状态下完成，粗轧机和精轧机之间设置快速冷却装置，使带钢温度在进入精轧机前降低到Ar3以下，带钢在进入精轧机前，已经完成了γ→α的相变，使整个精轧过程全部在铁素体区或者在铁素体和奥氏体的两相区进行。而常规的奥氏体轧制工艺，其粗轧和精轧过程都是在奥氏体区完成的。上述传统铁素体轧制工艺流程长、能耗高、机组设备多、基建成本高，生产成本较高。
在对低碳钢进行奥氏体轧制和铁素体轧制的对比试验中，铁素体轧制可以得到晶粒粗大的铁素体组织，具有较低的屈服强度和抗拉强度，屈强比较低，r值较大，成形性能较好。由于铁素体轧制的温度较奥氏体轧制的温度明显降低，要低200℃以上，较低的精轧温度会导致轧制变形抗力显著提高，轧辊设备负荷增大，辊耗增大，不利于长时间轧制；同时轧制力升高，变形困难，板形难以控制，无法确保轧制过程顺利进行，所以并不是所有钢种都适合采用铁素体轧制工艺，需要选择铁素体区范围较大以及在铁素体区温度范围内存在变形抗力低谷的一些钢种。
薄板坯连铸连轧工艺流程是：连铸+铸坯保温均热+热连轧+冷却+卷取。该工艺与传统工艺的主要区别是：薄板坯工艺的铸坯厚度大大减薄，为50-90mm，由于铸坯薄，铸坯只要经过1～2道次粗轧(铸坯厚度为70-90mm时)或者不需要经过粗轧(铸坯厚度为50mm时)，而传统工艺的连铸坯要经过反复多道次轧制，才能减薄到精轧前所需规格；而且薄板坯工艺的铸坯不经冷却，直接进入均热炉进行均热保温，或者少量补温，因此薄板坯工艺大大缩短了工艺流程，降低了能耗，减少了投资，从而降低了生产成本。但薄板坯连铸连轧由于较快的冷速会导致钢材强度提高，屈强比提高，从而增加轧制载荷，使得可经济地生产热轧产品的厚度规格也不可能太薄，一般为≥1.5mm，见中国专利CN200610123458.1、中国专利CN200610035800.2以及中国专利CN200710031548.2。
近年来兴起的一种全无头薄板坯连铸连轧工艺(简称：ESP)，是在上述半无头薄板坯连铸连轧工艺的基础上发展起来的一种改进工艺，ESP实现了板坯连铸的无头轧制，取消了板坯火焰切割和起保温均热、板坯过渡作用的加热炉，整条产线长度大大缩短到190米左右，连铸机连铸出来的板坯厚度在90-110mm，宽度在1100-1600mm，连铸出来的板坯通过一段感应加热辊道对板坯起到保温均热的作用，然后再依次进入粗轧、精轧、层冷、卷取工序得到热轧板，这种工艺由于实现了无头轧制，可以得到最薄0.8mm厚度的热轧板，拓展了热轧板的规格范围，再加上其单条产线产量可达220万t/年规模。目前该工艺得到了快速发展和推广，世界上已有多条ESP产线在运营生产。
比薄板坯连铸连轧更短的工艺流程是薄带连铸连轧工艺。薄带连铸技术是冶金及材料研究领域内的一项前沿技术，自1865年Henry Bessemer提出这一想法(美国专利USPatent:49053)以来，至今发展已经有150多年的历史了，但在当时由于制造技术和控制技术等相关技术发展的不够成熟，使这项技术基本处于停滞状态。直到20世纪中叶才在Al的连续铸轧工艺中得以实现，从而再一次在钢铁制造领域引起了人们的重视。它的出现为钢铁工业带来一场革命，改变了传统治金工业中钢带的生产过程，将连续铸造、轧制、甚至热处理等工序融为一体，使生产的薄带坯经过一道次在线热轧就一次性形成薄钢带，大大简化了从钢水到钢带的生产工序，缩短了生产周期，其工艺线长度仅50m左右，使钢铁生产流程更紧凑、更连续、更高效、更环保；同时设备投资也相应减少，生产成本显著降低，是一种低碳环保的热轧薄带生产工艺。因此，薄带连铸技术近年来成为世界各国竞相开发的热点。
现有的双辊薄带连铸连轧技术典型的工艺流程：大包中的熔融钢水通过大包长水口、中间包、浸入式水口以及布流器直接浇注在一个由两个相对转动并能够快速冷却的结晶辊和侧封装置围成的熔池中，钢水在结晶辊旋转的周向表面凝固形成凝固壳并逐渐生长，进而在两铸辊辊缝隙最小处(nip点)形成1-5mm厚的钢带，钢带经由导板导向夹送辊送入轧机中进行一次轧制，随后经过冷却装置冷却，经飞剪装置切头后，切头沿着飞剪导板掉入飞剪坑中，切头后的热轧带进入卷取机卷取成卷。
中国专利CN20181065733和中国专利CN201610768866均提出了“一种在ESP生产线采用铁素体轧制生产低碳钢的方法”，其关键控制要点是对进入第一机架和第二机架之间、第二机架和第三机架之间的带钢进行冷却水冷却，使带钢在进入第三机架前完成奥氏体向铁素体的转变，第三机架至第五机架间轧制带钢时，带钢处于铁素体区，从而实现铁素体轧制。该发明是通过ESP生产工艺进行铁素体轧制生产低碳钢，由于在机架间需要采用水冷对带钢温度进行控制，其生产难度较大且精度难以保证。
中国专利CN201610759108公开了“一种在CSP产线采用铁素体轧制工艺生产低碳钢的方法”，关键工艺点是采用7机架精轧机中F1、F2及F4、F5、F6、F7进行轧制，F3机架虚设，F1-F3机架间冷却水60-90％，通过机架间的冷却，在F4实现纯铁素体轧制，采用铁素体轧制工艺后，材料的强度明显下降，成形性能提高。该发明是采用CSP铁素体轧制工艺生产低碳钢，同样在F1-F3机架间需要采用水冷对带钢进行冷却控制，其生产难度较大且精度难以保证。
中国专利CN201721755853公开了“一种铁素体轧制控制***，板坯通过粗轧机组粗轧后进入隧道式加热炉”，通过水冷炉辊上方的上加热双蓄热煤气烧嘴和下方的下加热双蓄热煤气烧嘴对板坯的上下两面同时进行加热，加热温度为900-950℃；加热后的板坯经过精轧除鳞机除鳞后进入精轧机组进行铁素体轧制。该专利工艺要点是在粗轧与精轧之间采用隧道式均热炉，实现对温度的均匀控制，隧道炉加热能耗大，吨钢成本高，且板坯头尾温度难以控制均匀。
中国专利CN201710960186公开了“一种无头连铸连轧深冲用低微碳钢”，中国专利CN201710960187公开了“超深冲用超低碳钢的铁素体轧制方法和装置”，这两个专利采用了新的布置形式，进行了局部改进，采用较低的精轧开轧温度，同时要求较高的终轧温度与卷取温度，以满足铁素体轧制产品内部组织发生再结晶和回复所需的工艺要求。该发明是采用薄板坯连铸连轧的生产工艺结合局部设备改进，实现了精轧铁素体轧制的条件，但控制难度较大，容易出现混晶问题。
中国专利CN201810657331公开了“一种在ESP生产线采用铁素体轧制生产低碳钢的方法”，该方法包括将粗轧后的带钢进行精轧，精轧时，带钢依次进入第一机架、第二机架、第三机架、第四机架、第五机架，对进入第一机架和第二机架之间、第二机架和第三机架之间的带钢进行冷却水冷却，使带钢精轧第三机架至第五机架间轧制在铁素体区进行。该发明通过将ESP生产线的技术优势与铁素体轧制工艺相结合，在ESP产线生产低碳钢时，能有效解决ESP生产线产品屈强比偏高的问题，由于在机架间需要采用水冷对带钢温度进行控制，其生产难度较大且精度难以保证。
中国专利CN201910753893公开了“一种基于薄板坯连铸连轧的用于铁素体轧制的热轧带钢全连续生产装置及方法”，采用多功能控冷装置，将高压水除鳞和中间坯冷却功能集为一体，采用4R+(3-4)F的轧机布置、四个温度检测仪和近距离地下卷取机，实现对过程温度的精确控制。该方法为：连铸成坯→高压水旋转除鳞→4机架大压下粗轧机组粗轧→转鼓剪→多功能控冷装置中高压水除磷后冷却→3或4机架精轧机组精轧→空冷→高速飞剪分卷→地下卷取机卷取，其中粗轧后、精轧前和后及地下卷取机卷取前分别进行温度监控，可较容易地实现低碳钢和低碳钢的铁素体轧制。该发明采用薄板坯连铸连轧生产工艺，采用4R+(3-4)F的轧机布置形式，在粗轧后增设多功能控冷装置对铸坯进行高压水除磷和快速冷却，实现精轧过程的铁素体轧制，轧机牌坊数量较多，轧制辊耗成本较高，控制复杂。
薄板坯连铸连轧技术出现以后，由于其工艺特点是可以较容易地生产出超薄规格的热轧带钢，这为铁素体轧制工艺的应用创造了条件，目前大部分薄板坯连铸连轧产线都有预留铁素体轧制功能。现有的铁素体轧制技术在薄板坯连铸连轧技术应用的专利有很多，而在同样具备生产超薄热轧带钢特点的薄带连铸连轧技术中，还没有铁素体轧制工艺概念的提出或相关技术报道。
薄带连铸由于其本身的亚快速凝固工艺特性，钢水凝固的冷却速度达到102-104℃/s，会导致生产的钢种普遍存在屈强比偏高、成形性能不好的现象，而对于市场上大多“以热代冷”的产品，一般要求产品的屈强比较低，容易折弯、冲压成形。因此，薄带连铸在生产此类“以热代冷”的钢种时，需要解决组织不均匀、屈强比偏高的问题，从而满足带钢作为“以热代冷”产品使用时，钢种具有较低的屈强比，具有良好的成形性能。
发明内容
本发明目的在于提供一种超短流程近终形实现低碳钢铁素体轧制的方法，利用薄带连铸连轧技术对低碳钢实现铁素体轧制，得到超薄规格热轧低碳钢，其厚度最薄可达0.5mm，其屈服强度为170～210MPa，抗拉强度为280～330MPa，延伸率≥40％，屈强比≤0.65，与现有的热轧工艺生产的低碳钢相比具有较低的屈服强度和抗拉强度、较低屈强比、较好深冲性能，性能和厚度精度达到同规格冷轧产品水平，实现“以热代冷”；同时，本发明生产流程具有简约高效、生产效率高、节能环保等优势，产线占地面积小、投资成本低。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
本发明所述的超短流程近终形实现低碳钢铁素体轧制的方法，包括如下步骤：
1)冶炼
按照下述化学成分冶炼，其化学成分按重量百分比为：C：0.01～0.05％，Si：0.01-0.1％，Mn：0.15-0.25％，P≤0.02％，S≤0.005％，N≤0.005％，Als<0.001％，Ca≤0.0050％，B：0.001～0.006％，总氧[O]T：0.007～0.020％，其余为Fe和其它不可避免的杂质；
冶炼过程中，造渣碱度a＝CaO/SiO2控制在a<1.5；需要获得低熔点MnO-SiO2-Al2O3三元夹杂物，MnO-SiO2-Al2O3三元夹杂物中的MnO/SiO2控制在0.5～2；钢水中的自由氧[O]Free范围为：0.0005-0.005％；
2)连铸
采用双辊薄带连铸，在两结晶辊辊缝隙最小处形成1.5～3mm厚的铸带；结晶辊直径为500～1500mm，结晶辊内部通水冷却，浇铸速度为50～150m/min；连铸布流采用两级钢水分配布流***，即中间包+布流器；
3)下密闭式保护
铸带出结晶辊后，铸带温度在1400～1480℃，直接进入下密闭室内，下密闭室内通非氧化性气体，控制下密闭室内的氧浓度<5％，下密闭室出口铸带的温度在1100～1250℃；
4)奥氏体轧制
铸带在下密闭室内经夹送辊在密闭状态下送至轧机，轧制成厚度为1.0～2.5mm的钢带，奥氏体轧制温度为1000～1200℃，奥氏体轧制压下率：15～45％；
5)气雾冷却
奥氏体轧制后的钢带冷却至Ar3温度以下5～50℃，冷却采用气雾冷却方式，气雾冷却速率≤300℃/s，所述钢带Ar3温度为875～900℃；
6)铁素体轧制
冷却后的钢带送至轧机进行铁素体轧制，轧制成厚度为0.5～1.5mm的钢带，铁素体轧制温度为750～850℃，铁素体轧制压下率：20～50％；
7)卷取
铁素体轧制后的钢带直接卷取成卷，卷取温度为700～760℃；
8)缓冷
钢带成卷后缓冷至550℃以下，随后入库、自然空冷。
优选的，步骤1)中，所述造渣碱度a<1.2，优选a＝0.7～1.0。
优选的，步骤1)中，所述MnO-SiO2-Al2O3三元夹杂物中的MnO/SiO2控制在1～1.8。
优选的，步骤2)中，所述结晶辊直径为780～820mm。
优选的，步骤3)中，所述非氧化性气体为氮气、氩气或干冰升华后得到的CO2。
优选的，步骤5)中，所述气雾冷却的气水比为15～10：1，气压为0.5～0.8MPa，水压为1.0～1.5MPa。
优选的，步骤6)中，所述铁素体轧制温度为780～830℃。
优选的，步骤7)中，所述卷取采用双卷取形式，或采用卡罗塞尔卷取形式，优选采用卡罗塞尔卷取形式。
本发明所述低碳钢的微观组织为均匀的多边形铁素体。
本发明所述低碳钢的微观组织中晶粒尺寸为20-50um。
本发明所述低碳钢的屈服强度为170～210MPa，抗拉强度为280～330MPa，延伸率≥40％，屈强比≤0.65。
在本发明所述低碳钢的成分设计中：
C：C是钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化来提高钢的强度。对常规板坯连铸来说，在包晶反应区浇铸易产生铸坯表面裂纹，严重时会发生漏钢事故，对薄带连铸来说也同样如此，在包晶反应区浇铸铸带坯易发生表面裂纹，严重时会发生断带。因此，Fe-C合金的薄带连铸同样需要避开包晶反应区。
在本发明中，由于铁素体轧制的温度较奥氏体轧制的温度明显降低，要低200℃以上，较低的精轧温度会导致轧制变形抗力显著提高，对轧辊设备负荷增大，辊耗增大，不利于长时间轧制；同时轧制力升高，变形困难，板形难以控制，无法确保轧制过程的稳定运行，所以并不是所有钢种都适合采用铁素体轧制工艺，需要选择铁素体区范围较大以及在铁素体区温度范围内存在变形抗力低谷的一些钢种，根据Fe-C相图，在727℃时，当C含量≤0.0218％时，存在单相的铁素体区，C含量达到0.05％时，铁素体的比例也高达95％以上，同时根据不同含碳量的低碳钢在不同温度下的变形抗力曲线，如图3所示，C含量在0.01-0.05％的低碳钢在铁素体区温度范围内存在明显的变形抗力低谷，适合采用铁素体轧制工艺，故本发明中控制C含量在0.01-0.05％。
Si：在本发明中加Si起到脱氧的作用，能提高钢质纯净度；同时Si可以扩大铁素体形成范围，有利于铁素体轧制。但Si含量过高容易在轧制后钢板表面形成“红铁皮”缺陷，会导致强度提高、延伸率下降，而本发明追求的是较低的强度和较高的延伸率，Si含量不需要太高。故本发明中控制Si含量在0.01-0.1％。
Mn：Mn是价格最便宜的合金元素之一，它能提高钢的淬透性，在钢中具有相当大的固溶度，通过固溶强化提高钢的强度，同时对钢的塑性和韧性基本无损害，是提高钢的强度最主要的强化元素，还可以在钢中起到脱氧的作用。但Mn含量过高会导致可焊性和焊接热影响区韧性恶化，本发明追求的是较低的强度和屈强比，Mn含量不需要太高。故本发明中控制Mn含量在0.15-0.25％。
P：高含量的P容易在晶界偏析，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。采用传统工艺生产薄规格的低碳钢，对P有较严格的要求，炼钢工序中必须要有脱磷工序，P含量一般要求控制在0.01％以下；在薄带连铸工艺中，凝固和冷却速率极快，可有效抑制P的偏析，从而可有效避免P的劣势，充分发挥P的优势。故在本发明中，可适当放宽P元素的含量，炼钢工序中可以取消脱磷工序，在实际操作中，也不需要额外添加磷，在此情况下，P含量一般≤0.02％。
S：在通常情况下S是钢中有害元素，使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性。S在钢中易形成MnS，钢中硫化物数量和形态直接影响钢板的成形性，S必须低于0.005％。夹杂元素数量和形态对钢板的深冲性能有很大的影响，特别是条状硫化物夹杂在变形中容易导致裂纹发生。故在本发明中，S作为杂质元素来控制，控制其含量≤0.005％。
Als：为控制钢中的夹杂物，本发明要求不能用Al脱氧，耐材的使用中，也应尽量避免Al的额外引入，但钢中不可避免的会含有Al，严格控制酸溶铝Als的含量<0.001％。
N：本发明利用钢中的N与钢中的C、Nb反应生成碳、氮化合物，使基体呈无间隙原子状态，需要钢中有一定的N含量。但是，N对钢的塑性和韧性有较大危害，自由N的存在会提高钢的屈强比，因此N含量不能过高。本发明控制N含量≤0.005％。
Ca：可改变钢中硫化物的形态，使长条MnS夹杂转化球状CaS夹杂，提高钢板的塑性和韧性，有助于提高钢板的成形性能。本发明控制Ca含量＜0.0050％。
B：极微量的硼就可以使钢的淬透性成倍增加，B可以在高温奥氏体中优先析出BN颗粒从而抑制AlN的析出，减弱AlN对晶界的钉扎作用，提高晶粒的生长能力，从而可使奥氏体晶粒更加均匀化，有效降低钢的屈强比；另外B与N的结合可以有效防止晶界低熔点相B2O3的出现。B是活泼易偏析元素，容易在晶界偏聚，传统工艺生产含B钢时，B含量一般控制的非常严格，一般在0.001-0.003％左右；而在薄带连铸工艺中，凝固和冷却速率较快，可有效抑制B的偏析，固溶更多的B含量，因此B的含量可以适当放宽；还可以通过合理的工艺控制生成BN颗粒，起到固氮的作用。还有研究表明，B会减小C原子的偏聚倾向，避免晶界Fe23(C,B)6的析出，因此可以添加更多的B。故在本发明中，采用较传统工艺更高的B含量，控制B含量范围在0.001-0.006％。
本发明利用薄带连铸连轧技术，轧制的过程中采用两次轧制，先在1000～1200℃进行奥氏体轧制，随后采用气雾冷却有效精确控制带钢温度均匀降低至Ar3温度以下5～50℃，保证带钢在进行第二次轧制时能够进行铁素体轧制，从而实现薄带连铸连轧技术对低碳钢的铁素体轧制，获得具有较低的屈服强度和抗拉强度、较低屈强比、较好深冲性能，性能和厚度精度达到同规格冷轧产品水平，实现“以热代冷”。获得的产品在作为冷轧基料使用时，有效解决薄板坯连铸或薄带连铸在奥氏体轧制工艺下同类低碳钢强度偏高、冷轧变形困难的问题。
省去了传统流程生产中火焰切割铸坯、铸坯加热炉、粗轧、多机架精轧等复杂的中间步骤，产线具有占地面积小、简约高效、生产效率高、节能环保等优势。
本发明钢水冶炼可以通过电炉炼钢，也可以通过转炉炼钢，再进入必要的精炼工序，比如LF炉、VD/VOD炉、RH炉等。
为提高薄带连铸钢水的可浇铸性，炼钢过程中造渣的碱度a＝CaO/SiO2，控制在a<1.5，优选a<1.2，更优选a＝0.7～1.0。
为提高薄带连铸钢水的可浇铸性，需要获得低熔点MnO-SiO2-Al2O3三元夹杂物，根据图1所示的MnO-SiO2-Al2O3三元相图可知，本发明要获得MnO-SiO2-Al2O3三元夹杂物，需要控制MnO/SiO2在0.5～2，优选在1～1.8。
为提高薄带连铸钢水的可浇铸性，钢中的O是形成氧化夹杂物的必要元素，本发明需要形成低熔点的MnO-SiO2-Al2O3的三元夹杂物，要求钢水中的自由氧[O]Free范围在0.0005-0.005％。
对于可浇铸性，目前尚无确切定义，从传统意义上讲，它是一个与钢水流动性、激冷倾向、收缩特性以及产品品质密切相关、频繁使用的概念，它是相对于金属种类及其工艺因素来说的。定义“薄带连铸可浇铸性(Cast Ability of Strip Casting,CASC)”，是指一个钢种进行双辊铸造的可行性。可浇铸性好，意味着在浇铸过程中不会出现影响浇铸过程不能进行或浇铸的产品品质达不到要求的限制性问题；可浇铸性不好，意味着在浇铸过程中经常出现诸如钢水流动性差、熔池结块搭桥、严重断带、表面裂纹和表面夹渣等问题，导致生产无法正常稳定进行或产品品质达不到要求。
通过对薄带连铸可浇铸性的研究分析，判断一个钢种的薄带连铸可浇铸性，简要归纳起来，可从以下几个方面考虑：
一、能否避开不均匀的凝固收缩；
二、能否改善界面传热的均匀性，从而改善凝固的均匀性；
三、能否改善或控制凝固过程中的热脆性。当一个钢种的薄带连铸可浇铸性很差，就意味着生产过程稳定性很差，生产的产品质量稳定性也很差，最终会导致产能不能发挥，产品的合格率很低，这样的产品是不适合采用薄带连铸工艺生产的。
本发明所述钢种，从含碳量控制(避开包晶区解决不均匀凝固收缩)；碱度控制、Als的控制、自由氧总氧控制以及低熔点MnO-SiO2-Al2O3三元夹杂物控制(改善界面传热均匀性解决凝固均匀性)等方面，严格地满足了薄带连铸的可浇铸性。
连铸采用双辊薄带连铸，在两结晶辊辊缝隙最小处形成1.5～3mm厚的铸带，铸带出结晶辊后，铸带温度在1400～1480℃，直接进入到下密闭室内，下密闭室内通非氧化性气体，一方面可以实现对带钢的防氧化保护，另一方面实现对带钢的冷却。所述非氧化性气体可以是N2、Ar，也可以是其他非氧化性气体，比如干冰升华得到的CO2气体等。下密闭室内的氧浓度控制在<5％。下密闭室对铸带的防氧化保护到轧机入口，下密闭室出口铸带的温度在1100-1250℃。
铸带在下密闭过程中涉及到的BN析出相的理论基础：
钢中硼与氮、铝和氮在γ-Fe中的热力学方程如下：
BN＝B+N；Log[B][N]＝-13970/T+5.24 (1)
AlN＝Al+N；Log[Al][N]＝-6770/T+1.03 (2)
如图2所示的BN、AlN析出热力学曲线，钢中BN的开始析出温度在1280℃左右，980℃时BN的析出趋于平衡，而此时AlN的析出才刚刚开始(AlN的析出温度在980℃左右)，从热力学上讲，BN的析出要优先于AlN。因此，本发明可在下密闭室内完成B与N的结合，从而在高温奥氏体中优先析出BN颗粒从而抑制AlN的析出，减弱AlN对晶界的钉扎作用，提高晶粒的生长能力，从而可使奥氏体晶粒更加均匀化；另外B与N的结合可以有效防止晶界低熔点相B2O3的出现。
铸带在下密闭室内经夹送辊在密闭状态下送至热轧机进行奥氏体轧制，奥氏体轧制后钢带的厚度为1.0～2.5mm，奥氏体轧制温度为1000～1200℃，控制热轧压下率为15～45％，以保证发生奥氏体静态再结晶。
奥氏体轧制后的带钢冷却到Ar3温度以下5～50℃，冷却速率≤300℃/s。Ar3温度主要和带钢的化学成分、奥氏体晶粒度、轧制温度、变形量和冷却速度等因素有关，轧制过程中Ar3温度可用以下公式计算：Ar3＝910-310×w(C)-80×w(Mn)-20×w(Cu)-15×w(Cr)-55×w(Ni)-80×w(Mo)，经计算，本发明涉及的低碳钢Ar3温度范围在875-900℃。
冷却采用气雾冷却方式，气雾冷却的气水比为15：1～10：1，气压0.5～0.8MPa，水压1.0～1.5MPa，气雾冷却方式可以有效减小带钢表面氧化皮厚度，改善带钢温度均匀性，提高带钢表面质量和成形性能。气雾后形成高压水雾喷射在钢带表面，一方面起到降低钢带温度的作用，另一方面水雾会形成致密的气膜包覆在带钢表面，起到带钢防氧化的作用，从而有效控制了热轧带钢表面氧化皮的生长。该种冷却方式可以避免传统喷淋或者层流冷却带来的问题，使带钢表面温度均匀下降，提高带钢温度均匀性，从而达到均匀化内部微观组织的效果。
本发明所述薄带连铸带钢经奥氏体轧制后优选采用气雾冷却的理由：
传统连铸也有采用气雾冷却，但作用的区域和温度不同，传统连铸在铸坯出结晶器的出口扇形段区域对铸坯进行气雾冷却，此时铸坯的温度较高，从相图上看应处在高温奥氏体单相区域。在此区域进行气雾冷却主要目的是控制凝固末端位置，加速铸坯表面冷却，细化表面奥氏体晶粒组织，提高铸坯表面强度，改善铸坯表面质量，避免裂纹的发生。本发明奥氏体轧制后对超薄带钢进行气雾冷却，通过调节气雾冷却强度，可以有效精确控制带钢的温度在Ar3以下5～50℃，以保证带钢在第二次热轧过程中能够进行铁素体轧制。
冷却后的带钢进行铁素体轧制，铁素体轧制温度为750～850℃，优选780～830℃，对本发明涉及的钢种，该温度区域正处在高温变形抗力低谷的区域，该区域适合采用铁素体轧制；控制铁素体轧制的压下率为20～50％，轧制后得到超薄热轧带钢，钢带厚度为0.5-1.5mm；铁素体轧制采用润滑轧制，可以提高带钢表面质量、降低对轧辊的轧制损耗。
经铁素体轧制后的带钢无需冷却，直接进入到卷取机进行高温卷取，卷取温度为700～760℃；钢卷通过高速飞剪进行分切，分切后的高温钢卷从卷取机卸卷后采用在线保温罩进行缓冷，或迅速进入缓冷坑进行缓冷，使带钢发生较为充分的回复和再结晶，避免空冷时钢卷头尾冷却较快导致的性能不合格，有利于获得良好的产品质量和收得率、较低的屈强比，使其容易进行冲压、折弯成形，更好地满足“以热代冷”或后续冷轧变形的性能要求。当钢卷温度缓慢降低至550℃以下时，可以入库进行自然空冷。
经过上述制造过程，最终得到低碳钢的微观组织为均匀的多边形铁素体组织，其屈服强度为170～210MPa，抗拉强度为280～330MPa，延伸率≥40％，屈强比≤0.65。产品拥有较低的强度，较低的屈强比，较好的成形性能，性能和厚度精度达到同规格冷轧产品水平，能更好地满足“以热代冷”产品的性能要求；同时，在作为冷轧基料使用时，还可以有效解决薄板坯连铸或薄带连铸在奥氏体轧制工艺下生产的同类低碳钢屈强比偏高、冷轧变形困难的问题。
本发明所述薄带连铸热轧钢卷优选采用卡罗塞尔同位卷取机的理由：
目前绝大多数超薄热轧钢卷的生产线都采用地下双卷取或地下三卷取方式，主要原因是这些产线还兼顾了厚规格热轧板的生产，比如阿维迪(Avedi)公司的ESP产线的卷取采用地下三卷取方式，唐钢引进达涅利(Danieli)的FTSC产线的卷取采用地下双卷取方式。而美国纽柯(Nucor)的Castrip薄带连铸产线选用了传统的做法，也采用了地下双卷取方式。地下卷取机与卷取机之间的距离间隔一般在8-10m(典型值9.4m)，薄带连铸生产超薄热轧带钢时，带钢在空气中的冷却速度也非常快，这段间隔足以影响到卷取温度的差异，两个卷取机之间的温度偏差可达49℃，这会严重影响钢卷的性能偏差。
而本发明优选采用卡罗塞尔卷取方式，可以实现热轧钢卷的同位卷取，确保了卷取温度的同一性，进而大大提高钢卷产品性能的稳定性。目前市面上，卡罗塞尔卷取机被广泛使用在冷轧领域，其主要优点是可以实现较薄的带钢卷取，而且占地面积小，可大大缩短产线长度，但在冷轧领域由于带钢温度较低，比较容易实现。本发明提出在超薄热轧带钢卷取领域采用卡罗塞尔卷取方式，考虑了设备的耐高温事宜，实现了超薄热轧带钢的卷取。该卷取方式更先进于美国纽柯(Nucor)的Castrip薄带连铸产线的卷取方式。
本发明的有益效果：
1、本发明采用超短流程近终形的工艺生产低碳钢，即薄带连铸+奥氏体轧制+铁素体轧制，轧制过程中进行两次轧制，并在两次轧制之间采用气雾冷却有效精确控制带钢温度均匀降低至Ar3温度以下5～50℃，保证带钢在第二次轧制阶段能够进行铁素体轧制，获得具有均匀铁素体组织的超薄低碳钢，最薄可以达到0.5mm，传统热轧工艺获得的低碳钢最薄在1.5mm，薄板坯连铸连轧工艺获得的低碳钢最薄在0.8mm，而且生产难度极大；本发明获得的低碳钢屈服强度为170～210MPa，抗拉强度为280～330MPa，延伸率≥40％，屈强比≤0.65，与现有的热轧工艺生产的低碳钢相比具有较低的屈服强度和抗拉强度、较低屈强比、较好深冲性能，性能和厚度精度达到同规格冷轧产品水平，实现“以热代冷”。
2、本发明在冶炼过程中控制含碳量、碱度、Als、自由氧总氧以及低熔点MnO-SiO2-Al2O3三元夹杂物等方面，使获得的钢水可浇铸性满足薄带连铸要求，后续可以采用双辊薄带连铸进行浇注，才能使低碳钢采用薄带连铸技术实现铁素体轧制。
3、本发明采用超短流程近终形的工艺生产出了具有较低的屈服强度和抗拉强度，较低屈强比，较好深冲性能的低碳钢，省去了传统生产低碳钢流程中火焰切割铸坯、铸坯加热炉、粗轧、多机架精轧等复杂的中间步骤，生产流程简约高效、生产效率高、节能环保等优势，产线占地面积小、投资成本低。
4、本发明在低碳钢的成分设计中有选择的添加微量的B元素，在下密闭保护过程中，优先析出BN颗粒从而抑制AlN的析出，减弱细小AlN对晶界的钉扎作用，提高奥氏体晶粒的生长能力，从而均化奥氏体晶粒，有利于降低带钢的屈服强度和屈强比，从而提升产品的成形性能。
5、本发明生产的低碳钢在奥氏体轧制后采用气雾冷却方式，而传统工艺中常用喷淋或者层流冷却方式，气雾冷却可使低碳钢表面温度均匀下降，提高带钢温度均匀性，使低碳钢在进行铁素体轧制后获得均匀的铁素体组织；同时，冷却均匀可以提高低碳钢的板形质量、成形性能以及减少低碳钢表面的氧化皮厚度。
附图说明
图1为MnO-SiO2-Al2O3三元相图。
图2为BN，AlN析出的热力学曲线。
图3为本发明实施例低碳钢在不同变形温度下的变形抗力曲线。
图4为本发明实施例的工艺流程示意图。
图5为本发明实施例低碳钢的微观组织照片。
具体实施方式
下面通过实施例及附图对本发明作进一步说明，但这并非是对本发明的限制，本领域技术人员根据发明的基本思路可以做出修改或改进，但只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的范围之内。
参见图4，本发明所述的超短流程近终形实现低碳钢铁素体轧制的方法。
将冶炼好的符合本发明化学成分设计的钢水，从大包1通过大包长水口2、中间包3、浸入式水口4以及布流器5直接浇注在一个由两个相对转动并能够快速冷却的双辊薄带连铸结晶辊8a、8b和侧封板6a、6b围成的熔池7中，钢水在结晶辊8a、8b旋转的周向表面凝固，随后在两结晶辊8a、8b缝隙最小处(nip点)形成1.5-3mm厚的铸带11。本发明所述的结晶辊8a、8b直径在500-1500mm之间，内部通水冷却。根据铸带11厚度不同，铸机的浇铸速度范围介于60-150m/min。
铸带11从结晶辊8a、8b出来，铸带温度为1400～1480℃，直接进入到密闭室10内，下密闭室10通非氧化性气体保护带钢，一方面实现对铸带11的防氧化保护，另一方面冷却铸带11，防氧化保护的气氛可以是N2、Ar，也可以是其他非氧化性气体，比如干冰升华得到的CO2气体等，密闭室10内的氧浓度控制在<5％，下密闭室10对铸带11的防氧化保护到轧机13入口，下密闭室10出口铸带11的温度在1100～1250℃；然后铸带11通过摆动导板9、夹送辊12，进入到四辊1#热轧机13进行奥氏体轧制，奥氏体轧制温度为1000-1200℃，控制热轧压下率为15-45％，以保证发生奥氏体静态再结晶，奥氏体轧制后钢带的厚度为1.0-2.5mm。
经奥氏体轧制后的带钢采用气雾冷却方式将带钢冷却到900℃以下，冷却速率≤300℃/s；冷却后的带钢进入到在线四辊热轧机20(2#轧机)中进行铁素体轧制，铁素体轧制温度为750-850℃，优选780-830℃，控制热轧压下率为20-50％，铁素体轧制后得到超薄热轧带钢，钢带厚度为0.5-1.5mm，铁素体轧制采用润滑轧制，可以提高带钢表面质量和降低对轧辊的轧制损耗；经铁素体轧制后的带钢无需冷却，经高速飞剪16切头之后，切头沿着飞剪导板17掉入飞剪坑18中，后续带钢直接进入到卷取机19进行高温卷取，卷取温度为700-760℃；根据带钢卷重通过高速飞剪16对钢卷进行分切，分切后的高温钢卷从卷取机19卸卷后采用在线保温罩进行缓冷，或迅速进入缓冷坑缓冷，使带钢发生较为充分的回复和再结晶，避免空冷时钢卷头尾冷却较快导致的性能不合问题，有利于获得良好的产品质量和收得率，较低的屈强比，容易进行冲压、折弯成形，更好地满足“以热代冷”或后续冷轧变形的性能要求。当钢卷温度缓慢降低至550℃以下时，可以入库进行自然空冷冷却。
所述卷取机19采用双卷取形式，也可以采用卡罗塞尔卷取形式，保证铝合金薄带的连续生产。
本发明实施例低碳钢的化学成分如表1所示，其成分余量为Fe和其它不可避免的杂质。本发明实施例的制备方法工艺参数见表2，最终获得的低碳钢性能见表3。表中对比例1、2为采用现有典型的双辊薄带连铸连轧工艺流程技术制造生产的低碳钢相关化学成分、工艺参数和产品性能情况。
从表3可以看出，通过本发明所述工艺获得低碳钢屈服强度为170-210MPa，抗拉强度为280-330MPa，延伸率≥40％，屈强比≤0.65。跟对比例1、2获得的低碳钢相比，具有较低的强度，较低的屈强比，较好的成形性能。
经过上述制造过程，最终得到的铁素体轧制低碳钢的微观组织参见图5，从图5上可以看出，获得双相钢的微观组织为均匀的多边形铁素体，组织均匀，晶粒尺寸在20-50um。本发明获得的低碳钢具有较低的强度，较低的屈强比，较好的成形性能，能更好地满足“以热代冷”产品的性能要求；同时在作为冷轧基料使用时，还可以有效解决薄板坯连铸或薄带连铸在奥氏体轧制工艺下同类低碳钢强度偏高、冷轧变形困难的问题。
Figure BDA0003092274830000171
Figure BDA0003092274830000181
Figure BDA0003092274830000191

Claims (11)

1.一种超短流程近终形实现低碳钢铁素体轧制的方法，其特征是，包括如下步骤：
1)冶炼
按照下述化学成分冶炼，其化学成分按重量百分比为：C：0.01～0.05％，Si：0.01-0.1％，Mn：0.15-0.25％，P≤0.02％，S≤0.005％，N≤0.005％，Als<0.001％，Ca≤0.0050％，B：0.001～0.006％，总氧[O]T：0.007～0.020％，其余为Fe和其它不可避免的杂质；
冶炼过程中，造渣碱度a＝CaO/SiO2，控制a<1.5；需要获得低熔点MnO-SiO2-Al2O3三元夹杂物，MnO-SiO2-Al2O3三元夹杂物中的MnO/SiO2控制在0.5～2；钢水中的自由氧[O]Free范围为：0.0005-0.005％；
2)连铸
采用双辊薄带连铸，在两结晶辊辊缝隙最小处形成1.5～3mm厚的铸带；结晶辊直径为500～1500mm，结晶辊内部通水冷却，浇铸速度为50～150m/min；连铸布流采用两级钢水分配布流***，即中间包+布流器；
3)下密闭式保护
铸带出结晶辊后，铸带温度在1400～1480℃，直接进入下密闭室内，下密闭室内通非氧化性气体，控制下密闭室内的氧浓度<5％，下密闭室出口铸带的温度在1100～1250℃；
4)奥氏体轧制
铸带在下密闭室内经夹送辊在密闭状态下送至轧机，轧制成厚度为1.0～2.5mm的钢带，奥氏体轧制温度为1000～1200℃，奥氏体轧制压下率：15～45％；
5)气雾冷却
奥氏体轧制后的钢带冷却至Ar3温度以下5～50℃，冷却采用气雾冷却方式，气雾冷却速率≤300℃/s，所述钢带Ar3温度为875～900℃；
6)铁素体轧制
冷却后的钢带送至轧机进行铁素体轧制，轧制成厚度为0.5～1.5mm的钢带，铁素体轧制温度为750～850℃，铁素体轧制压下率：20～50％；
7)卷取
铁素体轧制后的钢带直接卷取成卷，卷取温度为700～760℃；
8)缓冷
钢带成卷后缓冷至550℃以下，随后入库、自然空冷。
2.如权利要求1所述的超短流程近终形实现低碳钢铁素体轧制的方法，其特征是，步骤1)中，所述造渣碱度a<1.2，优选a＝0.7～1.0。
3.如权利要求1或2所述的超短流程近终形实现低碳钢铁素体轧制的方法，其特征是，步骤1)中，所述MnO-SiO2-Al2O3三元夹杂物中的MnO/SiO2控制在1～1.8。
4.如权利要求1所述的超短流程近终形实现低碳钢铁素体轧制的方法，其特征是，步骤2)中，所述结晶辊直径为780～820mm。
5.如权利要求1所述的超短流程近终形实现低碳钢铁素体轧制的方法，其特征是，步骤3)中，所述非氧化性气体为氮气、氩气或干冰升华后得到的CO2。
6.如权利要求1所述的超短流程近终形实现低碳钢铁素体轧制的方法，其特征是，步骤5)中，所述气雾冷却的气水比为15～10：1，气压为0.5～0.8MPa，水压为1.0～1.5MPa。
7.如权利要求1所述的超短流程近终形实现低碳钢铁素体轧制的方法，其特征是，步骤6)中，所述铁素体轧制温度为780～830℃。
8.如权利要求1所述的超短流程近终形实现低碳钢铁素体轧制的方法，其特征是，步骤7)中，所述卷取采用双卷取形式，或采用卡罗塞尔卷取形式，优选采用卡罗塞尔卷取形式。
9.如权利要求1～8任一项所述的超短流程近终形实现低碳钢铁素体轧制的方法，其特征是，所述低碳钢的微观组织为均匀的多边形铁素体。
10.如权利要求1～9任一项所述的超短流程近终形实现低碳钢铁素体轧制的方法，其特征是，所述低碳钢的微观组织中晶粒尺寸为20-50um。
11.如权利要求1～10任一项所述的超短流程近终形实现低碳钢铁素体轧制的方法，其特征是，所述低碳钢的屈服强度为170～210MPa，抗拉强度为280～330MPa，延伸率≥40％，屈强比≤0.65。
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