CN116694992A - 搅拌罐用高强轻量化耐磨钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种搅拌罐用高强轻量化耐磨钢，其特征在于，所述搅拌罐用高强轻量化耐磨钢的化学成分及重量百分比含量分别为：C：0.13～0.15％，Si：1.10～1.30％，Mn：1.70～1.90％，P：≤0.015％，S：≤0.0015％，Alt：0.45～0.55％，Ti：0.01～0.025％，N≤0.0050％，B≤0.0005％，T[O]≤0.0030％，余量为Fe及不可避免的夹杂。本发明还公开了该耐磨钢的制备方法。本发明方法制备的耐磨钢屈服强度为550～850MPa，抗拉强度为950～1100MPa，延伸率A≥15％，硬度为300～450HB，厚度规格为3～6mm，解决了低屈服强度和高抗拉强度的矛盾，使得制备的耐磨钢兼具高强和轻量化的优点。

Description

搅拌罐用高强轻量化耐磨钢及其制造方法
技术领域
本发明属于钢铁材料技术领域，具体涉及一种搅拌罐用高强轻量化耐磨钢及其制造方法。
背景技术
近年来，以搅拌罐行业为典型代表的商用混凝土搅拌车行业高强轻量化需求强烈，对于薄规格耐磨钢需求大幅提升。为满足用户的迫切需求，急需开发一种高强轻量化耐磨钢。
目前搅拌罐用耐磨钢的缺点主要是不能兼顾高强度高耐磨性高服役期与轻量化的要求。混凝土搅拌车在搅拌的过程中对搅拌罐钢材的磨损消耗较大，为了减少磨损、延长服役期而增加钢板厚度，因此搅拌车负荷重，高负荷下造成一系列资源浪费，为了减负荷其服役期又较短，且存在安全风险。有些耐磨钢成分设计采用C、Si、Mn、Nb、Ni、Cr、Mo、V、B等，合金成本较高。如：中国专利申请号为CN91108342.1、CN93117604.2、CN95103149.X、CN96118610.0、CN95103151.1、CN96108157.0等等文献，添加了昂贵的Mo、Nb、V、Ni等合金中的一种或者多种，成本高。所以，开发出高强度高耐磨性高服役期与轻量化的搅拌罐用钢，意义重大。
发明内容
本发明的目的在于克服上述文献中存在的不足，提供一种搅拌罐用高强轻量化耐磨钢及其制造方法，具体为屈服强度550-850MPa，抗拉强度为950-1100MPa，延伸率A≥15％，硬度为300-450HB，厚度规格为3-6mm的高强轻量化耐磨钢。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种搅拌罐用高强轻量化耐磨钢，其化学成分及重量百分比含量为：C：0.13～0.15％，Si：1.10～1.30％，Mn：1.70～1.90％，P：≤0.015％，S：≤0.0015％，Alt：0.45～0.55％，Ti：0.01～0.025％，N≤0.0050％，B≤0.0005％，T[O]≤0.0030％，余量为Fe及不可避免的夹杂。
优选地，其化学成分及重量百分比含量为：
C：0.135～0.145％，Si：1.15～1.25％，Mn：1.75～1.85％，P：≤0.012％，S：≤0.0010％，Alt：0.47～0.53％，Ti：0.012～0.022％，N≤0.0040％，B≤0.0004％。
本发明还提供了上述搅拌罐用高强轻量化耐磨钢的制备方法，主要包括以下步骤：
工艺流程为：KR铁水脱硫→转炉冶炼→吹氩→LF精炼(钢包炉)→
RH真空处理→连铸成坯→板坯加热→轧制→冷却→卷取。
1)KR法铁水脱硫，其中脱硫期间要进行三次以上扒渣处理，所述扒渣指扒前渣或扒后渣，所述扒前渣次数不多于扒后渣次数且不少于一次，且要求每两次扒后渣之间停留时间不少于6min；裸露面不低于90％；脱硫后铁水中S≤0.001％；
铁水脱硫、扒渣干净是为了降低入转炉的铁水硫含量，并防止扒渣不尽导致后续钢渣返硫。
2)转炉冶炼，控制转炉终点温度1630℃～1650℃，终点氧0.050～0.075％；转炉出钢加铝铁脱氧完全，控制钢中Alt：0.100～0.130％；并加入硅铁合金和锰铁合金，且加入的硅铁合金中，含硼≤0.005％，含Si：75～78％，硅铁合金加入量15～18kg/t.s，控制钢水含B≤0.0001％，转炉出钢下渣量≤40mm。
3)钢水经吹氩站底吹氩气。
4)钢水经钢包炉深脱硫处理，钢包炉脱硫前期造渣加入铝粒，后期喂铝线。控制钢水中S≤0.001％。控制钢包炉冶炼时间≤45分钟。控制钢水含B≤0.0003％。
5)钢水经真空炉循环脱气脱夹渣处理，通过加入增碳剂，硅铁合金、锰铁合金、钛铁合金和铝粒来微调成分，使得C、Si、Mn、Alt和Ti的含量与最终产品耐磨钢中的含量一致；真空循环时间30～35分钟，真空度控制在≤15Pa，真空结束温度控制在1536～1546℃。本发明Si及Alt成分较常规耐磨钢高，真空加硅铁合金及铝丸量较大，真空循环过程严格控制循环时间和真空度参数，可以进一步降低钢中的氮含量，进一步脱除有害杂质及气体，减少加合金及铝丸产生的夹杂物，提高钢水的纯净度，从而提高钢的耐磨性。
冶炼过程的难点在于控制钢水中B≤0.0005％(优选的B≤0.0004％)：
a)转炉冶炼过程中，转炉顶底复吹利用转炉吹氧强脱硼作用，在强氧化作用下使得钢水中的硼被充分氧化以氧化产物进入渣中，控制钢水中的B≤0.0001％。b)转炉出钢过程中严格控制下渣量，下渣量≤40mm。c)选择加入硼含量低的合金种类，降低合金增硼，本发明所述钢的Si含量较高，加入合金量最大，合金含有一定的B杂质元素导致钢水增B元素，所以选择硼含量极低的硅铁合金。d)虽然转炉出钢过程中严格控制下渣量，仍然会有一部分转炉渣进入钢包，这是无法避免的。钢水经钢包炉深脱硫处理过程中，会有一部分硼回到钢水中使钢水增硼，控制渣中的硼返回钢水中是难点，造还原渣脱硫采用铝粒，铝粒在钢包炉脱硫前期加入，当硫脱至0.0015％以下时，采用喂丝机喂铝线直接穿过渣层，避免加铝粒时经过渣层造成渣中的B元素进一步还原至钢水中。e)控制钢包渣线处镁碳砖含硼元素的添加剂用量，使镁碳砖含B≤0.2％，防止钢包炉冶炼钢水时，钢包渣线侵蚀严重造成镁碳砖的分解，将其所含硼元素带入钢水造成钢水增B，控制钢包炉冶炼时间≤45分钟，减少钢水对钢包渣线的侵蚀。最终控制钢包炉生产结束时钢水中的B≤0.0003％。
6)本发明含有较高的Si、Al成分，特别是采用较高的Al成分，不含昂贵的Mo、Nb、V等合金，那么连铸坯质量的保证是关键，更是技术难题。传统的耐磨钢之所以控制Alt成分在较低的范围，如0.050％以下(而本发明Alt成分控制在0.45％-0.55％之间)，而加入了昂贵的Mo、Nb、V等合金，就是因为Al成分越高，连铸坯越容易产生铸坯纵向裂纹，边部裂纹，偏析，表面结疤、凹坑等缺陷，容易使铸坯报废。传统方法无法克服这一难题。本发明连铸稳态浇铸的相关参数是关键，结晶器保护渣的参数是难点，连铸浇铸过程中选择低碱度、较高粘度、低熔点的结晶器保护渣，碱度为0.55～0.75，粘度为0.107～0.207Pa·S(温度在1300℃时)，熔点为944～1044℃，结晶器锥度设定为1.18～1.22％，结晶器冷却水量采用中强度冷却水量，其宽面冷却水流量为3400～3600L/min，结晶器窄面冷却水流量为600-620L/min。
7)本发明含有较高的Si、Al成分，为避免浇铸过程中铸坯产生裂纹、偏析等缺陷，连铸浇铸过程中控制低的过热度，过热度控制在5～15℃，中间包温度控制在1511～1521℃。传统耐磨钢的过热度控制范围为10～25℃，比本发明所述高。因为过热度越低，浇铸过程中能很好地控制中心偏析，但是过热度越低，中间包温度越接近钢水的液相线温度导致浇铸过程钢水凝固中断。
8)本发明含有较高的Si、Al成分，为避免浇铸过程中漏钢，连铸浇铸过程中控制较低的拉坯速度，拉坯速度控制在0.9～1.1m/min。连铸浇铸过程中控制结晶器钢液面波动范围在±3mm以内。
本发明连铸稳态浇铸的各项参数是技术难题，钢水含有较高的Si、Al成分，结晶器保护渣的碱度、粘度、熔点的控制，低过热度、低拉速和结晶器冷却速度的相匹配是关键。另一方面，和铸坯表面温度控制相结合，依据不同的铸流长度来分段控制铸坯表面温度，如下：
采用上述区别于传统浇铸的方法控制，可以克服这一技术难题，避免铸坯产生上述缺陷。
9)板坯加热至1280～1320℃后保温均热后进行轧制，粗轧温度为1080～1120℃，精轧温度为860～900℃；卷取温度为110～150℃。
本发明中各种元素的作用机理如下：
碳(C)：是影响耐磨钢强度、硬度、韧性及淬透性的重要元素，形成碳化物提高钢的硬度及耐磨性。也是影响钢显微组织最为重要的元素，本发明所述钢的显微组织为铁素体+马氏体，但是碳太高了会降低钢的塑性及韧性。较适宜的碳的添加量为0.13～0.15％，优选的C：0.135～0.145％。
锰(Mn)：常规强化元素，价格相对便宜，能提高耐磨钢的强度和硬度，可以提高钢的淬透性，淬火后容易的到马氏体组织，本发明所述钢需要获得铁素体+马氏体的显微组织。但是锰越高，会降低钢的塑性和焊接性能，会产生中心偏析。较适宜的锰的添加量为1.70～1.90％，优选的Mn：1.75～1.85％。
硅(Si)：硅是以固溶体形态存在于铁素体中，可缩小奥氏体相区，可显著提高钢的强度和硬度，提高耐磨性，硅能提高钢的屈服比和疲劳强度，硅能促使铁素体晶粒粗化，降低矫顽力。但是硅不宜过高，会降低塑性和焊接性能，较适宜的硅的添加量为1.10～1.30％，优选的Si：1.15～1.25％。
钛(Ti)：加入少量的钛可以细化晶粒和沉淀强化来提高耐磨钢的强度。钛和氮、氧、碳都有极强的亲和力，是一种良好的脱氧去气剂和固定氮、碳的元素，形成碳化钛微粒能阻止晶粒长大，但是钛高了会降低钢的淬透性，较适宜的钛的添加量为0.010～0.025％，优选的Ti：0.012～0.022％。
铝(Al)：铝是钢中主要的脱氧元素，铝与氮或氧生成有效的细小弥散物而抑制晶粒长大，能够细化晶粒，固定钢中的氮，从而显著提高钢的冲击韧性，降低冷脆倾向和时效倾向性。铝通过氮的较低温扩散、氮化、而生成有效的表面硬化层，从而增加钢的硬度和强度，铝能提高钢的耐磨性和抗氧化性能，但是铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能。区别于传统的耐磨钢，本发明添加较高的Al含量，为0.45～0.55％，优选的Alt：0.47～0.53％。
硼(B)：传统耐磨钢添加B元素来提高淬透性，本发明将B做为有害元素，主要是为了获得铁素体+马氏体组织，而B含量超过0.0005％时，容易使钢的显微组织转变为贝氏体。硼和氮、氧都有很强的亲和力，与位错、空位等各种缺陷有强烈的交互作用，并能和S、C及其他元素化合形成各种类型的夹杂物。对于搅拌罐钢来说，钢板中微量的B会导致钢板在焊接后的焊缝硬度高，使得搅拌罐钢长期服役时容易引起疲劳裂纹，严重影响服役寿命。且焊接过程也容易出问题。因此本发明要求B≤0.0005％，优选的B≤0.0004％。
磷(P)：P容易导致铸坯磷枝晶偏析,增加晶界脆性,裂纹敏感性增加,出现内裂；磷还会恶化钢的韧性,塑性，低温时产生“冷脆”，使焊接性变坏，因此应尽量降低钢中的磷含量。
硫(S)硫易引起热脆，降低钢的延展性和韧性，降低焊接性能；因此应尽量降低钢中的硫含量。
传统耐磨钢成分设计采用C、Si、Mn、Nb、Ni、Cu、Cr、Mo、V、B等，添加的贵重合金元素较多，合金成本较高。本发明采用“中低C-Si-Al-微Ti”成分体系，合金成本低，并将B元素做为有害元素，控制在0.0005％以下，使钢的显微组织为铁素体+马氏体，阻止贝氏体转变，显微组织为铁素体+马氏体的耐磨钢其在滑动磨损条件下及冲击磨料磨损条件下的耐磨性能要优于贝氏体耐磨钢，对于搅拌罐钢来说，钢板中微量的B会导致钢板在焊接后的焊缝硬度高，使得搅拌罐钢长期服役时容易引起疲劳裂纹，且焊接过程也容易出问题。同时含较高的Si和Al元素，可以将钢的回火脆性温度转移到更高的温度，降低钢的屈服强度的同时不降低钢的抗拉强度，解决了低屈服强度和高抗拉强度的矛盾，搅拌罐钢之所以要低的屈服强度是为了更利于钢材加工，高抗拉强度是为了提高搅拌罐的使用寿命。
具体实施方式
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。
本发明的耐磨钢按以下方法制备得到：
工艺流程为：KR铁水脱硫→转炉冶炼→吹氩→LF精炼(钢包炉)→
RH真空处理→连铸成坯→板坯加热→轧制→冷却→卷取。
1)KR法铁水脱硫，其中脱硫期间进行了三次扒渣处理，其中一次扒前渣处理，两次扒后渣处理，两次扒后渣之间停留时间不少于6min；裸露面不低于90％；脱硫后铁水中S≤0.001％。
2)转炉冶炼，控制转炉终点温度1630℃～1650℃，终点氧0.050～0.075％；转炉出钢加铝铁脱氧完全，控制钢中Alt：0.100～0.130％；并加入硅铁合金和锰铁合金，且加入的硅铁合金中，含硼≤0.005％，含Si：75～78％，硅铁合金加入量15～18kg/t.s，控制钢水含B≤0.0001％，转炉出钢下渣量≤40mm。
3)钢水经吹氩站底吹氩气。
4)钢水经钢包炉深脱硫处理，钢包炉脱硫前期造渣加入铝粒，后期喂铝线。控制钢水中S≤0.001％。控制钢包炉冶炼时间≤45分钟。控制钢水含B≤0.0003％。
5)钢水经真空炉循环脱气脱夹渣处理，通过加入增碳剂，硅铁合金、锰铁合金、钛铁合金和铝粒来微调成分，使得C、Si、Mn、Alt和Ti的含量与最终产品耐磨钢中的含量一致；真空循环时间30～35分钟，真空度控制在≤15Pa，真空结束温度控制在1536～1546℃。本发明Si及Alt成分较常规耐磨钢高，真空加硅铁合金及铝丸量较大，真空循环过程严格控制循环时间和真空度参数，可以进一步降低钢中的氮含量，进一步脱除有害杂质及气体，减少加合金及铝丸产生的夹杂物，提高钢水的纯净度，从而提高钢的耐磨性。
6)本发明连铸浇铸过程中选择低碱度、较高粘度、低熔点的结晶器保护渣，碱度为0.55～0.75，粘度为0.107～0.207Pa·S(温度在1300℃时)，熔点为944～1044℃，结晶器锥度设定为1.18～1.22％，结晶器冷却水量采用中强度冷却水量，其宽面冷却水流量为3400～3600L/min，结晶器窄面冷却水流量为600-620L/min。
7)连铸浇铸过程中控制低的过热度，过热度控制在5～15℃，中间包温度控制在1511～1521℃。
8)连铸浇铸过程中控制较低的拉坯速度，拉坯速度控制在0.9～1.1m/min。连铸浇铸过程中控制结晶器钢液面波动范围在±3mm以内。
和铸坯表面温度控制相结合，依据不同的铸流长度来分段控制铸坯表面温度，如下：
9)板坯加热至1280～1320℃后保温均热后进行轧制，粗轧温度为1080～1120℃，精轧温度为860～900℃；卷取温度为110～150℃。
本发明实施例成分、工艺、性能分别如表1～表4所示。
从表1～4可看出，本发明制备的搅拌罐用高强轻量化耐磨钢，具体为屈服强度550-850MPa，抗拉强度为950-1100MPa，延伸率A≥15％，硬度为250～450HB，厚度规格为3～6mm的高强轻量化耐磨钢。能完全满足高强轻量化耐磨钢的性能要求。
上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。
表1本发明各实施例和对比例的成分取值列表(wt，％)
表2本发明各实施例及对比例的主要炼钢工艺参数列表
表3本发明各实施例及对比例的主要炼钢工艺参数列表
表4本发明各实施例及对比例的主要炼钢工艺参数列表
表5本发明各实施例及对比例实测连铸浇铸时铸流长度与铸坯表面温度对应值
表6本发明各实施例及对比例的主要热轧工艺参数列表(℃)
表7本发明各实施例和对比例主要性能检测统计表
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Claims (3)

1.一种搅拌罐用高强轻量化耐磨钢，其特征在于，所述搅拌罐用高强轻量化耐磨钢的化学成分及重量百分比含量分别为：C：0.13～0.15％，Si：1.10～1.30％，Mn：1.70～1.90％，P：≤0.015％，S：≤0.0015％，Alt：0.45～0.55％，Ti：0.01～0.025％，N≤0.0050％，B≤0.0005％，T[O]≤0.0030％，余量为Fe及不可避免的夹杂。
2.根据权利要求1所述的搅拌罐用高强轻量化耐磨钢，其特征在于，所述搅拌罐用高强轻量化耐磨钢的化学成分及重量百分比含量分别为：
C：0.135～0.145％，Si：1.15～1.25％，Mn：1.75～1.85％，P：≤
0.012％，S：≤0.0010％，Alt：0.47～0.53％，Ti：0.012～0.022％，N≤
0.0040％，B≤0.0004％。
3.权利要求1至2任一项所述的搅拌罐用高强轻量化耐磨钢的制备方法，其特征在于，该方法包括KR铁水脱硫、转炉冶炼、吹氩、LF精炼、RH真空处理、连铸成坯、板坯加热、轧制、冷却和卷取步骤；
所述KR法铁水脱硫步骤中，脱硫期间要进行三次以上扒渣处理，所述扒渣指扒前渣或扒后渣，所述扒前渣次数不多于扒后渣次数且不少于一次，且要求每两次扒后渣之间停留时间不少于6min；裸露面不低于90％；脱硫后铁水中S≤0.001％；
所述转炉冶炼步骤中，控制转炉终点温度1630℃～1650℃，终点氧0.050～0.075％；转炉出钢加铝铁脱氧完全，控制钢中Alt：0.100～0.130％；并加入硅铁合金和锰铁合金，且加入的硅铁合金中含硼≤0.005％，含Si：75～78％，硅铁合金加入量15～18kg/t.s，控制钢水含B≤0.0001％，转炉出钢下渣量≤40mm；
所述LF精炼步骤中，脱硫前期造渣加入铝粒，后期喂铝线，控制钢水中S≤0.001％，控制钢包炉冶炼时间≤45分钟，控制钢水含B≤0.0003％。
所述RH真空处理步骤中，通过加入增碳剂，硅铁合金、锰铁合金、钛铁合金和铝粒来微调成分，使得C：0.135～0.145％，Si：1.15～1.25％，Mn：1.75～1.85％，Alt：0.47～0.53％，Ti：0.012～0.022％；真空循环时间30～35分钟，真空度控制在≤15Pa，真空结束温度控制在1536～1546℃；
所述连铸成坯步骤中，选择的结晶器保护渣，碱度为0.55～0.75，在1300℃时的粘度为0.107～0.207Pa·S，熔点为944～1044℃，结晶器锥度设定为1.18～1.22％，结晶器宽面的冷却水流量为3400～3600L/min，窄面的冷却水流量为600～620L/min；浇铸的过热度控制在5～15℃，中间包温度控制在1511～1521℃；浇铸的拉坯速度控制在0.9～1.1m/min，结晶器钢液面波动范围控制在±3mm以内；
所述连铸成坯步骤中，和铸坯表面温度控制相结合，依据不同的铸流长度来分段控制铸坯表面温度，其中铸流长度依次为0、0.333、0.417、0.5、0.667、0.833、0.967、1.367、2.333、3.4、4.833、7.167、9.0、20.5、40m时，铸坯表面温度控制范围依次为1343～1349、1105～1111、1087～1093、1072～1078、1053～1059、1039～1045、1029～1035、1017～1023、1001～1007、987～993、975～981、961～967、954～960、929～935、897～903℃；
所述轧制步骤中，板坯加热至1280～1320℃后保温均热后进行轧制，粗轧温度为1080～1120℃，精轧温度为860～900℃；卷取温度为110～150℃。
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