CN100564547C - 高强度结构钢用微合金化复合包芯线 - Google Patents
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Abstract
高强度结构钢用微合金化复合包芯线，包括碳钢外皮和粉状内芯，所述粉状内芯中的元素组份及质量%为：C 0.6-0.8，Ca 18-22，Si 45-50，Mg 0.3-0.6，Ba 0.5-1.5，稀土金属0.2-0.5，B 0.3-0.7，Zr 1.6-2.0，Ti 1.2-1.8，Mn 0.08-0.12，P 0.2-0.6，S 0.2-0.6，Fe余量。显著提高钢材强度，使钢材的纵、横向冲击性能达到各向同性。细化晶粒，使条状夹杂物球化并弥散分布在基体中，消除连铸坯中的偏析线，改善其性能，适于高强度(Rm≥800MPa)，高韧性(冲击韧性CV＝250-300J，-20℃)结构钢的炉外精炼。
Description
技术领域
本发明涉及一种炼钢用的复合包芯线，具体地是指一种高强度结构钢用微合金化复合包芯线。适于作为炼钢用的脱氧、脱硫和微合金化加入剂。
背景技术
包芯线技术是在喷射冶金技术基础上发展起来的炉外精炼新技术。现有的包芯线主要作为炼钢用的脱氧、脱硫剂，如中国专利公开号：CN1073722，公开日：1993年06月30日，发明名称：《净化钢液用复合剂及其使用方法》，提出了由Ca，Mg，RE，Si，C，F等原料经包芯而成的包芯线，具有熔点低，有利于钢中夹杂物聚集上浮等优点，对于提高钢坯的冶炼质量有较好的效果。在合金化方面，中国专利公开号：CN1775960，公开日：2006年05月24日，发明名称：《铝-稀土包芯线》，提出了在包芯线中采用稀土金属以改善强度的技术方案，可以减薄包芯钢皮的厚度，避免包芯线软化，使包芯线顺利穿过渣层进入钢水中。但上述技术方案对于优化钢材的成份和组织结构，改善钢材力学性能，开发新钢种并提高其品质均无明显的作用。
我国钢产量已连续数年雄踞世界第一，所需要粗钢已经完全实现了自给自足，产品已达到了国际先进水平，这是我国钢铁事业上的巨大成功。但同时还应该看到，我国优质钢材品种及数量距离发达国家还有一定距离。高强度、高韧性、高附加值的钢铁产品仍需依赖进口。对于大型工程结构建设用钢，特别是高强度(Rm≥800MPa)，高韧性(冲击韧性CV＝250-300J，-20℃)的结构钢，在冶炼工艺中一般存在C高，合金元素多，不易控制，成本高的特点，这又会给连铸坯带来成分偏析、中心疏松及夹杂物分布不均匀等问题，继而给成品板的轧制带来如分层、钢板力学性能不稳定等很多不利的影响。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术无法改善钢材的成分和组织结构，提高其力学性能并难以应用于高强度、高韧性结构钢冶炼工艺的缺陷和不足，提供一种高强度结构钢用微合金化复合包芯线。
本发明的技术解决方案是：高强度结构钢用微合金化复合包芯线，包括碳钢外皮和粉状内芯，所述粉状内芯中的元素组份及质量％为：C 0.6-0.8，Ca 18-22，Si 45-50，Mg 0.3-0.6，Ba 0.5-1.5，稀土金属0.2-0.5，B 0.3-0.7，Zr 1.6-2.0，Ti 1.2-1.8，Mn 0.08-0.12，P 0.2-0.6，S 0.2-0.6，Fe余量。
本发明所述粉状内芯中的元素组份及质量％为：C 0.7，Ca 20.4，Si 48，Mg 0.42，Ba 1，稀土金属0.32，B 0.5，Zr 1.8，Ti 1.5，Mn 0.1，P 0.37，S 0.42，Fe余量。
本发明所述粉状内芯的粒径为0.5-2毫米。
本发明所述粉状内芯中按质量％：粒径1.5-2毫米的物料少于10，粒径1-1.5毫米的物料为60-70，余量为粒径1毫米以下的物料。
本发明的有益效果是：1，传统理论认为，钢中非金属夹杂物是钢材承载性能的大敌，非金属夹杂物越少越好。现代炼钢工艺指出，完全排除非金属夹杂物是不可能的，同时也是不经济和不必要的。基于微细的非金属质点作为形核质点的氧化物冶金思想已经成功用于针状铁素体钢的研制工作。利用复合包芯线进行新钢种的开发给我国钢铁科研人员以很大的启示，为新特品种钢材的开发提供了一种行之有效的新方法。同时，利用复合包芯线将某些合金元素喂入钢水中形成高熔点的、微细(零点几微米)的氧化物质点，诱发生成针状铁素体或作为第二相质点弥散分布在钢中，使钢的晶粒细化，不仅对钢材起到了强化作用，并在后续的焊接热循环过程中抑制奥氏体晶粒长大，大幅度提高钢材的可焊性，特别是结构钢大线能量焊接时粗晶区仍然有较高的韧性，从而使钢材得到更加广泛的应用。2，微合金化复合包芯线在钢包中仅加入以ppm计的微量的合金元素并按一定比例配合，便可起到显著的提高钢材综合性能的效果。这一方面简化了生产工艺，另一方面可更容易实现合金元素含量的精确控制，提高合金元素收得率3-5倍，合金命中率得以大幅提高。3，加入本发明包芯线后，对钢材性能的改善作用明显，可显著提高钢材强度，尤其是大幅提高横向冲击性能，使之接近纵向冲击值，使钢材达到各向同性。可细化晶粒，使钢材晶粒度提高2-3级。4，加入本发明包芯线后，可使条状夹杂物球化，弥散分布在基体中，等轴晶组织提高到60％以上。这有利于消除连铸坯中的偏析线(黑线)，改善连铸坯的性能，从而轧制出性能优良的钢材，适于高强度(Rm≥800MPa)，高韧性(冲击韧性CV＝250-300J，-20℃)结构钢的炉外精炼。5，采用本发明包芯线向钢水中加入微量合金元素，可以大大提高合金元素的收得率，从而提高昂贵合金成分的利用率，是降低钢材制造成本的有效途径。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述：
本发明的高强度结构钢用微合金化复合包芯线，包括碳钢外皮和粉状内芯，所述粉状内芯中的元素组份及质量％为：C 0.6-0.8，Ca 18-22，Si 45-50，Mg 0.3-0.6，Ba 0.5-1.5，稀土金属0.2-0.5，B 0.3-0.7，Zr 1.6-2.0，Ti 1.2-1.8，Mn 0.08-0.12，P 0.2-0.6，S 0.2-0.6，Fe余量。
Ca钙可以改善夹杂物的形态和分布，使条状的夹杂物变性为球形的夹杂物且使夹杂物弥散分布；抑制枝晶的生长，增加等轴晶的比例；细化晶粒，改善晶界的性能。
Mg的加入可以强化、提高Ca的有效作用，提高Ca的收得率。
Ba是典型的活性元素，它能促进Ca的作用。
Ca、Mg、Ba属于化学性很活泼的元素，它们的加入可以减少O、S等有害元素，同时由于这些元素沸点比较低，在钢包中易于气化，气泡从钢包底部上浮的过程中可以促使夹杂物的上浮，还增加了钢水的流动，使钢水更加均匀，防止偏析。这可以减少连铸坯中的中心偏析问题，从而使轧制钢板中的带状组织减少，很大程度上改善了钢材中的各向异性。
要想进一步的细化晶粒和改善钢材的力学性能，必须同时对钢水进行微合金化，本发明所用的微合金化元素有B、Ti、Zr等。微量的B可以强化晶界，并且和一定比例的Ti相互作用可以起到很强的细化晶粒作用。Ti和Zr是常用的还原剂和微合金化元素，它们可以降低N的有害作用，在钢中形成微细的氮化物TiN和ZrN，可以细化晶粒，抑制奥氏体晶粒的长大，从而提高钢材的力学性能，特别是提高钢材的抗裂纹扩展能力。此外，Zr还可以提高钢材的耐腐蚀性。
稀土金属的加入具有降低夹杂物熔点，脱氧脱硫，增加钢水纯净度的作用，同时可以细化晶粒，抑制奥氏体晶粒的长大，从而提高钢材的力学性能。稀土金属的加入量应控制在粉料内芯总量的0.2-0.5％为宜。
实施例1
包芯线碳钢外皮采用厚度为0.3-0.4毫米的08Al钢带，所述粉状内芯中的元素组份及质量％为：C 0.6，Ca 18，Si 45，Mg 0.3，Ba 0.5，稀土金属0.2，B 0.3，Zr 1.6，Ti 1.2，Mn 0.08，P 0.2，S 0.2，Fe余量。粉状内芯的粒度为0.5-2毫米。最好是使所述粉状内芯中按质量％：粒径1.5-2毫米的物料少于10，粒径1-1.5毫米的物料为60-70，余量为粒径1毫米以下的物料。用碳钢外皮将其粉状内芯包制成直径9-15毫米的包芯线。用于KD型高强度钢，即强度(Rm≥800MPa)，韧性(冲击韧性CV＝250-300J，-20℃)特殊结构钢的连铸冶炼。炉外精炼时，按每吨钢水加入1.5-3公斤粉状内芯的量喂入包芯线。
实施例2
包芯线碳钢外皮采用厚度为0.3-0.4毫米的低碳钢钢带，所述粉状内芯中的元素组份及质量％为：C 0.8，Ca 22，Si 50，Mg 0.6，Ba 1.5，稀土金属0.5，B 0.7，Zr 2.0，Ti 1.8，Mn 0.12，P 0.6，S 0.6，Fe余量。其余同实施例1。
实施例3
包芯线碳钢外皮采用厚度为0.3-0.4毫米的低碳钢钢带，所述粉状内芯中的元素组份及质量％为：C 0.8，Ca 21，Si 47，Mg 0.5，Ba 1.2，稀土金属0.4，B 0.4，Zr1.7，Ti 1.6，Mn 0.1，P 0.3，S 0.4，Fe余量。其余同实施例1。
实施例4
包芯线碳钢外皮采用厚度为0.3-0.4毫米的08Al钢带，所述粉状内芯中的元素组份及质量％为：C 0.7，Ca20.4，Si 48，Mg 0.42，Ba 1，稀土金属0.32，B 0.5，Zr 1.8，Ti 1.5，Mn 0.1，P 0.37，S 0.42，Fe余量。所述粉状内芯中按质量％：粒径1.5-2毫米的物料为10，粒径1-1.5毫米的物料为60，余量为粒径1毫米以下的物料。用08Al钢带将其粉状内芯包制成直径13毫米的包芯线，其中按质量％，每米包芯线中的粉状内芯为64％。用于强度(Rm≥800MPa)，韧性(冲击韧性CV＝250-300J，-20℃)特殊结构钢的连铸冶炼。炉外精炼时，按每吨钢水加入2公斤粉状内芯的量喂入包芯线。并对其包芯线加入前后铸坯的内在质量及钢板性能进行分析。
1.包芯线加入前后渣样分析
其结果参见表一。
表一：包芯线加入前后渣样分析 Wt％
| 炉次 | 试样 | SiO<sub>2</sub> | Al<sub>2</sub>O<sub>2</sub> | CaO | MgO | T<sub>Fe</sub> |
| 1 | 未加入包芯线 | 24.18 | 21.29 | 19.62 | 3.79 | 2.66 |
| 1 | 加入包芯线 | 26.18 | 24.91 | 21.53 | 5.20 | 1.32 |
| 2 | 未加入包芯线 | 17.68 | 23.07 | 31.75 | 4.19 | 1.12 |
| 2 | 加入包芯线 | 22.10 | 24.01 | 20.75 | 5.05 | 1.98 |
从表一可以看出，加入包芯线后的渣样中各成分含量均大于未加入包芯线的渣样，由此可见，加入包芯线有利于钢中渣的的上浮。
2.微量元素收得率
对其铸坯轧制的成品板取样进行微量元素成分测定，其结果参见表二。
表二：成品板化学成分 Wt％
| 编号 | Zr | Ca | Mg | B |
| 1(加入包芯线相当于粉状内芯2公斤/吨钢水) | 0.002 | 0.0037 | 0.002 | ≤0.0005 |
| 2(加入包芯线相当于粉状内芯2.5公斤/吨钢水) | 0.002 | 0.0036 | 0.002 | ≤0.0005 |
| 3(未加入包芯线) | ≤0.001 | 0.0020 | ≤0.001 | ≤0.0005 |
从表二可以看出，加入包芯线后Ca的收得情况较好，而Mg的收得率较低，同时，加入包芯线的量对钢水的微量成分影响不大。
3.铸坯第一轮低倍分析
取其中加入包芯线的高强度钢铸坯与未加入包芯线的高强度钢铸坯进行对比分析，未加入包芯线的高强度钢铸坯中心存在明显的黑线带，夹杂物呈条状连续分布；而加入包芯线的高强度钢铸坯，钢中夹杂物变性，由原来的链状夹杂物变为圆形颗粒状，并分散分布。可见，冶炼时加入包芯线处理，对改善高强度钢铸坯中心偏析有利。
4.铸坯第二轮低倍分析
从第二轮低倍结果来看，加入包芯线后，大部分情况得到了改善，等轴品率、中心偏析和中心疏松均得到一定提高，对比第一轮的包芯线试验，其结果大致相同，铸坯中心原先很明显的偏析带已经不再明显，甚至消失，说明本发明包芯线的加入对改善铸坯的偏析、疏松及缩孔确实有效，从低倍组织来看，第二轮较第一轮的低倍组织有明显改善。
5.断口分析
取高强度钢进行断口形貌分析，发现未加入包芯线的高强度钢断口纤维粗大，夹杂物呈条状分布，加入包芯线后，夹杂物形态由链条状变成球状且呈弥散分布，钢质细腻，夹杂变小。可见，加入包芯线后对改善夹杂物有利。
6.力学性能试验
取加入和未加入包芯线的高强度钢板进行力学性能测试对比，其结果参见表三、表四。
表三：-40℃冲击及硬度
表四：拉伸性能
可见，加入包芯线后，在钢板性能上，拉伸性能变化不大，强度稍有提高，但钢板的低温冲击值有明显提高，尤其是在钢板纵横向冲击值差距减小，各项异性得到明显改善。
7.晶粒度分析
对加入和未加入包芯线的高强度钢的奥氏体晶粒度进行测定，结果，加入包芯线后钢的奥氏体晶粒度可达8.5级，而未加入包芯线钢的奥氏体晶粒度为6.5级。
8.钢的组织
对加入包芯线的高强度钢进行热处理后测定其金相组织为回火索氏体，且组织较为细小，证明加入包芯线后对组织细化有较好的作用。因此，其高强度钢的淬火温度可以适当提高，这有利于钢的奥氏体化，却不会出现长大现象。
9.化学成分均匀性分析
加入包芯线后铸坯的化学成分均匀性，参见表五。
表五：铸坯化学成分分析 Wt％
从表五的结果来看，易偏析元素C、P、S相差不多，较均匀。与表五相似，其它元素的分析结果也相差不多，表明其化学成分均匀性较好，较均匀稳定。
Claims (4)
1.高强度结构钢用微合金化复合包芯线，包括碳钢外皮和粉状内芯，其特征在于：所述粉状内芯中的元素组份及质量％为：C 0.6-0.8，Ca 18-22，Si 45-50，Mg 0.3-0.6，Ba0.5-1.5，稀土金属0.2-0.5，B 0.3-0.7，Zr 1.6-2.0，Ti 1.2-1.8，Mn0.08-0.12，P0.2-0.6，S 0.2-0.6，Fe余量。
2.根据权利要求1所述的高强度结构钢用微合金化复合包芯线，其特征在于：所述粉状内芯中的元素组份及质量％为：C 0.7，Ca 20.4，Si 48，Mg 0.42，Ba 1，稀土金属0.32，B 0.5，Zr 1.8，Ti 1.5，Mn 0.1，P 0.37，S 0.42，Fe余量。
3.根据权利要求1或2所述的高强度结构钢用微合金化复合包芯线，其特征在于：所述粉状内芯的粒径为0.5-2毫米。
4.根据权利要求3所述的高强度结构钢用微合金化复合包芯线，其特征在于：所述粉状内芯中按质量％：粒径1.5-2毫米的物料少于10，粒径1-1.5毫米的物料为60-70，余量为粒径1毫米以下的物料。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20091202 Termination date: 20110430 |