CN101307411A - 一种基于薄板坯工艺的含Nb中高碳高强度钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于薄板坯工艺的含Nb中高碳高强度钢及其制造方法。其技术方案中所述的钢种的化学成分是：C为0.25～1.25wt％，Nb为0.01～0.15wt％，Al为0.001～0.1wt％，Ca为0.0010～0.0050wt％，其余为Fe、不可避免的杂质和合金元素；所制备的钢板屈服强度为350～1500MPa。薄板坯工艺及工艺参数为：薄板坯厚度为50～90mm；板坯拉速为2.5～6.0m/min；铸坯进入加热炉温度为900～1100℃；铸坯进入均热炉温度为1000～1250℃；开轧温度为1000～1200℃；终轧温度为650～950℃；卷取温度为450～850℃和钢板厚度为1～12mm。本发明可提高产品质量，提高制造效率，减少制造成本，节约资源和能源等。

Description

一种基于薄板坯工艺的含Nb中高碳高强度钢及其制造方法

技术领域

本发明属于薄板坯连铸连轧工艺技术领域。尤其涉及一种基于薄板坯工艺的含Nb中高碳高强度钢及其制造方法。

背景技术

传统板坯连铸、薄板坯连铸工艺是生产薄钢板和薄带钢板的主要方式，铸锭粗轧开坯生产工艺除极少数高合金钢生产外，已被淘汰。薄板坯连铸连轧与传统板坯连铸和薄板坯连铸在建设投资和生产周期上具有无可比拟的优越性，自问世来，已受到各国钢铁界的密切关注。

薄板坯连铸连轧技术之所以在近二十年的时间里会有如此迅速的发展，就在于它与传统热轧带钢生产相比具有流程短、工序紧凑、装备简单、投资省、能耗低、环境污染小、生产率高和成本低等优点。传统热轧带钢生产一般是炼钢车间冶炼钢水，铸成一定规格长度的厚板坯，冷却后送往轧钢车间，经处理、编组后由加热炉进行再加热至轧制温度才能轧制成材。炼钢车间与轧钢车间是两个相对独立的车间，生产线不连续，而薄板坯连铸连轧是将连铸机和连轧机连成一条生产线，钢水由薄板坯连铸机铸成一定规格长度的薄板坯，随即进入在线的再加热炉进行少量加热，即送入连轧机轧制成材。

中高碳钢由于容易造成成分偏析甚至疏松和缩孔，同时由于高碳钢的脆性，通常采用模铸+初轧开坯再热轧或者常规厚板坯连铸+热轧的工艺来生产。对于模铸+初轧开坯再热轧工艺，能耗高，产品质量差，生产周期长，金属收得率低，污染环境严重。对于常规厚板坯连铸+热轧的工艺，容易造成碳的成分偏析和性能不均匀，能耗较高，生产周期较长，金属收得率不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种生产成本低、能耗低、生产周期短、工艺过程简单的薄板坯工艺的Nb微合金中高碳高强度钢的制造方法。所制造的薄钢板强度高、内部和表面质量高、品种规格多，生产灵活性大。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：含Nb中高碳高强度钢的化学成分是：C为0.25～1.25wt％，Nb为0.01～0.15wt％，Al为0.001～0.1wt％，Ca为0.0010～0.0050wt％，其余为Fe、不可避免的杂质和合金元素。合金元素的含量是：Si为0.05～1.5wt％、Mn为0.1～2.0wt％、Ni为0.1～1.5wt％、Cr为0.1～1.5wt％、Mo为0.01～1.5wt％、V为0.01～1.5wt％、W为0.01～1.5wt％、Ti为0.01～0.15wt％、Cu为0.01～1.5wt％中的一种或一种以上的元素及其含量。含Nb中高碳高强度钢的屈服强度为350～1500Mpa。

基于薄板坯工艺的含Nb中高碳高强度钢的制造方法是：先进行炼钢和精炼工艺，再进行薄板坯连铸，铸坯凝固后直接进入辊底式加热炉和均热炉，然后进行热连轧、冷却和卷取。其工艺参数为：

(1)所述化学成分的钢种进行炼钢和精炼，加入脱氧剂Al和合金元素，进行脱氧和合金化，Al控制在0.001％～0.1wt％；[Ca]/[Al]比控制在0.01～0.30之间；

(2)进行板坯连铸，薄板坯连铸的拉速为2.5～6.0m/min；

(3)将厚度为70～90mm的连铸板坯进行加热和均热，铸坯进入加热炉的温度为900～1100℃，铸坯进入均热炉的温度为1000～1250℃；

(4)进行热连轧，热连轧的开轧温度为1000～1200℃，终轧温度为650～950℃；

(5)冷却和卷取，冷却或为层流冷却、或为空冷，卷取温度为450～850℃，控制钢板厚度为1～12mm。

由于采用上述技术方案，本发明在高碳钢中加入微量铌(Nb)元素，提高奥氏体中固溶铌的含量，固溶铌量提高，升高了再结晶温度，从而可实现高温轧制，保证了高温时奥氏体再结晶的充分，改善了非再结晶区高温控轧效果，实现高温大压下，保证了中心组织的细化，还可以实现高温控轧，减轻轧制负荷。另外，在凝固和轧制过程中形成Nb的碳氮化物可以阻止晶粒长大，有利于晶粒细化。其次，在高碳钢中加入的微量铌元素，可使其A→P(奥氏体→珠光体)转变开始温度提高，有利于晶粒细化；再者，铌的加入减缓了铁、碳原子的扩散，使珠光体的片层间距减小，珠光体团尺寸减小，有利于提高高碳钢的强度、韧性和塑性。此外，Nb还可以提高中高碳钢的耐磨性。由于Nb的上述细化铁素体晶粒、减小珠光体片层间距和减小珠光体团尺寸的效果，可以采用Nb微合金化的方式节省贵重合金元素，可以进一步降低成本和提高性能。

本发明所制造的中高碳钢薄钢板铁素体晶粒细小，珠光体片层间距小，其强度和韧性明显高于传统工艺流程生产的中高碳钢薄钢板。该类钢钟经过调质热处理后，其强度和韧性高高出传统工艺生产的钢种。因而，所制造的薄钢板强度高、内部和表面质量高、品种规格多，生产灵活性大，金属收得率明显提高。

另外，本发明在工艺上具有如下特点：

1)缩短了生产线长度，减少了总图面积。薄板坯连铸连轧缩短了从结晶器至热带卷取机间的距离，同时省去了传统热轧带钢生产中的板坯存放、处理车间。

2)缩短了生产周期。连铸连轧是一个连续的过程，省去了大量的中间滞留时间，由钢水至成卷一般在15～30分钟，而传统生产至少需要5小时。

3)减少了设备，节约了能耗。薄板坯厚度较薄，致使可省去传统带钢生产中的初轧机组。铸坯由精轧机组直接轧制成材。铸坯在高温状态下，只需少量加热即可轧制，节省了能源。据统计，薄板坯连铸连轧可节省设备约30％，动力及能耗节约50％。

4)产品成本降低，经济效益巨大。就投资而言，一座大型钢厂从厚板坯连铸到轧制成品的投资为875美元/t，年产量可达400万吨，而一座CSP的投资为200美元/t，每年产量为250万吨。从工效来看，大型钢厂的工效为1.5～2.5h/t，而CSP为0.3～0.6h/t。从钢包炉到最终轧制的能耗来看，大型钢厂为465kWh/t，而CSP为105kWh/t。据测算，采用CSP技术将降低成本90～100美元/t。

5)提高了金属收得率，普通连铸为94.6％，薄板坯连铸的金属收得率为97.0％，金属收得率得到显著提高。

6)薄板坯表面不需要清理。在实现直接热轧工艺中，不允许对铸坯表面进行清理，因此，在薄板坯连铸时，采用专门为生产薄板坯而研制的熔点低流动性好的保护渣，可使铸坯同结晶器之间得到良好的润滑，采用了结晶器中钢液面的自动控制，避免了钢液面波动太大而造成卷渣以及铸坯表面出现缺陷。

7)薄板坯内部质量好。由于薄板坯在结晶器内冷却强度远大于传统的厚板坯，其二次枝晶和三次枝晶更短，柱状晶更细、更均匀，为最终组织的细化创造了条件。同时，因冷却强度大，板坯的微观偏析得到了很大的改善，分布更均匀，产品的性能更加均匀和稳定。

8)减少了污染，保护了环境。

9)中高碳钢中的碳偏析得到了很大的改善，分布更均匀，产品的性能更加均匀和稳定。

10)根据中高碳钢品种规格的要求，可以在同一炉或者同一浇次轧制多个不同厚度的品种，生产灵活性大。

11)由于铸坯薄，易于轧制薄规格的中高碳钢板。

12)Nb可以提高中高碳钢的耐磨性。

13)由于Nb可以细化铁素体晶粒、减小珠光体片层间距和减小珠光体团尺寸，可以采用Nb微合金化的方式节省贵重合金元素，可以进一步降低成本和提高性能。

总之，本发明采用的薄板坯连铸连轧工艺，由于冷却速度快，碳和合金元素的成分偏析小，组织和性能均匀。因此，具有生产成本低、能耗低、生产周期短、工艺过程简单的特点。

本发明适用于各类中高碳高强钢的生产，如锯片用钢、模具用钢、汽车门锁等工具用钢和结构钢等；可提高产品质量，提高制造效率，减少制造成本，节约资源和能源等。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述，并非是对本发明保护范围的限制。

实施例1

一种基于薄板坯工艺的含Nb高碳高强度钢。该钢种的化学成分是：C为0.62～0.69wt％、Nb为0.01～0.05wt％、Si为0.17～0.37wt％、Mn为0.7～1.0wt％、Al为0.01～0.04wt％、Ca为0.0010-0.0030wt％、P为≤0.030wt％、S为≤0.030wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。

含Nb中高碳高强度钢的制造方法是：先进行炼钢和精炼工艺，再进行薄板坯连铸，铸坯凝固后直接进入辊底式加热炉和均热炉，然后进行热连轧、冷却和卷取。其工艺参数为：

(1)对所述化学成分的钢种进行炼钢和精炼，加入脱氧剂Al和合金元素Nb、Si、Mn，进行脱氧和合金化，Al控制在0.010％～0.050wt％。[Ca]/[Al]比控制在0.05～0.15之间。

(2)进行板坯连铸，薄板坯厚度为70mm，结晶器保护渣为高碳钢保护渣，薄板坯连铸的拉速为3.0m/min；

(3)将厚度为70mm的连铸板坯进行加热和均热，铸坯进入加热炉的温度为1000～1050℃，铸坯进入均热炉的温度为1050～1150℃；

(4)进行热连轧，热连轧的开轧温度为1050～1150℃，终轧温度为700～800℃；

(5)冷却和卷取，冷却为层流冷却，卷取温度为650～750℃，控制钢板厚度为3～4mm。

本实施例1所制造的高碳钢65MnNb钢板的抗拉强度为970MPa，屈服强度为540MPa，而传统工艺的抗拉强度为650MPa，屈服强度为410MPa。该钢经过调质热处理后，其强度和韧性高于传统工艺生产的钢种的15-50％。

实施例2

一种基于薄板坯工艺的含Nb中碳高强度钢。该钢种的化学成分是：C为0.26～0.33wt％、Al为0.03～0.08％wt、Si为0.17～0.375wt％、Mn为0.4～0.7wt％、Cr为0.8～1.1wt％、Mo为0.15～0.25wt％、Al为0.01～0.04％wt、Ca为0.0010-0.0030％wt、P为≤0.030wt％、S为≤0.030wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。

基于薄板坯工艺的含Nb中高碳高强度钢的制造工艺同实施例1。其工艺参数为：

(1)对所述化学成分的钢种进行炼钢和精炼，加入脱氧剂Al和合金元素Nb、Si、Mn、Cr、Mo，进行脱氧和合金化，Al控制在0.010％～0.040％。[Ca]/[Al]比控制在0.05～0.18之间；

(2)进行板坯连铸，薄板坯厚度为90mm，结晶器保护渣为中碳钢保护渣，薄板坯连铸的拉速为3.5m/min；

(3)将厚度为90mm的连铸板坯进行加热和均热，铸坯进入加热炉的温度为900～1000℃，铸坯进入均热炉的温度为1100～1250℃；

(4)进行热连轧，热连轧的开轧温度为1080～1200℃，终轧温度为750～950℃；

(5)冷却和卷取，冷却为空冷，卷取温度为700～850℃，控制钢板厚度为4～5mm。

本实施例2所制造的30CrMoNb钢板的抗拉强度为780MPa，屈服强度为510MPa，而传统工艺的抗拉强度只有530MPa，屈服强度为320MPa。该钢经过调质热处理后，其强度和韧性明显高于传统工艺生产的30CrMo钢板。

实施例3

一种基于薄板坯工艺的含Nb中高碳高强度钢。该钢种的化学成分是：C为0.40～0.50wt％、Al为0.05～0.12wt％、Si为0.15～0.35wt％、Mn为0.1～0.4wt％、Cu为0.1～0.3wt％、W为0.01～0.2wt％、Al为0.01～0.04wt％、Ca为0.0010-0.0030wt％、P为≤0.030wt％、S为≤0.030wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。

基于薄板坯工艺的含Nb中高碳高强度钢的制造工艺同实施例1。其工艺参数为：

(1)对所述化学成分的钢种进行炼钢和精炼，加入脱氧剂Al和合金元素Si、Mn、Cu、W，进行脱氧和合金化，Al控制在0.010％～0.030wt％。[Ca]/[Al]比控制在0.05～0.20之间；

(2)进行板坯连铸，薄板坯厚度为50mm，结晶器保护渣为中碳钢保护渣，薄板坯连铸的拉速为4.5m/min；

(3)将厚度为50mm的连铸板坯进行加热和均热，铸坯进入加热炉的温度为1000～1100℃，铸坯进入均热炉的温度为1000～1100℃；

(4)进行热连轧，热连轧的开轧温度为1000～1080℃，终轧温度为650～750℃；

(5)冷却和卷取，冷却为层流冷却，卷取温度为450～650℃，控制钢板厚度为1～3mm。

本实施例3所制造的45Nb钢板的抗拉强度为720MPa，屈服强度为460MPa。该钢经过调质热处理后，其强度和韧性明显高于传统工艺生产的45#钢种。

实施例4

一种基于薄板坯工艺的含Nb中高碳高强度钢。该钢种的化学成分是：C为1.02～1.22wt％、Si为0.15～0.35wt％、Mn为0.1～0.4wt％、Ti为0.06～0.12wt％、Al为0.04～0.08wt％、Ca为0.0010-0.0030wt％、P为≤0.030wt％、S为≤0.030wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。

基于薄板坯工艺的含Nb中高碳高强度钢的制造工艺同实施例1。其工艺参数为：

(1)对所述化学成分的钢种进行炼钢和精炼，加入脱氧剂Al和合金元素Si、Mn、Ti，进行脱氧和合金化，Al控制在0.04％～0.08wt％。[Ca]/[Al]比控制在0.03～0.1之间；

(2)进行板坯连铸，薄板坯厚度为50mm，结晶器保护渣为高碳钢保护渣，薄板坯连铸的拉速为4.5m/min；

(3)将厚度为50mm的连铸板坯进行加热和均热，铸坯进入加热炉的温度为1000～1100℃，铸坯进入均热炉的温度为1000～1100℃；

(4)进行热连轧，热连轧的开轧温度为1000～1080℃，终轧温度为650～750℃；

(5)冷却和卷取，冷却为层流冷却，卷取温度为450～650℃，控制钢板厚度为7mm。

本实施例4所制造的高碳含Nb钢板的屈服强度为1500MPa。该钢经过调质热处理后，其强度和韧性明显高于传统工艺生产的相同高碳钢种。

本实施例1～4所制造的中高碳钢薄钢板铁素体晶粒细小，珠光体片层间距小，其强度和韧性明显高于传统工艺流程生产的中高碳钢薄钢板。该类钢钟经过调质热处理后，其强度和韧性高高出传统工艺生产的钢种。因而，所制造的薄钢板强度高、内部和表面质量高、品种规格多，生产灵活性大，金属收得率明显提高。

总之，本具体实施方式采用的薄板坯连铸连轧工艺，由于冷却速度快，碳和合金元素的成分偏析小，组织和性能均匀。因此，具有生产成本低、能耗低、生产周期短、工艺过程简单的特点。

本具体实施方式适用于各类中高碳高强钢的生产，如锯片用钢、模具用钢、汽车门锁等工具用钢和结构钢等；可提高产品质量，提高制造效率，减少制造成本，节约资源和能源等。

Claims (2)

1、一种基于薄板坯工艺的含Nb中高碳高强度钢，其特征在于所述的含Nb中高碳高强度钢的化学成分是：C为0.25～1.25wt％，Nb为0.01～0.15wt％，Al为0.001～0.1wt％，Ca为0.0010～0.0050wt％，其余为Fe、不可避免的杂质和合金元素；合金元素是：Si为0.05～1.5wt％、Mn为0.1～2.0wt％、Ni为0.1～1.5wt％、Cr为0.1～1.5wt％、Mo为0.01～1.5wt％、V为0.01～1.5wt％、W为0.01～1.5wt％、Ti为0.01～0.15wt％、Cu为0.01～1.5wt％中的一种或一种以上的元素及其含量；含Nb中高碳高强度钢的屈服强度为350～1500MPa。

2、权利要求1所述的基于薄板坯工艺的含Nb中高碳高强度钢的制造方法，先进行炼钢和精炼工艺，再进行薄板坯连铸，薄板坯厚度为50～90mm，铸坯凝固后直接进入辊底式加热炉和均热炉，然后进行热连轧、冷却和卷取，其特征在于薄板坯工艺及工艺参数为：

(1)权利要求1所述化学成分的钢种进行炼钢和精炼，加入脱氧剂Al和合金元素，进行脱氧和合金化，Al控制在0.001％～0.1wt％，[Ca]/[Al]比控制在0.01～0.30之间；

(2)进行板坯连铸，薄板坯连铸的拉速为2.5～6.0m/min；

(3)将厚度为50～90mm的连铸板坯进行加热和均热，铸坯进入加热炉的温度为900～1100℃，铸坯进入均热炉的温度为1000～1250℃；

(4)进行热连轧，热连轧的开轧温度为1000～1200℃，终轧温度为650～950℃；

(5)冷却和卷取，冷却或为层流冷却、或为空冷，卷取温度为450～850℃，控制钢板厚度为1～12mm。