CN101671797B - 一种表面负偏析磷的高磷耐候钢铸轧薄带及其制备方法 - Google Patents

一种表面负偏析磷的高磷耐候钢铸轧薄带及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种表面负偏析磷的高磷耐候钢铸轧薄带及其制备方法，薄带化学成分按质量百分比为C 0.061～0.099％、Si 0.15～0.75％、Mn 0.20～0.49％、P0.07～0.30％、S≤0.02％、Cu 0.25～0.50％、Cr 0.30～1.25％；Ni 0.12～0.65％，余量为Fe。薄带制备方法为：熔炼、精炼，将精炼钢水采用双辊薄带铸轧设备铸轧，开浇温度1540～1600℃，铸轧速度12～60m/min，预设辊缝为1～4mm；获得厚度1～5mm的表面负偏析磷的铸轧带坯；然后冷轧、退火。表面负偏析磷保证了薄带的强度和塑性，并能大幅度地提高薄带的耐蚀性能，表面负偏析磷的高磷耐候钢铸轧薄带的韧脆转变温度比常规工艺产品低10℃左右，钢材韧性提高。

Description

一种表面负偏析磷的高磷耐候钢铸轧薄带及其制备方法
技术领域
本发明属于钢材铸轧技术领域，特别涉及高磷耐候钢铸轧薄带及其制备方法。
背景技术
随着生态经济和循环经济等概念的提出，更加迫切地需要对废钢进行有效的回收。磷是废钢中最主要的夹杂元素之一，在常规板坯生产过程中易于形成偏析，导致严重的脆性。因此废钢的有效回收在于如何既提高钢中磷含量又不产生破坏性作用。另一方面，磷元素也并不总是起有害的作用。只要能够消除磷偏析的不利影响，就能发挥其固溶强化和耐蚀的作用。但是在常规工艺中，消除磷偏析是十分困难的。
发明内容
针对以上现有技术存在的问题，本发明提供一种表面负偏析磷的高磷耐候钢铸轧薄带及其制备方法。
本发明的表面负偏析磷的高磷耐候钢铸轧薄带的化学成分按质量百分比为C 0.061～0.099％、Si0.15～0.75％、Mn0.20～0.49％、P0.07～0.30％、S≤0.02％、Cu0.25～0.50％、Cr0.30～1.25％；Ni0.12～0.65％，余量为Fe。将表面负偏析磷的高磷耐候钢铸轧薄带的磷含量控制在0.10～0.26％之间，能够使高磷耐候钢铸轧薄带获得较好的力学性能和耐蚀性能；进一步控制表面负偏析磷的高磷耐候钢铸轧薄带中的C、Si和Cr的成分按重量百分比为C0.061～0.099％、Si0.25～0.45％、Cr0.30～0.70％，能够获得高磷耐候钢铸轧薄带更好的力学性能和耐蚀性能。
本发明的表面负偏析磷的高磷耐候钢薄带的制备方法步骤如下：
1、熔炼、精炼
按上述设计的成分比例配料，将原料预热至100～300℃，放入冶炼炉中，在惰性气体保护下进行熔炼；当冶炼炉中的钢水温度为1540～1650℃时，添加除渣剂，在惰性气体保护下进行精炼，精炼时间为2～30分钟；精炼结束后的钢水静置2～20分钟，获得精炼钢水。
上述的惰性气体可选用氩气或氦气，压力范围0.3～2.0MPa，除渣剂选用常规除渣剂，例如珍珠岩保温除渣剂，其用量按重量百分比为钢水重量的0.4～0.6％。
2、制备铸轧带坯
将精炼钢水采用双辊薄带铸轧设备进行铸轧，铸轧过程中，钢水的开浇温度为1540～1600℃，铸轧速度为12～60m/min，预设辊缝为1～4mm；在钢水的流动过程中用惰性气体保护；获得厚度为1～5mm的表面负偏析磷(即表面富磷)的铸轧带坯。惰性气体可选用氩气或氦气，压力范围0.3～2.0MPa。
3、冷轧和退火
将制备的铸轧带坯经过酸洗后冷轧，冷轧压下量为20～85％，冷轧后厚度为0.7～3mm，在650～850℃的温度下退火5～60分钟(即将冷轧后的薄带加热至650～850℃，保温5～60分钟，然后自然冷却至常温)，获得表面负偏析磷(即表面富磷)的高磷耐候钢铸轧薄带。
本发明具有以下突出特点和显著效果：
(1)薄带铸轧工艺属于短流程工艺，符合节能减排的要求。由于钢水凝固过程中冷却速度高达102～104℃/s，属于典型的亚快速凝固，富集在枝晶间的低熔点元素磷在轧制力的作用向铸轧带坯表面偏聚，形成了后续冷轧和退火工艺无法消除的表面负偏析，导致铸轧带坯中心磷含量降低，保证了薄带的强度和塑性。冷轧退火后，其抗拉强度≥405MPa，延伸率≥28％；而在表面偏聚的磷有助于形成致密的磷酸盐层，阻止了腐蚀液对基体的进一步腐蚀，大幅度地提高了耐蚀性能，实验室干湿交替加速腐蚀测试结果表明，120周期后，其锈层厚度仅为常规工艺(铸坯-热轧-冷轧-退火)生产薄带的的50％左右。
(2)表面富磷的高磷耐候钢铸轧薄带中，当磷含量高于0.14％时，和常规工艺生产的高磷带材相比，在磷含量相同的情况下，表面富磷的高磷耐候钢铸轧薄带的韧脆转变温度相对低10℃左右，钢材韧性提高。
附图说明
图1为本发明实施例中的表面负偏析磷的高磷耐候钢铸轧薄带与现有工艺生产的常规薄带的磷含量韧脆转变温度曲线图。
图2为样品经实验室0.005mol/lNaHSO3溶液(PH值为4.5)加速腐蚀120周期(每周期12小时)后的形貌图；其中(a)、(b)、(c)分别为对比样品HR0.08P、HR0.15P、HR0.20P(符号HR0.08P、HR0.15P、HR0.20P分别表示常规工艺生产的磷含量为0.08％、0.15％、0.20％的带材)腐蚀后形貌图，(d)为实施例1产品腐蚀后形貌图，(e)为实施例2产品腐蚀后形貌图。
图3为样品的实验室加速腐蚀试验的腐蚀增厚曲线图；图中A为实施例1产品腐蚀增厚曲线，B为实施例2产品腐蚀增厚曲线，HR0.08P、HR0.15P、HR0.20P分别为常规工艺生产的磷含量为0.08％、0.15％、0.20％的带材的腐蚀增厚曲线。
图4为样品经实验室加速腐蚀120周期后，基体/锈层界面的EDX(能谱分析)结果图；其中(a)为对比样品HR0.15P的EDX结果图，(b)为实施例1 EDX结果图。
图5为薄带的磷分布图(白亮带为高磷区)；其中(a)为对比样品HR0.08P的磷分布，(b)为对比样品HR0.15P的磷分布，(c)为实施例1的磷含量分布图，(d)为对比样品HR0.20P的磷分布，(e)为实施例2的磷分布图。
图6为薄带的磷的定量分布曲线图，图中A为实施例1产品磷的定量分布曲线，HR0.15P为常规工艺生产的磷含量为0.15％的带材的磷的定量分布曲线。
具体实施方式
本发明实施例中采用的双辊薄带铸轧机参数为：铸轧辊直径500mm；辊身宽度250mm；冷却方式为内部水冷。
本发明实施例中酸洗为常规酸洗工艺，采用的酸为盐酸，以37％浓盐酸(质量百分比浓度)与水按体积比1∶(3～10)配制。
本发明实施例中采用的冶炼炉为中频感应炉。
实施例中的对比样品采用常规的工艺生产，主要工艺参数如下。
对比样品用钢采用真空感应炉熔炼，浇铸成30kg钢坯。开坯后采用热轧试验轧机轧制成3mm试验用钢板。
由于试验过程的需要，热轧过程采用二阶段轧制，即将粗轧和精轧分开。
第一阶段：
出钢温度：1200℃，加热时间：2～3小时；
开轧温度：1100℃。
第二阶段：
(1)开轧温度：1090℃；
(2)终轧温度：870℃；
(3)轧后层流冷却到630℃。
轧钢工艺参数见表1。
表1对比样品热轧工艺参数
阶段     厚度H/mm
第一阶段(粗轧)     120-84-60-43-32-24
第二阶段(精轧)     17-12-8.5-6-4.5-3.5-3
热轧后处理流程，即冷轧、退火，采用与本发明铸轧带坯同样的处理方法。
实施例1
本实施例表面负偏析磷(即表面富磷)的高磷耐候钢薄带制备方法步骤如下：
1、熔炼、精炼
按表2的成分配料。
将原料预热至300℃，放入冶炼炉中，在惰性气体保护下进行熔炼；当冶炼炉中的钢水温度为1600℃时，添加除渣剂，在惰性气体保护下进行精炼，精炼时间为2分钟；精炼结束后的钢水静置2分钟，获得精炼钢水。
上述的惰性气体选用氦气，压力2.0MPa，除渣剂选用珍珠岩保温除渣剂，其用量按重量百分比为钢水重量的0.6％。
2、制备铸轧带坯
将精炼钢水采用双辊薄带铸轧设备进行铸轧，铸轧过程中，钢水的开浇温度为1560℃，铸轧速度为20m/min，预设辊缝为1.4mm；在钢水的流动过程中用惰性气体保护；获得厚度为1.75mm的表面富磷的铸轧带坯。惰性气体选用氦气，压力3.0MPa。
3、冷轧和退火
将制备的铸轧带坯经过酸洗后冷轧，冷轧压下量为54％，冷轧后厚度为0.8mm，在750℃的温度下退火30分钟(即将冷轧后的薄带加热至750℃，保温30分钟，然后自然冷却至常温)，获得成品表面富磷的高磷耐候钢铸轧薄带。
该成品高磷耐候钢铸轧薄带的力学性能见表3，其抗拉强度为435MPa，屈服强度为315MPa，延伸率为32.5％，韧脆转变温度为-45℃，比常规工艺生产的相同P含量的薄带(常规带材)降低10℃，样品经实验室0.005mol/lNaHSO3溶液(PH值为4.5)加速腐蚀120周期(每周期12小时)后形貌参见图2，增重曲线参见图3，EDX结果参见图4。
由图1可以看出，经过120周期(60天)加速腐蚀试验后，该成品高磷耐候钢铸轧薄带的锈层平均厚度分别仅为对比样品HR0.08P、HR0.15P、HR0.20P的41％、55％、68％，表明该成品高磷耐候钢铸轧薄带抗腐蚀性能明显优于对比样品。
锈层厚度(h，m)随时间(t，小时)的变化可以由方程h＝Ktn(其中K和n为常数)来描述。根据上述方程，采用非线性拟合法对图2所列的结果进行拟合，可以得到对比样品HR0.08P和高磷耐候钢铸轧薄带的n值分别为0.47343和0.27411。对比样品HR0.08P的n值接近于0.5，说明其腐蚀由扩散控制，而高磷耐候钢铸轧薄带n值明显小于0.5，说明由于锈层中的致密层的阻挡导致了扩散系数的减小，提高了其耐蚀性能。
由图3的EDX结果中可以看出，对比样品HR0.15P的锈层/基体界面没有磷富集，而高磷耐候钢铸轧薄带锈层/基体上有明显的磷富集，说明了磷促进了致密磷酸盐的形成，阻挡了腐蚀液进一步接触基体。
实施例1～5样品和对比样品化学成分见表2。
表2实施例样品和对比样品化学成分，质量％
 C Si  Mn P Cr Ni Cu S Fe
实施例1样品  0.076 0.341  0.326 0.150 0.510 0.410 0.325 0.0083 余量
实施例2样品  0.075 0.352  0.320 0.260 0.505 0.407 0.317 0.0057 余量
实施例3样品  0.082 0.391  0.423 0.172 0.474 0.603 0.298 0.0079 余量
实施例4样品  0.069 0.264  0.225 0.194 0.656 0.243 0.383 0.0091 余量
实施例5样品  0.092 0.416  0.398 0.211 0.387 0.399 0.346 0.0067 余量
对比样品HR0.08P  0.080 0.391  0.360 0.085 0.591 0.430 0.310 0.0071 余量
对比样品HR0.15P  0.082 0.405  0.371 0.150 0.549 0.424 0.343 0.0071 余量
对比样品HR0.20P  0.085 0.386  0.374 0.200 0.571 0.431 0.333 0.0057 余量
实施例2
本实施例表面负偏析磷(即表面富磷)的高磷耐候钢薄带制备方法步骤如下：
1、熔炼、精炼
按表2的成分配料。
将原料预热至100℃，放入冶炼炉中，在惰性气体保护下进行熔炼；当冶炼炉中的钢水温度为1540℃时，添加除渣剂，在惰性气体保护下进行精炼，精炼时间为30分钟；精炼结束后的钢水静置20分钟，获得精炼钢水。
上述的惰性气体选用氩气，压力0.3MPa，除渣剂选用珍珠岩保温除渣剂，其用量按重量百分比为钢水重量的0.4％。
2、制备铸轧带坯
将精炼钢水采用双辊薄带铸轧设备进行铸轧，铸轧过程中，钢水的开浇温度为1570℃，铸轧速度为20m/min，预设辊缝为1.4mm；在钢水的流动过程中用惰性气体保护；获得厚度为1.7mm的表面富磷的铸轧带坯。惰性气体选用氩气，压力0.3MPa。
3、冷轧和退火
将制备的铸轧带坯经过酸洗后冷轧，冷轧压下量为53％，冷轧后厚度为0.8mm，在780℃的温度下退火25分钟(即将冷轧后的薄带加热至780℃，保温25分钟，然后自然冷却至常温)，获得成品表面富磷的高磷耐候钢铸轧薄带。
该成品高磷耐候钢铸轧薄带力学性能见表3，其抗拉强度为520MPa，屈服强度为375MPa，延伸率为30.0％；韧脆转变温度为-25℃，比常规工艺生产的相同P含量的薄带(常规带材)降低10℃以上，磷含量韧脆转变温度效果参见图1。
经实验室0.005mol/lNaHSO3溶液加速(PH＝4.5)腐蚀120周期(每周期12小时)后形貌参见图2，增重曲线参见图3，EDX结果参见图4。
由图1可以看出，经过120周期(60天)加速腐蚀试验后，该成品高磷耐候钢铸轧薄带的锈层平均厚度分别仅为对比样品HR0.08P、HR0.15P、HR0.20P的36％、49％、62％，表明该成品高磷耐候钢铸轧薄带抗腐蚀性能明显优于对比样品。
该成品高磷耐候钢铸轧薄带的n值为0.27197，小于0.5，说明由于锈层中的致密层的阻挡导致了扩散系数的减小，提高了其耐蚀性能。
由图5可以观察高磷耐候钢铸轧薄带中明显的磷的表面富集，冷轧和退火工艺不能消除这种宏观偏析。由图3的EDX结果中可以看出，该成品高磷耐候钢铸轧薄带锈层/基体上有明显的磷富集，说明了偏析于表面的磷促进了致密磷酸盐的形成，阻挡了腐蚀液进一步接触基体。
表3实施例1、2样品和对比样品力学性能
样品 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 延伸率/％ 屈强比
HR0.08P 405 285 37.5 0.704
HR0.15P 440 320 31.0 0.727
HR0.20P 490 380 22.0 0.776
A 435 315 32.5 0.724
B 520 375 30.0 0.721
实施例3
本实施例表面负偏析磷(即表面富磷)的高磷耐候钢薄带制备方法步骤如下：
1、熔炼、精炼
按表2的成分配料。
将原料预热至200℃，放入冶炼炉中，在惰性气体保护下进行熔炼；当冶炼炉中的钢水温度为1600℃时，添加除渣剂，在惰性气体保护下进行精炼，精炼时间为15分钟；精炼结束后的钢水静置15分钟，获得精炼钢水。
上述的惰性气体选用氩气，压力1.0MPa，除渣剂选用珍珠岩保温除渣剂，其用量按重量百分比为钢水重量的0.5％。
2、制备铸轧带坯
将精炼钢水采用双辊薄带铸轧设备进行铸轧，铸轧过程中，钢水的开浇温度为1580℃，铸轧速度为15m/min，预设辊缝为2.4mm；在钢水的流动过程中用惰性气体保护；获得厚度为3mm的表面富磷的铸轧带坯。惰性气体选用氦气，压力1.5MPa。
3、冷轧和退火
将制备的铸轧带坯经过酸洗后冷轧，冷轧压下量为50％，冷轧后厚度为1.5mm，在790℃的温度下退火20分钟(即将冷轧后的薄带加热至790℃，保温20分钟，然后自然冷却至常温)，获得成品表面富磷的高磷耐候钢铸轧薄带。
该成品高磷耐候钢铸轧薄带的力学性能见表3，其抗拉强度为450MPa，屈服强度为325MPa，延伸率为32.0％，韧脆转变温度比常规工艺生产的相同P含量的薄带降低10℃。经过120周期(60天)加速腐蚀试验后，该成品高磷耐候钢铸轧薄带的锈层平均厚度仅为对比样品HR0.08P的40.2％。
实施例4
本实施例表面负偏析磷(即表面富磷)的高磷耐候钢薄带制备方法步骤如下：
1、熔炼、精炼
按表2的成分配料。
将原料预热至150℃，放入冶炼炉中，在惰性气体保护下进行熔炼；当冶炼炉中的钢水温度为1560℃时，添加除渣剂，在惰性气体保护下进行精炼，精炼时间为25分钟；精炼结束后的钢水静置20分钟，获得精炼钢水。
上述的惰性气体选用氩气，压力范围0.8MPa，除渣剂选用珍珠岩保温除渣剂，其用量按重量百分比为钢水重量的0.4％。
2、制备铸轧带坯
将精炼钢水采用双辊薄带铸轧设备进行铸轧，铸轧过程中，钢水的开浇温度为1560℃，铸轧速度为30m/min，预设辊缝为2mm；在钢水的流动过程中用惰性气体保护；获得厚度为2.5mm的表面富磷的铸轧带坯。惰性气体选用氦气，压力0.8MPa。
3、冷轧和退火
将制备的铸轧带坯经过酸洗后冷轧，冷轧压下量为60％，冷轧后厚度为1mm，在800℃的温度下退火20分钟(即将冷轧后的薄带加热至800℃，保温20分钟，然后自然冷却至常温)，获得成品表面富磷的高磷耐候钢铸轧薄带。
该成品高磷耐候钢铸轧薄带的力学性能见表3，其抗拉强度为470MPa，屈服强度为335MPa，延伸率为31.5％，韧脆转变温度比常规工艺生产的相同P含量的薄带降低10℃以上。经过120周期(60天)加速腐蚀试验后，该成品高磷耐候钢铸轧薄带的锈层平均厚度仅为对比样品HR0.08P的41％。
实施例5
本实施例表面负偏析磷(即表面富磷)的高磷耐候钢薄带制备方法步骤如下：
1、熔炼、精炼
按表2的成分配料。
将原料预热至220℃，放入冶炼炉中，在惰性气体保护下进行熔炼；当冶炼炉中的钢水温度为1620℃时，添加除渣剂，在惰性气体保护下进行精炼，精炼时间为10分钟；精炼结束后的钢水静置8分钟，获得精炼钢水。
上述的惰性气体选用氩气，压力1.2MPa，除渣剂选用珍珠岩保温除渣剂，其用量按重量百分比为钢水重量的0.45％。
2、制备铸轧带坯
将精炼钢水采用双辊薄带铸轧设备进行铸轧，铸轧过程中，钢水的开浇温度为1600℃，铸轧速度为60m/min，预设辊缝为1mm；在钢水的流动过程中用惰性气体保护；获得厚度为1.5mm的表面富磷的铸轧带坯。惰性气体选用氦气，压力1.2MPa。
3、冷轧和退火
将制备的铸轧带坯经过酸洗后冷轧，冷轧压下量为50％，冷轧后厚度为0.75mm，在740℃的温度下退火50分钟(即将冷轧后的薄带加热至740℃，保温50分钟，然后自然冷却至常温)，获得成品表面富磷的高磷耐候钢铸轧薄带。
该成品高磷耐候钢铸轧薄带的力学性能见表3，其抗拉强度为490MPa，屈服强度为360MPa，延伸率为30.25％，韧脆转变温度比常规工艺生产的相同P含量的薄带降低10℃以上。经过120周期(60天)加速腐蚀试验后，该成品高磷耐候钢铸轧薄带的锈层平均厚度仅为对比样品HR0.08P的38％。

Claims (5)

1.一种表面负偏析磷的高磷耐候钢铸轧薄带，其特征在于：表面负偏析磷的高磷耐候钢铸轧薄带的成分按重量百分比为：
C 0.076％、Si0.341％、Mn0.326％、P0.150％、S0.0083％、Cu0.325％、Cr0.510％；Ni0.410％，余量为Fe。
2.一种表面负偏析磷的高磷耐候钢铸轧薄带，其特征在于：表面负偏析磷的高磷耐候钢铸轧薄带的成分按重量百分比为：
C 0.075％、Si0.352％、Mn0.320％、P0.260％、S0.0057％、Cu0.317％、Cr0.505％；Ni0.407％，余量为Fe。
3.一种表面负偏析磷的高磷耐候钢铸轧薄带，其特征在于：表面负偏析磷的高磷耐候钢铸轧薄带的成分按重量百分比为：
C 0.082％、Si0.391％、Mn0.423％、P0.172％、S0.0079％、Cu0.298％、Cr0.474％；Ni0.603％，余量为Fe。
4.一种表面负偏析磷的高磷耐候钢铸轧薄带，其特征在于：表面负偏析磷的高磷耐候钢铸轧薄带的成分按重量百分比为：
C 0.092％、Si0.416％、Mn0.398％、P0.211％、S0.0067％、Cu0.346％、Cr0.387％；Ni0.399％，余量为Fe。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的表面负偏析磷的高磷耐候钢铸轧薄带的制备方法，其特征在于步骤如下：
(1)熔炼、精炼
按权利要求1-4中任一项所述的成分比例配料，将原料预热至100～300℃，放入冶炼炉中，在惰性气体保护下进行熔炼；当冶炼炉中的钢水温度为1540～1650℃时，添加除渣剂，在惰性气体保护下进行精炼，精炼时间为2～30分钟；精炼结束后的钢水静置2～20分钟，获得精炼钢水；
(2)制备铸轧带坯
将精炼钢水采用双辊薄带铸轧设备进行铸轧，铸轧过程中，钢水的开浇温度为1540～1600℃，铸轧速度为12～60m/min，预设辊缝为1～4mm；在钢水的流动过程中用惰性气体保护；获得厚度为1～5mm的表面偏析磷的铸轧带坯；
(3)冷轧和退火
将制备的铸轧带坯经过酸洗后冷轧，冷轧压下量为20～85％，冷轧后厚度为0.7～3mm，将冷轧后的薄带加热至650～850℃，保温5～60分钟，然后自然冷却至常温，获得表面偏析磷的高磷耐候钢铸轧薄带。
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