CN101845599B

CN101845599B - 一种耐候钢及其制造方法

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Publication number: CN101845599B
Application number: CN200910048141XA
Authority: CN
Inventors: 吴建春; 方园; 李自刚; 薛菲
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2009-03-24
Filing date: 2009-03-24
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2029-03-24
Also published as: CN101845599A

Abstract

一种耐候钢，其重量百分比计的化学成分为：C：0.06～0.12％，Si：0.20～0.40％，Mn：≤1.6％，P：0.08～0.22％，S：≤0.008％，Al：0.01～0.06％，Cu：0.20～0.80％，Cr：0.40～0.75％，Ni：0.12～0.40％，Ca：0.001～0.006％，余量为Fe和不可避免的其他杂质元素。该耐候钢通过薄带连铸工艺制造。制造工艺包括钢水深脱硫，转炉顶底复合吹炼，RH真空循环脱气工艺，同时进行钙处理；双辊连铸，熔池钢水温度不低于1535℃；控制轧制，压下率不小于30％；控制冷却，冷却速度为30～50℃/s；卷取，卷取温度为600～650℃。通过该工艺得到的组织为针状铁素体的耐候钢具有优良的耐候性能，可广泛应用于结构材料。

Description

一种耐候钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及耐候钢及其制造方法，特别是涉及具有针状铁素体的耐候钢及其制造方法。

背景技术

在工程领域中，常用的结构材料一般为碳钢和经过微合金化后的低合金钢。这些钢具有优良的机械性能和较低的市场价格，但在大气环境中易产生锈蚀。当这些钢长期暴露在大气中时，其与大气中的水汽、氧气、二氧化碳、二氧化硫等发生化学或电化学反应，从而导致钢铁材料的腐蚀。全世界每年因腐蚀而报废的金属设备及材料，大约占金属年产量的20～40％，因腐蚀而损耗的金属达1亿吨以上。据一些发达工业国家的统计，每年由于金属腐蚀造成的经济损失约占国民生产总值的1～4％。因此开发具有高耐候性的耐候钢具有重要的实用意义和经济价值。

耐候钢也即耐大气腐蚀钢。现有的低合金耐候钢中，最典型的是含有高磷、高铜、加铬、加镍的高耐候结构钢和含有高铜、加锰、加铬合金化的焊接结构用耐候钢。它们都是通过添加少量的合金元素，使其在使用过程中，在金属基体表面上形成保护层，以提高钢材的耐候性能，前者的耐候性能比后者要好。

传统的耐候钢的生产工艺流程由连铸+热轧或连铸+热轧+冷轧等工序完成。精炼后的钢水经过钢包、中间包到结晶器，表层凝固的铸坯经过二冷段继续快速冷却至完全凝固后进行定尺火焰切割，从而完成整个连铸过程。一般传统的连铸工艺中铸坯的厚度在200mm左右，钢坯坯重一般小于30吨，钢坯的断面尺寸多为(180～200mm)×(1050～2550)mm。连铸后的铸坯经冷却、检查、修模后，进入步进梁式的加热炉内加热。达到一定温度后出炉的钢坯经过高压水除磷后在带有立辊的四辊可逆式粗轧机进行5～7道次轧制，轧制到30～50mm，送入精轧机组进行热连轧，轧制到成品厚度，最后经层流冷却完成带钢的热轧生产过程。热轧后的耐候钢厚度规格最薄达到1.5～2mm。耐候钢若以热轧态出货，到此步骤即可结束，目前热轧耐候钢的产品比例占整个耐候钢品种的90％以上。冷轧的耐候钢还需进一步进入下道冷轧工序，热轧耐候钢卷开卷焊接后先经酸洗机组去除表面氧化皮以及冲边、烘干、平整、涂油等处理，然后进入冷连轧机组得到冷轧带钢，最后冷轧带钢经罩式退火炉进行退火，经平整改善板形后卷取得到成品冷轧带钢。

上述是传统的耐候钢带的生产工艺，其主要问题有：

(1)工艺流程长、能耗高、机组设备多、基建成本高，导致生产成本较高。

(2)质量缺陷较多，成材率低，耐候钢中含有较高含量的磷和铜等易偏析元素，传统工艺流程由于凝固冷却速度慢，容易造成磷、铜等元素的局部宏观偏析，从而导致铸坯的各向异性和出现宏观裂纹，成材率较低。

(3)耐候性不高，耐候钢的耐候性主要取决于钢中磷和铜的共同作用。如上所述的传统工艺中磷、铜元素的易偏析特征，成分体系中磷、铜的含量通常取下限(如磷取0.07％、铜取0.2％)从而达不到更高的含量。其结果在一定程度上牺牲了钢的耐候性能。

在上个世纪80年代末90年代初，在美国纽柯公司的紧凑式带钢生产工艺(Compact Strip Production，简称CSP)获得成功，其特征为薄板坯连铸连轧，工艺流程为：电炉或转炉提供钢水→连铸→均热炉均热→热连轧→卷取。该工艺与传统工艺相比最大的特点是连铸的铸坯厚度为50～90mm。由于原始铸坯薄，热轧机组不需要粗轧机(若坯厚50mm时)，或只需要1台粗轧机(坯厚70～90mm时)。而传统工艺中粗轧机要反复轧几个道次才能将铸坯减薄至精轧前需要的规格。另外传统工艺中铸坯要先经过冷却后再加热，再进粗轧机，而薄板坯连铸连轧工艺中铸坯不经冷却直接轧制，因此热轧机组前的均热炉只需要补温。因此该工艺比上述传统工艺大大缩短了流程，降低了能耗，节省了能源，具有一定的优势，国内外钢厂纷纷研究或引进CSP生产线。目前，随着薄板坯连铸连轧技术的发展，广东珠江钢铁责任有限公司申请的申请号为200510036889.X的专利申请公开了耐候钢也可以用薄板坯连铸连轧工艺来生产。国内的薄板坯连铸连轧生产线包括珠钢、马钢、邯钢、涟钢等企业都已相继开发生产出不同强度级别的耐候钢板。由于该工艺的流程优势，国内外也纷纷采用该技术来尝试耐候钢的生产，目前用薄板坯连铸连轧工艺来生产耐候钢的专利申请很多，比如CN1382619A、CN1785543A、CN1884608A等专利，国内这方面的专利申请主要集中在珠钢。

综上所述，耐候钢的研究、开发和生产在国内外主要集中在传统工艺流程和薄板坯工艺流程上，从成分设计到生产工艺控制技术也已基本成熟，能生产出不同强度级别的耐候钢种。

比薄板坯连铸连轧更新的连铸技术是薄带连铸技术(Strip CastingProcess)，其生产工艺的主要特点就是钢水通过一对内部具有循环冷却作用的铸轧辊，经过激冷、凝固后直接浇铸出1～5mm厚的铸带，铸带经过一道次在线热轧后卷取直接生产出热轧卷。更具体地，如图1所示，它直接将热态的钢水从钢包1经过中间包2和浸入式水口3浇注到一个由两个相向旋转的水冷结晶辊5a、5b和侧封装置4a、4b形成的熔池中，经过水冷结晶辊5a、5b的冷却形成1.5～5mm铸带6，铸带6经过夹送辊7送入在线轧机8中轧制成1～3mm的薄带，然后通过输送辊道9以及喷淋冷却系统10，然后经过卷取前的夹送辊11，最后进入卷取机12卷取成热轧钢带。可见，薄带连铸连轧工艺可以更大程度地简化生产工艺、缩短生产周期、明显降低能耗和生产成本。但采用薄带连铸技术来生产耐候钢在国内外还未见报导。

日本三菱重工株式会社的公开号为JP2003088941A的专利(高磷钢板制造装置及高磷钢板制造方法)公开了一种应用双辊薄带连铸工艺制造含高磷钢板的方法，该申请中记载了磷含量为0.01％以上的高磷钢板制造方法，以上提及到高磷钢中的磷含量达到了0.2％。但该文献的钢种成分中没有添加Cu、Cr、Ni等元素，不属于耐候钢的范畴。

传统工艺生产的耐候钢由于经过7机架的连续反复轧制，其微观组织通常为等轴状的铁素体(F)+珠光体(P)类型，而非针状组织(AF)。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种耐候钢，特别是组织类型主要为针状铁素体的耐候钢。

本发明的针状铁素体耐候钢的化学成分(重量百分比计)为C：0.06～0.12％，Si：0.20～0.40％，Mn：≤1.6％，P：0.08～0.22％，S：≤0.008％，A1：0.01～0.06％，Cu：0.20～0.80％，Cr：0.40～0.75％，Ni：0.12～0.40％，Ca：0.001～0.006％，余量为Fe和不可避免的其他杂质元素。

本发明涉及的针状铁素体耐候钢种的化学成分限定理由如下：

C在钢中以碳化物形式存在，和合金元素结合发挥析出强化和细化晶粒的作用，因而添加量不得低于0.06％，而过高的C含量不利于焊接，因而限定C含量不得高于0.12％；

Si是为了对钢进行脱氧而添加的元素，Si含量过多会导致可焊性和焊接热影响区韧性恶化，因而在本发明中Si的量控制为0.20～0.40％；

Mn是重要的强韧化元素，起固溶强化的作用，提高钢的强度和韧性，但是Mn含量过多会使淬透性增大，从而导致可焊性和焊接热影响区韧性恶化，所以本发明中Mn含量不得超过1.6％；

P在传统工艺流程中，由于高含量的磷会引起晶界的偏析而造成钢的脆性，常被认为是有害夹杂元素，耐候钢中添加量一般在0.1％左右；但本发明采用薄带连铸新工艺流程能有效避免磷的劣势，充分发挥磷的优势。磷的有利作用主要有：(1)磷作为最强的体心立方晶格(bcc)稳定化元素可以有效抑制γ晶粒长大，带来固溶强化效应，提高钢的强度，(2)磷与铜结合能显著提高钢的耐大气腐蚀性能。本发明选取较传统工艺更高含量的磷元素，最高可达0.22％，这是本发明区别于传统耐候钢的特征之一。

S在本发明钢中作为残余元素来控制，控制在≤0.008％。

Al是为了脱氧而加入钢中的元素，添加0.01～0.06％含量的Al有利于细化晶粒，改善钢材的强韧性能；

Cr不仅是提高钢的淬透性的元素，而且Cr含量在0.40％以上时，能有效提高钢的耐大气腐蚀性能，其含量太高就会严重恶化焊接性能，所以Cr含量应限定在0.40～0.75％。

Ni能提高淬透性，显著改善钢材的低温韧性，是提高钢的耐候性和强韧性的有利元素，不会对钢的可焊性和焊接热影响区韧性造成不利影响。Ni还能有效阻止Cu的热脆。含量限定在0.12％～0.40％，少于0.12％上述效果甚微，而高于0.40％则会提高钢的成本，并且易造成钢板氧化铁皮难以脱落。

Cu具有与Ni大体相同的作用，在钢中主要起固溶和沉淀强化作用。Cu-P-Cr-Ni的适当配比，是提高钢的耐大气腐蚀性能最关键的元素，由于Cu是易偏析元素，传统工艺流程中Cu含量一般不高于0.55％，运用薄带连铸的快速凝固效应，本发明将Cu的最高量提高到0.80％。Cu含量的提高，在一定意义上可以实现废钢或劣质矿资源(高铜矿)中铜的有效利用，促进钢的循环利用，降低生产成本，实现可持续发展的目的。

通过Ca处理可以控制硫化物的形态，提高低温韧性，其含量少于0.001时没有效果，而超过0.006则会产生许多CaO、CaS，并形成大型夹杂物，对钢的韧性造成损害，甚至影响钢的焊接性能。所以规定Ca含量范围为0.001％～0.006％。

除了上述钢种化学成分范围的控制特征之外，本发明的另一重要技术特征涉及生产工艺流程的选择和控制。

本发明耐候钢的成分，由于磷、铜含量较高，都是易偏析元素，无法用传统工艺来生产。本发明采用双辊薄带连铸方法来生产，利用其快速凝固效应，可以很好地避免磷、铜元素的偏析。同时，由于薄带连铸在冶金工艺流程、材料的凝固过程特征、相变历史等方面同传统流程以及薄板坯连铸连轧流程均有所不同，生产出来的材料，其组织和性能与传统工艺和CSP工艺相比有自身独特的特点，其成分均匀、偏析度小(特别是对于磷、铜等易偏析元素)、晶粒细小，用它来生产高合金含量、传统工艺易产生偏析的一些钢种具有独特的优势。

制造本发明耐候钢的基本工艺流程如下：

采用铁水深脱硫，转炉顶底复合吹炼(控制C含量)，RH真空循环脱气工艺，同时进行钙处理，获得钢的化学成份(重量％)为：：C：0.06～0.12，Si：0.20～0.40，Mn：≤1.6，P：0.08～0.22，S：≤0.008，Al：0.01～0.06，Cu：0.20～0.80，Cr：0.40～0.75，Ni：0.12～0.40，Ca：0.001～0.006，余量为Fe和不可避免的其他杂质元素。将符合发明钢化学成分要求的钢水经如图2所示的薄带连铸工艺流程直接形成1～3mm厚的热轧卷，该工艺流程包括：双辊连铸、穿过密闭空间、控制轧制、控制冷却和卷取，其中，双辊连铸步骤中的熔池钢水温度为不低于1535℃，优选为1535～1550℃；控制轧制步骤中优选采用单机架四辊轧机轧制，压下率不小于30％，优选30％～50％；控制冷却步骤中，冷却速率为30～50℃/s；卷取步骤中，卷取温度为600～680℃。

优选地，在控制轧制步骤中，终轧温度范围在900～950℃。

优选地，卷取后的钢带直接空冷到室温，不需要进行轧后热处理。

根据本发明的耐候钢的制造方法，其基本工艺流程包括以下步骤：铁水深脱S、转炉顶底复合吹炼(控制C含量)、RH真空循环脱气工艺、钙处理、双辊连铸、穿过密闭空间、控制轧制、控制冷却、卷取。

其中，在铸带进入轧机之前，铸带需要在密闭空间内穿过，而且密闭空间内充满气体，该气体可以是惰性气体，如：氩气(Ar)、氦气(He)等，也可以是氮气(N₂)。

控制各个制造步骤的理由如下所述：

为保证精炼的钢水在熔池中具有一定的过热度，要求双辊连铸步骤中的熔池钢水温度不小于1535℃，优选在1535～1550℃。

为保证形变及再结晶细化晶粒效果，要求单机架四辊轧机轧制变形量≥30％，优选30％～50％，而且终轧温度范围在900～950℃；

铸带在密闭空间内穿过，并在密闭空间内充满惰性气体或氮气的目的是为了避免钢带中的铜在高温下氧化及避免出现“铜脆”现象，优选密闭空间内气体流量为：5～20m³/h，压力：0.11～0.15Mpa。

为保证最终得到理想的针状铁素体微观组织，冷却速率控制在30～50℃/s之间加速冷却到600～680℃卷取，之后再冷却至室温。

发明的有益效果

(1)本发明运用薄带连铸的快速凝固效应，可以将Cu的上限提高到0.80％。Cu含量的提高，一方面较大程度上提高了钢的耐腐蚀性能，同时在一定意义上可以实现废钢或劣质矿资源(高铜矿)中铜的有效利用，促进钢的循环利用，降低生产成本，实现可持续发展的目的。

(2)本发明采用薄带连铸新工艺流程有效避免了磷的劣势，充分发挥磷的细化晶粒、固溶强化、有效提高钢的耐腐蚀性能等优势。

(3)本发明提供的钢种，其屈服强度达600Mpa以上，属高强度耐候钢，适应现在及今后钢铁产品减薄、轻量化的发展趋势。

(4)本发明工艺流程短、能耗低、效率高、生产成本低、制造方法简单、节能降耗明显。

本发明的耐候钢带制造方法，工艺流程短、能耗低、生产成本低。由于该方法是通过双辊薄带连铸工艺来实现，可以将磷、铜含量提高到较高的含量，且能最大限度地抑制磷、铜等元素在钢带中的偏析；制得的钢带屈服强度可达600Mpa以上，同时具有高的耐候性能，可以广泛应用于沿海建筑、集装箱制造业等领域。该方法具有工艺流程短、制造方法简单、节能降耗明显等优点。

附图说明

图1是现有技术的薄带连铸连轧机组工艺流程示意图。

图2是本发明涉及的薄带连铸连轧机组工艺流程示意图。

图3是本发明涉及的薄带连铸耐候钢的典型微观组织形貌。

附图标记说明

1 大包 2 中间包

3 浸入式水口 4 侧封板

5 结晶辊 6 铸带

7 夹送辊 8 轧机

9 输送辊道 10 喷淋冷却系统

11 卷取机夹送辊 12 卷取机

R 密闭空间

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步阐述，但这些实施例绝非对本发明有任何限制。本领域技术人员在本说明书的启示下对本发明实施例中所作的任何变动都将落在本发明要求保护的范围内。

本发明的薄带连铸连轧机组工艺流程如图2所示。它直接将冶炼后的热态钢水从钢包1经过中间包2和浸入式水口3浇注到一个由两个相向旋转的水冷结晶辊5a、5b和侧封装置4a、4b形成的熔池中，经过水冷结晶辊5a、5b的冷却形成1.5～5mm铸带6，铸带6经过夹送辊7穿过充满惰性气体或氮气的密闭空间R(也称密闭室)，然后送入在线四辊轧机8中轧制成1～3mm的薄带，然后通过输送辊道9以及喷淋冷却系统10，然后经过卷取前的夹送辊11，最后进入卷取机12卷取成热轧钢带。

实施例1

1.本实施例钢的制造：通过铁水深脱S、转炉顶底复合吹炼、RH真空循环脱气工艺、钙处理、双辊连铸、穿过密闭空间R、控制轧制、控制冷却和卷取，获得具有如下表2所示化学成分的成品钢，其中各工艺参数见表6，力学性能见表7。图3为本实施例钢的典型微观组织形貌，从微观组织可以看出，本发明钢组织类型主要为针状铁素体型。

表2实施例1钢的化学成分(wt％)

C	Si	Mn	P	S	Al	Cu	Cr	Ni	Ca	余
											0.12	0.2	0.55	0.16	0.003	0.01	0.6	0.6	0.25	0.005	Fe及其他不可避免杂质

2.耐大气腐蚀性能测试：以普通碳钢Q345B及高强耐候钢Q450NQR1为对比样品，按耐候钢周期浸润腐蚀试验方法(TB/T2375-93)进行72h的周期浸润循环腐蚀实验。通过计算样品单位面积腐蚀失重量求得平均腐蚀速率，进而求得钢种的相对腐蚀速率。测试结果见表8。

实施例2

1.本实施例钢的制造：通过铁水深脱S、转炉顶底复合吹炼、RH真空循环脱气工艺、钙处理、双辊连铸、穿过密闭空间R、控制轧制、控制冷却、卷取，获得具有如下表3所示化学成分的成品钢，其中各工艺参数见表6，力学性能见表7。本实施例钢的组织类型主要为针状铁素体型。

表3实施例2钢的化学成分(wt％)

C	Si	Mn	P	S	Al	Cu	Cr	Ni	Ca	余
											0.06	0.35	0.8	0.11	0.008	0.06	0.80	0.75	0.12	0.001	Fe及其他不可避免杂质

实施例3

1.本实施例钢的制造：通过铁水深脱S、转炉顶底复合吹炼、RH真空循环脱气工艺、钙处理、双辊连铸、穿过密闭空间R、控制轧制、控制冷却、卷取，获得具有如下表4所示化学成分的成品钢，其中各工艺参数见表6，力学性能见表7。本实施例钢的组织类型主要为针状铁素体型。

表4实施例3钢的化学成分(wt％)

C	Si	Mn	P	S	Al	Cu	Cr	Ni	Ca	余
											0.09	0.4	1.6	0.08	0.005	0.04	0.20	0.5	0.35	0.004	Fe及其他不可避免杂质

实施例4

1.本实施例钢的制造：通过铁水深脱S、转炉顶底复合吹炼、RH真空循环脱气工艺、钙处理、双辊连铸、穿过密闭空间R、控制轧制、控制冷却、卷取，获得具有如下表5所示化学成分的成品钢，其中各工艺参数见表6，力学性能见表7。本实施例钢的组织类型主要为针状铁素体型。

表5实施例4钢的化学成分(wt％)

C	Si	Mn	P	S	Al	Cu	Cr	Ni	Ca	余
											0.10	0.25	0.35	0.22	0.006	0.03	0.40	0.40	0.20	0.006	Fe及其他不可避免杂质

表6实施例钢的制造过程中各工艺参数

表7实施例钢的力学性能

	试样厚度/mm	屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	延伸率/％	90°冷弯d＝1.5a
						实施例1	1.6	612	754	22	合格
实施例2	1.2	627	772	21	合格
						实施例3	1.8	618	763	20	合格
实施例4	2.0	638	776	20	合格

其中，屈服强度、抗拉强度、延伸率的测定按照GB/T 228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》测定；90°冷弯性能按照GB/T 232-1999《金属材料弯曲试验方法》方法测定，其中，d为弯心直径，a为钢板厚度。

表8实施例钢的耐大气腐蚀性能测试结果

	平均腐蚀速率(mg/cm².h)	相对腐蚀速率(％)
			Q345B	0.4902	100
Q450NQR1	0.2182	44.51
			实施例1	0.2140	43.65
实施例2	0.2083	42.50
			实施例3	0.2169	44.25
实施例4	0.2017	41.15

综上所述，利用薄带连铸工艺技术按本发明提供的钢种成分设计范围制造的耐候钢，其屈服强度达600MPa以上，延伸率在20％以上，冷加工性能合格；耐大气腐蚀性能对比结果亦表明发明钢种的耐大气腐蚀性能与传统高强耐候钢Q450NQR1相当。

可见，本发明提供的耐候钢制造方法工艺流程短、制造方法简单、节能降耗明显，且具有较高的强度和耐候性能，可以广泛应用于沿海建筑、集装箱制造业等领域。

以上通过具体实施例对本发明进行了较为详细的说明，但不仅仅限于这些实施例，在不脱离本发明构思的前提下，还可以有更多变化的或改进的等效实施例，而且这些变化和改进都属于本发明的范围。

Claims

1.一种耐候钢，其重量百分比计的化学成分为：C：0.06～0.12％，Si：0.20～0.40％，Mn：≤1.6％，P：0.08～0.22％，S：≤0.008％，Al：0.01～0.06％，Cu：0.20～0.80％，Cr：0.40～0.75％，Ni：0.12～0.40％，Ca：0.001～0.006％，余量为Fe和不可避免的其他杂质元素；所述耐候钢的组织主要为针状铁素体。

2.如权利要求1所述耐候钢的制造方法，依次包括如下步骤：

双辊薄带连铸，熔池钢水温度不低于1535℃；

连铸后的铸带在轧制前，在充满惰性气体或氮气的密闭空间内穿过；

控制轧制，压下率不小于30％，终轧温度为950℃以下；

控制冷却，冷却速度为30～50℃/s；

卷取，卷取温度为600～680℃。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，控制轧制中，终轧温度为900～950℃。

4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，熔池钢水温度为1535～1550℃。

5.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，控制轧制中，压下率为30～50％。

6.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，惰性气体为氩气或氦气。

7.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，在密闭空间内惰性气体或氮气的气体流量为5～20m³/h，压力为0.11～0.15MPa。

8.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，还包括冶炼步骤，即钢水深脱硫，转炉顶底复合吹炼及RH真空循环脱气工艺，同时进行钙处理。