CN101927432B - 一种高强塑高锰带钢的制造方法 - Google Patents

Abstract

高强塑高锰带钢的制造方法，其包括如下步骤：1)冶炼，高锰带钢成分重量百分比主要包括：C＜0.2％，Mn 10～30％，Si 1～6％，Al 1～8％，余Fe；2)薄带连铸：辊速旋转线速率45～150m/min；浇铸时中间包过热度：25～60℃，钢液液位：150～350mm，结晶辊辊缝预设为1.8～3.0mm；3)在线热轧：轧制温度950～1150℃，压下量10～50％，应变速率在10～45s-1；带钢厚度1.0～1.6mm；4)卷取：卷取温度400～750℃；5)酸洗；6)平整；7)剪切加工成成品卷。本发明得到等轴晶率较高、甚至全等轴晶高锰钢组织，避免明显的柱状晶界面，防止缩松或夹杂物聚集现象；屈服强度、延伸率、屈强比等性能指标在较大的范围内浮动，从而满足用户特定的需求。

Description

一种高强塑高锰带钢的制造方法

技术领域

本发明涉及一种高强塑高锰带钢的制造方法，尤其是强塑积在30,000Mpa％以上的Fe-Mn-Al-Si系高锰带钢的制造方法。

背景技术

高锰钢广泛用作冲击摩擦磨损工件已有百年历史，但板带作为工程结构用钢近10年来才逐断走向深入和明朗化，现已引起业界的广泛关注。经适当成分设计与制造流程，高锰板带钢表现出优异的强度、塑性、加工硬化性、以及抗冲击安全性，在高速列车、汽车、高架建筑等领域展示出诱人的应用潜力。(方园，梁高飞，等，“高锰板带钢及其制造技术”，《钢铁》，2009，(1)：1)。

高锰钢的典型成分体系主要有Fe-Mn-Al-Si系、Fe-Mn-C系两类。区别在于前者含有较高含量的Al、Si元素，而C元素含量较低；后者利用C元素作为稳定奥氏体相的主要合金元素。Fe-Mn-Si-Al系高锰钢的典型成分为：C＜0.2％，Mn 10～30％，Si1～6％，Al1～8％，德国对该体系高锰钢的研究处于领先水平，主要集中在高锰钢的物理机械性能，冷轧性能与织构研究。在国内，对材料的成分-机械性能进行了初步研究，并探讨了高锰钢变形孪晶取向与制造工艺的关系，以及Nb的影响规律。

在变形过程中，高锰TWIP(孪晶诱导塑性)钢稳定奥氏体相中形成孪晶，屈服强度280Mpa，抗拉强度650Mpa，延伸率超过80％，且无低温韧脆转变。冷轧过程中，TWIP钢以{110}<112>取向为主，密度随应变增大，并可出现{111}<110>、{111}<112>、{123}<634>取向，晶粒旋转有利于孪晶形成。Nb增加层错能，抑制γ→ε相变，提高TWIP钢的延伸率。高锰TRIP(相变诱导塑性)钢亚稳奥氏体转变为马氏体而同时提高强塑性，抗拉强度达1100Mpa，延伸率55％。

高锰钢中的Mn(≥23％)、C(≥0.6％)含量都较高，对利用连铸工艺生产提出很高的技术要求，风险非常大。高锰钢铸造的困难主要在于：凝固过程中Mn元素的微观偏析导致凝固坯壳强度非常低，并且合金元素的宏观偏析比较严重。另外，由于Fe-Mn-Si-Al系高锰钢中Al元素含量较高，在板坯连铸或模铸过程中，Al通常会在凝固时在晶界处发生偏析，形成低熔点金属间化合物(Fe₂Al₅)，导致铸态组织的缺陷，热连轧时易开裂，材料的热塑性很差；另外，Al会将钢水中的SiO₂和MnO₂还原，增大钢水的粘度，破坏铸坯的表面和内部质量。

针对传统连铸-热轧工艺制造高锰钢的问题，一些国外钢铁公司，例如TyhssenKrupp公司、POSCO、萨尔茨吉特尝试利用近终形连铸连轧工艺，如薄板坯连铸连轧、薄带连铸连轧进行生产。利用这类工艺制造高锰钢具有流程优势。

对Fe-Mn-Si-Al系高锰钢的开发主要集中在德国。最近，德国公开了采用薄板坯连铸连轧技术尝试制造高锰钢的方法，连铸厚度低于120mm板坯后，通过中间加热炉使其温度均匀，然后直接4机架热连轧。不过，目前尚未看到薄板坯连铸连轧原形带钢。(专利WO2006/094718A1)。

TyhssenKrupp公司尝试采用带式薄带连铸试验轧机制造出高锰钢热带卷，钢液经过布流系统进入钢制(或铜制)传送带，其作用类同传统连铸工艺中的结晶器，下方带有强水冷系统。连铸带钢进入在线热轧机组，层流冷却后卷曲。钢水重量为1.3t，宽度300mm，传送带厚度0.8mm，铸带厚度：10～15mm，在线热轧后可达1mm以下，铸造速率在10～12m/min之间。表面与边部质量良好，利用该工艺生产的高锰钢，抗拉强度800～1300Mpa，延伸率20～50％之间。低温退火后，钢强度大幅提高；而高温退火使钢韧性大幅提高。因此，可以通过后续工序灵活调整钢的各种特性。(Karl Heinz Spitzer等，“带钢直接铸造生产新钢种的基本工艺技术研究”，《第一届中德(欧)冶金技术研讨会论文集》，212)。

德国萨尔茨吉特公布了以生产高附加值钢铁产品为主的“萨尔茨吉特钢铁2012年战略”，重要的一项就是利用BeST(Belt Strip Technology)技术在Peine地区建设一台试验性的薄带连铸生产设备。萨尔茨吉特的目标是到2009年底通过这台试验生产设备实现新型高锰钢的薄带连铸生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高强塑高锰带钢的制造方法，Fe-Mn-Al-Si系高锰带钢，得到等轴晶率较高、甚至全等轴晶高锰钢组织，避免明显的柱状晶界面，防止缩松或夹杂物聚集现象；成分不变的前提下，屈服强度、延伸率、屈强比等性能指标在较大的范围内浮动，从而满足用户特定的需求。

本发明的构思是：薄带连铸在双辊同径立式机组上进行，高锰钢液经大包、中间包浇入由结晶辊和两侧封板组成的熔池内，两侧凝固坯壳在Kiss点接触，经结晶辊轧制后出带(1.8～3.0mm)。铸带经过冷却(空冷、或者气冷、或者水冷)后，到达在线热轧机组时满足开轧温度，一道次以一定的应变速率轧制到设定的厚度(1.0～1.6mm)，按照冷却制度得到温度满足要求的带钢进行卷取。对于薄规格(厚度小于1.0mm)的带钢，固溶处理后热轧带钢进行冷轧，然后再次固溶处理。

本发明的高强塑高锰带钢的制造方法，其包括如下步骤：

1)冶炼，高锰带钢成分重量百分比主要包括：C＜0.2％，Mn 10～30％，Si 1～6％，Al 1～8％，余Fe；

2)薄带连铸：辊速旋转线速率：45～150m/min；浇铸时中间包过热度：25～60℃，钢液液位：150～350mm，结晶辊辊缝预设置为：1.8～3.0mm；

3)在线热轧：轧制温度950～1150℃，压下量10～50％，应变速率在10～45s^-1；带钢厚度1.0～1.6mm；

4)卷取：卷取温度400～750℃；

5)酸洗；

6)平整；

7)根据产品要求剪切，加工成成品卷。

进一步，在线热轧为单道次。

薄规格(厚度小于1.0mm)的带钢，本发明的制造方法，其包括如下步骤：

1)冶炼，高锰带钢成分重量百分比主要包括：C＜0.2％，Mn 10～30％，Si 1～6％，Al 1～8％，余Fe；

2)薄带连铸：辊速旋转线速率：45～150m/min；浇铸时中间包过热度：25～60℃，钢液液位：150～350mm，结晶辊辊缝预设置为：1.8～3.0mm；

3)在线热轧：轧制温度范围：950～1150℃，压下量10～50％，应变速率10～45s^-1；带钢厚度1.0～1.6mm；

4)卷取：温度范围：400～750℃；

5)固溶处理：温度1000～1100℃，时间≥1分钟，淬火；

6)酸洗；

7)冷轧：压下量40～80％；带钢厚度小于1.0mm；

8)固溶处理：温度1000～1100℃，时间≥1分钟，淬火；

9)酸洗；

10)平整；

11)根据产品要求剪切，加工成成品卷。

进一步，在线热轧为单道次。

又，制得的高锰带钢材料具有奥氏体+铁素体+马氏体三相结构，在变形过程中具有TRIP效应；或者具有单一奥氏体结构，在变形过程中具有TWIP效应。

特别地，对于Mn含量重量百分比≥18％的高锰带钢，为得到延伸率在60％以上的热轧带钢，所述的步骤4)中卷取温度应不低于600℃。

高锰钢中Mn元素的蒸汽压高，容易挥发，直接沉积、或者与O元素结合形成MnO后沉积在铸辊上的纹理内部，增大钢液与铸辊的接触面积。因此，与碳钢相比较而言，高锰钢钢液与铸辊之间的热流密度较大。并且，高锰钢凝固温度区间较大，导热率远低于碳钢(仅为中碳钢的0.25～0.5)，凝固缓慢，为了保证薄带连铸过程的正常进行，铸辊旋转线速率至少为45m/min。进一步提高速率，两侧凝固坯壳吻合点(Kiss点)下移，为了防止漏钢，主管旋转线速率最大为150m/min。

薄带连铸过程中，钢液经过中间包后，通过水口、布流器进入熔池内，存在一定的热量散失；并且，若钢液温度过低，Kiss点过高，铸轧力非常大，一方面对铸辊破坏性较大，另一方面对带钢的表面质量不利，因此选择最低过热度为20℃。当过热度高于60℃，带钢凝固缓慢，易于发生漏钢，故过热度选择最大为60℃。

液位是高锰钢薄带连铸的关键控制参数之一。液位低于150mm时，液位难稳定，波动较大，对铸带的质量不利；液位过高时，钢液和铸辊的接触弧长较大，Kiss点过高，铸轧力非常大，铸辊磨损过快，并且影响带钢的表面质量，因此选择液位在350mm之下。

随着结晶辊辊缝减小，高锰钢薄带连铸生产效率反而上升，并且铸带减薄后，可以减少后续加工量。不过，考虑到高锰钢铸带的凝固特点，柱状晶发达，最好经过一道次在线热轧，提高材料的力学性能。综合考虑，将辊缝预设为1.8～3.0mm。

薄带连铸流程中，在线轧机多布置1架(也有布置2架的)。通过合适的在线热轧工艺，不但可以消除铸带中的缩松、缩孔等缺陷；另外，高锰TWIP钢为单一奥氏体相，铸带中存在发达的柱状晶，热轧可以使奥氏体晶粒发生动态再结晶，在室温下获得细小的等轴晶粒，提高材料的强塑性能。在线热轧是薄带连铸高锰钢的关键技术之一。

本发明选择一道次热轧，需重点考虑热轧温度和压下量，使材料可以发生完全的再结晶，消除或减轻柱状晶的不利影响，细化晶粒尺寸，组织均匀化。

根据高锰钢的变形抗力以及产线布置的轧机能力，轧制温度选择在950～1150℃之间，此时临界动态再结晶应变在10％左右，综合考虑成品厚度要求，轧机的压下率选择为10～50％。

对于在线热轧到卷取之间的冷却过程，由于本发明涉及的高锰TWIP钢为单一奥氏体相，不存在相的转变，故本过程不存在特殊的要求，在控制卷取温度的前提下，根据产线布置情况，采用常规冷却方式即可，如水冷、气冷或者空冷。

对于本发明涉及的高锰TRIP钢，组织中含有奥氏体、铁素体、马氏体等三相，马氏体转变点(M_s)在400℃以上，临界转变温度(A₃)高于950℃，可以采取灵活的冷却方式，通过水冷、气冷或者空冷使材料在卷取时得到不同的原始组织。

根据高锰钢的高温应力应变曲线、以及卷取机的能力选择卷取温度为400～750℃，从而使热轧态材料具有不同的力学性能。

选择固溶温度在1000～1100℃，可以使组织中的碳化物等析出物固溶，元素微观偏析减轻，组织均匀；然后结合40～80％的冷轧压下率，达到成品的厚度要求。

利用本发明制造的高锰带钢尺寸与性能指标如下：

厚度：0.8～2.5mm；

屈服强度：250～650Mpa；

抗拉强度：600～850Mpa；

延伸率：40～60％；

本发明发明与传统连铸-热轧技术相比，具有如下有益效果。

1)铸带(薄带连铸)尺寸为2.0～2.5mm，出带后形成活套，解决了利用传统连铸制造高锰钢的问题：凝固坯壳强度低、易漏钢；强度上升快、拉矫困难；元素偏析严重，组织不均匀等；

2)在线热轧技术，为连续冷却过程。降低了利用传统热轧制造高锰钢的问题：再加热时奥氏体晶界氧化严重；选择氧化导致表面质量差、以及偏析形成的低熔点相导致热轧开裂等；

3)利用不同热轧开轧温度和压下量，以及卷取温度，并且可以利用合适的后续冷轧以及固溶处理，使材料的厚度和机械性能在较大的范围内变化。

4)板材的力学性能指标与传统连铸-热轧工艺生产的材料相当。

专利WO02/46480A1公开了一种利用薄带连铸制造高锰钢的方法，其中只提及在线热轧温度、卷取温度等参数范围，未涉及到薄带连铸的具体工艺参数、热轧-卷取温控和机械性能的关系、以及带钢的冷轧与固溶处理等工序。

中国专利200480044461.3公开了利用带式薄带连铸(DSC)制造具有TWIP性能的高强度钢带或薄钢板的方法。与此不同的是，本发明利用的是双辊薄带连铸工艺。并且，前者未涉及薄规格钢板的制造方法。

对于Fe-Mn-Al-Si系高锰带钢的薄带连铸单道次在线热轧工艺、以及薄规格高锰带钢的冷轧和固溶处理技术，尚未检索到相关的文献或专利。

利用本发明可以制造Mn含量较高的TRIP/TWIP钢，材料具有优异的机械性能和热加工性能，强塑积超过目前的TRIP钢。

利用本发明制造的带钢在机车、建筑、能源、电力等领域具有广阔的应用前景与潜力，适合制造机车底盘、低温液体储藏容器、机车支柱、3D产品外壳、高速列车安全部件、以及建筑受力部件等。

附图说明

图1为立式双辊薄带连铸连轧机组配置、以及各关键位置处的温度范围。

图2为薄带连铸高锰钢在线热轧过程中，钢带的应变速率计算值(铸带厚度为2.0mm)。

图中，铸带的初始厚度为2.0mm，分别热轧至1.8mm、1.6mm、1.4mm、1.2mm、1.0mm，变形量对应为10％、20％、30％、40％、50％。热轧机组工作辊辊径(R)范围为470～530mm。

根据公式：

$\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&epsiv;}}=\frac{v\&CenterDot;\mathrm{\&delta;}}{L{h}_1}---\left(1\right)$

计算钢带的应变速率。

式中：

为应变速率；δ为压下量(h₁-h₂)；h₁、h₂分别为铸带厚度和出带厚度；L为接触弧长。

$L=\sqrt{R(h_1-h_2)}---\left(2\right)$

应变速率与铸带速率、压下量、轧机工作辊直径等参数关系密切，本发明中应变速率在10-45s^-1之内变化。

图3为薄带连铸TWIP钢在线热轧过程中，轧制力计算值(铸带厚为2.0mm)。(应变速率30s^-1)。

轧制力预测对在线热轧参数的选择至关重要，建立在图2中应变速率、以及测定的TWIP钢在高温下的应力应变曲线等基础上，可以计算在线热轧的轧制力。

本发明中，带钢的变形量在10-50％之间，变形温度在950-1150℃之间变化时，轧制力在600-4500KN之间变化。

其它应变速率下的轧制力，可以按照上述原理求解轧制力，并输入至薄带连铸在线热轧控制模型中。

图4为实施例1、2样品的力学性能指标。

具体实施方式

图1为立式双辊薄带连铸连轧机组配置、以及各关键位置处的温度范围。

图中，钢液流至一对结晶辊1组成的熔池中，热量主要通过结晶辊传递，对于高锰带钢的薄带连铸过程与控制要点。出带后经过夹送辊2至在线热轧机组3，进口温度在950～1150℃之间，一道次轧制后带钢温度平均降50℃左右，达到900～1100℃之间；然后，带钢经层流系统4(旁边有气冷装置5)进入卷取机6，控制卷取温度在400～750℃之间。对于冷却过程，若没有特殊要求，只需根据性能要求保证卷取温度即可。

实施例1

电炉冶炼，成份合格后置入18吨大包内，出钢温度1550℃，高锰钢液主要成分如下(wt％)：Mn 23.0％，Si 2.8％，Al 3.0％，C 0.04％，P＜0.01％，S＜0.005％。通过中间包浇至通水铜材质铸辊之间，中间包开浇温度1500℃，钢液表面利用天然气燃烧，铸辊旋转线速率稳定在50m/min左右，液位由涡流监测器测定，控制在300mm左右，浮动范围±10mm，辊缝设定2.1mm。铸带过夹送辊后后，在线热轧温度1100℃，单道次压下量30％，应变速率15～30s^-1，轧制力2000KN左右，空冷至目标温度700℃卷取。

取样，在1100℃下固溶处理(水淬)，时间≥1分钟，然后酸洗，冷轧，压下量为40％；然后再在1100℃固溶处理(水淬)，时间≥2分钟，然后酸洗，平整，根据产品要求纵切，加工成成品卷。带钢的力学性能如图4所示。

透射电镜分析表明，带钢拉伸前组织为单一奥氏体相，拉伸后组织仍为奥氏体，形成大量孪晶，间距在几十至几百纳米，组织中存在位错墙，三叉晶界处堆积不均匀的位错和层错，可见退火孪晶。。随变形量增大，孪晶数量增多，间距明显降低，强烈阻碍位错运动，材料发生加工硬化，并且形成的孪晶逐步消耗拉伸能量(TWIP效应)，形变孪晶对材料的强塑性贡献如下：(1)孪生剪切作为一种塑性变形方式，它本身可以引起一定的变形量；(2)孪生可以改变晶体某部分的位向，使得原来不利于滑移的位向变得有利于滑移；(3)原始晶粒可以被孪晶细化，从而使得形变更均匀，导致塑性韧性的增加；(4)孪晶形成时可缓解局部应力集中，抑制裂纹形成，增加了材料断裂前的变形量。其结果，形变孪晶使材料的强度和塑性同时增大。

实施例2

电炉冶炼，成份合格后置入18吨大包内，出钢温度1570℃，高锰钢液主要成分如下(wt％)：Mn 15.0％，Si 3.5％，Al 3.2％，C 0.03％，P＜0.015％，S＜0.007％。通过中间包浇至通水铜材质铸辊之间，中间包开浇温度1500℃，钢液表面利用天然气燃烧，铸辊旋转线速率稳定在60m/min左右，液位由涡流监测器测定，控制在300mm左右，浮动范围±10mm，辊缝设定2.1mm。铸带过夹送辊后后，在线热轧温度1150℃，单道次压下量40％，应变速率20～35s^-1，轧制力2200KN左右，头部水冷至目标温度600℃卷取。

取样，在1050℃下固溶处理(水淬)后，酸洗，冷轧，压下量为50％，然后在1050℃固溶处理(水淬)，酸洗，平整，根据产品要求纵切，加工成成品卷。带钢的力学性能如图4所示。

图4为实施例1、2样品的力学性能指标。图中，实施例1的力学性能指标：抗拉强度640～660Mpa；延伸率50～60％；屈服强度250～280Mpa。经计算：强塑积32,000～39,600Mpa％，屈强比0.40左右。

实施例2的力学性能指标：抗拉强度850～900Mpa；延伸率40～45％；屈服强度350～400Mpa。经计算：强塑积34,000-40,500Mpa％，屈强比0.43左右。

相比较于MP1000(强塑积9,500Mpa％)、DP980(强塑积9,800Mpa％)、TRIP980(强塑积17,640Mpa％)，本发明在强塑综合性能上具有明显优势。

另外，相比较于MP1000(屈强比0.9左右)、DP980(屈强比0.5左右)、TRIP980(屈强比0.5左右)，本发明的成型性优良。

透射电镜分析表明，带钢拉伸前组织中存在少量板条状马氏体，且马氏体板条上有位错聚集。亚稳态的奥氏体的附近存在板条状的马氏体。拉伸后组织中出现典型的平行马氏体板条束，而两个相临的马氏体板条之间有生长出平行的马氏体板条束。在马氏体板条上有大量的位错纠结。相变诱导产生的马氏体为板条状，其亚结构为位错，产生TRIP效应，使材料塑性和强度同时提高。

综上所述，本发明Fe-Mn-Al-Si系高锰带钢，通过一道次在线热轧制造出等轴晶率较高、甚至全等轴晶高锰钢组织，避免明显的柱状晶界面，防止缩松或夹杂物聚集现象；同时，结合简单的卷取温度控制，使材料在成分不变的前提下，屈服强度、延伸率、屈强比等性能指标在较大的范围内浮动，从而满足用户特定的需求。另外，考虑到用户对于薄规格(厚度小于1.0mm)钢板的实际需求，本发明利用后续冷轧以及固溶处理，制造出性能具有应用前景的冷轧钢板。

Claims (8)

1.一种高强塑高锰带钢的制造方法，其包括如下步骤：

1)冶炼，高锰带钢成分重量百分比主要包括：C＜0.2％，Mn 10～30％，Si 1～6％，Al 1～8％，余Fe；

2)薄带连铸：辊速旋转线速率：45～150m/min；浇铸时中间包过热度：25～60℃，钢液液位：150～350mm，结晶辊辊缝预设置为：1.8～3.0mm；

3)在线热轧：轧制温度950～1150℃，压下量10～50％，应变速率在10～45s^-1；带钢厚度1.0～1.6mm；

4)卷取：卷取温度400～750℃；

5)酸洗；

6)平整；

7)根据产品要求剪切，加工成成品卷。

2.如权利要求1所述的高强塑高锰带钢的制造方法，其特征是，在线热轧为单道次。

3.如权利要求1所述的高强塑高锰带钢的制造方法，其特征是，对于Mn含量重量百分比≥18％的高锰带钢，为得到延伸率在60％以上的热轧带钢，所述的步骤4)中卷取温度应不低于600℃。

4.如权利要求1所述的高强塑高锰带钢的制造方法，其特征是，制得的高锰带钢材料具有奥氏体+铁素体+马氏体三相结构，在变形过程中具有TRIP效应；或者具有单一奥氏体结构，在变形过程中具有TWIP效应。

5.一种高强塑高锰带钢的薄带连铸连轧制造方法，其包括如下步骤：

1)冶炼，高锰带钢成分重量百分比主要包括：C＜0.2％，Mn 10～30％，Si 1～6％，Al 1～8％，余Fe；

2)薄带连铸：辊速旋转线速率：45～150m/min；浇铸时中间包过热度：25～60℃，钢液液位：150～350mm，结晶辊辊缝预设置为：1.8～3.0mm；

3)在线热轧：轧制温度范围：950～1150℃，压下量10～50％，应变速率10～45s^-1；带钢厚度1.0～1.6mm；

4)卷取：温度范围：400～750℃；

5)固溶处理：温度1000～1100℃，时间≥1分钟，淬火；

6)酸洗；

7)冷轧：压下量40～80％；带钢厚度小于1.0mm；

8)固溶处理：温度1000～1100℃，时间≥1分钟，淬火；

9)酸洗；

10)平整；

11)根据产品要求剪切，加工成成品卷。

6.如权利要求5所述的高强塑高锰带钢的薄带连铸连轧制造方法，其特征是，在线热轧为单道次。

7.如权利要求5所述的高强塑高锰带钢的薄带连铸连轧制造方法，其特征是，对于Mn含量重量百分比≥18％的高锰带钢，为得到延伸率在60％以上的热轧带钢，所述的步骤4)中卷取温度应不低于600℃。

8.如权利要求5所述的高强塑高锰带钢的薄带连铸连轧制造方法，其特征是，制得的高锰带钢材料具有奥氏体+铁素体+马氏体三相结构，在变形过程中具有TRIP效应；或者具有单一奥氏体结构，在变形过程中具有TWIP效应。

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