CN102199720B - 屈服强度400MPa以上级别低碳钢薄板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

屈服强度400MPa以上级别低碳钢薄板，其化学成分重量百分比为：碳0.03～0.08％，锰0.4～1.2％，硅0.2～0.5％，铝0.01～0.05％，硼0.001～0.008％，硫≤0.01％，磷≤0.015％，氮≤0.006％，氧≤0.006％，余量为Fe和不可避免的其他杂质元素。本发明通过铌、硼微合金化及其相互作用，通过合理的成分和工艺设计，能够形成贝氏体钢，通过双辊薄带连铸工艺，屈服强度大于400Mpa以上不同强度级别的薄板，其工艺流程短、能耗低、生产成本低。

Description

屈服强度400MPa以上级别低碳钢薄板及其制造方法

技术领域

本发明涉及低碳钢薄板制造方法，具体涉及一种屈服强度400MPa以上级别低碳钢薄板及其制造方法。

背景技术

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，由于它们具有优良的机械性能和较低的市场价格而得到广泛的应用。

传统的低碳钢薄板的生产工艺流程由连铸+热轧或连铸+热轧+冷轧等工序完成。一般传统的连铸工艺中铸坯的厚度在200mm左右，连铸后的铸坯经冷却、检查、修模后，进入加热炉内加热。达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，轧制到30～50mm，然后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。热轧后的厚度规格最薄达到1.5～2mm，若以热轧态供货，到此步骤即可结束；如果需要更薄规格的产品，需进一步进入下道冷轧工序，经平整改善板形后卷取得到成品冷轧带钢。

薄板坯连铸连轧技术生产低碳钢或者微合金钢是从在上个世纪80年代末90年代初开始，其工艺流程为：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)，或只需要1台粗轧机(坯厚70～90mm)。而传统工艺中粗轧机要反复轧制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。

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。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。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薄板坯连铸连轧工艺相比有自身独特的特点和优势。

用薄带连铸技术来生产低碳钢或者微合金钢已有公开报道。

中国专利ZL01816185.5公开了一种用薄带连铸生产具有大于450Mpa强度的钢板方法，其主要的化学成分为：碳：0.02～0.08％；锰：0.3～0.8％；硅：0.1～0.4％硫：0.002～0.05％：铝＜0.01％；其主要的技术特点是通过不小于90℃/秒的冷却速度冷却钢带来实现的。

美国专利公开号US2008/0219879A1公开了添加了微合金元素生产不同强度级别的薄带连铸碳钢产品。其主要的的成分范围是：碳＜0.25％，锰：0.2～2％，硅：0.05～0.5％，铝＜0.01％，铌：0.01～0.2％。在这个成分的基础上还可以进一步添加：钼：0.05～0.5％；钒：0.1～0.2％。产品的屈服强度至少为340Mpa，抗拉强度至少大于410Mpa，延伸率至少为大于6％。

中国专利ZL98806330.1和美国专利US6502625公开了一种生产低碳钢带材的连铸方法，其公开的成分范围为：碳：0.02～0.1％，锰：0.1～0.6％，硅：0.02～0.35％，硫＜0.015％，铝：0.01～0.05％，磷：＜0.02％，铬：0.05～0.35％，Ni：0.05～0.3％，N：0.003～0.012％，其余为铁。该成分中还可以进一步包含：钛＜0.03％、钒＜0.1％、铌＜0.035％；经过小于15％的热轧，以5～80℃/秒的冷却速度冷却，在500～800℃进行卷取。产品可以达到屈服强度至少为180～250Mpa；抗拉强度至少大于280Mpa。屈强比小于0.75。总延伸量大于30％。

发明内容

本发明的目的在于提供一种屈服强度400MPa以上级别低碳钢薄板及其制造方法，其工艺流程短、能耗低、生产成本低。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是，

本发明通过铌、硼微合金化及其相互作用，通过合理的成分和工艺设计，能够形成贝氏体钢，通过双辊薄带连铸工艺，屈服强度大于400Mpa以上不同强度级别的薄板。

具体地，本发明的屈服强度400MPa以上级别低碳钢薄板，其化学成分重量百分比为：碳0.03～0.08％，锰0.4～1.2％，硅0.2～0.5％，铝0.01～0.05％，硼0.001～0.008％，硫≤0.01％，磷≤0.015％，氮≤0.006％，氧≤0.006％，余量为Fe和不可避免的其他杂质元素。

进一步，本发明低碳钢薄板的化学成分还包含：钛＜0.03％、钒＜0.08％、铌：0.01～0.04％中的一种或一种以上，以重量百分比计。

在本发明的成分中：

碳，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。碳高，屈强比高；碳低，强度不足。本发明碳的范围为0.03～0.08％。

硅，是为了对钢进行脱氧而添加的元素，对传统工艺一般硅含量小于0.2％。薄带连铸由于冷却速度快，为了控制夹杂物形貌，尤其是氧化锰、二氧化硅的比例，Si含量大于0.2％。Si含量过多会导致可焊性和焊接热影响区韧性恶化，因而其上限规定为0.5％；

锰，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，所以规定Mn含量不得超过1.2％；

铝，是为了脱氧而加入钢中的元素，添加0.01-0.05％含量的Al有利于细化晶粒，改善钢材的强韧性能；

在本发明中铝含量也可以小于0.01％，用硅锰脱氧。

硫，在本发明钢中作为残余元素来控制，达到≤0.01％。

磷，在本发明钢中作为残余元素来控制，达到≤0.015％。

氮、氧，过多的氮容易在钢中与B形成的夹杂物造成“硼相”沿晶界呈网状沉淀。因此需要控制氮的含量小于60ppm。

硼，为了进一步改善钢材的组织和性能，向钢中加入合金元素是主要的手段之一。低碳含硼微合金化是利用硼元素代替贵重的合金元素，在提高钢的强度的同时，可以有效地细化晶粒，使钢的塑性、韧性和冷变形能力得到明显的改善，从而大大提高了产品的合格率。与添加其它合金元素相比，成本大大降低。应该注意的是，硼是极为活泼的元素之一，在钢中能与残留的氮、氧化合形成稳定的夹杂物而丧失其有益的作用；或因加入的硼量过高造成“硼相”沿晶界呈网状沉淀而导致钢的淬透性下降。加入微合金元素硼可以显著降低热轧板屈服强度和抗拉强度。这是因为粗大BN颗粒在高温奥氏体中的优先析出显著抑止钢中细小AlN的析出，减弱了AlN在晶界的钉扎作用，以及B元素在奥氏体晶界的偏聚，抑止了铁素体形核。本发明中硼的加入量0.001～0.008％。

另外，微量Nb与B等元素的相互作用，大大降低了相变温度，使贝氏体相变能够在较低的温度下进行，加速高温变形后的应变诱导Nb(C，N)的析出，明显地稳定了奥氏体中的位错结构，阻止了新相进一步长大，在贝氏体相变过程中大幅度提高了贝氏体中的为错密度，从而使贝氏体钢具有高个强韧性；钢中Nb，B原子的偏聚和析出阻止了加热过程奥氏体晶粒的进一步粗化，保证焊接后热影响区组织的性能。相变后的贝氏体板条细小，从而促进了超细组织的形成。

铌，在钢中的作用主要是形成NbC或者NbN等间隙中间相。在再结晶过程中，因NbC或者NbN对位错的钉轧及对亚晶界的迁移进行阻止等作用，从而大大增加了再结晶的时间，提高了奥氏体的再结晶温度，从而达到细化奥氏体晶粒的目的。当铌含量高于0.04％，铌对强韧化的贡献将不再明显。铌的加入量0.01～0.04％。

钒，作用是通过形成V(C，N)影响钢的组织和性能，主要在奥氏体晶界的铁素体中沉淀析出，在轧制过程中能抑制奥氏体的再结晶并阻止晶粒长大，从而起到细化铁素体晶粒、提高钢的强度和韧性，钒的加入范围为：不大于0.08％。

钛，是强碳化物形成元素，在钢液凝固过程中形成大量弥散分布的TiC微粒，可以成为钢液凝固时的固体晶核，有利于钢的结晶，细化钢的组织。钛的加入量：不大于0.03％。

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。在本发明中，在用低碳钢铸造时，利用粗奥氏体晶粒相变特点，通过控制轧制和控制冷却过程，可以得到不同晶粒尺寸和不同显微组织的板材，从而可以获得不同强度级别的钢板，满足不同的用户需求。

本发明与前述专利的主要不同之处在于成分范围不同。本发明的主要成分范围为：碳＜0.08％，锰：0.4～1％，硅：0.2～0.5％，铝：0.01～0.05％，硼：0.001～0.008％，钛＜0.03％，钒：0.02～0.08％，铌＜0.04％，余铁。本发明添加了微量合金元素硼和其它微合金元素。微合金元素硼在钢中的显著作用是极微量的硼就可以细化晶粒，提高材料的塑性；另外，硼元素与其它微量元素的相互作用，进一步提高材料的强度。

本发明屈服强度400MPa以上级别低碳钢薄板的制造方法，其包括如下步骤：

1)按上述成分冶炼；

2)浇铸，采用薄带连铸工艺，钢水通过一对内部具有循环冷却作用的结晶辊，经过快速凝固后直接浇铸出1～5mm厚的铸带；

3)二次冷却，铸带从结晶辊浇铸出来后，经过密闭室，在密闭室内安装二次冷却装置，以控制铸带的冷却速度，使其冷却速度大于20℃/s；二次冷却采用气体冷却，冷却气体为氩气、氮气、或氦气中的一种或几种混合气体；

4)热轧，热轧的压下率0％～50％，热轧温度900～1050℃；

5)三次冷却，三次冷却采取水冷、气雾冷却、层流冷却或喷淋冷却，冷却速度30～80℃/s；

6)卷取，卷取温度大于550℃，卷取后的钢卷冷却到室温。进一步，铸带厚度优选小于3mm。

另外，本发明还可以根据市场产品的要求直接热轧状态供货，或经过酸洗、冷轧或者再增加热镀锌工序进行供货。

在本发明制造工艺中：

二次冷却，铸带从结晶辊浇铸出来后，经过密闭室，在密闭室内安装二次冷却装置，以控制铸带的冷却速度，使其冷却速度大于20℃/s。这是因为铸带在高温晶粒长大很快，必须控制晶粒长大的速度。冷却气体可以是氩气、氮气、氦气等惰性气体，或者是几种混和气体。

三次冷却采取喷水、喷射气-水混和、一种喷雾等系统，冷却速度30～80℃/s。

本发明的关键步骤是铸带从结晶辊浇铸后，从二冷到卷取过程中通过合理的工艺控制，使材料在固态相变过程中形成细小的贝氏体组织。

本发明中添加了硼元素，硼在钢中的显著作用是：极微量的硼就可以细化晶粒，在本发明的步骤中，二次冷却区域是奥氏体转变的温度区间，需要控制冷却速度大于20℃/s，快的冷却速度可以细化奥氏体晶粒，使奥氏体向贝氏体转变的过程中，贝氏体组织更加细化。

本发明利用硼和铌的相互作用，Nb，B原子的偏聚和析出阻止了加热过程奥氏体晶粒的粗化，相变后的贝氏体板条细小，从而促进了超细组织的形成。三次冷却过程是贝氏体转变的过程，冷却速度要控制在30～80℃/s内，如果冷却速度小于30％，贝氏体转变不充分，在组织中会产生部分铁素体和珠光体，降低材料的强度；如果冷却速度大于80℃/s，将会在组织中形成部分马氏体组织，这种马氏体组织形成后，材料强度增加，但是塑形下降，无法满足用户的要求。

本发明的有益效果

1.本发明运用薄带连铸能够浇铸薄规格带钢，运用薄带连铸的快速凝固效应，可以得到细小的组织和晶粒，得到高强度级别的钢板；

2.本发明通过添加微量硼，可以替代昂贵的金属，并且明显地改善材料的性能。另外，合金元素铌与硼的相互作用，强化效果明显，能够形成高强度贝氏体钢。

3.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。

4.本发明提供的钢种，其屈服强度达400Mpa以上，通过不同的冷却控制，可以得到不同强度级别的钢板。

附图说明

图1为本发明薄带连铸连轧机组工艺流程示意图。

具体实施方式

下面用实施例对本发明作进一步阐述。

实施例1

本实施例中低碳钢薄板的制造流程为：转炉或者电炉冶炼、经过精炼工序后，冶炼出温度和成分满足要求的钢水，经过双辊薄带连铸，二次冷却、热轧(0～50％)、三次冷却、卷取。

如图1所示，经过转炉或者电炉冶炼、经过精炼工序后，冶炼出温度和成分满足要求的钢水，达到的成分见表1，浇铸成铸带。产品厚度、工艺参数及产品性能见表2。

钢水从钢包1经过长水口2、中间包3和浸入式水口4浇入到由两个相向旋转的水冷结晶辊5、5’和侧封板6形成的熔池7内，经过水冷结晶辊5、5’的冷却形成1～5mm铸带8，铸带经过在密闭室14内的二次冷却装置15控制其冷却速度，通过摆动导板9、夹送辊10将铸带8送至热轧机11，再经三次冷却装置12，直至卷取机13。密闭室14内的气体是惰性气体的保护性气氛。二次冷却由气喷嘴和支架等组成，其压力、流量和位置可以调节和控制。冷却气体可以是氩气、氮气、氦气等惰性气体，或者是几种气体的混和气体。三次冷却是水冷、气雾冷却、层流冷却或者喷淋冷却等。将钢卷从卷取机取下后，经过缓慢冷却至室温。可以直接热轧供货，或者经过酸洗、冷轧、热镀锌等供货。

其他实施例具体参见表1和表2。

对比例成分中没有添加硼元素，从表2中产品的性能可见，其强度较低。

Claims (4)

1.屈服强度400MPa以上级别低碳钢薄板，其化学成分重量百分比为：碳0.03～0.08%，锰0.4～1.2%，硅0.2～0.5%，铝0.01～0.05%，硼0.001～0.008%，硫≤0.01%，磷≤0.015%，氮≤0.006%，氧≤0.006%，还包含钛<0.03%、钒<0.08%、铌0.01～0.04%中一种以上，其余为Fe和不可避免的其他杂质元素；且，其采用下述制造方法获得：

1)按上述成分冶炼；

2)浇铸，采用薄带连铸工艺，钢水通过一对内部具有循环冷却作用的结晶辊，经过快速凝固后直接浇铸出1～5mm厚的铸带；

3)二次冷却，铸带从结晶辊浇铸出来后，经过密闭室，在密闭室内安装二次冷却装置，以控制铸带的冷却速度，使其冷却速度大于20℃/s；二次冷却采用气体冷却，冷却气体为氩气、氮气、或氦气中一种以上气体；

4)热轧，热轧的压下率0%～50%，热轧温度900～1050℃；

5)三次冷却，三次冷却采取水冷、气雾冷却、层流冷却或喷淋冷却，冷却速度30～80℃/s；

6)卷取，卷取温度大于550℃，卷取后的钢卷冷却到室温。

2.屈服强度400MPa以上级别低碳钢薄板的制造方法，其包括如下步骤：

1)冶炼；

按下述成分冶炼，低碳钢薄板化学成分重量百分比为：碳0.03～0.08%，锰0.4～1.2%，硅0.2～0.5%，铝0.01～0.05%，硼0.001～0.008%，硫≤0.01%，磷≤0.015%，氮≤0.006%，氧≤0.006%，还包含钛<0.03%、钒<0.08%、铌0.01～0.04%中一种以上，其余为Fe和不可避免的其他杂质元素；

2)浇铸，采用薄带连铸工艺，钢水通过一对内部具有循环冷却作用的结晶辊，经过快速凝固后直接浇铸出1～5mm厚的铸带；

3)二次冷却，铸带从结晶辊浇铸出来后，经过密闭室，在密闭室内安装二次冷却装置，以控制铸带的冷却速度，使其冷却速度大于20℃/s；二次冷却采用气体冷却，冷却气体为氩气、氮气、或氦气中一种以上气体；

4)热轧，热轧的压下率0%～50%，热轧温度900～1050℃；

5)三次冷却，三次冷却采取水冷、气雾冷却、层流冷却或喷淋冷却，冷却速度30～80℃/s；

6)卷取，卷取温度大于550℃，卷取后的钢卷冷却到室温。

3.如权利要求2所述的屈服强度400MPa以上级别低碳钢薄板的制造方法，其特征是，铸带厚度优选小于3mm。

4.如权利要求2所述的屈服强度400MPa以上级别低碳钢薄板的制造方法，其特征是，根据市场产品的要求直接热轧状态供货，或经过酸洗、冷轧或者再增加热镀锌工序进行供货。