CN102912229B - 一种390MPa级低成本热轧结构钢板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种390MPa级低成本热轧结构钢板及其制造方法，成分：C？0.15%~0.20%，Si？0.05%~0.20%，Mn？0.1%~0.5%，B？0.0005%~0.004%，N≤0.0060%，Al？0.02%~0.05%，Ti？0.015%~0.025%,Ca？0.0025%~0.0060%，0.12≤Ca/Al≤0.2，余为Fe。其方法包括转炉冶炼、炉外精炼、连铸、轧制，精炼加Al脱氧，加Ti固氮，使O≤0.002%，N≤0.006%，精炼结束前加硼合金化，喂Si-Ca线；连铸坯热装温度大于840℃；板坯加热1100~1180℃，保温2~3小时，粗轧开轧1020~1100℃，中间坯厚度/成品厚度>5，精轧开轧950~1000℃，累积变形量大于50%，终轧温度850~900℃，轧后6~20℃/s冷至500~600℃卷取，之后空冷。本发明工艺简单，成本低，产品韧塑性能和焊接性能好。<!--1-->
Description
技术领域
本发明属于钢铁生产技术领域，尤其涉及一种厚度规格为2～12mm的390MPa级热轧结构钢板及其制造方法。
背景技术
结构钢通常分为低强度级别的普通碳素结构钢和高强度级别的低合金结构钢。一般采用普通C－Mn钢制造低强度级别热轧结构钢板，但对于屈服强度超过300MPa的高强度结构钢板，通常要靠化学成分中添加Nb、V、Ti等合金元素来保证其强韧性匹配。如中国专利CN101280390A等主要是通过加入Nb、V、Ti等微合金元素细化晶粒，提高强韧性。这种方法生产的高强度结构钢性能优异，但成本较高。
中国专利CN1952197A、CN101153367A和CN03117280.6等介绍的超细晶粒钢，不用加微合金化元素，而是通过控轧控冷技术，低温大变形轧制，利用形变诱导铁素体相变理论细化铁素体晶粒，提高C-Mn钢的强度。但要求轧机负荷大，损伤机载设备，减少了轧辊及轧机使用寿命。而且所介绍的超细晶粒钢的Mn含量均在0.50%以上。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术所存在的不足，提供一种利用低锰的普碳钢成分，通过添加廉价的Al、Ti和微量的B生产出低成本390MPa级韧塑性优异的高强度热轧结构钢板及其制造方法。
本发明是这样实现的，该390MPa级低成本热轧结构钢板的化学成分按重量百分比计为：C0.15%~0.20%，Si0.05%~0.20%，Mn0.1%~0.5%，B0.0005%~0.004%，O≤0.002%，N≤0.0060%，Al0.02%~0.05%，Ti0.015~0.025%,Ca0.0025%~0.0060%，0.12≤Ca/Al≤0.2，P≤0.020%，S≤0.015%，余量为Fe和不可避免的杂质。
以下详细阐述本发明的结构用钢各合金成分作用机理，其中百分符号%代表重量百分比：
C：C是钢中主要的固溶强化元素。C含量若低于0.15%，则很难保证钢的强度，另一方面C含量若高于0.20%，则恶化钢的焊接性能和韧性。因此，C含量要控制在0.15%~0.20%。从经济性和产品性能角度考虑，最好C含量控制在0.16%~0.18%。
Mn：Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂，是保证钢的强度和韧性的必要元素，锰和铁形成固溶体，能提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度。Mn与S结合形成MnS，避免晶界处形成FeS而导致的热裂纹，同时Mn也是良好的脱氧剂并增加淬透性。Mn含量太低不能满足高强度级别钢板的要求，Mn含量过高则增加低强度级别钢板生产成本，因此，综合考虑成本及性能要求等因素，Mn含量应该控制在0.10%~0.5%。
Si：Si是钢中常见元素之一，在炼钢过程中用作还原剂和脱氧剂，固溶形态的Si能提高屈服强度和韧脆转变温度，但若超过含量上限将降低韧性和焊接性能。因此0.05%~0.20%的Si保留在钢中是必要的。
P、S：P和S都是钢中不可避免的有害杂质，它们的存在会严重恶化钢的韧性，因此要采取措施使钢中的P和S含量尽可能降低。根据本发明，最高P含量限制在0.020%，最高S含量限制在0.015%。
B：硼能够显著提高淬透性并改善韧性。硼提高淬透性的能力很强，0.001%~0.003%的硼相当于0.6%锰、0.7%铬、0.5%钼和1.5%镍，故极少量的硼即可节约大量贵重合金元素。硼还可以强化晶界，提高钢的高温强度。硼含量过高过低，均会影响其淬透性，本发明限定为0.0005%~0.004%。
Al：Al既是脱氧剂又是良好的细化晶粒元素，铝可以与钢中的N结合成细小弥散分布的AlN第二相粒子，阻碍晶界的移动，抑制奥氏体晶粒长大，从本质上细化了钢的本质晶粒，提高了奥氏体粗化温度。铝还可以抑制钢的时效，改善钢在低温时的韧性，特别是降低钢的脆性转变温度，本发明限定为0.02%~0.05%。
Ti：Ti是强氮化物形成元素，钢中进行微量Ti处理后，可以析出微细的TiN和TiCN粒子，阻碍奥氏体晶粒长大，细化晶粒，另一方面Ti与N结合后，可以降低BN的形成率，减少了BN的危害，本发明限定为0.015%~0.025%。
N≤0.0060%，钢中含适量的N，促进其与Ti和Al结合形成细小的TiN、AlN粒子，细化晶粒，提高强度。但含硼钢如果N含量过高，易形成B、N的化合物，推迟奥氏体再结晶，提高含硼钢的奥氏体化温度，增加铸坯加热控制难度，而且减少沿晶偏聚的硼原子含量，降低硼钢的淬透性。
Ca：0.0025%~0.0060%，0.12≤Ca/Al≤0.2，含铝钢水中的铝易与氧结合形成大的Al2O3夹杂物，Al2O3是有棱角的脆性夹杂，降低钢的韧塑性。铝脱氧后，加入适量Ca，可将Al2O3这类脆性夹杂变性为分散分布的小球状夹杂物，降低对韧塑性的危害。0.12≤Ca/Al≤0.2时，Ca处理效果最好，夹杂物对钢性能危害最小。
本发明所述390MPa级低成本热轧结构钢板的制造方法，包括转炉冶炼、炉外精炼、连铸和轧制工艺，具体工艺技术如下：
1转炉冶炼和精炼：
采用转炉冶炼；精炼加Al脱氧，加Ti固氮，保证O≤0.002%，N≤0.006%，在精炼后期加硼合金化，钢水加硼后5~8分钟结束精炼，以提高硼的收得率，控制钢中硼含量，并向钢水中喂入适量Si-Ca线，保证钢中0.12≤Ca/Al≤0.2，充分发挥钙处理作用，使Al2O3夹杂变为细小球状氧化物，减少对钢的危害。
2.连铸：
连铸坯处理采用热送热装工艺，要求板坯热装温度大于840℃。
3.轧制：
板坯加热温度1100~1180℃，保温2~3小时，保证轧制前原始奥氏体晶粒细小均匀；精粗轧均采用高压水除鳞，以保证成品钢板表面质量；粗轧开轧温度为1020~1100℃，轧制5~8道次；中间坯厚度/成品厚度>5；精轧开轧温度为950~1000℃，轧制5~10道次，累积变形量大于60%，终轧温度控制在850~900℃；带钢出精轧机后立即进入水冷装置冷却，以6~20℃/S的冷速冷却到500~600℃卷取，之后空冷。
按上述工艺生产的390MPa级热轧结构钢，室温组织为细小铁素体+贝氏体+少量珠光体的多相组织，相变强化与晶粒细化相结合，提升产品强度等级。
钢中添加B元素，钢的淬透性显著提高。微量硼沿晶偏聚，可通过预先占有合适的形核位置，降低奥氏体晶界能，抑制铁素体的形核，推迟铁素体的形成，同时晶界上的硼原子也阻滞晶界原子的扩散，使铁素体在晶界上扩散形核减缓。因此，加硼后，钢的淬透性提高，较小冷速下即可得部分贝氏体组织，提高强度。由于硼是表面活性元素，硼还会吸附在硫化物及氧化物表面，阻止夹杂进一步长大，使夹杂变得细小、圆整、均匀分布于晶界，基本上消除了大型夹杂在晶界偏聚，强化了晶界，减小了局部应力集中，抑制了裂纹萌生，降低了裂纹扩展速度，因此，加入适量硼后，钢的韧性提高，还会降低韧脆转变温度。
但钢液中的硼很容易与氧和氮化合，形成化合物，减弱硼的上述作用，而且，B、N的化合物会推迟奥氏体再结晶，提高含硼钢的奥氏体化温度，因此，在加硼之前要先加适量的Al脱氧，加适量的Ti固氮，将氧、氮含量控制在较低水平，再在精炼后期加硼合金化，提高硼的收得率，控制硼含量。Al加入后，一方面形成AL2O3等脱氧产物降低氧含量，另一方面还可以与N形成弥散分布的AlN二相粒子，细化晶粒。AL2O3为脆性夹杂物，影响钢的韧塑性能。为减少AL2O3等脆性夹杂物的危害，在精炼结束前，要加入Si-Ca线进行Ca处理，使Al2O3夹杂变为细小的球状氧化物，提高钢的韧塑性。精炼中加入适量强氮化物形成元素Ti,可以形成微细的二相粒子，固定钢中的氮，阻碍奥氏体晶粒长大，细化晶粒，另一方面Ti与N结合后，降低了N与硼的结合机率，减少了BN的形核率，降低了BN的危害。
影响含硼钢性能稳定性的主要原因是硼相在晶界偏聚成网状，产生硼脆现象。硼相的析出温度为900℃－550℃，750℃－830℃析出速度最快，在此温度区间，冷却速度越慢，硼扩散越充分，析出的硼相越多，偏聚越严重，越易形成网状。连铸坯采用热送热装工艺，要求板坯热装温度大于840℃，终轧温度850℃以上，终轧后立即进入水冷冷却装置，快速冷却到600℃以下，避免网状硼相的形成，提高带钢性能稳定性。
本发明钢种无需加入Nb、V等贵重微合金元素，成本低；采用Al脱氧、Ti固氮并细化晶粒，B提高淬透性，卷板的韧塑性能好，焊接性能明显好于超细晶粒钢；本发明轧制温度高，减轻了轧机负荷，节能降耗效果好，且工艺简单，易于实现，生产效率高，经济效益好。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做进一步的说明。
表1为本发明实施例钢种的化学成分。表2为本发明实施例的工艺参数。表3为本发明实施例的力学性能。
表1本发明实施例化学成分
表2本发明实施例工艺参数
表3本发明实施例力学性能
Claims (2)
1.一种390MPa级低成本热轧结构钢板的制造方法，其特征在于钢的化学成分按重量百分比计为：C0.15％～0.20％，Si0.05％～0.20％，Mn0.1％～0.5％，B0.0009％～0.004％，O≤0.002％，N≤0.0060％，Al0.02％～0.05％，Ti0.015％～0.025％,Ca0.0042％～0.0060％，0.15≤Ca/Al≤0.2，P≤0.020％，S≤0.015％，余量为Fe和不可避免的杂质；制造方法：包括转炉冶炼、炉外精炼、连铸、轧制，精炼加Al脱氧，加Ti固氮，使O≤0.002％，N≤0.006％，精炼结束前5～8分钟加硼合金化，并喂入Si-Ca线，保证钢中0.15≤Ca/Al≤0.2；连铸坯采用热送热装工艺，热装温度大于840℃；轧制采用控轧空冷工艺，板坯加热温度1100～1180℃，保温2～3小时，粗轧开轧温度1020～1100℃，轧制5～8道次，中间坯厚度/成品厚度>5，精轧开轧温度950～1000℃，轧制5～10道次，累积变形量大于60％，终轧温度控制850～900℃，轧后以12～20℃/s的冷速水冷至500～600℃卷取，之后空冷；按上述工艺生产的390MPa级热轧结构钢，室温组织为细小铁素体+贝氏体+少量珠光体的多相组织。
2.根据权利要求1所述390MPa级低成本热轧结构钢板的制造方法，其特征在于所述的精轧和粗轧均采用高压水除鳞。
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