CN103658178A - 一种短流程生产高强度薄带钢的方法 - Google Patents

Abstract

一种短流程生产高强度薄带钢的方法，采用双辊薄带连铸生产含有稀土元素Re的耐大气腐蚀钢铸带，经过热轧、冷却、防氧化强冷除磷，经过矫直后进行卷取。其中，带钢经过热轧，压下量不小于20%，终轧温度850-1000℃，然后经雾化冷却＋防氧化强化冷却（喷洒干冰）的分段式冷却方式，对高温带钢进行强化冷却，其中雾化冷却的冷却速率50-100℃/s；防氧化强化冷却速率100-200℃/s。通过这样的组合式分段冷却，可得到均匀的微观组织为贝氏体的钢种，贝氏体组织可以显著提高钢的强韧性。本发明尤其适用于表面粗糙度Ra<2μm的高强耐大气腐蚀薄带钢，典型带钢厚度为0.8-1.6mm，可以“以热代冷”供货。

Description

一种短流程生产高强度薄带钢的方法

技术领域

本发明涉及连铸工艺，特别涉及一种短流程生产高强度薄带钢的方法。

背景技术

传统的薄带大都是由厚达70-200mm的铸坯经过多道次连续轧制生产出来的，而采用双辊薄带连铸工艺生产的铸带经过一道次或两道次轧制成为热轧带，经过除磷处理即可以投入市场使用。相比传统的带的生产工艺，前者的生产线比较短，所需要的能源比较少，是一种低碳环保的热轧薄带生产工艺。

双辊薄带连铸典型的工艺流程如图1所示，大包1中的熔融钢水通过水口2、中间包3以及布流器4直接浇注在一个由两个相对转动并能够快速冷却的铸辊5a、5b和侧封装置6a、6b围成的熔池7中，钢水在铸辊5a、5b旋转的周向表面凝固形成凝固壳并逐渐生长，进而在两铸辊辊缝隙最小处（nip点）形成1-5mm厚的铸带11，钢带经由导板9导向被夹送辊12送入轧机13中轧制成0.7-2.5mm的薄带，随后经过喷淋冷却装置14冷却，经输送辊道15至双边剪16切边、飞剪17切头后进入卷取机22、22’卷取成卷。废料经飞剪导板23至废料坑24。

在应用此工艺的生产过程中金属的凝固时间比较短，产品晶粒细化、材料强度、延伸率等性能均有所提高。而且，薄带连铸生产的带钢，尤其是厚度小于2mm的薄规格热轧带，如果性能允许，可以直接用来替代冷轧产品（以热代冷），使得薄带连铸的产品领域得到大大的拓展，所以其产品生产成本低，性价比更加突出。

大多数冷轧产品的表面质量要求比较高，表面不能够有锈蚀，而且表面粗糙度也比较低，限制了薄带连铸产品的应用，但是，目前市场上有一些应用领域需要厚度薄、表面要求不高的薄带钢，这种材料规格可以采用薄带连铸工艺进行制造。要使薄带连铸的热轧产品达到如此高的要求，需要对热轧板进行表面去氧化皮处理，并提高后者的表面质量。通过两个途径提高表面质量。一方面在薄带连铸生产过程中，要尽量控制带钢表面生成的氧化皮厚度，另一方面，薄带连铸在线热轧后的带钢要进行相应的表面处理，比如酸洗或其他方式的除磷，以提高带钢的表面质量。

另一方面，利用薄带连铸生产某些钢种可以得到表面质量优于传统工艺生产的热轧板，比如，采用薄带连铸生产的耐大气腐蚀钢，带钢表面会富集一层耐腐蚀性元素，如Cu、P、Cr等，可以大大提高带钢的抗腐蚀性能。假如这样的带钢经过传统的湿法化学—酸洗除鳞的方法，会对带钢表面层造成破坏，使带钢表面富集的耐腐蚀性元素层，如Cu、P、Cr等消失或减少，从而降低耐腐蚀性能。

实际上，为了利于轧制，薄带连铸生产工艺中必须十分注意控制铸带表面的氧化皮厚度，如在图1所示的典型工艺中，在铸辊5直至轧机13入口均采用密闭室装置防止铸带氧化，在密闭室10内如专利US6920912添加氢气以及在专利US20060182989中控制氧气含量小于5%，均可以控制铸带表面的氧化皮厚度。但是在轧机至卷取这段输送过程如何控制氧化皮的厚度很少有关专利涉及，尤其是在采用层流冷却或喷淋冷却对带钢进行冷却的过程中，高温的带钢与冷却水接触，铸带表面的氧化皮厚度增长很快；同时，高温的带钢与冷却水接触还会带来很多问题：其一，会在带钢表面形成水斑（锈斑），影响表面质量；其二，层流冷却或喷淋冷却用的冷却水容易造成带钢表面局部冷却不均匀，造成带钢内部微观组织的不均匀，从而造成带钢性能的不均匀，影响产品质量；其三，带钢表面局部冷却不均匀，会造成板形的恶化，影响板形质量。此外，采用层流冷却或喷淋冷却，其冷却强度有限，很难生产屈服强度550MPa以上的高强钢种。

发明内容

本发明的目的在于提供一种短流程生产高强度薄带钢的方法，利用薄带连铸工艺生产薄规格的高强钢带钢，铸带热轧后经过分段式强化冷却同时进行氧化皮控制结合在一起的工序，进一步缩短生产线的长度，提高生产率。同时强化冷却可以提高带钢的强度，细化晶粒，提高其延展性，尤其适用于某些高强钢的制造，生产的薄带连铸产品以热代冷供货，提高产品的性价比。

本发明适用于用双辊式薄带连铸机浇注厚度1-5mm的金属铸钢带，尤其是高强度钢带钢。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

薄带连铸高强度薄带钢的方法，其包括如下步骤：

a)冶炼

按下述成分冶炼，其化学成分质量百分比为：C 0.02-0.15%，Si0.20-0.6%，Mn 0.2-1.5%，P 0.02-0.3%，S≤0.006%，Cr 0.40-0.8%，Ni 0.08-0.40%，Cu 0.3-0.80%，Nb 0.010-0.025%，Ti 0.01-0.03%，Al 0.01%～0.06%，Re 0.02-0.25%；区域为Fe和不可避免杂质；上述元素之间要满足如下关系：

耐腐蚀性指数I≥7：

I=26.01×Cu+3.88xNi+1.2×Cr+1.49×Si+17.28xP+5.18×Re-7.29×CuxNi-9.1xNixP-33.39×(Cu)²

焊接冷裂纹敏感性系数Pcm≤0.18%：

Pcm＝C＋Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B

b)铸造

采用双辊薄带连铸工艺，铸辊直径500-1500mm，浇铸速度60-150m/min，将钢水连铸形成1.0-2.0mm厚的铸带；

c)在线热轧

铸带经过一道次或两道次的在线热轧，轧制成0.7-1.5mm厚度的带钢，热轧压下量不小于20%，终轧温度850-1000℃；

d)冷却

采用雾化冷却，将雾化的冷却水雾直接喷洒在带钢表面，使带钢表面温度均匀下降、冷却，冷却速度50-100℃/s；

e)破磷、吹扫

采用三辊破磷装置，对带钢表面破磷；采用气体吹扫以去除带钢表面散落的金属氧化皮；

f)防氧化强化冷却、除磷

气体夹裹干冰直接喷射在带钢表面除磷和强化冷却，干冰与惰性气体或压缩空气混合的混合体积比为5:1~10:1，以0.5-5MPa的压力直接将干冰喷射在带钢表面，冷却速度100-200℃/s；

g)矫直、卷取

将带钢矫直后卷取，卷取温度为520-660℃；最终的带钢性能达到屈服强度550MPa以上，抗拉强度达到600MPa以上，延伸率达到18%以上。

进一步，所述的吹扫气体压力0.5-1.5MPa。所述的吹扫气体气体优选为氮气。

又，所述的三辊破磷装置采用三个小辊错位压下的破鳞单元，三辊破磷机中的上辊是压下辊。

另外，步骤f）防氧化强化冷却、除磷工序中，对喷射干冰前后的带钢设置温度检测装置，用于实时监控带钢表面温度，并反馈给产线控制系统，控制系统根据反馈值控制喷雾冷却装置和防氧化强化冷却干冰除磷、冷却的冷却速度，从而实现带钢冷却速度的闭环控制。

本发明采用薄带连铸生产上述成份的高强度耐大气腐蚀钢时，带钢表面会富集一层耐腐蚀性元素，如Cu、P、Cr、Re等，可以大大提高带钢的抗腐蚀性能。富集在基体表面层的耐腐蚀元素，它们会由于酸洗遭受破坏而变薄，从而影响板带钢的抗腐蚀性能。

稀土元素Re是一种很强烈的表面活性元素，能够在薄带连铸过程中富集在带钢表面，形成一层保护膜，有利于提高带钢的抗腐蚀性能；同时稀土元素的固溶强化作用明显，能够提高钢的强度；而且稀土元素在中国储量丰富，方便使用。

带钢经过热轧压下量不小于20%的热轧轧制，终轧温度850-1000℃之间，然后经过雾化冷却＋防氧化强化冷却（喷洒干冰）的分段式冷却方式，对高温带钢进行强化冷却，其中雾化冷却的冷却速率在50-100℃/s；防氧化强化冷却的冷却速率在100-200℃/s。通过这样的组合式分段冷却，可以得到均匀的微观组织为贝氏体的钢种，贝氏体组织可以显著提高钢的强韧性，其微观组织见图4照片。采用通常的层流冷却方式得到的钢的微观组织为较粗化的针状铁素体组织，如图5，其强度级别较低，达不到贝氏体组织的强度级别。

上述第二段冷却采用防氧化强化冷却方法使用将干冰（固态CO₂）直接喷射在带钢表面，以加速钢带的冷却，其中干冰与惰性气体或压缩空气混合体积比例为5:1~10:1，以0.5-5MPa的压力直接将干冰喷射在带钢表面，一方面起到了降低带钢温度的作用，另一方面CO₂属于一种惰性气氛，其比重比氧大，能够包覆在带钢表面，起到带钢防氧化的作用，从而有效控制了热轧带钢表面氧化皮的生长。而且，结合破磷装置，高速喷射在钢带表面的干冰可以有效的去除大部分已生成的带钢表面氧化皮。

所述的喷雾冷却装置采用将雾化的冷却水雾直接喷洒在钢带表面的方法，可以使带钢表面温度均匀下降，起到均匀冷却，从而达到均匀化内部微观组织的效果；同时喷雾冷却均匀，可以提高带钢的板形质量。

所述的三辊破磷装置采用三个小辊错位压下的破鳞单元，所采用的小辊破鳞机至少有2组，三辊破磷机中的上辊是压下辊，工作中，其根据带钢的厚度和性能决定压下量。在除磷机之间采用气体喷嘴将高压气体吹向带钢表面，以去除散落的金属氧化皮，为了尽量减少带钢表面的氧化皮厚度，本发明优选气体为氮气（N₂），气体压力介于0.5-1.5MPa。

带钢进入所述的防氧化强化冷却除磷段时的温度不低于800℃，在此区域的带钢表面温度较高，可能会导致高速运动的除磷介质嵌入带钢表面，影响带钢表面质量。所以这里本发明未采用常规的高压气体夹裹金属或非金属丸粒喷射带钢表面，而采用的是高速气体夹裹干冰喷射带钢表面用于除磷和强化冷却，由于干冰接触到热的带钢会快速吸收热量后会变成CO₂气体，所以不会嵌入带钢表面而影响带钢表面质量和成分；另外，由于干冰的快速吸热作用，会对带钢起到了快速冷却作用；更重要的是，干冰挥发后变成气体二氧化碳（CO₂），隔绝了与氧气（O₂）的接触，限制带钢表面的氧化皮进一步生成。在此工序中，板带钢的氧化皮去除率在60-85%左右。

所述的热轧带的生产工艺中，高强度的带钢在双辊薄带连铸生产出铸带以后经过热轧、冷却、防氧化强冷除磷，经过矫直后进行卷取，尤其适用于表面粗糙度Ra<2μm的耐大气腐蚀薄带钢，其卷取温度为520-660℃；典型带钢厚度为0.8-1.6mm，可以“以热代冷”供货。

本发明在薄带连铸带钢冷却阶段采用雾化冷却+快速防氧化冷却的方法，提高冷却均匀性和冷却强度；防氧化冷却方法可以控制带钢表面氧化皮厚度，控制带钢表面质量。即带钢强化冷却、带钢表面氧化皮控制结合考虑的薄带连铸生产工艺，尤其适用于某些高强钢的制造。

利用双辊薄带连铸工艺生产薄规格的铸带，铸带厚度1-5mm，铸带经过不小于20%压下量的热轧后，经过喷雾冷却、防氧化强制冷却等结合在一起的冷却工序，随后矫直、切边、切头后进入卷取机成卷。在热轧工序、矫直工序以及卷取工序分别采用不同的夹送辊布置，将热轧张力、矫直张力以及卷取张力分段进行设定及控制，避免三者之间相互干扰整个工艺线的布置考虑。

本发明的主要优点：

1.采用薄带连铸工艺生产高强度薄板带钢，直接进行热轧，经过强制冷却后直接供给市场使用，达到以热带冷的目的，可以显著提高板带钢的性价比。

2.本发明采用强制冷却、氧化皮厚度控制以及除磷三种工序结合在一起的先进工艺流程，缩短了生产线的长度，大大提高生产率。

3.采用本工艺可以提高板带的性能，可以生产高强度等级的钢种，同时更好的保持薄带连铸铸带的优良性能，尤其是耐腐蚀性能。合理的工艺线布置拓宽了提高了生产线的工艺空间，可以满足不同产品的生产需要。

本发明与已有技术的区别和改进之处：

中国专利CN1633509A公开了一种薄带连铸所生产含铜碳钢产品的方法，该专利强调要对这种的带钢在400-700℃范围内进行退火、回火等热处理工序使铜元素在带钢中沉淀或再结晶。与本发明相对比，本发明成份中添加了稀土元素Re，具有明显区别特征，同时后续热处理工艺完全不一样，而且这种方法中没有涉及表面防氧化皮生成的处理方法。

专利US2008264525/CN200580009354.1中提到的一种高铜低合金薄带的制造方法，其技术特点是，在进入轧机前对所述的带钢在非氧化气氛中实施冷却至低于1080℃以防止带钢发生“热脆”现象，而对轧后的带钢热处理方法和冷却及防氧化控制没有涉及。与本发明相比，其权利要求范围有所不同，对带钢采用的热处理方法也有所不同，本发明主要集中在带钢轧后的热处理控制及方法。

附图说明

图1为薄带连铸典型工艺示意图。

图2为本发明生产工艺布置示意图。

图3为本发明防氧化强制冷却除磷工序控制原理示意图。

图4为采用本发明生产高强度带钢的微观组织。

图5为采用常规冷却方式得到的钢带微观组织。

具体实施方式

参见图2，本发明双辊薄带连铸的工艺流程，大包1中的熔融钢水通过水口2、中间包3以及布流器4直接浇注在一个由两个相对转动并能够快速冷却的铸辊5a、5b和侧封装置6a、6b围成的熔池7中，钢水在铸辊旋转的周向表面凝固，进而形成凝固壳并逐渐生长随后在两铸辊辊缝隙最小处（nip点）形成1-5mm厚的铸带11，带钢经由导板9导向被夹送辊12送入轧机13中轧制成0.7-2.5mm的薄带钢，经过喷雾冷却装置14冷却，再经过防氧化强制冷却装置30冷却后经过输送辊道15至矫直机19矫直、双边剪16切边、飞剪17切头后经夹送辊26进入卷取机22、22’卷取。

所述的防氧化强化冷却除磷装置30包括三辊破磷段301、气体喷嘴302、防氧化强化冷却除磷段303、带钢温度检测装置27、28，如图2所示，这些装置均布置在一个封闭空间内，以利于防止氧化皮生成。

所述的喷雾冷却装置14采用将雾化的冷却水雾直接喷洒在钢带表面的方法，可以使带钢表面温度均匀下降，起到均匀冷却，从而达到均匀化内部微观组织的效果；同时喷雾冷却均匀，可以提高带钢的板形质量。

所述的三辊破磷装置301采用三个小辊错位压下的破鳞单元，所采用的小辊破鳞机至少有2组，三辊破磷装置中的上辊是压下辊，工作中，其根据带钢的厚度和性能决定压下量。在除磷机之间采用气体喷嘴302将高压气体吹向带钢表面，以去除散落的金属氧化皮，为了尽量减少带钢表面的氧化皮厚度，本发明优选高压气体为氮气（N₂），气体压力介于0.5-1.5MPa。

带钢进入所述的防氧化强化冷却除磷段303时的温度不低于800℃，在此区域的带钢表面温度较高，可能会导致高速运动的除磷介质嵌入带钢表面，影响带钢表面质量。所以这里本发明未采用常规的高压气体夹裹金属或非金属丸粒喷射带钢表面，而采用的是气体夹裹干冰喷射带钢表面用于除磷和强化冷却，由于干冰接触到热的带钢会快速吸收热量后会变成CO₂气体，所以不会嵌入带钢表面而影响带钢表面质量和成分；另外，由于干冰的快速吸热作用，会对带钢起到了快速冷却作用；更重要的是，干冰挥发后变成气体二氧化碳（CO₂），隔绝了与氧气（O₂）的接触，限制带钢表面的氧化皮进一步生成。在此工序中，板带钢的氧化皮去除率在60-85%左右。

所述的温度检测装置27、28用于实时监控带钢表面温度，并反馈给产线的控制系统，控制系统根据反馈值控制喷雾冷却装置14和防氧化强化冷却除磷段303冷却系统的冷却速度和流量等参数，从而实现带钢冷却速度的闭环控制，其控制原理图如图3。

所述的矫直机19为九辊矫直机，位于冷却装置后部，为上辊整体压下形式。

所述的热轧带的生产工艺中，高强度的带钢在双辊薄带连铸生产出铸带以后经过热轧、冷却、防氧化强冷除磷，经过矫直后进行卷取，尤其适用于表面粗糙度Ra<2μm的耐大气腐蚀薄带钢，其卷取温度为520-660℃；典型带钢厚度为0.8-1.6mm，可以“以热代冷”供货。

所述的产线布置中，在热轧工序、矫直工序以及卷取工序分别采用不同的夹送辊布置，将热轧张力、矫直张力以及卷取张力分段进行设定及控制，避免三者之间相互干扰。具体的做法是：在轧机13前后设置有夹送辊25、26，用于控制热轧前后张力；夹送辊25与26之间设定的张力根据矫直和冷却除磷工艺的需要而设定；同时夹送辊26还用于辅助控制卷取机22、22’卷取张力。

实施例

高强度耐大气腐蚀钢铸带厚度1.5mm，耐大气腐蚀钢的化学成分质量百分比为：C 0.04%，Si 0.5%，Mn 0.68%，P 0.03%，S≤0.006%，Cu 0.5%，Nb 0.020%，Ti 0.025%，Al 0.04%，Cr 0.65%，Ni 0.25%，Re 0.15%；余量为Fe和不可避免杂质。计算得到：耐腐蚀性指数I＝7.4684≥7；焊接冷裂纹敏感性系数Pcm＝0.1523≤0.18%。

铸带经过在线热轧成1.2mm厚度的带钢，轧制出口温度在1000℃，然后经过雾化冷却、防氧化强化冷却除磷工序进行分段式冷却及除磷、矫直，在600℃进行卷取，其中，雾化冷却的冷却速率在50℃/s；防氧化强化冷却除磷工序的冷却速率在110℃/s，气体与干冰的混合高压为5MPa，干冰与气体的混合比例为5：1，气体优选为氮气，二者混合后垂直接喷射在钢带表面。在喷雾冷却装置14和防氧化强化冷却除磷段303，产线还设置有三辊破磷装置301以及高压氮气吹扫装置即气体喷嘴302，用于带钢的预除磷及预冷却作业，带钢最终的厚度1.2mm，表面粗糙度Ra<2.5μm，直接“以热代冷”供货，性能达到屈服强度550MPa以上，抗拉强度达到600MPa以上，延伸率达到18%以上。

如图3所示，温度检测装置27、28用于实时监控带钢表面温度，并反馈给带钢冷却控制系统29，后者根据温度反馈值分别通过调节流量阀31以及流量阀32控制喷雾冷却装置14和防氧化强化冷却除磷段303喷淋的压力和流量，从而实现调节带钢冷却速度的目的，达到设定的目标温度，实现冷却速度闭环控制，保证带钢质量。

综上所述，本发明利用薄带连铸工艺生产薄规格的高强钢带钢，铸带热轧后经过分段式强化冷却同时进行氧化皮控制结合在一起的工序，进一步缩短生产线的长度，提高生产率；同时强化冷却可以提高带钢的强度，细化晶粒，提高其延展性，生产的薄带连铸产品以热代冷供货，提高产品的性价比。

Claims (5)

1.薄带连铸高强度薄带钢的方法，其包括如下步骤：

a)冶炼

按下述成分冶炼，其化学成分质量百分比为：C 0.02-0.15%，Si0.20-0.6%，Mn 0.2-1.5%，P 0.02-0.3%，S≤0.006%，Cr 0.40-0.8%，Ni 0.08-0.40%，Cu 0.3-0.80%，Nb 0.010-0.025%，Ti 0.01-0.03%，Al 0.01%～0.06%，Re 0.02-0.25%；其余为Fe和不可避免杂质；上述元素之间要满足如下关系：

耐腐蚀性指数I≥7：

I=26.01×Cu+3.88xNi+1.2×Cr+1.49×Si+17.28xP+5.18xRe-7.29×CuxNi-9.1xNixP-33.39×(Cu)²

焊接冷裂纹敏感性系数Pcm≤0.18%：

Pcm＝C＋Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+Ni/60+V/10+5B

b)铸造

采用双辊薄带连铸工艺，铸辊直径500-1500mm，浇铸速度60-150m/min，将钢水连铸形成1.0-2.0mm厚的铸带；

c)在线热轧

铸带经过一道次或两道次的在线热轧，轧制成0.7-1.5mm厚度的带钢，热轧压下量不小于20%，终轧温度850-1000℃；

d)冷却

采用雾化冷却，将雾化的冷却水雾直接喷洒在带钢表面，使带钢表面温度均匀下降、冷却，冷却速度50-100℃/s；

e)破磷、吹扫

采用三辊破磷装置，对带钢表面破磷；采用气体吹扫以去除带钢表面散落的金属氧化皮；

f)防氧化强化冷却、除磷

气体夹裹干冰直接喷射在带钢表面除磷和强化冷却，干冰与惰性气体或压缩空气混合的混合体积比为5:1~10:1，以0.5-5MPa的压力直接将干冰喷射在带钢表面，冷却速度100-200℃/s；

g)矫直、卷取

将带钢矫直后卷取，卷取温度为520-660℃；最终的带钢性能达到屈服强度550MPa以上，抗拉强度达到600MPa以上，延伸率达到18%以上。

2.如权利要求1所述的薄带连铸高强度薄带钢的方法，其特征是，所述的吹扫气体压力0.5-1.5MPa。

3.如权利要求1或2所述的薄带连铸高强度薄带钢的方法，其特征是，所述的吹扫气体气体为氮气。

4.如权利要求1所述的薄带连铸高强度薄带钢的方法，其特征是，所述的三辊破磷装置采用三个小辊错位压下的破鳞单元，三辊破磷机中的上辊是压下辊。

5.如权利要求1所述的薄带连铸高强度薄带钢的方法，其特征是，步骤f）防氧化强化冷却、除磷工序中，对喷射干冰前后的带钢设置温度检测装置，用于实时监控带钢表面温度，并反馈给产线控制系统，控制系统根据反馈值控制喷雾冷却装置和防氧化强化冷却干冰除磷、冷却的冷却速度，从而实现带钢冷却速度的闭环控制。

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