CN105274426B

CN105274426B - 一种改善含锡碳素结构钢性能的方法

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Publication number: CN105274426B
Application number: CN201510804133.9A
Authority: CN
Inventors: 孙桂林; 宋波; 陶素芬
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2015-11-20
Filing date: 2015-11-20
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2035-11-20
Also published as: CN105274426A

Abstract

本发明涉及一种改善含锡碳素结构钢性能的方法，属于钢铁冶金领域。所述含锡碳素结构钢为含有残余元素锡的基础碳素结构钢，所述方法是在基础碳素结构钢炼制的精炼期添加S源和Ti源，获得改性后的碳素结构钢，在所述基础碳素结构钢炼制的精炼期添加的所述S源和所述Ti源的量分别为：按照S源中S元素进行计算，添加的S元素的重量百分比为0.01～0.03%，添加的所述Ti源的重量百分比为0.02～0.04%，在所述基础碳素结构钢炼制的精炼期添加的所述S源为FeS，所述Ti源为海绵钛。本发明能明显改善碳素结构钢的热塑性和常/低温冲击韧性，从而降低其对炼钢原料中残余元素锡含量的要求，降低了生产成本，提高了经济效益。

Description

一种改善含锡碳素结构钢性能的方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金领域，主要涉及一种改善含锡元素碳素结构钢性能的方法。

背景技术

根据国际钢铁协会的统计数据，2014年全球粗钢产量达到16.62亿吨，其中中国粗钢产量达到8.227亿吨，同比略增0.9%。随着我国钢产量的持续上升，一方面，对铁矿石的需求持续增加，使优质铁矿资源逐渐枯竭，各种低品位铁矿石资源使用量增加；另外一方面，废钢积蓄量和循环使用量呈逐年上升趋势。

随着炼钢生产中低品位铁矿和废钢利用的比例越来越大，锡、锑、砷等残余元素在钢中不断的富集。因残余元素的氧势较铁低，进入到钢水中的残余元素在现阶段的炼钢工艺条件下很难去除。而残存于钢中的残余元素易于偏析和晶界偏聚，对钢材的高温热塑性和力学性能等会产生不良影响。目前解决钢中残余元素富集及由此产生的对钢性能危害问题的方法，主要有两种，一是去除钢中的残余元素；二是配优质原料降低残余元素的相对含量。关于钢中残余元素的去除，国内外已进行了大量研究，主要从真空挥发脱除、加钙反应以及添加稀土反应等三个方面对钢中残余元素进行脱除，但各种去除方法由于存在效率低、成本高、污染环境设备、以及渣需特殊处理等原因迄今为止无法在工业生产中大规模应用。目前生产中解决钢中残余元素超标的方法主要为加优质铁水稀释法，但随着优质铁矿石资源的逐渐枯竭和废钢使用比例的增加，未来配料稀释法也将受到很大限制，因而寻求新的解决钢中残余元素对钢性能危害的方法迫在眉睫。

16Mn钢作为一种典型的工程用高强度低合金碳素结构钢，有较高的强度、良好的塑性和低温韧性，是我国产量最多、应用最广的建筑结构用钢。而且随着废钢循环中残余元素水平越来越高，残余元素Sn易于在晶界偏聚降低了晶界表面能，弱化了晶粒间的结合力，当16Mn钢中残余元素Sn含量超过0.02%(重量百分比)时会显著恶化16Mn钢的热塑性和常/低温的冲击韧性,并且残余元素Sn会恶化钢热塑性导致其在连铸和轧制过程中产生裂纹及表面缺陷的问题。

如能有效解决残余元素锡对碳素结构钢性能危害的问题，将为碳素结构钢的生产带来很大的经济效益。

发明内容

本发明的目的是提供一种改善含锡碳素结构钢性能的方法，本发明在碳素结构钢炼制的精炼期添加S源和Ti源，通过添加的S源和Ti源来改善和提高碳素结构钢的高温热塑性和常/低温的冲击韧性，解决由于所述碳素结构钢中残余元素锡的富集对钢性能产生的危害。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种改善含锡碳素结构钢性能的方法，所述含锡碳素结构钢为含有残余元素锡的基础碳素结构钢，所述方法是在基础碳素结构钢炼制的精炼期添加S源和Ti源，获得改性后的碳素结构钢。

进一步地，在所述基础碳素结构钢炼制的精炼期添加的所述S源和所述Ti源的量分别为：按照S源中S元素进行计算，添加的S元素的重量百分比为0.01～0.03%，添加的所述Ti源的重量百分比为0.02～0.04%。

进一步地，，在所述基础碳素结构钢炼制的精炼期添加的所述S源为FeS，所述Ti源为海绵钛。

进一步地，所述基础碳素结构钢包括如下重量百分比的组分：C 为0.13～0.19%，Si为 0.20～0.40%，Mn为1.20～1.60%，P≤0.01%，S≤0.01%，Al≤0.005%，Sn为 0.01～0.10%，余量为Fe。

进一步地，在所述基础碳素结构钢炼制的精炼期，首先应用VOD钢包精炼炉对钢水进行真空脱氧，然后添加S源和Ti源，所述精炼期的具体步骤为：

（1）真空脱氧：采用VOD钢包精炼炉对钢水进行真空脱氧，将钢水中氧含量控制在100ppm以下；

（2）S源和Ti源的添加：控制钢水温度为1550-1600℃，然后按照S源中S元素进行计算，往所述钢水中添加的S元素的重量百分比为0.01～0.03%，添加的所述Ti源的重量百分比为0.02～0.04%。

进一步地，所述基础碳素结构钢为的15Mn 、16Mn 和20Mn钢中的任意一种。

本发明的有益技术效果：

（1）S源的添加使生成的钢中MnS夹杂物数量变多，明显提高MnS夹杂物上锡异质形核的形核率，降低锡在晶界的偏聚，残余元素锡在晶界偏聚的减少，净化了晶界，增强了晶界的结合力，钢在承受冲击载荷时，晶界将吸收更多的裂纹扩展的能量，从而有利于提高钢的冲击性能；

（2）Ti元素的添加有以下三个方面的影响：一是Ti元素可以作为MnS夹杂物的形核核心，形成以含钛氧化物为核心、外包硫化锰的复合MnS夹杂物，有利于残余元素锡在复合MnS夹杂物上的异质析出，一旦残余元素锡在所述复合MnS夹杂物上异质析出时，会阻碍复合MnS夹杂物的长大与变形，一定程度上减轻由于MnS夹杂物体系的增大对钢性能的危害；二是钢中的Ti能与硫形成复合夹杂，其熔点高且难溶于奥氏体，这样硫被难溶的硫化物取代，能降低硫含量高对钢材所带来的严重偏析问题；三是Ti细化硫化物夹杂，有利于夹杂物的评级；

（3）本发明向碳素结构钢中加入一定量的S源和Ti源，改善和提高其热塑性和常低/温的冲击韧性，解决由于残余元素Sn恶化钢热塑性导致其在连铸和轧制过程中产生裂纹及表面缺陷的问题。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

实施例1

在含锡的16Mn钢中，残余元素锡会显著恶化16Mn钢的热塑性和常/低温的冲击韧性。残余元素锡的作用原理如下：残余元素锡在晶界偏聚降低了晶界的表面能，弱化了晶粒间的结合力，加速晶界微孔的形核与长大，且锡的晶界偏聚锁住了晶界，同时阻碍晶界迁移和动态再结晶，进而恶化钢的高温热塑性，另一方面，偏聚于晶界处的锡弱化晶界，降低晶界结合力，冲击时促使裂纹更容易沿解理面扩展，从而恶化钢的冲击韧性。

一种改善含锡碳素结构钢性能的方法，所述含锡碳素结构钢为含有残余元素锡的基础碳素结构钢，所述方法是在基础碳素结构钢炼制的精炼期添加S源和Ti源，获得改性后碳素结构钢，以解决由于所述基础碳素结构钢中残余元素锡的富集对钢性能产生的危害，提高了所述碳素结构钢的高温热塑性和常/低温冲击韧性。

在所述基础碳素结构钢炼制的精炼期添加的所述S源和所述Ti源的量分别为：按照S源中S元素进行计算，添加的S元素的重量百分比为0.01～0.03%，添加的所述Ti源的重量百分比为0.02～0.04%。

向含锡的16Mn钢中加入S源以改善和提高所述含锡的16Mn钢性能的原理为：加入的S源与16Mn钢中的Mn反应生成MnS夹杂物，MnS夹杂物可作为残余元素锡异质析出的有效形核核心，S的添加使生成的钢中MnS夹杂物数量变多，明显提高MnS夹杂物上锡异质形核的形核率，降低锡在晶界的偏聚，残余元素锡在晶界偏聚的减少，净化了晶界，增强了晶界的结合力，钢在承受冲击载荷时，晶界将吸收更多的裂纹扩展的能量，从而有利于提高钢的冲击性能；但是，S源含量较高时，钢中易生成大量FeS夹杂，低熔点的FeS则会危害钢的延展性和韧性，同时硫含量高会带来严重的偏析问题，因此S源的添加量必须严格进行控制，当含锡碳素结构钢中锡的重量百分比为0.20～0.40%（重量百分比）时，按照S源中S元素进行计算，添加的S元素的的添加量必须控制在0.01～0.03%（重量百分比）。

向含锡的16Mn钢中加入Ti源以改善和提高所述含锡的16Mn钢性能的原理为：一是Ti元素可以作为MnS夹杂物的形核核心，形成以含钛氧化物为核心、外包硫化锰的复合MnS夹杂物，所述复合MnS夹杂物尺寸较小 (2~3μm)，不易受力变形，能提高MnS夹杂物上锡的异质形核率，并且一旦残余元素锡在所述复合MnS夹杂物上异质析出时，会阻碍复合MnS夹杂物的长大与变形，一定程度上减轻由于MnS夹杂物体系的增大对钢性能的危害；二是钢中的Ti能与硫形成复合夹杂，其熔点高且难溶于奥氏体，这样硫被难溶的硫化物取代，能降低硫含量高对钢材所带来的严重偏析问题；三是Ti细化硫化物夹杂物，有利于夹杂物的评级。

所以S源和Ti源的添加解决了由于残余元素锡恶化钢热塑性导致其在连铸和轧制过程中产生裂纹及表面缺陷的问题，同时还可满足用户对于钢低温韧性的需求。本实施例向含锡的16Mn钢中添加S源和Ti源，添加量按照S源中S元素进行计算，添加的S元素的重量百分比为0.01～0.03%，添加的所述Ti源的重量百分比为0.02～0.04%，上述添加量是经过大量实验得出的最佳结果，如果添加的S源和Ti源低于该值范围，则S源和Ti源的添加对含锡16Mn钢性能的改善效果不明显；如果添加的S源高于该范围，过多S则会增加钢中FeS的析出，加剧铸坯中心偏析，恶化钢的性能，同时，添加过多Ti则会增加成本。

在16Mn钢炼制的精炼期添加的所述S源为FeS，所述Ti源为海绵钛。

所述含锡碳素结构钢为含锡的16Mn钢；16Mn钢为典型的高强度低合金碳素结构钢，其主要重量百分组成为：C为 0.13～0.19%，Si为 0.20～0.40%，Mn为1.20～1.60%，P≤0.01%，S≤0.01%，Al≤0.005%，Sn为 0.01～0.10%，余量为Fe。

S源和Ti源的添加时间为：基础碳素结构钢炼制的精炼期，在所述基础碳素结构钢炼制的精炼期首先应用VOD钢包精炼炉对钢水进行真空脱氧，然后添加S源和Ti源，所述精炼期的具体步骤为：

（1）真空脱氧：采用VOD钢包精炼炉对钢水进行真空脱氧，将钢水中氧含量控制在100ppm以下；同时反应产物CO是气态而不是呈夹杂物形态，在真空下极易排除，该过程还去除了产生的气体产物CO；

所述基础碳素结构钢为还可以是15Mn 或是20Mn钢中的任意一种。

添加S源和Ti源的改性后碳素结构钢性能的研究：

在真空感应炉内冶炼试验用钢，设置两组，包括实施例组（添加S源和Ti源的制备的含锡16Mn钢）以及比较组（不添加S源和Ti源制备含锡16Mn钢）。

实施例组以及比较组试验钢的化学成分重量百分含量如表1所示。

分别通过Gleeble热力模拟试验机和ZBC2452-B型摆锤式冲击试验机对两组钢的热塑性和冲击韧性进行研究，以试样的断面收缩率和冲击功分别作为热塑性和冲击韧性的评价指标。如表2和表3所示，实施例组可知，添加S源和Ti源的制备的16Mn钢的热塑性明显得到改善，特别是在700～900℃时，断面收缩率都在40%以上，同时脆性区变窄，塑性谷底变浅，而比较组中不添加S源和Ti源的制备的16Mn钢的热塑性明显较差，在很宽的温度范围内，热塑性均低于40%；另一方面，含残余元素Sn的16Mn钢的冲击韧性也得到改善，特别是在-40℃时冲击功由60.63J提高到了170.7J。

表1 实施例组以及比较组试验钢的化学成分（重量百分比），wt%

	C	Si	Mn	P	S	Al_s	N	T.O	Sn	Ti
											比较组	0.15	0.31	1.42	0.010	0.007	0.004	0.0035	0.0006	0.10	-
实施例组	0.14	0.27	1.41	0.007	0.030	0.002	0.0037	0.0027	0.13	0.03

表2实施例组以及比较组试验钢不同温度下的断面收缩率，%

	700℃	750℃	800℃	850℃	900℃	950℃	1000℃	1100℃
									比较组	41.27	4.87	13.06	34.16	54.88	81.86	87.98	87.15
实施例组	69.95	44.27	44.65	49.52	63.71	70.19	74.63	81.75

表3实施例组以及比较组试验钢不同温度下的冲击功，J

	20℃	-20℃	-40℃
				比较组	129.7	121	60.63
实施例组	200.1	187.9	170.7

Claims

1.一种改善含锡碳素结构钢性能的方法，所述含锡碳素结构钢为含有残余元素锡的基础碳素结构钢，其特征在于，所述方法是在基础碳素结构钢炼制的精炼期添加S源和Ti源，获得改性后的碳素结构钢；

在所述基础碳素结构钢炼制的精炼期添加的所述S源和所述Ti源的量分别为：按照S源中S元素进行计算，添加的S元素的重量百分比为0.01～0.03％，添加的所述Ti源的重量百分比为0.02～0.04％。

2.根据权利要求1所述一种改善含锡碳素结构钢性能的方法，其特征在于，在所述基础碳素结构钢炼制的精炼期添加的所述S源为FeS，所述Ti源为海绵钛。

3.根据权利要求1所述一种改善含锡碳素结构钢性能的方法，其特征在于，所述基础碳素结构钢包括如下重量百分比的组分：C为0.13～0.19％，Si为0.20～0.40％，Mn为1.20～1.60％，P≤0.01％，S≤0.01％，Al≤0.005％，Sn为0.01～0.10％，余量为Fe。

4.根据权利要求1-3之一所述一种改善含锡碳素结构钢性能的方法，其特征在于，在所述基础碳素结构钢炼制的精炼期，首先应用VOD钢包精炼炉对钢水进行真空脱氧，然后添加S源和Ti源，所述精炼期的具体步骤为：

(1)真空脱氧：采用VOD钢包精炼炉对钢水进行真空脱氧，将钢水中氧含量控制在100ppm以下；

(2)S源和Ti源的添加：控制钢水温度为1550-1600℃，然后按照S源中S元素进行计算，往所述钢水中添加的S元素的重量百分比为0.01～0.03％，添加的所述Ti源的重量百分比为0.02～0.04％。

5.根据权利要求4所述一种改善含锡碳素结构钢性能的方法，其特征在于，所述基础碳素结构钢为的15Mn、16Mn和20Mn钢中的任意一种。