CN105543708A - 一种碳素结构钢及其冶炼方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种碳素结构钢及其冶炼方法。为了有效利用攀钢冶炼半钢后钢水中残留的V、Ti、Cr、Ni，降低炼钢成本，本发明提供一种碳素结构钢及其冶炼方法，钢成分为：按重量百分比计，C：0.13～0.20％，Si：0.10～0.15％，Mn：0.10～0.15％，P：0～0.035％，S：0～0.035％，V：0.005～0.015％，Ti：0.003～0.008％，Cr：0.01～0.03％，Ni：0.02～0.04％，余量为Fe和不可避免的杂质。该方法能利用攀钢冶炼半钢后钢水中残存的V、Ti、Cr、Ni生产出具有攀钢特色的钒、钛微合金化低压管网用钢，有效的将Mn、Si添加量降低了50％以上，从而降低了炼钢成本，所炼钢能满足低压管网用钢的性能要求。

Description

一种碳素结构钢及其冶炼方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种碳素结构钢及其冶炼方法。
背景技术
普碳钢是我国钢铁工业主要的钢种，在国民经济发展中发挥着重要的作用。据统计，普碳钢钢板在板材中的比例在70％以上，同样，攀钢每年也生产大量的普碳钢钢板，其中Q235B等钢种占50万吨左右。如何在这一轮经济调整中，根据自身装备特点、钢水特性实现技术升级和成本控制成了决定攀钢经营盈亏的关键。根据自身的V、Ti特色降低微合金钢中的Mn、Si添加量并得到高质量的产品，成为攀钢冶金工作者关注的重要课题。
随着人们对钢铁材料性能要求的不断提高，在保证高强度的同时要具有良好的塑韧性，钢中加入微合金元素成为生产高性能钢必不可少的一部分。研究表明，钢中加入微量的V、Ti、Nb等合金元素，析出细小弥散的碳、氮化物对晶粒细化、析出强化、控制再结晶等方面均有重要作用，不仅可有效提高钢的强度而且能改善塑韧性，满足高性能钢综合性能的要求。现有技术中有以普通C-Mn钢Q235B为原料生产Q345级中厚钢板的研究，该文献通过采用未再结晶区累积大变形，得到变形的相变前奥氏体晶粒，同时在晶内产生大量“形变带”，增加作为铁素体相变形核点的有效“缺陷”面积，在快速冷却工艺的配合下，得到细小的铁素体晶粒，称为CCR+ACC工艺，该工艺途径可以在细化晶粒尺寸的同时，实现多种强化机制。该工艺在东大Gleeble1500热模拟实验机上，利用热膨胀法测出Ar3温度；通过双道次实验确定Q235B钢未再结晶区温度范围；在酒钢450中厚板实验轧机进行模拟工业试验，12～20mm厚度规格完全满足GB/T1591-94中Q345C级钢板力学性能要求。该方法存在以下不足：1、设备要求高，需要安装超快速冷却系统，现有连轧生产线设置需要做大的改动；2、效果不稳定，对高Nb钢和高Ti钢比较明显，对含V钢和低Nb、低Ti钢作用不太明显。
低压管网用钢是Q235中的一种，主要针对普通流体输送，一般用于建筑等居民输送水管等，一般承受压力不超过3.5MPa，冶炼低压管网用钢只需满足国标GB/T700-2006对Q235B钢中屈服强度，抗拉强度和断后生长率的要求即可。攀钢炼钢生产中，由于攀西地区的特殊性，炼钢完成后钢水中还残存有V：0.005～0.015％，Ti：0.003～0.008％，Cr：0.01～0.03％，Ni：0.02～0.04％，如何将其充分利用以降低冶炼成本，具有重要的现实意义。
发明内容
本发明提供一种碳素结构钢及其冶炼方法，该方法能利用攀钢钢水中残存的V、Ti、Cr、Ni生产出具有攀钢特色的钒、钛微合金化低压管网用钢，有效的减少了微合金钢中的Mn、Si添加量，从而降低了炼钢成本，所炼钢的屈服强度，抗拉强度和断后生长率均满足国标GB/T700-2006对Q235B钢的要求，满足低压管网用钢的性能要求。
本发明要解决的技术问题是提供一种碳素结构钢，其成分为：按重量百分比计，C：0.13～0.20％，Si：0.10～0.15％，Mn：0.10～0.15％，P：0～0.035％，S：0～0.035％，V：0.005～0.015％，Ti：0.003～0.008％，Cr：0.01～0.03％，Ni：0.02～0.04％，余量为Fe和不可避免的杂质。
其中，上述碳素结构钢，优选的成分为：按重量百分比计，C：0.15～0.18％，Si：0.11～0.13％，Mn：0.12～0.14％，P：0～0.015％，S：0～0.015％，V：0.007～0.013％，Ti：0.005～0.007％，Cr：0.015～0.025％，Ni：0.025～0.035％，余量为Fe和不可避免的杂质。
其中，上述碳素结构钢，所述钢的晶体结构为铁素体+珠光体。
其中，上述碳素结构钢，以钢的晶体结构总体积为基准，所述铁素体的体积百分比为60～80％。
其中，上述碳素结构钢，由下述冶炼方法制得，包括转炉炼钢、小平台炉外处理和连铸步骤；所述转炉炼钢阶段的脱氧合金化工艺为：转炉冶炼钢水终点碳含量≤0.04％时，当钢水铺满钢包罐底部时加入碳粉、增碳剂脱氧，待出钢重量占总重量的1/3～1/2时，再依次加入增碳剂、硅锰合金和硅铁合金；转炉冶炼钢水终点碳含量＞0.04％时，在出钢重量占总重量的1/3～1/2时直接加入增碳剂、硅锰合金和硅铁合金；所述小平台炉外处理阶段控制酸溶铝含量为0.01～0.03％，氧含量≤20ppm。
本发明要解决的第二个问题是提供一种碳素结构钢的冶炼方法，包括转炉炼钢、小平台炉外处理和连铸步骤；
所述转炉炼钢阶段的脱氧合金化工艺为：转炉冶炼钢水终点碳含量≤0.04％时，当钢水铺满钢包罐底部时加入碳粉、增碳剂脱氧，待出钢重量占总重量的1/3～1/2时，再依次加入增碳剂、硅锰合金和硅铁合金；转炉冶炼钢水终点碳含量＞0.04％时，在出钢重量占总重量的1/3～1/2时直接加入增碳剂、硅锰合金和硅铁合金；
所述小平台炉外处理阶段控制酸溶铝含量为0.01～0.03％，氧含量≤20ppm。
其中，上述碳素结构钢的冶炼方法中，所述碳粉添加量为0.15～0.30kg/t钢。
其中，上述碳素结构钢的冶炼方法中，所述硅锰合金为Mn：60.0～67.0wt％、Si：14.0～17.0wt％的硅锰合金，添加量为1.6～2.0kg/t钢。
其中，上述碳素结构钢的冶炼方法中，所述硅铁合金添加量为：转炉冶炼钢水终点碳含量＜0.05时，加入2.0～2.5kg/t钢，转炉冶炼钢水终点碳含量≥0.05时，加入1.3～1.8kg/t钢，所述硅铁组成为：按重量百分比计，Si：74.0～80.0，Al：0～2.0％，余量为Fe。
其中，上述碳素结构钢的冶炼方法中，所述增碳剂的添加量为：碳含量≤0.04时，第一次增碳剂添加量为0.2～0.45kg/t钢，第二次增碳剂添加量为0.8～1.5kg/t钢；碳含量＞0.04％时，加入增碳剂1.0～1.95kg/t钢。
其中，上述碳素结构钢的冶炼方法中，出钢结束时，加入活性石灰3～5kg/t钢；所述活性石灰组成为：按重量百分比计，CaO90～100％，CaCO30～10％。
其中，上述碳素结构钢的冶炼方法中，所述脱氧合金化过程全程吹入惰性气体。
本发明要解决的第三个技术问题是提供一种上述碳素结构钢的用途，用于低压管网业。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：充分利用了攀钢炼钢后钢水中残留有平均0.01％的V、0.005％的Ti、0.02％的Cr及0.03％的Ni这一特点，减少了冶炼过程中硅锰合金添加量，冶炼出符合标准的低压管网用钢，降低了冶炼成本。
具体实施方式
本发明提供一种碳素结构钢及其冶炼方法，通过利用攀钢冶炼钢水中残留的钒、钛等物质，来减少硅锰合金的添加量，同时能达到标准的屈服强度、抗拉强度和断后伸长率，从而为炼钢出钢微合金化提供一种新的成本更低的方法。
在700℃温度下计算钢水中的VC、TiC平衡值，计算结果如下表1所示。
表1与VC、TiC平衡的V、Ti含量
能够与碳结合形成TiC、VC的钛、钒称为有效钛、有效钒。攀钢钢水中残存平均0.01％的V、0.005％的Ti，根据上表计算钢水中的有效V大概是0.004％，有效Ti大概是0.0048％。除去在高温时形成少量的TiN、VN，多余的V、Ti将形成TiC、VC，轧制及冷却过程中晶内析出，析出粒子细小弥散，尺寸小于10nm，细小弥散的的TiC、VC能有效的阻止位错的运动，起到强烈的沉淀强化效果。
为了充分利用攀钢钢水中残留的V、Ti、Cr、Ni，生产出力学性能满足要求的微合金钢，并且降低生产成本，发明人做了如下的研究。
试验方案设计目标值及实物控制范围见表2。
表2低压管网用钢化学成分及力学性能控制
本发明提供了一种碳素结构钢的冶炼方法，包括转炉炼钢、小平台炉外处理和连铸步骤；
所述转炉炼钢阶段的脱氧合金化工艺为：转炉冶炼钢水终点碳含量≤0.04％时，当钢水铺满钢包罐底部时加入碳粉、增碳剂脱氧，待出钢重量占总重量的1/3～1/2时，再依次加入增碳剂、硅锰合金和硅铁合金；转炉冶炼钢水终点碳含量＞0.04％时，在出钢重量占总重量的1/3～1/2时直接加入增碳剂、硅锰合金和硅铁合金；
所述小平台炉外处理阶段控制酸溶铝含量为0.01～0.03％，氧含量≤20ppm。
此外，本发明还提供了一种碳素结构钢，其成分为：按重量百分比计，C：0.13～0.20％，Si：0.10～0.15％，Mn：0.10～0.15％，P：0～0.035％，S：0～0.035％，V：0.005～0.015％，Ti：0.003～0.008％，Cr：0.01～0.03％，Ni：0.02～0.04％，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选的成分为：按重量百分比计，C：0.15～0.18％，Si：0.11～0.13％，Mn：0.12～0.14％，P：0～0.015％，S：0～0.015％，V：0.007～0.013％，Ti：0.005～0.007％，Cr：0.015～0.025％，Ni：0.025～0.035％，余量为Fe和不可避免的杂质。
其中，上述碳素结构钢，所述钢的晶体结构为铁素体+珠光体。
其中，上述碳素结构钢，以钢的晶体结构总体积为基准，所述铁素体的体积百分比为60～80％。
本发明的碳素结构钢充分利用了攀钢钢水中残留的V、Ti、Cr、Ni，降低了硅锰合金添加量，在降低成本的同时，得到了力学性能满足要求的碳素结构钢。发明人在研究中发现，钢的屈服强度与钛含量呈线性递增关系，每0.01％的有效钛对屈服强度的贡献大约33.6Mpa，本发明设计的低压管网用钢的有效钛含量在大概0.0048％，可以产生约16.13Mpa的强度增量；另外，发明人研究发现，每0.01％的有效钒对屈服强度的贡献大约47.048Mpa，本发明设计的低压管网用钢的有效钒含量在大概0.004％，可以产生约18.82Mpa的强度增量。每降低1％的固溶锰强度降低约40～60Mpa。因此，发明人利用攀钢钢水中残留的微量的钒、钛可弥补由锰含量降低带来的对钢强度的影响。攀钢钢水中残留有微量的钒、钛，能减少硅锰合金添加量从而降低冶炼成本；对于钢水本身不含有钒、钛等微合金的时候，可在钢水中按上述比例添加适量的钒、钛来增加钢的强度，减少硅锰合金添加量，从而降低成本。
其中，上述碳素结构钢的冶炼方法中，添加的碳粉即是墨粉，由树脂和炭黑、电荷剂、磁粉等组成。本发明中碳粉的优选添加量为0.15～0.30kg/t钢，加入碳粉的目的是进行预脱氧，本发明采用碳粉这种非金属脱氧材料进行脱氧，能够显著降低金属脱氧材料的用量，碳粉的脱氧效率和纯铝的脱氧效率可以按1∶1换算，通过推广使用转炉碳脱氧工艺，相对于原来生产普碳钢冶炼工艺，既减少了金属脱氧材料的用量，又减少了金属脱氧产物对钢水的污染。
优选的硅锰合金添加量为1.6～2.0kg/t钢，所述硅锰合金组成为：按重量百分比计，Mn：60.0～67.0％，Si：14.0～17.0％，C：0～2.5％，P：0～0.2％，S：0～0.2％，余量为Fe；优选的硅铁合金添加量为：转炉冶炼钢水终点碳含量＜0.05时，加入2.0～2.5kg/t钢，转炉冶炼钢水终点碳含量≥0.05时，加入1.3～1.8kg/t钢，所述硅铁合金组成为：按重量百分比计，Si：74.0～80.0，Al：0～2.0％，余量为Fe。硅锰合金和硅铁合金的加入都是为了脱氧，而硅锰合金由于硅含量较低，仅20％左右，脱氧效果没有硅铁合金好，同时加硅锰合金、硅铁合金对钢水脱氧起关键作用的是硅铁合金，因此，要根据转炉冶炼钢水终点碳含量的不同调节硅铁合金的加入量。
本发明技术方案中两次加入增碳剂，作用却不尽相同，第一次加入增碳剂的目的是为了脱氧，第二次加入增碳剂的目的是为了调整钢水中C含量，使碳含量为0.13～0.20％，因此，所述增碳剂的添加量为：碳含量≤0.04时，第一次增碳剂添加量为0.2～0.45kg/t钢，第二次增碳剂添加量为0.8～1.5kg/t钢；碳含量＞0.04％时，加入增碳剂1.0～1.95kg/t钢。本发明所用增碳剂为炼钢增碳剂，包括人造石墨、煅烧石油焦、天然石墨、焦炭、无烟煤以及用这类材料配成的混合料等，普通市售产品均可达到效果。
为了调整钢包渣成分用以满足后续精炼工序的要求，本发明在出钢结束时，加入活性石灰3～5kg/t钢；所述活性石灰组成为：按重量百分比计，CaO90～100％，CaCO30～10％。
在整个脱氧合金化过程中，全程吹入惰性气体，排出钢水中的氧气，使氧气含量≤20ppm，以生产出杂质含量少、性能优良的碳素结构钢。
本发明方法冶炼的碳素结构钢力学性能满足国标的要求，能被广泛应用于低压管网业，但不将其用途限定在低压管网业，也可用于其他行业，只要本发明的碳素结构钢性能满足相关要求即可。
下面结合实施例对本发明技术方案做进一步说明，但不表示将保护范围限制在实施例范围内。
实施例1：
130t转炉炼钢，出钢量135t。冶炼钢水终点碳含量为0.04％，出钢过程在钢水铺满钢包罐底部即先加入0.20kg/t钢碳粉和0.45kg/t钢增碳剂进行预脱氧，要待钢包内碳－氧反应趋于平静后(约出钢1/3～1/2)，再按照顺序加入增碳剂、SiMn、SiFe等合金，其中增碳剂加入1kg/t钢，硅锰定量加入1.6kg/t钢，硅铁(75硅铁)2.26kg/t钢。出钢结束定量加入3kg/t钢活性石灰。出钢过程全程吹氩，出钢结束小平台先定量喂铝线260m，小平台出站控制氧活度25ppm，钢中Als含量为0.015％。最终成材后钢成分：C：0.14％，Si：0.11％，Mn：0.15％；P：0.015％；S：0.015％，V：0.012％，Ti：0.005％，Cr：0.02％，Ni：0.03％，余量为Fe和不可避免的杂质。
最终性能：屈服强度：331MPa，抗拉强度：437MPa，断后伸长率：37％。实施例1所生产的碳素结构钢完全满足国标及用户使用要求。
实施例2：
130t转炉炼钢，出钢量130t。冶炼钢水终点碳含量为0.035％，出钢过程在钢水铺满钢包罐底部即先加入0.25kg/t钢碳粉和0.3kg/t钢增碳剂进行预脱氧，要待钢包内碳－氧反应趋于平静后(约出钢1/3～1/2)，再按照顺序加入增碳剂、SiMn、SiFe等合金，其中增碳剂加入1.2kg/t钢，硅锰定量加入1.88kg/t钢，硅铁(75硅铁)2.45kg/t钢。出钢结束定量加入4kg/t钢活性石灰。出钢过程全程吹氩，出钢结束小平台先定量喂铝线270m，小平台出站控制氧活度26ppm，钢中Als含量为0.012％。最终成材后钢成分：C：0.17％，Si：0.14％，Mn：0.14％；P：0.014％；S：0.012％，V：0.011％，Ti：0.006％，Cr：0.018％，Ni：0.025％，余量为Fe和不可避免的杂质。
最终性能：屈服强度：351MPa，抗拉强度：425MPa，断后伸长率：39％。实施例2所生产的碳素结构钢完全满足国标及用户使用要求。
实施例3：
130t转炉炼钢，出钢量133t。冶炼钢水终点碳含量为0.030％，出钢过程在钢水铺满钢包罐底部即先加入0.30kg/t钢碳粉和0.25kg/t钢增碳剂进行预脱氧，要待钢包内碳－氧反应趋于平静后(约出钢1/3～1/2)，再按照顺序加入增碳剂、SiMn、SiFe等合金，其中增碳剂加入1.4kg/t钢，硅锰定量加入1.98kg/t钢，硅铁(75硅铁)2.1kg/t钢。出钢结束定量加入5kg/t钢活性石灰。出钢过程全程吹氩，出钢结束小平台先定量喂铝线300m，小平台出站控制氧活度20ppm，钢中Als含量为0.016％。最终成材后钢成分：C：0.14％，Si：0.13％，Mn：0.13％；P：0.017％；S：0.011％，V：0.013％，Ti：0.0048％，Cr：0.021％，Ni：0.024％，余量为Fe和不可避免的杂质。
最终性能：屈服强度：331MPa，抗拉强度：435MPa，断后伸长率：36％。实施例3所生产的碳素结构钢完全满足国标及用户使用要求。
实施例4
130t转炉炼钢，出钢量132t。冶炼钢水终点碳含量为0.05％，出钢过程待钢包内碳－氧反应趋于平静后(约出钢1/3～1/2)，再按照顺序加入增碳剂、SiMn、SiFe等合金，其中增碳剂加入1.7kg/t钢，硅锰定量加入1.8kg/t钢，硅铁(75硅铁)2.3kg/t钢。出钢结束定量加入4kg/t钢活性石灰。出钢过程全程吹氩，出钢结束小平台先定量喂铝线300m，小平台出站控制氧活度20ppm，钢中Als含量为0.015％。最终成材后钢成分：C：0.17％，Si：0.12％，Mn：0.13％；P：0.010％；S：0.011％，V：0.010％，Ti：0.0052％，Cr：0.024％，Ni：0.027％，余量为Fe和不可避免的杂质。
最终性能：屈服强度：355MPa，抗拉强度：441MPa，断后伸长率：40％。实施例3所生产的碳素结构钢完全满足国标及用户使用要求。
由实施例可知：本发明方法充分利用了攀钢钢水中残存的V、Ti、Cr、Ni生产出具有攀钢特色的钒、钛微合金钢，减少了微合金钢中的硅锰合金添加量，在降低炼钢成本的同时，所炼钢的屈服强度，抗拉强度和断后生长率均满足国标GB/T700-2006对Q235B钢的要求，满足低压管网用钢的性能要求。

Claims (10)

1.一种碳素结构钢，其特征在于，其成分为：按重量百分比计，C：0.13～0.20％，Si：0.10～0.15％，Mn：0.10～0.15％，P：0～0.035％，S：0～0.035％，V：0.005～0.015％，Ti：0.003～0.008％，Cr：0.01～0.03％，Ni：0.02～0.04％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的碳素结构钢，其特征在于，其成分为：按重量百分比计，C：0.15～0.18％，Si：0.11～0.13％，Mn：0.12～0.14％，P：0～0.015％，S：0～0.015％，V：0.007～0.013％，Ti：0.005～0.007％，Cr：0.015～0.025％，Ni：0.025～0.035％，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1或2所述的碳素结构钢，其特征在于：所述钢的晶体结构为铁素体+珠光体。
4.根据权利要求1～3任一项所述的碳素结构钢，其特征在于：以钢的晶体结构总体积为基准，所述铁素体的体积百分比为60～80％。
5.一种碳素结构钢的冶炼方法，包括转炉炼钢、小平台炉外处理和连铸步骤，其特征在于：
所述转炉炼钢阶段的脱氧合金化工艺为：转炉冶炼钢水终点碳含量≤0.04％时，当钢水铺满钢包罐底部时加入碳粉、增碳剂脱氧，待出钢重量占总重量的1/3～1/2时，再依次加入增碳剂、硅锰合金和硅铁合金；转炉冶炼钢水终点碳含量＞0.04％时，在出钢重量占总重量的1/3～1/2时直接加入增碳剂、硅锰合金和硅铁合金；
所述小平台炉外处理阶段控制酸溶铝含量为0.01～0.03％，氧含量≤20ppm。
6.根据权利要求5所述的碳素结构钢的冶炼方法，其特征在于：所述碳粉添加量为0.15～0.30kg/t钢。
7.根据权利要求5或6所述的碳素结构钢的冶炼方法，其特征在于：所述硅锰合金为Mn：60.0～67.0wt％、Si：14.0～17.0wt％的硅锰合金，添加量为1.6～2.0kg/t钢。
8.根据权利要求5～7任一项所述的碳素结构钢的冶炼方法，其特征在于：所述硅铁合金添加量为：转炉冶炼钢水终点碳含量＜0.05时，加入2.0～2.5kg/t钢；转炉冶炼钢水终点碳含量≥0.05时，加入1.3～1.8kg/t钢；所述硅铁合金组成为：按重量百分比计，Si：74.0～80.0，Al：0～2.0％，余量为Fe和不可避免的杂质。
9.根据权利要求5～8任一项所述的碳素结构钢的冶炼方法，其特征在于：所述增碳剂的添加量为：碳含量≤0.04时，第一次增碳剂添加量为0.2～0.45kg/t钢，第二次增碳剂添加量为0.8～1.5kg/t钢；碳含量＞0.04％时，加入增碳剂1.0～1.95kg/t钢。
10.根据权利要求5～9任一项所述的碳素结构钢的冶炼方法，其特征在于：出钢结束时，加入活性石灰3～5kg/t钢，所述活性石灰组成为：按重量百分比计，CaO90～100％，CaCO30～10％。
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