CN107955911A - 含Nb微合金建筑钢棒材及其LF炉生产方法 - Google Patents

含Nb微合金建筑钢棒材及其LF炉生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于钢铁冶金领域，具体涉及一种含Nb微合金建筑钢棒材及其LF炉生产方法。针对现有制备含氮合金钢所选用氮化钒合金氮含量低、种类少等问题，本发明提供了一种含Nb微合金建筑钢棒材及其LF炉生产方法。该棒材的组成成分为：按重量百分比计，C：0.15％～0.30％、Si：0.30％～1.00％、Mn：0.60％～1.30％、N:0.0060％～0.0180％、P≤0.040％、S≤0.040％、Nb:0.010％～0.050％，余量为Fe和不可避免的杂质。其制备方法的关键在于LF炉精炼后喂入含N包芯线，调整N到适宜的水平。本发明方法操作简单，氮收得率高且稳定，还能有效的降低生产成本，值得推广使用。

Description

含Nb微合金建筑钢棒材及其LF炉生产方法
技术领域
本发明属于钢铁冶金领域，具体涉及一种含Nb微合金建筑钢棒材及其LF炉生产方法。
背景技术
微合金钢主要是指在钢中添加很少量或者是微量的某种元素就能明显提高性能的钢，特别是提高钢的强度指标。现有技术条件下微合金钢主要通常添加很少量或者是微量钒、铌和钛而得到。微合金化的作用机制是：作为微量元素的钒、铌和钛加入钢液后，与钢液中的碳和氮结合，形成碳、氮的化合物质点，即V(C、N)，Nb(C、N)和Ti(C、N)质点，这些质点具有一定的沉淀强化和晶粒细化的作用，可明显的提高钢的强度。
由此可看出，实际上微合金钢钒、铌和钛的作用均是和氮分不开的，但一般情况下采用转炉冶炼钢，残留氮含量在0.0030％～0.065％范围内，采用电炉冶炼钢，残留氮含量在0.050％～0.085％范围内，大多数情况下。如要充分发挥钒、铌和钛的作用，是必须要额外加入氮元素才能实现的。
早期在微合金钢中增加氮，是通过添加3％～6％的氮化类合金来实现的，但由于氮化类合金含氮很低，造成合金加入量大，且收得率不稳定，逐渐被氮含量较高的氮化钒合金代替。目前微合金钢的生产中几乎很难再使用3％～6％的氮化类合金，几乎全部使用即含钒、且氮含量又高的氮化钒合金。氮化钒合金主要有VN12、VN14和VN16三个牌号。一般情况下该三个牌号氮和钒的比值是基本固定的，分别为12：78(N:V)；14：78(N:V)；16：78(N:V)，即氮和钒的比值最高为VN16的16：78，即合金中含有16％的N，含有78％钒。氮化钒合金虽然既含钒、且氮含量又高，但对于微合金钢中不同的微合金化技术路线，特别是复合微合金钢，例如V-Ti-N，甚至于V-Ti-Nb-N，也是不能满足需求的。
发明内容
针对现有制备含氮合金钢所选用氮化钒合金氮含量低、种类少等问题，本发明提供了一种新的制备含氮合金的方法。该方法采用添加含氮包芯线的方式精确控制氮含量，氮收得率高。
本发明解决上述技术问题的技术方案为：提供一种含Nb微合金建筑钢棒材及其LF炉生产方法。
本发明提供一种含Nb微合金建筑钢棒材，其化学成分为：按重量百分比计，C：0.15％～0.30％、Si：0.30％～1.00％、Mn：0.60％～1.30％、N:0.0060％～0.0180％、P≤0.040％、S≤0.040％、Nb:0.010％～0.050％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明还提供了一种上述含Nb微合金建筑钢棒材的LF炉生产方法，包括以下步骤：
高炉铁水经转炉冶炼、LF精炼、连铸制得钢坯；钢坯经加热、连续式棒材轧制生产线轧制成材、冷却制成圆棒或带肋钢筋；其中LF炉精炼后在钢包内喂入包芯线调整N，钢坯加热温度控制为950～1220℃,均热温度控制为1000～1200℃，加热和均热总时间90～120min；所述钢坯成分为：按重量百分比计，C：0.15％～0.30％、Si：0.30％～1.00％、Mn：0.60％～1.30％、N:0.0060％～0.0180％、P≤0.040％、S≤0.040％、Nb:0.010％～0.050％，余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步的，上述含Nb微合金建筑钢棒材的LF炉生产方法，包括以下步骤：
a、转炉冶炼
在转炉内加入铁水和废钢，利用转炉吹氧脱C，进行冶炼，待钢水C含量为0.05％～0.15％，P含量≤0.025％、S含量≤0.035％，钢水温度≥1650℃时出钢；
出钢1/3-2/3时，加入FeSi、FeMn、FeNb合金和增碳剂，控制C为0.15％～0.30％、Si为0.30％～1.00％，Mn为0.60％～1.30％，Nb为0.010％～0.050％；
b、喂包芯线
出钢后转入钢包，钢包到达炉后小平台后，向钢包内吹入惰性气体；钢水包达到LF炉后进行电加热，LF炉精炼后在钢包内喂入包芯线，控制钢液中N含量为0.0060％～0.0180％；
c、连铸
控制连铸机中包的过热度为20～50℃，将钢液连铸成的钢坯断面为150mm×150mm～200mm×200mm的方坯，空冷至室温；
d、钢坯加热和轧制
钢坯加热温度控制为950～1220℃,均热温度控制为1000～1200℃，加热和均热总时间为90～120min，采用连续式棒材轧制生产线轧制成圆棒或带肋钢筋。
其中，上述含Nb微合金建筑钢棒材的LF炉生产方法中，步骤a中所述铁水要求S含量≤0.060％。
其中，上述含Nb微合金建筑钢棒材的LF炉生产方法中，步骤a中所述FeSi和FeMn合金用FeSiMn合金替代。
其中，上述含Nb微合金建筑钢棒材的LF炉生产方法中，步骤b中所述的惰性气体为氩气或氮气中的一种。
其中，上述含Nb微合金建筑钢棒材的LF炉生产方法中，步骤b中所述吹入惰性气体的时间≥2min。
其中，上述含Nb微合金建筑钢棒材的LF炉生产方法中，步骤b电加热温度高于液相线温度60～90℃。
其中，上述含Nb微合金建筑钢棒材的LF炉生产方法中，步骤d中所述圆棒或带肋钢筋的规格为
本发明的有益效果为：
本发明通过设计一种含Nb的微合金建筑钢棒材，在钢中添加合金成分Nb:0.010％～0.050％，再配合采用在转炉冶炼后喂入含N包芯线的方式调整钢种N含量、采用棒材轧制生产线轧制，最终可制备得到一种强度高、氮收得率高的微合金建筑钢棒材。本发明方法操作简单，氮收得率高且稳定，还能有效的降低生产成本，值得推广使用。
具体实施方式
本发明提供了一种含Nb微合金建筑钢棒材，其化学成分为：按重量百分比计，C：0.15％～0.30％、Si：0.30％～1.00％、Mn：0.60％～1.30％、N:0.0060％～0.0180％、P≤0.040％、S≤0.040％、Nb:0.010％～0.050％，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明加入0.010％～0.050％的Nb是主要是为了固定钢中0.0060％～0.0180％的N，从而保证钢材的时效性能。一般情况下采用转炉冶炼钢时，最终成品钢中的残留氮含量在0.0030％～0.0065％范围内，采用电炉冶炼钢，残留氮含量则在0.0050％～0.0085％范围内。随着钢中N含量升高，时效性随之变差，本发明则采用加入0.010％～0.050％的铌的方式，以保证钢材的时效性，同时还能充分发挥氮的固溶强化作用，从而提高钢的强度，降低钢的合金成本。
另外，上述化学成分中，因钢水中的氮含量比通常钢中残留氮含量高，铌的加入也更加容易形成Nb(C、N)质点，从而促进了铌的析出，能够更加充分的发挥铌的沉淀强化和晶粒细化作用，以提高钢的综合力学性能，在同等力学性能的前提下，可减少铌的使用量。
本发明还提供了一种上述含Nb微合金建筑钢棒材的LF炉生产方法，包括以下步骤：
a、转炉冶炼
在转炉内加入铁水和废钢，要求加入的铁水S含量不大于0.060％。铁水和废钢加入转炉后，利用转炉吹氧脱C的功能，将铁水和废钢初炼成钢水，当钢水成分初炼到0.05％～0.15％的C、P不大于0.025％、S不大于0.035％，且出钢温度不低于1650℃时出钢到钢包中；
出钢过程中加入含有Si元素的FeSi合金，含有Mn元素的FeMn合金，以及含有Nb元素的合金和增碳剂，所述增碳剂为C粉或无烟煤，控制C在0.15％～0.30％范围内、控制Si在0.30％～1.00％范围内，控制Mn在0.60％～1.30％范围内，控制Nb在0.010％～0.050％范围内；在出钢1/3时开始加入FeSi、FeMn和FeNb合金，出钢至2/3时必须加完；
上述合金的加入中，也可采用含有Si和Mn的FeSiMn合金代替FeSi和FeMn合金；
b、转炉炉后吹入惰性气体
当出钢完成后，钢包到达炉后小平台后，钢水包立即接入管道，向钢包中的钢液吹入惰性气体，吹入的惰性气体可以是氩气，也可以是氮气，吹入惰性气体的时间应不低于2min；规定惰性气体的吹入时间不低于2min是为了保证钢液有足够的循环时间，可以使加入的各类合金充分熔化和均匀；
c、LF炉加热
钢水包到达LF炉后，进行电加热，电加热温度控制范围要高于液相线温度60～90℃，达到要求温度后，取样进行钢水中N含量检测，根据检测结果采用喂线的方法加入含N包芯线，所述含N包芯线主要为含N合金，如SiN等，控制钢液中N含量在0.0060％～0.0180％范围内，如果LF炉加热后钢水中N含量控制较为稳定，可不取样进行N含量检测，直接喂入包芯线；
喂入包芯线前，钢水包需再次接上吹入惰性气体的管道，并吹入惰性气体后才能喂入含N的包芯线，惰性气体可以是氩气，也可以是氮气，当喂线完成后吹入惰性气体的时间还需延长2min，以保证钢液中N元素的均匀性；
d、连铸成钢坯
控制连铸机中包的过热度为20～50℃，该温度是通过上述LF炉电加热来实现的；
钢液连铸成的钢坯断面为150mm×150mm～200mm×200mm的方坯，低于150mm×150mm的方坯断面小不利于转炉流程的连续作业，大于200mm×200mm的方坯断面则会延长后续轧制钢坯时的加热时间；钢液连铸成的钢坯在空气中自然冷却到室温；
e、钢坯加热和轧制
钢坯的加热要求总加热时间为90～120min，加热炉最高加热温度为加热温度控制为950～1220℃,均热温度控制为1000～1200℃范围内；采用连续式棒材轧制生产线轧制成圆棒或带肋钢筋。
下面将通过实施例对本发明的具体实施方式做进一步的解释说明，但不表示将本发明的保护范围限制在实施例所述范围内。
实施例1 用本发明方法制备含Nb微合金建筑钢棒材
某钢铁厂在公称容量120吨(实际出钢量在120～140吨范围内)转炉流程上采用本发明技术生产建筑用带肋钢筋，生产工艺为转炉冶炼→炉后吹入惰性气体→LF炉电加热→6机6流方坯连铸机浇铸成150mm×150mm钢坯→钢坯加热→连续式棒材轧制生产线轧制成带肋钢筋。
首先在转炉内加入120吨铁水和20吨废钢，加入的铁水S含量为0.051％。铁水和废钢加入转炉后，利用转炉吹氧脱C的功能，将铁水和废钢初炼成钢水，当钢水成分初炼到0.05％的C、0.025％的P、0.030％的S，温度为1671℃时出钢到钢包中，此时实际出钢量为132吨(转炉冶炼过程中约5％的原料被烧损)。出钢过程中向钢液中加入FeSi、FeMn、FeNb合金和无烟煤进行Si、Mn、Nb和C元素合金化，其中加入的FeSi合金中Si含量为74％，FeMn合金中Mn含量为82％，FeNb合金中Nb含量为65％，无烟煤中固定C为92％，控制钢水中Si含量为0.31％、Mn含量为0.60％、Nb含量为0.010％、C含量为0.15％。
钢水到达炉后小平台后，钢水包立即接入管道，向钢包中的钢液吹入氮气，吹入氮气5min，使加入的各类合金充分熔化和均匀。
钢水到达LF炉后进行电加热，钢水温度到达1572℃时采用喂线的方法加入含N包芯线，控制钢液中N含量为0.0061％。喂入包芯线前，钢水包需再次接上吹入惰性气体的管道，并吹入氮气，当喂线完成后延长吹入氮气时间2min，以保证钢液中N元素的均匀性。随后将钢液送到连铸机进行浇铸。
在6机6流方坯连铸机上浇铸成150mm×150mm铸坯，连铸时中间包温度为1545℃,钢的液相线温度为1515℃，在连铸机中包取样分析钢水化学组分为0.16％的C、0.34％的Si、0.62％的Mn、0.03％的Cr、0.010％的Nb、0.036％的P、0.024％的S、0.0064％的N，其余为Fe和不可避免的其它杂质。铸坯堆垛自然冷却至室温。
铸坯冷却后送至连续式棒材生产线进行加热、轧制，轧制规格为的带肋钢筋。铸坯加热温度为1216℃，均热温度为1177℃，总加热时间达到95min后出炉进行轧制，终轧温度为952℃，上冷床后进行自然空冷，最后收集、打捆。
钢的力学性能检验结果为：ReL(Rp0.2)为342MPa、抗拉强度为444MPa、伸长率为37.2％、最大力总伸长率为17.8％，180℃冷弯合格。钢的组织均为铁素体+珠光体。
实施例2 用本发明方法制备含Nb微合金建筑钢棒材
某钢铁厂在公称容量120吨(实际出钢量在120～140吨范围内)转炉流程上采用本发明技术生产建筑用带肋钢筋，生产工艺为转炉冶炼→炉后吹入惰性气体→LF炉电加热→6机6流方坯连铸机浇铸成200mm×200mm钢坯→钢坯加热→连续式棒材轧制生产线轧制成带肋钢筋。
首先在转炉内加入120吨铁水和20吨废钢，加入的铁水S含量为0.054％。铁水和废钢加入转炉后，利用转炉吹氧脱C的功能，将铁水和废钢初炼成钢水，当钢水成分初炼到0.05％的C、0.025％的P、0.031％的S，温度为1669℃时出钢到钢包中，此时实际出钢量为134吨(转炉冶炼过程中约5％的原料被烧损)。
出钢过程中向钢液中加入FeSi、FeMn、FeNb合金和无烟煤进行Si、Mn、Nb和C元素合金化，其中加入的FeSi合金中Si含量为74％，FeMn合金中Mn含量为82％，FeNb合金中Nb含量为65％，无烟煤中固定C为92％，控制钢水中Si含量为0.96％、Mn含量为1.29％、Nb含量为0.049％、C含量为0.29％。
钢水到达LF炉后进行电加热，钢水温度到达1578℃时采用喂线的方法加入含N包芯线，控制钢液中N含量为0.0170％。喂入包芯线前，钢水包需再次接上吹入惰性气体的管道，并吹入氮气，当喂线完成后延长吹入氮气时间2min，以保证钢液中N元素的均匀性。随后将钢液送到连铸机进行浇铸。
在6机6流方坯连铸机上浇铸成200mm×200mm铸坯，连铸时中间包温度为1527℃,钢的液相线温度为1495℃，在连铸机中包取样分析钢水化学组分为0.30％的C、0.98％的Si、1.29％的Mn、0.03％的Cr、0.049％的Nb、0.035％的P、0.028％的S、0.0178％的N，其余为Fe和不可避免的其它杂质。铸坯堆垛自然冷却至室温。
铸坯冷却后送至连续式棒材生产线进行加热、轧制，轧制规格为的带肋钢筋。铸坯加热温度为1034℃，均热温度为1012℃，总加热时间达到95min后出炉进行轧制，终轧温度为886℃，上冷床后进行自然空冷，最后收集、打捆。
钢的力学性能检验结果为：ReL(Rp0.2)为530MPa、抗拉强度为692MPa、伸长率为23.3％、最大力总伸长率为12.6％，180℃冷弯合格。钢的组织均为铁素体+珠光体。
实施例3 用本发明方法制备含Nb微合金建筑钢棒材
某钢铁厂在公称容量120吨(实际出钢量在120～140吨范围内)转炉流程上采用本发明技术生产建筑用带肋钢筋，生产工艺为转炉冶炼→炉后吹入惰性气体→LF炉电加热→6机6流方坯连铸机浇铸成200mm×200mm钢坯→钢坯加热→连续式棒材轧制生产线轧制成带肋钢筋。
首先在转炉内加入120吨铁水和20吨废钢，加入的铁水S含量为0.048％。铁水和废钢加入转炉后，利用转炉吹氧脱C的功能，将铁水和废钢初炼成钢水，当钢水成分初炼到0.08％的C、0.022％的P、0.029％的S，温度为1677℃时出钢到钢包中，此时实际出钢量为136吨(转炉冶炼过程中约5％的原料被烧损)。出钢过程中向钢液中加入FeSi、FeMn、FeNb合金和无烟煤进行Si、Mn、Nb和C元素合金化，其中加入的FeSi合金中Si含量为74％，FeMn合金中Mn含量为82％，FeNb合金中V含量为65％，无烟煤中固定C为92％，控制钢水中Si含量为0.61％、Mn含量为0.97％、Nb含量为0.030％、C含量为0.21％。
钢水到达LF炉后进行电加热，钢水温度到达1580℃时采用喂线的方法加入含N包芯线，控制钢液中N含量为0.0171％。喂入包芯线前，钢水包需再次接上吹入惰性气体的管道，并吹入氮气，当喂线完成后延长吹入氮气时间2min，以保证钢液中N元素的均匀性。随后将钢液送到连铸机进行浇铸。
在6机6流方坯连铸机上浇铸成200mm×200mm铸坯，连铸时中间包温度为1541℃,钢的液相线温度为1510℃，在连铸机中包取样分析钢水化学组分为0.20％的C、0.64％的Si、0.95％的Mn、0.03％的Cr、0.031％的Nb，0.033％的P、0.027％的S、0.0126％的N，其余为Fe和不可避免的其它杂质。铸坯堆垛自然冷却至室温。
铸坯冷却后送至连续式棒材生产线进行加热、轧制，轧制规格为的带肋钢筋。铸坯加热温度为1129℃，均热温度为1115℃，总加热时间达到95min后出炉进行轧制，终轧温度为905℃，上冷床后进行自然空冷，最后收集、打捆。
钢的力学性能检验结果为：ReL(Rp0.2)为455MPa、抗拉强度为590MPa、伸长率为26.4％、最大力总伸长率为14.1％，180℃冷弯合格。钢的组织均为铁素体+珠光体。

Claims (9)

1.含Nb微合金建筑钢棒材，其特征在于，化学成分为：按重量百分比计，C：0.15％～0.30％、Si：0.30％～1.00％、Mn：0.60％～1.30％、N:0.0060％～0.0180％、P≤0.040％、S≤0.040％、Nb:0.010％～0.050％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.权利要求1所述的含Nb微合金建筑钢棒材的LF炉生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
高炉铁水经转炉冶炼、LF精炼、连铸制得钢坯；钢坯经加热、连续式棒材轧制生产线轧制成材、冷却制成圆棒或带肋钢筋；其中LF炉精炼后在钢包内喂入包芯线调整N，钢坯加热温度控制为950～1220℃,均热温度控制为1000～1200℃，加热和均热总时间90～120min；所述钢坯成分为：按重量百分比计，C：0.15％～0.30％、Si：0.30％～1.00％、Mn：0.60％～1.30％、N:0.0060％～0.0180％、P≤0.040％、S≤0.040％、Nb:0.010％～0.050％，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述的含Nb微合金建筑钢棒材的LF炉生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、转炉冶炼
在转炉内加入铁水和废钢，利用转炉吹氧脱C，进行冶炼，待钢水C含量为0.05％～0.15％，P含量≤0.025％、S含量≤0.035％，钢水温度≥1650℃时出钢；
出钢1/3-2/3时，加入FeSi、FeMn、FeNb合金和增碳剂，控制C为0.15％～0.30％、Si为0.30％～1.00％，Mn为0.60％～1.30％，Nb为0.010％～0.050％；
b、喂包芯线
出钢后转入钢包，钢包到达炉后小平台后，向钢包内吹入惰性气体；钢水包达到LF炉后进行电加热，LF炉精炼后在钢包内喂入包芯线，控制钢液中N含量为0.0060％～0.0180％；
c、连铸
控制连铸机中包的过热度为20～50℃，将钢液连铸成的钢坯断面为150mm×150mm～200mm×200mm的方坯，空冷至室温；
d、钢坯加热和轧制
钢坯加热温度控制为950～1220℃,均热温度控制为1000～1200℃，加热和均热总时间为90～120min，采用连续式棒材轧制生产线轧制成圆棒或带肋钢筋。
4.根据权利要求3所述的含Nb微合金建筑钢棒材的LF炉生产方法，其特征在于：步骤a中所述铁水要求S含量≤0.060％。
5.根据权利要求3所述的含Nb微合金建筑钢棒材的LF炉生产方法，其特征在于：步骤a中所述FeSi和FeMn合金用FeSiMn合金替代。
6.根据权利要求3所述的含Nb微合金建筑钢棒材的LF炉生产方法，其特征在于：步骤b中所述的惰性气体为氩气或氮气中的一种。
7.根据权利要求3所述的含Nb微合金建筑钢棒材的LF炉生产方法，其特征在于：步骤b中所述吹入惰性气体的时间≥2min。
8.根据权利要求3所述的含Nb微合金建筑钢棒材的LF炉生产方法，其特征在于：步骤b电加热温度高于液相线温度60～90℃。
9.根据权利要求3所述的含Nb微合金建筑钢棒材的LF炉生产方法，其特征在于：步骤d中所述圆棒或带肋钢筋的规格为
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