CN109536822B - 一种索具用低碳优质碳素结构钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于冶金技术领域，涉及一种索具用低碳优质碳素结构钢及其制备方法。所述结构钢，按重量百分数计，其化学成分包括：C：0.12～0.18％、Si：≤0.40％、Mn：0.30～0.60％、P：≤0.035％、S：≤0.035％、Al：0.025～0.050％，余量为Fe及不可避免的杂质。所述索具用低碳优质碳素结构钢的制备方法，包括如下步骤：1)电炉冶炼，2)LF炉精炼，3)VD炉真空精炼，4)连铸，5)热送轧制，得到所述索具用低碳优质碳素结构钢。本发明通过采用低碳钢为基体，添加Mn、Si、Al，使材料具有较好的加工成型性。索具用低碳优质碳素结构钢热处理后得到高的表面硬度、高的耐磨性和疲劳强度，并保持心部的强韧性，使工件能承受较大的载荷，较好地满足了用户使用要求。

Description

一种索具用低碳优质碳素结构钢及其制备方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，涉及一种索具用低碳优质碳素结构钢及其制备方法。
背景技术
低碳优质碳素结构钢因其强度低，韧性、塑性和焊接性良好，广泛应用于各种重要的索具连接件。索具连接件是指连接索具与索具之间、索具与被吊物体之间、以及索具与起吊设备之间的受力构件，主要包括吊钩、吊环、卸扣、吊钳等类型。其具备强度高、韧性好、结构紧凑、操作方便、使用可靠等特点。我国索具行业最近几年发展迅速，索具产品是工业生产、重要工程建设项目需要的重要部件。产品广泛用于军工、核电、风电、水电、造船、冶金、桥梁、矿山、航空航天、海洋工程、交通运输、港口码头、机械制造等众多领域。随着全球经济一体化格局的形成，西方发达国家注重工程项目的主体部分，索具长期被列入附属产业群，已不属于欧美国家关注的焦点，目前正在实现战略转移。索具产业逐步在亚太地区得到发展，为欧美国家的重要装备及设施配套。目前配套的索具以中国、印度等几个国家的产品为主。而且索具产品属于工业消费品，具有定期淘汰、重复购买的特性，因此其市场容量很大，发展空间十分广阔。
索具行业在国内尚属新兴产业，除部分企业的某些技术达到了国际领先水平外，大部分企业的技术水平、制作工艺还需进一步提高，整个索具行业的技术水平与发达国家比较，均有一定的差距。随着我国工业生产专业化程度的不断发展，以及国民对安全生产、安全生活的日益重视，索具产品将会在国民经济和社会生活的各个层面得到更为广泛的应用。索具行业属于工业消费品，应用领域广泛，行业没有明显的地域特征和季节特征，应用领域中的某一单一行业景气程度不足以影响索具行业的景气程度，该行业主要跟随整个国民经济的趋势发展。目前，国家坚持走可持续发展的道路，经济呈现长期稳定繁荣的态势，因此索具行业将在很长一段时间内维持较高的景气状况。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种索具用低碳优质碳素结构钢及其制备方法。
为了解决上述问题，本发明提供如下技术方案：
本发明是提供一种索具用低碳优质碳素结构钢，按重量百分数它具有如下化学成分：C：0.12～0.18％、Si：≤0.40％、Mn：0.30～0.60％、P：≤0.035％、S：≤0.035％、Al：0.025～0.050％，余量为Fe及不可避免的杂质。
作为上述索具用低碳优质碳素结构钢一种更好的选择，低碳优质碳素结构钢碳含量0.12～0.18％，属于亚包晶钢。亚包晶钢在由δ相向r相转变时，体积是由体心立方向面心立方转变，体积收缩较大，需要对成分进行优化设计。表面凹陷的形成明显受钢中碳含量的影响，钢中碳含量为0.10％时影响最严重，在实际连铸生产中发现，浇注碳含量为0.09～0.12％及0.18％的钢种时，铸坯表面易产生凹陷，因此把碳含量优选地控制在0.15～0.17％。
Mn元素可改善钢的塑性，并提高钢的强度，考虑成本问题，所以将Mn元素按中限控制，上述钢种中的Mn含量控制为0.30～0.60％，优选控制在0.40～0.45％。
P、S是钢中有害元素，降低铸坯的高温塑性和高温强度，进一步优选地，上述钢种中P、S≤0.020％，尽量控制在下限。
由于Al是易氧化元素，取成品样后，随后的软吹和连铸，Al损失在0.002～0.013％，为了保证吊环索具的Al含量在0.025～0.050％之间，把Al含量优选地由0.033～0.050％调整为0.038～0.050％。
作为优选地，所述结构钢的屈服强度为269～336MPa、抗拉强度为413～476MPa、延伸率为27～33％、断面收缩率为55～68％。
本发明提供一种上述索具用低碳优质碳素结构钢的制备方法，包括如下步骤：
1)电炉冶炼：入炉原料为铁水和废钢，钢包合金化时配入合金；电炉出钢过程随出钢流加钢芯铝进行预脱氧；
2)LF炉精炼：将步骤1)中经过电炉冶炼的钢液进行LF炉精炼，控制渣碱度3.0～8.0，过程中全程造白渣，白渣保持时间20～35min，LF出钢前，喂入钙线；
3)VD炉真空精炼：将步骤2)中LF炉精炼后的钢水进行扒渣处理，钢水进行真空脱气；
4)连铸：经步骤3)处理后钢水采用整体式中间包连铸，采用全程保护浇注，中包钢水过热度控制在18～32℃，铸坯进拉矫机温度900～980℃；
5)热送轧制：对步骤4)中的连铸成型的铸坯采用连铸坯热送工艺进行轧制，开轧温度1120～1160℃，终轧温度950～1030℃；轧后及时收集缓冷至室温，得到所述索具用低碳优质碳素结构钢。
作为优选地，所述合金包括硅锰合金、钢芯铝、高锰、硅铁和铝线中的一种或几种，所述硅锰合金的加入量为4～5kg/t钢，所述钢芯铝的加入量为1.5～2kg/t钢，所述高锰的加入量为0～3kg/t钢，所述硅铁的加入量为0～2kg/t钢，所述铝线的加入量为1～3kg/t钢。
作为优选地，步骤1)中控制终点[C]≥0.07％，钢水出钢温度为1620～1660℃。
作为优选地，步骤2)中钙线喂入量为1.0～2.5m/t钢，喂线速度为2.0～2.5m/s。
作为优选地，步骤3)中真空度小于67Pa，下保持时间9～20min，软吹氩时间为15～25min。
作为优选地，步骤4)中中间包液面为700～800mm，结晶器液面波动≤±3mm；拉速控制在0.95～1.05m/min。
作为优选地，步骤5)中控制加热炉均热段温度1190～1270℃，温差≤30℃，加热时间为70～130min。
进一步优选地，一种上述索具用低碳优质碳素结构钢的制备方法，包括以下步骤：
1、电炉冶炼：入炉原料为铁水和废钢，采用精料方针，确保铁水百分比不少于40％，电炉冶炼全程造泡沫渣，均匀脱碳，保证良好的氧化沸腾，促进钢中夹杂物和气体上浮，控制终点[C]≥0.07％，钢水出钢温度1620～1660℃，出钢时留钢、留渣操作，严禁下渣，钢包合金化时配入合金；电炉出钢过程随出钢流加钢芯铝进行预脱氧。
2、LF炉精炼：将步骤1中经过电炉冶炼的钢液进行LF炉精炼，控制渣碱度3.0～8.0，加强脱硫操作精炼。过程中全程造白渣，白渣保持时间20～35min，LF出钢前，按照1.0～2.5m/t钢喂入钙线，成分和温度微调，保证钢的性能稳定和连铸工艺温度要求。
3、VD炉真空精炼：将步骤2中LF炉精炼后的钢水进行扒渣处理，钢水进行真空脱气，真空度小于67Pa下保持时间9～20min，软吹氩15～25min，软吹氩时严禁裸露钢水和大氩气量搅拌降温。
4、连铸：经步骤3处理后钢水采用整体式中间包连铸，采用全程保护浇注，选用性能优良的亚包晶钢专用结晶器保护渣，中包覆盖剂与碳化稻壳配合使用，以防止钢水二次氧化，中间包液面700～800mm，结晶器液面波动≤±3mm；采用低过热度浇注，中包钢水过热度控制在18～32℃，减轻中心疏松和偏析；结晶器和凝固末端采用电磁搅拌，减少偏析等组织缺陷，提高铸坯质量。浇注采用“恒液面、恒温度、恒拉速”三恒操作，铸坯进拉矫机温度900～980℃。
所述中包覆盖剂包括覆盖剂和碳化稻壳，覆盖剂加入量为0.2～0.4kg/t钢，结晶器保护渣加入量为0.4～0.6kg/t钢，碳化稻壳的加入量为0.1～0.2kg/t钢。
5、热送轧制：为降低能耗，对步骤4中的连铸成型的铸坯采用连铸坯热送工艺进行轧制，轧制时的控制参数为：控制加热炉均热段温度1190～1270℃，以使钢坯均匀烧透，允许温差≤30℃，加热时间70～130min，既要保证钢坯加热均匀，又要防止脱碳和粘炉。开轧温度1120～1160℃，加强对轧制节奏的控制，保证终轧温度950～1030℃。轧制过程中，要加强过程控制，密切注意各道次的料型情况，不得出现划伤、折叠、耳子等缺陷。轧后及时收集缓冷至室温，得到所述索具用低碳优质碳素结构钢。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、本发明提供的技术方案通过合理的成分设计，采用低碳钢为基体，添加Mn、Si、Al，使材料具有较好的加工成型性。本发明制备出的钢材的屈服强度269～336MPa、抗拉强度413～476MPa、延伸率27～33％、断面收缩率55～68％。索具用低碳优质碳素结构钢热处理后得到高的表面硬度、高的耐磨性和疲劳强度，并保持心部的强韧性，使工件能承受较大的载荷。
2、本发明在连铸过程中易出现凹陷和纵裂纹，需要对过热度、配水、拉速和保护渣等各环节进行全面的工艺优化。工艺优化后，生产的低碳优质碳素结构钢工艺流程合理，钢材的外形尺寸、低倍、力学性能等指标均满足协议要求，较好地满足了用户使用要求。
3、采用本发明提供的材料成分制备的低碳优质碳素结构钢钢材，具有较小的晶粒尺寸、性能指标稳定良好，成材率高，通过用户在1.5倍工作负荷下进行的20000次疲劳测试。
附图说明
图1为本发明得到的索具用低碳优质碳素结构钢连铸坯的低倍组织；
图2为本发明得到的低碳优质碳素结构钢材制成的吊环螺丝索具，出口德国；
图3为本发明得到的低碳优质碳素结构钢材制成的吊环螺母索具，出口德国。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明的实施例采用UHP超高功率电炉冶炼、LF炉精炼、VD真空脱气处理工艺冶炼、连铸浇注铸坯、轧制成材工艺生产钢材。下面结合实例对本发明作进一步的说明。
本发明的低碳优质碳素结构钢的制备方法包括以下步骤：
1、电炉冶炼：入炉原料为铁水和废钢，采用精料方针，确保铁水百分比不少于40％，电炉冶炼全程造泡沫渣，均匀脱碳，保证良好的氧化沸腾，促进钢中夹杂物和气体上浮，控制终点[C]:0.07～0.08％，钢水出钢温度1632～1652℃，出钢时留钢、留渣操作，严禁下渣，钢包合金化时配入合金；电炉出钢过程随出钢流加钢芯铝进行预脱氧。
2、LF炉精炼：将步骤1中经过电炉冶炼的钢液进行LF炉精炼，控制渣碱度3.0～8.0，加强脱硫操作精炼。过程中全程造白渣，白渣保持时间20～35min，LF出钢前，按照1.0～2.5m/t钢喂入钙线，成分和温度微调，保证钢的性能稳定和连铸工艺温度要求。
3、VD炉真空精炼：将步骤2中LF炉精炼后的钢水进行扒渣处理，钢水进行真空脱气，真空度小于67Pa下保持时间9～20min，软吹氩15～25min，软吹氩时严禁裸露钢水和大氩气量搅拌降温。
4、连铸：经步骤3处理后钢水采用整体式中间包连铸，采用全程保护浇注，选用性能优良的亚包晶钢专用结晶器保护渣，中包覆盖剂与碳化稻壳配合使用，以防止钢水二次氧化，中间包液面700～800mm，结晶器液面波动≤±3mm；采用低过热度浇注，中包钢水过热度控制在18～32℃，减轻中心疏松和偏析；结晶器和凝固末端采用电磁搅拌，减少偏析等组织缺陷，提高铸坯质量。浇注采用“恒液面、恒温度、恒拉速”三恒操作，铸坯进拉矫机温度900～980℃。
5、热送轧制：为降低能耗，对步骤4中的连铸成型的铸坯采用连铸坯热送工艺进行轧制，轧制时的控制参数为：控制加热炉均热段温度1190～1270℃，以使钢坯均匀烧透，允许温差≤30℃，加热时间70～130min，既要保证钢坯加热均匀，又要防止脱碳和粘炉。开轧温度1120～1160℃，加强对轧制节奏的控制，保证终轧温度950～1030℃。轧制过程中，要加强过程控制，密切注意各道次的料型情况，不得出现划伤、折叠、耳子等缺陷。轧后及时收集缓冷至室温，得到所述索具用低碳优质碳素结构钢。
实施例1～实施例9
实施例1～实施例9提供一种索具用低碳优质碳素结构钢及其制备方法，其化学成分如表1所示。
表1实施例1～实施例9优质碳素结构钢的化学成分表
Figure BDA0001920484710000061
表2实施例1～9中连铸的工艺参数
表2连铸过程工艺参数
Figure BDA0001920484710000062
表3实施例1～9中轧制工艺参数
表3轧制工艺参数
Figure BDA0001920484710000071
上述实施例1～9所制备索具用低碳优质碳素结构钢的连铸坯低倍组织(见图1)。
钢材的低倍组织如表4所示。一般疏松为0.5级，中心疏松1级，偏析0.5级，一般和边缘点状偏析0级，极好的满足了钢材低倍组织技术要求。
表4低倍组织(级)
Figure BDA0001920484710000072
试样毛坯经正火(920±15℃)后制成试样测定其力学性能；各实施例中所制备的索具用低碳优质碳素结构钢的力学性能如表5所示。
表5钢材的力学性能
Figure BDA0001920484710000073
Figure BDA0001920484710000081
上述实施例1～9所制备的低碳优质碳素结构钢材制成的吊环螺丝索具，出口德国，见图2；
上述实施例1～9所制备的低碳优质碳素结构钢材制成的吊环螺母索具，出口德国，见图3。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种索具用低碳优质碳素结构钢，其特征在于，所述结构钢，按重量百分数计，其化学成分包括：C：0.12～0.18％、Si：≤0.40％、Mn：0.30～0.60％、P：≤0.035％、S：≤0.035％、Al：0.025～0.050％，余量为Fe及不可避免的杂质；
所述索具用低碳优质碳素结构钢的制备方法，包括如下步骤：
1)电炉冶炼：入炉原料为铁水和废钢，钢包合金化时配入合金；电炉出钢过程随出钢流加钢芯铝进行预脱氧；
2)LF炉精炼：将步骤1)中经过电炉冶炼的钢液进行LF炉精炼，控制渣碱度3.0～8.0，过程中全程造白渣，白渣保持时间20～35min，LF出钢前，喂入钙线；
3)VD炉真空精炼：将步骤2)中LF炉精炼后的钢水进行扒渣处理，钢水进行真空脱气；
4)连铸：经步骤3)处理后钢水采用整体式中间包连铸，采用全程保护浇注，中包钢水过热度控制在18～32℃，铸坯进拉矫机温度900～980℃；
5)热送轧制：对步骤4)中的连铸成型的铸坯采用连铸坯热送工艺进行轧制，开轧温度1120～1160℃，终轧温度950～1030℃；轧后及时收集缓冷至室温，得到所述索具用低碳优质碳素结构钢。
2.根据权利要求1所述的索具用低碳优质碳素结构钢，其特征在于，所述结构钢的屈服强度为269～336MPa、抗拉强度为413～476MPa、延伸率为27～33％、断面收缩率为55～68％。
3.根据权利要求1所述的索具用低碳优质碳素结构钢，其特征在于，所述合金包括硅锰合金、钢芯铝、高锰、硅铁和铝线中的一种或几种，所述硅锰合金的加入量为4～5kg/t钢，所述钢芯铝的加入量为1.5～2kg/t钢，所述高锰的加入量为0～3kg/t钢，所述硅铁的加入量为0～2kg/t钢，所述铝线的加入量为1～3kg/t钢。
4.根据权利要求1所述的索具用低碳优质碳素结构钢，其特征在于，步骤1)中控制终点[C]≥0.07％，钢水出钢温度为1620～1660℃。
5.根据权利要求1所述的索具用低碳优质碳素结构钢，其特征在于，步骤2)中钙线喂入量为1.0～2.5m/t钢，喂线速度为2.0～2.5m/s。
6.根据权利要求1所述的索具用低碳优质碳素结构钢，其特征在于，步骤3)中真空度小于67Pa下保持时间为9～20min，软吹氩时间为15～25min。
7.根据权利要求1所述的索具用低碳优质碳素结构钢，其特征在于，步骤4)中中间包液面为700～800mm，结晶器液面波动控制在±3mm以内；拉速控制在0.95～1.05m/min。
8.根据权利要求1所述的索具用低碳优质碳素结构钢，其特征在于，步骤5)中控制加热炉均热段温度为1190～1270℃，温差≤30℃，加热时间为70～130min。
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