CN109628693A - 一种低成本镁处理微合金钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种低成本镁处理微合金钢及其制备方法，包括钢冶炼、合金化、喂包芯线、连铸、轧制等工序。在RH精炼结束后以一定速度向钢液中喂入Mg‑Al‑Fe合金，用于部分代替精炼工序中用于合金化的Nb、V、Ti等元素，可促进钢在凝固和轧制过程中第二相粒子的大量析出，部分取代Nb、V、Ti的微合金化作用，改善钢的组织和性能；由于金属镁价格较低，取代昂贵的合金化元素Nb、V、Ti能效降低钢的生产成本。本发明获得的镁处理低碳微合金钢性能接近或超过不加镁的基准钢，吨钢合金化成本降低25元以上，是一种新的钢微合金化技术。

Description

一种低成本镁处理微合金钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及炼钢生产领域，具体涉及一种低成本镁处理微合金钢及其制备方法。

背景技术

低碳微合金钢是在普通碳钢和高强度低合金钢基体中添加了微量合金元素（主要是强烈的碳化物形成元素，如Nb、V、Ti、Al等）的钢。添加微量合金元素后，钢的性能能到显著提升，随着用户对钢材性能的不断提高，对传统低碳微合金钢提出了更高的要求，很多企业为了开发适合用户需求的新品种，不断增加合金元素含量或者采用TMCP工艺来满足钢材高性能的要求，成本压力剧增。近年来，微镁处理技术引起了人们广泛关注，目前，国内外与钢的镁处理技术有关的成果主要有三个方面：镁处理对钢液的净化作用、镁处理对大线能量焊接用钢性能提升作用、镁处理对钢凝固组织等轴晶率的改善作用；不过还没有见到镁处理在低碳微合金钢中的应用，主要因为镁析出的夹杂物难以控制，对低碳微合金钢组织和性能产生不利；但是由于镁处理成本存在明显优势，很有必要研发新的方法，挖掘镁处理技术潜力，实现镁处理在低碳微合金钢中大规模工业化应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种低成本镁处理微合金钢及其制备方法，利用金属Mg部分取代昂贵微合金化元素Nb、V、Ti的低成本微合金钢，设计工艺参数可以充分发挥镁处理技术优势，避免弱势，有效降低炼钢的合金化成本。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种低成本镁处理微合金钢，所述低成本镁处理微合金钢的制备方法包括以下步骤，钢液出炉后进行弱脱氧；然后在LF炉进行造渣、脱氧、合金化；然后进入RH进行真空处理；真空处理结束后向钢液内喂入Mg-Al-Fe包芯线；喂线结束后软吹，得到低成本镁处理微合金钢液；然后将低成本镁处理微合金钢液铸坯，得到低成本镁处理微合金钢。

一种低成本镁处理微合金钢的制备方法，包括以下步骤，钢液出炉后进行弱脱氧；然后在LF炉进行造渣、脱氧、合金化；然后进入RH进行真空处理；真空处理结束后向钢液内喂入Mg-Al-Fe包芯线；喂线结束后软吹，得到低成本镁处理微合金钢液；然后将低成本镁处理微合金钢液铸坯铸坯，得到低成本镁处理微合金钢。

一种低成本镁处理微合金钢液的制备方法，包括以下步骤，钢液出炉后进行弱脱氧；然后在LF炉进行造渣、脱氧、合金化；然后进入RH进行真空处理；真空处理结束后向钢液内喂入Mg-Al-Fe包芯线；喂线结束后软吹，得到低成本镁处理微合金钢液。

一种低成本镁处理微合金钢液，所述低成本镁处理微合金钢液的制备方法包括以下步骤，钢液出炉后进行弱脱氧；然后在LF炉进行造渣、脱氧、合金化；然后进入RH进行真空处理；真空处理结束后向钢液内喂入Mg-Al-Fe包芯线；喂线结束后软吹，得到低成本镁处理微合金钢液。

一种低成本镁处理微合金钢型材的制备方法，包括以下步骤，钢液出炉后进行弱脱氧；然后在LF炉进行造渣、脱氧、合金化；然后进入RH进行真空处理；真空处理结束后向钢液内喂入Mg-Al-Fe包芯线；喂线结束后软吹，得到低成本镁处理微合金钢液；然后将低成本镁处理微合金钢液铸坯；铸坯经加热、开坯轧制，得到低成本镁处理微合金钢型材。

一种低成本镁处理微合金钢型材，所述低成本镁处理微合金钢型材的制备方法包括以下步骤，钢液出炉后进行弱脱氧；然后在LF炉进行造渣、脱氧、合金化；然后进入RH进行真空处理；真空处理结束后向钢液内喂入Mg-Al-Fe包芯线；喂线结束后软吹，得到低成本镁处理微合金钢液；然后将低成本镁处理微合金钢液铸坯；铸坯经加热、开坯、轧制，得到低成本镁处理微合金钢型材。

本发明还公开了Mg-Al-Fe包芯线在制备上述低成本镁处理微合金钢中的应用。

本发明中，优选的，进行弱脱氧后，钢液中氧含量不小于0.01%，软吹的时间不小于8min。钢液出炉为常规技术，是指钢液从冶炼炉中放出，冶炼炉为转炉或电弧炉；钢液出钢后采用弱脱氧工艺；然后在LF炉进行造渣、脱氧、合金化；然后进入RH进行真空处理，这些处理以及软吹技术本身属于现有手段。

本发明中，合金化为微合金钢制备的必要步骤，是指向钢液中加入微合金化元素Nb、V、Ti，根据钢种的不同，加入微合金化元素Nb、V、Ti的量有所不同，每一种钢都有固定微合金化元素Nb、V、Ti含量的基准钢，现有基准钢中，微合金化元素Nb、V、Ti价格昂贵，本发明创造性的加入镁，在有效降低微合金钢成本的同时，依然能保持微合金钢的优异性能，取得意想不到的技术效果。优选的，本发明低成本镁处理微合金钢中，Nb的量为基准钢中Nb质量含量的50%~68%，V的量为基准钢中V质量含量的40%~55%、Ti的量为基准钢中Ti质量含量的50%~68%，比如HR60车轮钢基准钢中，Nb含量为0.03wt%、Ti含量为0.02wt%，本发明制备的HR60车轮钢中，Nb含量为0.02wt%，Ti含量为0.01wt%，而且本发明低成本镁处理HR60屈服和抗拉强度分别为456MPa和541MPa，和基准钢性能持平（屈服和抗拉强度分别为455MPa和543MPa）。

本发明涉及的低成本镁处理微合金钢为低碳微合金钢，按质量百分数，钢中碳含量在0.01~0.15%，Mg含量为0.001%~0.005%。

本发明使用的Mg-Al-Fe包芯线，按质量百分数，其中镁含量为5~15%，Al含量为40~60%，杂质含量低于1%，其余为Fe；Mg-Al-Fe包芯线芯重为100~300g/m；在凝固或轧制过程中形成大量第二相粒子，基体中弥散分布的第二相粒子可产生弥散强化（也可称为沉淀强化）作用。

本发明技术方案中，喂入Mg-Al-Fe包芯线的喂线速度为3~5m/s，喂线量为0.5~1.0m/kg钢；镁合金线加入稳定，烧损低，金属收得率较高，得到的低成本镁处理微合金钢液中，Mg含量为0.001wt%~0.005wt%。

本发明技术方案中，采用连铸的方式铸坯，得到的低成本镁处理微合金钢为板坯、方坯、矩形坯或者圆坯，用于制备各种钢型材。现有技术中，连铸坯在浇铸和凝固过程中经受冷却、弯曲、矫直、拉引、夹持和钢液静压头等热应力和机械应力的作用，使其容易产生各种裂纹缺陷，而连铸坯的凝固特点是易产生中心偏析和疏松等内部缺陷。本发明没有改变现有连铸坯工艺，通过真空处理结束后向钢液内喂入Mg-Al-Fe包芯线，在降低成本的同时，避免了夹杂物和成分偏析带来的性能缺陷，得到的低成本镁处理微合金钢型材的机械性能与基准钢比较，没有变差，尤其是本发明进一步限定Mg-Al-Fe包芯线规格、镁含量、喂线速度等，使得低成本镁处理微合金钢型材的机械性能优于基准钢，克服了现有技术认为镁的加入会对连铸坯不利的偏见。

本发明还公开了上述低成本镁处理微合金钢在制备低成本镁处理微合金钢型材中的应用，在制备低成本镁处理微合金钢型材时，低成本镁处理微合金钢经加热、开坯、轧制，得到低成本镁处理微合金钢型材。

本发明技术方案中，铸坯（低成本镁处理微合金钢）加热温度为1200~1250℃；开坯轧制时，开轧温度不低于1150℃，终轧温度不低于880℃，轧制压缩比为3~20，为了增加镁处理合金化效果，促进晶内铁素体形核，优选在820~450℃进行加速冷却，冷速速率进一步优选为10℃/s；得到的低成本镁处理微合金钢型材为板材、型钢、线材、带钢、钢筋等，比如厚度为5~30mm的板材。

由于上述技术方案应用，本发明与现有技术相比具有以下优势：

本发明的方法中，钢液在凝固或轧制过程中形成大量第二相粒子，基体中弥散分布的第二相粒子可产生弥散强化（也可称为沉淀强化）作用；第二相粒子在形变过程中以应变诱导的方式析出后，能有效钉扎位错使之不易发生回复和再结晶；此外，第二相粒子与针状铁素体具有良好的晶格错配关系，会促进针状铁素体在奥氏体晶内析出，并细化铁素体晶粒。

本发明的生产过程简单、可控，镁合金线加入稳定，烧损低，收得率较高；加入的Mg-Al-Fe包芯线，由于镁含量只有5~15%，既可以降低镁加入高温钢液的反应剧烈程度，还可以向钢液中补充一部分金属铝，含铁部分作为包芯线配重也不会影响钢液的成分。利用镁代替部分Nb、V、Ti，减少昂贵合金元素的加入，吨钢可降低成本25元以上，钢的性能与基准钢持平或超过基准钢，具有显著的经济效益。

附图说明

图1为本发明实施例1中镁处理后形成的典型夹杂物形貌、尺寸和成分；

图2为本发明实施例1中含镁夹杂物诱导晶内铁素体形核。

具体实施方式

下面结合具体实施方法对本发明进行进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。

实施例一

生产钢种为HR60车轮钢。采用250t转炉冶炼工艺，炉后采用Si-Mn弱脱氧，钢中氧含量控制在0.01wt%；然后LF造渣升温，采用Al深脱氧，然后进行合金化设计，合金化时将钢中Nb含量从基准钢的0.03wt%降为0.02wt%，Ti含量从0.02wt%降为0.01wt%，合金化结束后在RH进行真空脱气，处理结束后破真空，向钢包内喂入Mg-Al-Fe包芯线（其中镁含量为10wt%，Al含量为60wt%，Fe含量为30wt%），喂线速度为3m/s，喂入量为250m；喂线结束后软吹8min，然后采用常规连铸坯工艺浇注成厚度为230mm的板坯连铸坯，连铸坯在高温炉内加热，加热温度为1220℃，再进行开坯轧制（开轧温度1150℃，终轧温度880℃），精轧坯厚度为50mm，轧材厚度为5mm，压缩比为9，在800~500℃进行加速冷却，冷速速率控制在10℃/s。对轧材（低成本镁处理微合金钢型材）进行组织和力学性能检测表明，低成本镁处理HR60屈服和抗拉强度分别为466MPa和549MPa，和基准钢（屈服和抗拉强度分别为455MPa和543MPa）性能持平。图1为上述镁处理后形成的典型夹杂物形貌、尺寸和成分，图2为上述含镁夹杂物诱导晶内铁素体形核。钢中加入镁之后，形成大量高熔点分布弥散的氧化物颗粒，这些颗粒促进了Nb、Ti第二相颗粒的形成数量，有效地降低了高温铁素体尺寸，从而抑制了奥氏体晶粒长大；此外，在低温区，形成的含镁复合夹杂物促进晶内铁素体大量形成，这种交互封锁的组织结构也促进了钢性能的有效提升。直接用等量的纯镁替换Mg-Al-Fe包芯线，得到的低成本镁处理HR60屈服和抗拉强度分别为411MPa和498MPa；当低成本镁处理微合金钢中，Mg含量为0.01wt%时，低成本镁处理HR60屈服和抗拉强度分别为429MPa和527MPa。

上述低成本镁处理微合金钢中，碳含量0.08wt%，Mg含量为0.002wt%，Nb含量0.02wt%，Ti含量为0.01wt%；基准钢中碳含量0.08wt%，Nb含量0.03wt%，Ti含量0.02wt%；其他元素含量两者基本一样；经过成本核算，吨钢降低合金化成本25元。

实施例二

生产钢种为X65管线钢。采用250t转炉冶炼工艺，炉后采用Si-Mn弱脱氧，钢中氧含量控制在0.015wt%。LF造渣升温，采用Al深脱氧，然后进行合金化设计；合金化时将钢中Nb含量从基准钢的0.045wt%降为0.030wt%，V含量从0.045wt%降为0.030wt%。合金化结束后在RH进行真空脱气，处理结束后破真空，向钢包内喂入Mg-Al-Fe包芯线（其中镁含量为15wt%，Al含量为55wt%，Fe含量为30wt%），喂线速度为3m/s，喂入量为300m。喂线结束后软吹8min，然后采用常规连铸坯工艺浇注成厚度为230mm的板坯连铸坯。连铸坯在高温炉内加热，加热温度为1200℃，再进行开坯轧制（开轧温度1150℃，终轧温度880℃），精轧坯厚度为50mm，轧材厚度为12mm，压缩比为3.2，在800~450℃进行加速冷却，冷速速率控制在10℃/s。对轧材进行组织和力学性能检测表明，低成本镁处理X65（碳含量0.12wt%，Mg含量为0.003wt%）屈服和抗拉强度分别为568MPa和663MPa，超出基准钢（屈服和抗拉强度分别为516MPa和602MPa）；在800~450℃进行正常冷却（非加速冷却）得到的低成本镁处理X65屈服和抗拉强度分别为539MPa和636MPa；如果喂线速度为10m/s，得到的低成本镁处理X65屈服和抗拉强度分别为528MPa和641MPa。除了Mg、Nb、V之外，其他元素含量两者基本一样；经过常规核算，吨钢降低合金化成本30元。

实施例三

生产钢种为QSTE500。采用250t转炉冶炼工艺，炉后采用Si-Mn弱脱氧，钢中氧含量控制在0.012wt%。LF造渣升温，采用Al深脱氧，然后进行合金化设计。合金化时将钢中Nb含量从基准钢的0.06wt%降为0.04wt%，Ti含量从0.04wt%降为0.025wt%。合金化结束后在RH进行真空脱气，处理结束后破真空，向钢包内喂入Mg-Al-Fe包芯线（其中镁含量为15wt%，Al含量为60wt%，Fe含量为25wt%），喂线速度为3m/s，喂入量为280m。喂线结束后软吹8min，然后采用常规连铸坯工艺浇注成厚度为230mm的板坯连铸坯。连铸坯在高温炉内加热，加热温度为1220℃，进行开坯轧制（开轧温度1150℃，终轧温度880℃），精轧坯厚度为50mm，轧材厚度为6mm，压缩比为7.3，在800~400℃进行加速冷却，冷速速率控制在10℃/s。对轧材进行组织和力学性能检测表明，低成本镁处理QSTE500屈服和抗拉强度分别为510MPa和612MPa，分别超出基准钢30MPa、35MPa。除了Mg、Nb、V之外，其他元素含量两者基本一样；经过常规核算，吨钢降低合金化成本33元；本发明使得镁处理的第二相粒子在形变过程中以应变诱导的方式析出后，能有效钉扎位错使之不易发生回复和再结晶，此外，第二相粒子与针状铁素体具有良好的晶格错配关系，会促进针状铁素体在奥氏体晶内析出，并细化铁素体晶粒，从而钢的性能与基准钢持平或超过基准钢。

目前，微合金钢中主要使用Nb、V、Ti作为合金化元素使用，主要原理是通过这些元素在凝固过程中形成第二相控制钢的凝固和组织转变实现钢性能的提升。由于Nb、V、Ti价格较为昂贵，如炼钢用铌铁价格约为20万元/吨，炼钢用钒铁价格为24万元/吨，金属钛的价格更是超过30万元/吨。与之对应的是，金属镁来源广泛，价格便宜，只有1.8万元/吨。迄今为止，国内外有关镁处理研究，只是将镁处理作为夹杂物的改性手段，没有将金属镁作为钢中的重要微合金化元素的报道，主要因为镁析出的夹杂物难以控制，对低碳微合金钢组织和性能产生不利。本发明采用微镁处理，部分取代钢中Nb、V、Ti昂贵合金元素生产低碳微合金钢，通过镁处理形成的细小、弥散的脱氧产物促进凝固过程中第二相大量析出，以达到弥散强化的效果，有效改善钢的组织和性能，实现了低成本生产的目标。

Claims (10)

1.一种低成本镁处理微合金钢，其特征在于，所述低成本镁处理微合金钢的制备方法包括以下步骤，钢液出炉后进行弱脱氧；然后在LF炉进行造渣、脱氧、合金化；然后进入RH进行真空处理；真空处理结束后向钢液内喂入Mg-Al-Fe包芯线；喂线结束后软吹，得到低成本镁处理微合金钢液；然后将低成本镁处理微合金钢液铸坯，得到低成本镁处理微合金钢。

2.根据权利要求1所述低成本镁处理微合金钢，其特征在于，所述Mg-Al-Fe包芯线中，按质量百分数，其中镁含量为5~15%，Al含量为40~60%，杂质含量低于1%，其余为Fe；Mg-Al-Fe包芯线芯重为100~300g/m。

3.根据权利要求1所述低成本镁处理微合金钢，其特征在于，进行弱脱氧后，钢液中氧含量不小于0.01wt%；软吹的时间不小于8min。

4.根据权利要求1所述低成本镁处理微合金钢，其特征在于，所述低成本镁处理微合金钢中，Nb的量为基准钢中Nb质量含量的50%~68%，V的量为基准钢中V质量含量的40%~55%、Ti的量为基准钢中Ti质量含量的50%~68%、碳含量为0.01~0.15wt%，Mg含量为0.001~0.005wt%。

5.根据权利要求1所述低成本镁处理微合金钢，其特征在于，所述低成本镁处理微合金钢中，喂入Mg-Al-Fe包芯线的喂线速度为3~5m/s，喂线量为0.5~1.0m/kg钢。

6.根据权利要求1所述低成本镁处理微合金钢，其特征在于，采用连铸的方式铸坯。

7.权利要求1所述低成本镁处理微合金钢在制备低成本镁处理微合金钢型材中的应用。

8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，在制备低成本镁处理微合金钢型材时，低成本镁处理微合金钢经加热、开坯、轧制，得到低成本镁处理微合金钢型材。

9.Mg-Al-Fe包芯线在制备权利要求1所述低成本镁处理微合金钢中的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述Mg-Al-Fe包芯线中，按质量百分数，其中镁含量为5~15%，Al含量为40~60%，杂质含量低于1%，其余为Fe；Mg-Al-Fe包芯线芯重为100~300g/m。