CN110004366A - 一种含铝低碳建筑用钢及其冶炼工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种含铝低碳建筑用钢及其冶炼工艺，属于冶金技术领域。其组成按重量百分数计为C 0.03～0.07％、Si 0.05～0.12％、Mn 0.20～0.40％、P≤0.025％、S≤0.025％、Al 0.012～0.035％、Ti 0.010～0.030％、B≥0.0040％，其余为Fe和不可避免的杂质。包括转炉冶炼、LF升温、RH精炼、LF精炼、小方坯连铸。通过添加Al、B、Ti元素微合金化，达到细化晶粒指标，通过采取降低精炼渣碱度、控制喂钙线量、使用全镁质耐材、留钢留渣等措施，提高了钢水纯净度。本发明含铝低碳建筑用钢，有效减少因化学成分、铸坯缺陷、夹杂物引起的断裂次数。

Description

一种含铝低碳建筑用钢及其冶炼工艺
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体来说涉及一种含铝低碳建筑用钢及其冶炼工艺。
背景技术
含铝低碳建筑用钢是一种新型、高性能的建筑材料，主要用于工业地坪、地下通道、地面、桥面、港口码头、机场跑道等建筑行业，在普通混凝土中掺入乱向分布的含铝低碳建筑用钢制成的钢纤维能够有效地阻碍混凝土内部微裂缝的扩展及宏观裂缝的形成，显著地改善了混凝土的抗拉、抗弯、抗冲击及抗疲劳性能，具有较好的延性，从而代替螺纹钢骨架，具有施工方便，生产效率高、结构件安全性高、使用寿命长等优点，属于高技术含量、高附加值产品。
目前，市场上用户在加工时，该钢种不经过任何热处理，由Φ5.5mm、Φ6.5mm的盘条分别经干拉、湿拉工序连续多道次拉拔至Φ0.55mm、Φ0.62mm左右的钢丝，并要求获得良好力学性能的最终产品，因此，用户对原材料的化学成分、纯净度、表面质量及尺寸精度等方面要求非常苛刻。
衡量含铝低碳建筑用钢的关键技术指标在于确保拉拔后的抗拉强度符合技术要求的同时，避免盘条在连续拉拔过程中出现断裂，母材在拉拔过程中的断裂会一定程度上影响生产效率、增加生产成本和降低产品质量。而钢的化学成分合理与否、纯净度的高低、气体含量的高低、铸坯质量的好坏是影响盘条拉拔过程中断裂的关键因素，如何设计其化学成分，并配备合理的冶炼工艺参数，在低成本的条件下，冶炼出符合用户最终要求的含铝低碳建筑用钢，是目前含铝低碳建筑用钢的相关试生产厂家所遇到的共同难题。
目前，国内中国专利数据库中涉及含铝低碳建筑用钢的技术方案寥寥无几。
发明内容
本发明的目的在于针对以上技术难题，通过设计合理的化学成分、选择合理的工艺参数，提供一种含铝低碳建筑用钢及其冶炼工艺，能够确保其化学成分均匀、纯净度高，且钢材在用户连续拉拔过程中能够显著减少因化学成分、铸坯缺陷、夹杂物引起的断裂次数，完全满足用户的使用要求。
为了实现上述目的，本发明所涉及的一种含铝低碳建筑用钢，其化学成份按重量百分数计为：[C]：0.03～0.07％、[Si]：0.05～0.12％、[Mn]：0.20～0.40％、[P]≤0.025％、[S]≤0.025％、[Al]：0.012～0.035％、[Ti]：0.010～0.030％、[B]：≥0.0040％，[N]≤70ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。
优选地，其化学成份按重量百分数计为：[C]：0.03～0.06％、[Si]：0.06～0.09％、[Mn]：0.25～0.35％、[P]≤0.020％、[S]≤0.020％、[Al]：0.015～0.030％、[Ti]：0.010～0.030％、[B]：0.0050～0.0070％，[N]≤60ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明成分设计理由：
C是提高钢的强度最显著的元素，但含量过高会使钢的塑性降低，影响拉拔性能。本发明中优选为0.03～0.06％；
Si可以提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，但含量过高会降低钢的焊接性能。本发明优选为0.06～0.09％；
Mn可以起到固溶强化的作用，但含量过高会降低钢的塑性指标。本发明中优选为0.25～0.35％；
Al是脱氧元素，能细化晶粒，但含量过高会影响钢的可浇性。本发明中优选为0.015～0.030％；
Ti可以细化晶粒，提高强度，但含量过高会形成氮化钛夹杂。本发明中优选为0.010～0.030％；
B是细化晶粒，提高钢的淬透性，但含量过高会影响钢的表面质量。本发明中优选为0.050～0.070％；
P、S为钢中的有害元素，本发明中优选为P≤0.020％、S≤0.020％。
本发明通过组分间协同作用达到所需钢的用途及性能，并且在达到力学性能指标的同时，还能避免拉拔过程中出现断裂，满足用户的使用要求
本发明提供了上述一种含铝低碳建筑用钢的生产工艺，包括转炉冶炼、LF升温、RH精炼、LF精炼、小方坯连铸步骤，具体操作如下：(1)转炉加入炼钢原料进行低拉碳冶炼，采用全程底吹氩搅拌，控制出钢[C]≤0.08％，出钢氧含量≥300ppm，出钢[P]≤0.015％，出钢1/2时随钢流依次加入渣料，不加合金，出钢过程采用挡渣塞+滑板挡渣操作，控制下渣量≤50mm，出钢时间为3～5min。
作为优选，步骤(1)中采用的炼钢原料为废钢、生铁和铁水，废钢占所述炼钢原料总重的10％～15％，生铁占所述炼钢原料总重的5％～8％，所述炼钢原料的总装入量135～145t/炉，转炉冶炼13～15min，出钢温度为1610～1670℃；所述渣料的加入量为石灰400kg/炉，合成渣300kg/炉。
控制合理的出钢C及出钢氧含量，是为了确保在真空条件下进行碳脱氧，使碳达到合理范围，防止碳含量超标准造成拉拔断裂；出钢过程中不加合金、加入渣料、严控下渣，是为了使钢水中氧含量稳定，防止合金氧化脱氧，降低合金的收得率，同时，加入渣料也起到了保温的作用。并不加入合金，避免硅锰类合金被大量氧化生成硅锰类夹杂物，对钢的纯净度造成影响。
(2)钢水由转炉吊至LF精炼后，只进行升温处理，不进行脱氧和调整成份处理，温度升至1640～1690℃吊包至RH脱碳；
(3)RH钢水进站温度≥1600℃，防止因低温导致浸渍管堵塞报废，全程保持小流量底吹氩气，确保真空度≤133Pa下循环时间在3～10分钟，C含量≤0.03％时进行破真空，破空后喂入适量铝线；
作为优选，步骤(3)中，所述全程保持小流量底吹氩气，流量为80～130NL/min；所述铝线喂入量300～400m/炉。
全程保持小流量底吹氩气，是在促进钢水均匀循环的同时尽可能地降低温降。
(4)LF采用电石、铝粒进行钢渣界面脱氧，根据渣况适时分批加入适量石灰和萤石，保证炉渣的流动性，控制炉渣碱度R＝5～8，确保精炼时间30～70分钟，LF精炼前期取第一样后根据钢水Al含量使用铝线调铝至0.035～0.050％，加入适量合金调整成份；LF精炼结束前15分钟加入适量钛铁；结束前6～8分钟加入适量硼铁，待成分、温度调整合适后，喂入适量纯钙线，进行软吹氩操作，确保软吹时间15～30分钟，软吹后确保合适的吊包温度；
作为优选，步骤(4)中所述LF采用电石、铝粒进行钢渣界面脱氧，加入量分别为电石1.2～1.8kg/t、铝粒1.0～1.5kg/t，所述合金为硅锰、低碳锰铁，加入量为硅锰3.0～3.5kg/t、低碳锰铁0.4～0.8kg/t；步骤(4)中所述的加入钛铁为0.8～1.2kg/t、硼铁为0.40～0.46kg/t。
进一步地，步骤(4)中所述喂入适量纯钙线，第一炉≤250m/炉，连浇炉≤150m/炉，所述软吹后的吊包温度，开浇炉次1600～1630℃、连浇炉次1575～1605℃。
控制合理的炉渣碱度是在确保脱氧脱硫的同时明显减少产生铝酸钙大颗粒夹杂物进入钢水中的几率，减少产品在拉拔过程中出现断裂现象；严格控制喂入纯钙线量，是在确保顺利浇铸的同时避免钙处理后形成了大量Al-Ca-O液态夹杂物，因数量多、来不及上浮，在浇铸时进入钢液中，造成产品在拉拔过程中出现断裂现象。
(5)连铸工序采用全程保护浇铸，连铸中包采用整体式涂抹料塞棒中包，使用全镁质三大件，水口直径≥30mm，采用合理的过热度、恒拉速控制，过热度控制在20～40℃，拉速控制在1.90±0.05m/min，并采用留钢留渣操作，钢渣余量3～5t；
结晶器采用电磁搅拌，非正弦振动模式，并使用结晶器保护渣，一冷水流量为110±10m3/h，水温差6.5～8.5℃，二冷采用中冷配水模式；
作为优选，步骤(5)中，连铸全程保护浇铸，大包长水口氩封保护，中包使用碱性覆盖剂和碳化稻壳双层覆盖，所述使用全镁质三大件指长水口、塞棒、浸入式水口；所述中包使用时间≤12小时，所述水口使用时间6.0～7.0h；所述结晶器电磁搅拌参数为210A/5HZ，非正弦振动参数为振幅±3.0mm，频率120+40V opm，偏斜率15％；所述结晶器保护渣使用西保超低碳专用保护渣，C含量为5～9％，碱度为R＝0.75～0.85，熔点1160～1220℃，粘度为0.60～0.90Pa.S/1300℃；每隔2小时测量一次液渣层厚度，确保液渣层深度为5～10mm。
进一步地，步骤(5)中所述的中冷配水模式中，比水量0.80L/kg，冷却方式为气雾冷却，二冷各段分配比40:35:25。
用整体式涂抹料塞棒中包，采用保护浇铸，可以避免钢水被二次氧化产生的氧化铝夹杂进入钢液造成用户拉拔过程中断裂；使用全镁质三大件内衬稳定性好，不易形成不断聚集长大的大颗粒的Ca-Al-Zr-O系夹杂物，可以有效提高产品的拉拔性能。
采用合理的过热度、恒拉速控制可以减小连铸拉坯应力，避免出现角部裂纹，液面波动造成卷渣等缺陷；使用合适的碳含量、熔点、碱度及粘度的结晶器保护渣可以增加铸坯的润滑能力。
本发明的有益效果在于：
本发明通过添加一定量的Al、B、Ti等元素微合金化，达到细化晶粒、固溶强化的目的，有效提高了钢材的抗拉强度、拉拔性能等技术指标，配备选择合理的工艺参数，提供一种含铝低碳建筑用钢及其冶炼工艺，能够确保其化学成分均匀、纯净度高，浇铸平稳且钢材在用户连续拉拔过程中能够有效减少因化学成分、铸坯缺陷、夹杂物引起的断裂次数，完全满足用户的使用要求。
本发明工艺与现有工艺技术相比，成分设计合理，采取降低精炼渣碱度、控制喂钙线量等优化精炼工艺手段、使用全镁质耐材，留钢留渣等措施，有效提高了钢水纯净度，在满足力学性能的同时有效减少了用户拉拔过程中的因炼钢因素引起的断裂次数，提高了产品的市场竞争力，具有显著的经济效益和社会效益。
附图说明
图1为对比实施例2制得钢材拉拔材断口处夹杂物横向形貌。
具体实施方式
生产工艺简述如下：
120t转炉冶炼→LF升温→RH精炼→LF精炼→小方坯连铸(160*160mm2)。
实施例1
(1)转炉采用的炼钢原料为废钢、生铁和铁水，废钢占所述炼钢原料总重的12％，生铁占所述炼钢原料总重的6％，总装入量140t/炉；
(2)转炉冶炼过程中采用全程底吹氮搅拌，出钢[C]0.05％，出钢氧含量319ppm，出钢[P]0.011％，出钢温度1625℃，出钢1/2时随钢流依次加入石灰400kg/炉，合成渣300kg/炉，不加合金，出钢过程采用挡渣塞+滑板挡渣操作，控制下渣量≤50mm，出钢时间为4min；钢水由转炉吊至LF精炼后，只进行升温处理，不进行脱氧和调整成份处理，1662℃时吊包至RH脱碳；
(3)RH钢水进站温度1633℃，全程保持小流量底吹氩气，流量为110NL/min，真空度≤133Pa下循环5分钟，C含量0.01％时破真空，破空后喂入铝线350m/炉；
(4)LF采用电石1.5kg/t、铝粒1.2kg/t进行钢渣界面脱氧，根据渣况适时分批加入适量石灰和萤石，保证炉渣的流动性，控制炉渣碱度R＝5～8，精炼时间40分钟，LF精炼前期取第一样后根据钢水Al含量使用铝线调铝至0.045％，加入适量硅锰3.4kg/t、低碳锰铁0.6kg/t调整成份；LF精炼结束前15分钟加入适量钛铁1.0kg/t；出站前7分钟喂入加入适量硼铁0.44kg/t，待成分、温度调整合适后，喂入纯钙线250m/炉，转入软吹氩操作，软吹时间22分钟，软吹后吊包温度1615℃。
(5)连铸工序采用全程保护浇铸，大包长水口氩封保护，中包使用碱性覆盖剂和碳化稻壳双层覆盖，连铸中包采用整体式涂抹料塞棒中包，使用维苏威全镁质长水口、塞棒、浸入式水口，中包使用时间<12小时，水口直径35mm，水口使用时间6.5h，过热度38℃，拉速1.90m/min；结晶器采用电磁搅拌，参数为210A/5Hz，非正弦振动模式，振幅±3.0mm，频率120+40V opm，偏斜率15％；使用西保超低碳专用保护渣，C含量为7.5％，碱度为R＝0.80，熔点1190℃，粘度为0.75Pa.S/1300℃；每隔2小时测量一次液渣层厚度，确保液渣层深度为5～10mm；一冷水流量为110±10m3/h，水温差6.5～8.5℃，二冷采用中冷配水模式，比水量0.80L/kg，冷却方式为气雾冷却，二冷各段分配比40:35:25。
实施例2
出钢[C]：0.05％，出钢温度1672℃，喂入纯钙线150m/炉，软吹后吊包温度，连浇炉次1590℃，过热度23℃，其余操作与实施例1相同。
实施例3
开轧温度1042℃，精轧机前温度为905℃，吐丝温度为820℃，其余操作与实施例2相同。
对比实施例1
将实施例1步骤(4)中“喂入纯钙线250m/炉”修改为“喂入纯钙线350m/炉”，其他条件同实施例1。对最终制得的钢材进行检测，经检测盘条存在大颗粒夹杂物，造成用户拉拔过程中断裂，远差于本发明实施例中制备的钢的质量。
对比实施例2
将实施例1步骤(4)中“维苏威全镁质水口”修改为“Ca-Al-Zr质-水口”，其他条件同实施例1。对最终制得的钢材进行检测，经检测钢中形成了大颗粒的Ca-Al-Zr-O系夹杂物(如图1)，从而在拉拔时成为断裂源，使用户拉拔过程中断裂次数明显增加。
对比实施例3
将实施例1步骤(4)中“LF精炼结束前15分钟加入适量钛铁1.0kg/t；出站前7分钟喂入加入适量硼铁0.44kg/t”修改为“LF精炼出站前7分钟喂入加入适量硼铁0.44kg/t”，其他条件同实施例1。对最终制得的盘条进行检测，经检测盘条抗拉强度偏低，达不到客户的要求。
实施例1～3所制得的钢化学成分、力学性能分别见表1和表2所示。
表1实施例1～3所制备的钢的成品化学成分(wt/％)
实施例 C Si Mn P S Al Ti B N
1 0.045 0.07 0.30 0.013 0.005 0.018 0.021 0.0056 45ppm
2 0.047 0.07 0.31 0.012 0.005 0.020 0.023 0.0054 39ppm
3 0.050 0.08 0.29 0.013 0.004 0.019 0.020 0.0055 41ppm
表2实施例1～3及对比实例1-3所制备的盘条的力学性能

Claims (9)

1.一种含铝低碳建筑用钢，其特征在于：所述的建筑用钢的化学成分按重量百分数计为，[C]：0.03～0.07％、[Si]：0.05～0.12％、[Mn]：0.20～0.40％、[P]≤0.025％、[S]≤0.025％、[Al]：0.012～0.035％、[Ti]：0.010～0.030％、[B]≥0.0040％，[N]≤70ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的含铝低碳建筑用钢，其特征在于：所述的建筑用钢的化学成分按重量百分数计为[C]：0.03～0.06％、[Si]：0.06～0.09％、[Mn]：0.25～0.35％、[P]≤0.020％、[S]≤0.020％、[Al]：0.015～0.030％、[Ti]：0.010～0.030％、[B]：0.0050～0.0070％，[N]≤60ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。
3.一种如权利要求1或2所述的含铝低碳建筑用钢的冶炼工艺，其特征在于：包括转炉冶炼、LF升温、RH精炼、LF精炼、小方坯连铸步骤，具体操作为：
(1)转炉加入炼钢原料进行低拉碳冶炼，采用全程底吹氩搅拌，控制出钢[C]≤0.08％，出钢氧含量≥300ppm，出钢[P]≤0.015％，出钢1/2时随钢流依次加入渣料，不加合金，出钢过程采用挡渣塞+滑板挡渣操作，控制下渣量≤50mm，出钢时间为3～5min；
(2)钢水由转炉吊至LF精炼后，只进行升温处理，不进行脱氧和调整成份处理，温度升至1640～1690℃吊包至RH脱碳；
(3)RH钢水进站温度≥1600℃，防止因低温导致浸渍管堵塞报废，全程保持小流量底吹氩气，确保真空度≤133Pa下循环时间在3～10分钟，C含量≤0.03％时进行破真空，破空后喂入适量铝线；
(4)LF采用电石、铝粒进行钢渣界面脱氧，根据渣况适时分批加入适量石灰和萤石，保证炉渣的流动性，控制炉渣碱度R＝5～8，确保精炼时间30～70分钟，LF精炼前期取第一样后根据钢水Al含量使用铝线调铝至0.035～0.050％，加入适量合金调整成份；LF精炼结束前15分钟加入适量钛铁；结束前6～8分钟加入适量硼铁，待成分、温度调整合适后，喂入适量纯钙线，进行软吹氩操作，确保软吹时间15～30分钟，软吹后确保合适的吊包温度；
(5)连铸工序采用全程保护浇铸，连铸中包采用整体式涂抹料塞棒中包，使用全镁质三大件，水口直径≥30mm，采用合理的过热度、恒拉速控制，过热度控制在20～40℃，拉速控制在1.90±0.05m/min，并采用留钢留渣操作，钢渣余量3～5t；
结晶器采用电磁搅拌，非正弦振动模式，并使用结晶器保护渣，一冷水流量为110±10m3/h，水温差6.5～8.5℃，二冷采用中冷配水模式。
4.如权利要求3所述的含铝低碳建筑用钢的冶炼工艺，其特征在于：步骤(1)中采用的炼钢原料为废钢、生铁和铁水，废钢占所述炼钢原料总重的10％～15％，生铁占所述炼钢原料总重的5％～8％，所述炼钢原料的总装入量135～145t/炉，转炉冶炼13～15min，出钢温度为1610～1670℃；所述渣料的加入量为石灰400kg/炉，合成渣300kg/炉。
5.如权利要求3所述的含铝低碳建筑用钢的冶炼工艺，其特征在于：步骤(3)中，所述全程保持小流量底吹氩气，流量为80～130NL/min；所述铝线喂入量300～400m/炉。
6.如权利要求3所述的含铝低碳建筑用钢的冶炼工艺，其特征在于：步骤(4)中所述LF采用电石、铝粒进行钢渣界面脱氧，加入量分别为电石1.2～1.8kg/t、铝粒1.0～1.5kg/t，所述合金为硅锰、低碳锰铁，加入量为硅锰3.0～3.5kg/t、低碳锰铁0.4～0.8kg/t；步骤(4)中所述的加入钛铁为0.8～1.2kg/t、硼铁为0.40～0.46kg/t。
7.如权利要求3所述的含铝低碳建筑用钢的冶炼工艺，其特征在于：步骤(4)中所述喂入适量纯钙线，第一炉≤250m/炉，连浇炉≤150m/炉，所述软吹后的吊包温度，开浇炉次1600～1630℃、连浇炉次1575～1605℃。
8.如权利要求3所述的含铝低碳建筑用钢的冶炼工艺，其特征在于：步骤(5)中，连铸全程保护浇铸，大包长水口氩封保护，中包使用碱性覆盖剂和碳化稻壳双层覆盖，所述使用全镁质三大件指长水口、塞棒、浸入式水口；所述中包使用时间≤12小时，所述水口使用时间6.0～7.0h；所述结晶器电磁搅拌参数为210A/5Hz，非正弦振动参数为振幅±3.0mm，频率120+40V opm，偏斜率15％；所述结晶器保护渣使用西保超低碳专用保护渣，C含量为5～9％，碱度为R＝0.75～0.85，熔点1160～1220℃，粘度为0.60～0.90Pa.S/1300℃；每隔2小时测量一次液渣层厚度，确保液渣层深度为5～10mm。
9.如权利要求3所述的含铝低碳建筑用钢的冶炼工艺，其特征在于：步骤(5)中所述的中冷配水模式中，比水量0.80L/kg，冷却方式为气雾冷却，二冷各段分配比40:35:25。
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