CN110438397A - 一种大断面含铝热轧h型钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大断面含铝热轧H型钢及其制备方法，所述热轧H型钢的化学成分按重量百分数计包括：C：0.11～0.14％、Si：0.18～0.25％、Mn：1.40～1.50％、P≤0.025％、S≤0.008％、V：0.040～0.050％、Ti:0.012～0.02％、Al：0.040～0.050％，其余为铁和微量杂质。其制备方法包括铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、近终型异型坯连铸以及轧制。本发明通过钒钛复合微合金化同时配合使用铝元素，达到细晶强化以及弥散强化效果，提高了大断面H型钢的综合力学性能。生产过程中采用异型坯单点翼缘非平衡全保护连铸工艺，严格控制钢水洁净度，减少水口结瘤，夹杂物含量低，轧材低温冲击性能稳定、合格率高。

Description

一种大断面含铝热轧H型钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及冶金技术，具体地，本发明涉及一种大断面含铝热轧H型钢及其制备方法。
背景技术
H型钢截面形状经济合理，力学性能好，具有截面模数大、重量轻、节省金属的优点，可使钢结构减轻30～40％，又因其腿内外侧平行，腿端是直角，拼装组合成构件，可节约焊接、铆接工作量达25％，因此是重要的钢结构用钢材。随着钢结构的高层化和大跨度化，对大断面低合金高强度H型钢需求量越来越大。由于钢结构应用领域不断扩展，高海拔地区、高纬度地区、海洋工程平台、极寒地区等特殊钢结构应用领域对大断面H型钢的低温冲击韧性也作出更高要求，因此具有优良综合力学性能的大断面H型钢需求量逐步增加。
大断面H型钢的断面尺寸一般指HW300mm×300mm～1000mm×300mm的H型钢，其生产工艺和成分设计与小规格H型钢存在差异。大断面H型钢通常采用近终型异型坯连铸，当前国内异型坯连铸机普遍采用单流两点半敞开、两点套管保护浇注工艺，钢中氧含量高，钢中夹杂物含量高造成水口结瘤影响生产节奏、轧材低温冲击性能不稳定、合格率低。同时大规格H型钢热轧时轧制力明显大于小规格H型钢，轧线控温控冷能力差，轧材温度不均，制约钢材晶粒度，致使综合性能较低。因此对于开发新型具有优良综合力学性能的大断面H型钢有迫切需求。
中国专利CN103589951B《大断面H型钢的生产方法》公开了一种大断面H型钢的生产方法，包括转炉冶炼、LF精炼、异型坯连铸、铸坯表面清理、轧制H型钢和矫直，其特点是通过添加合金元素V来提高大断面H型钢综合性能，但其V添加量为0.10％～0.20％，合金成本较高；0℃冲击>98J，-20℃冲击>44J，其耐低温性能较低。中国专利CN107829031A《一种大断面H型钢及其生产方法》公开了一种大断面H型钢及其生产方法，其添加微合金元素钒0.10％～0.20％、铌0.03～0.05％、铊0.03～0.05％、钋0.03～0.05％、铽0.02～0.04％、镍0.01～0.02％，冷却工艺参数为轧件以110℃/s冷却速度冷却到700℃区间相变，再回温至780℃，最后H型钢自然冷却到室温，其添加合金元素多，合金成本较高，轧后冷却工艺复杂。中国专利CN109576570A《一种大断面含硼低屈强比355MPa热轧H型钢及其生产方法》公开了一种大断面含硼低屈强比355MPa热轧H型钢，高炉铁水采用双渣冶炼法进行转炉冶炼，初期渣碱度为1.5～2.0，终渣碱度为2.5～3.0，通过添加合金元素硼来增强H型钢强度，硼作为合金元素加入钢中时，高温硼是异常活泼的，能与钢中的C、N、O、S、P以及铁基体形成各种类型化合物，易造成硼回收率不稳定，冶炼控制困难。中国专利CN102618782B《一种大规格Z向H型钢及其制备方法》公开了一种大规格Z向H型钢及其制备方法，所述大规格Z向H型钢的化学成分的重量百分数为：C 0.12～0.22％、Si 0.10～0.40％、Mn 1.1～1.50％、P≤0.020％、S<0.008％、V 0.02～0.05％，其余为铁和微量杂质，此发明连铸过程采用浸入式扁平水口全保护浇铸，不采用铝脱氧，由于水口形状为扁平式，浇注过程中各部位侵蚀程度不一，导致水口使用寿命差别较大，影响生产节奏。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种大断面含铝热轧H型钢，该热轧H型钢具有优良的综合力学性能，屈服强度366～407MPa，抗拉强度483～511MPa，延伸率28.5～32.0％，-20℃冲击功≥200J。
为达到上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种大断面含铝热轧H型钢，其化学成分按重量百分数计包括：C：0.11～0.14％、Si：0.18～0.25％、Mn：1.40～1.50％、P≤0.025％、S≤0.008％、V：0.040～0.050％、Ti：0.012～0.02％、Al：0.040～0.050％，其余为铁和微量杂质；
作为优选，所述热轧H型钢的屈服强度366～407MPa，抗拉强度483～511MPa，延伸率28.5～32.0％，-20℃冲击功≥200J。
本发明的热轧H型钢的主要组分及含量的设计机理如下：
C：碳是奥氏体稳定化元素，作为间隙原子，能起到有效的固溶强化作用进而提高强度，本发明的碳含量控制在0.11％～0.14％之间。
Si：硅作为脱氧剂使用，能够达到净化钢水的作用，当硅作为合金元素使用时能溶解于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度，本发明的硅含量控制在0.18％～0.25％之间。
Mn：锰可以脱氧除硫，与S形成MnS进而脱硫，锰与铁形成固溶体可以提高钢的硬度和强度，但过高的锰含量易引起偏析，本发明的锰含量控制在1.40％～1.50％之间。
S、P：硫、磷是钢中的有害元素，硫以硫化物(FeS)的形式存在于钢中，FeS和S形成低熔点化合物，导致加工开裂。磷会使钢的塑性、冲击韧性显著降低，本发明的S≤0.008％，P≤0.025％。
V:钒在钢中以碳化物的形式存在，其主要作用是细化钢的组织和晶粒，提高钢的强度和韧性，本发明的钒含量控制在0.040～0.050％。
Ti：钛是强碳化物形成元素，在钢中通过形成碳氮化物来阻止晶粒长大，具有细晶强化效果，本发明的钛含量控制在0.012～0.02％。
Al：铝作为脱氧剂或合金元素加入钢中，其主要作用是细化晶粒，从而显著提高钢的冲击韧性，降低冷脆倾向和时效倾向性，本发明的铝含量控制在0.040～0.050％。
本发明还提供了上述热轧H型钢的制备方法，所述制备方法主要包括铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、近终型异型坯全保护连铸、轧制等，具体包括以下步骤：
1)铁水预脱硫：入炉铁水砷含量小于80ppm；脱硫后铁水中的硫含量≤0.008wt％；
2)转炉冶炼：采用顶底复吹转炉冶炼，使用铝锰铁进行深脱氧，转炉终点碳≥0.08％；
3)LF精炼：全程底吹氩搅拌，精炼软吹时间≥12分钟；精炼过程中先充分搅拌化渣，造黄白渣；
4)近终型异型坯连铸：翼缘单点非平衡全保护浇注；
5)轧制。
作为优选，所述转炉冶炼步骤2)中，钢包采用底吹良好的红净钢包，烘烤温度为800℃～1200℃；采用硅锰、中锰、钒铁进行合金化，加入量分别为11.0-13.0kg/t钢、7.5-8.0kg/t钢、1.0-1.5kg/t钢；采用铝锰铁脱氧，加入量为2.0-2.5kg/t钢，并根据过氧化情况调整铝锰铁加入量；合金在钢水出至五分之一至四分之一时开始均匀加入，钢水出至五分之三至四分之三时加完，合金对准钢流冲击区加入；转炉终点碳≥0.08％。
作为优选，所述LF精炼步骤3)中，精炼进站后进行定氧，根据氧含量喂铝线配铝，铝含量按照0.040～0.050％进行控制；根据炉渣的粘度、颜色及泡沫化程度，用碳化钙、石灰调整炉渣，出站前顶渣应达到黄白渣；精炼取完第一个样后喂入钛线140～160m/炉，喂线速度为1.5～3.0m/s；全程底吹氩气搅拌，前期可根据情况适当调高氩气压力，出站前采用小压力软吹，软吹氩时间大于12分钟，保证夹杂物上浮；软吹氩之前喂钙铝线110-130m/炉，喂线速度为1.5～3.0m/s，生成低熔物12CaO·7Al2O3，降低Al2O3夹杂对钢水质量的影响。
作为优选，在所述LF精炼步骤3)中小压力软吹是指氩气流量为50-150NL/min。
作为优选，所述连铸步骤4)中，大包下水口与大包长水口连接处吹氩气70～80L/min，在大包长水口碗口部位形成氩气保护氛围，防止大包长水口碗部密封不严吸入空气造成二次氧化；中间包液面采用CaO-SiO2-Al2O3系碱性覆盖剂，加入量按照1～1.5kg/t钢执行；中间包开浇前开氩气100～120L/min；采用结晶器翼缘单点非平衡全保护浇注工艺，直通型水口浸入深度50～60mm，浇注点部位保护渣渣层厚度按照35～45mm控制，非浇注点侧保护渣渣层厚度按照55～65mm控制；二冷采用弱冷，结晶器采用非正弦振动，液相线温度为1508～1520℃，中间包过热度按20～30℃控制，拉速为0.8～1.0m/min。
作为优选，所述轧制步骤5)中，加热炉的加热温度为1220～1280℃，均热温度为1240～1290℃，铸坯在炉时间120～140min；开轧温度1140～1160℃，终轧温度880～950℃；轧件在冷床自然冷却。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
1.本发明通过钒钛复合微合金化同时配合使用铝元素，达到细晶强化以及弥散强化效果，提高了大断面H型钢的综合力学性能，具有优良的耐低温性能，屈服强度366～407MPa，抗拉强度483～511MPa，延伸率28.5～32.0％，-20℃冲击功≥200J。
2.本发明生产的大断面H型钢组织为铁素体+珠光体，夹杂物含量低，A类夹杂物0.5～1.0级、B类夹杂物为0.5～1.0级、C类夹杂物为0.5～1.0级、D类夹杂物为0.5～1.0级，轧材低温冲击性能稳定、合格率高。
3.本发明生产过程中采用异型坯单点翼缘非平衡全保护连铸工艺，采用铝脱氧，铸坯全氧含量平均控制在30ppm以内，连铸浇注过程增氮量平均控制在3.0ppm以内，严格控制钢水洁净度，减少水口结瘤，提高连浇炉次，提高生产效率。
4.本发明所述制备方法，产品生产过程中不需要进行轧后快冷和轧后热处理，因此生产工序少，生产成本较低。
附图说明
图1为实施例1获得的组织图；
图2为实施例2获得的组织图；
图3为实施例3获得的组织图；
图4为实施例4获得的组织图；
图5为实施例5获得的组织图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1-5
工艺路线为：铁水预脱硫→转炉冶炼→LF精炼→近终型异型坯单点非平衡全保护连铸→轧制→检验入库。
制备方法主要工艺措施：
(1)铁水预脱硫：入炉铁水砷含量小于80ppm；脱硫后铁水中的硫含量≤0.008wt％。
(2)转炉冶炼：采用顶底复吹转炉冶炼，钢包采用底吹良好的红净钢包，烘烤温度为800℃～1200℃；采用硅锰、中锰、钒铁进行合金化，加入量分别为11.0-13.0kg/t钢、7.5-8.0kg/t钢、1.0-1.5kg/t钢；采用铝锰铁脱氧，加入量为2.0-2.5kg/t钢，并根据过氧化情况调整铝锰铁加入量，进LF精炼钢水氧含量控制在30ppm以下，稳定渣中(FeO+MnO)含量，提高钢水洁净度；合金在钢水出至五分之一至四分之一时开始均匀加入，钢水出至五分之三至四分之三时加完，合金对准钢流冲击区加入；转炉终点碳≥0.08％。
(3)LF精炼：精炼进站后进行定氧，根据氧含量喂铝线配铝，铝含量按照0.040～0.050％进行控制；根据炉渣的粘度、颜色及泡沫化程度，用碳化钙、石灰调整炉渣，出站前顶渣应达到黄白渣；精炼取完第一个样后喂入钛线140～160m/炉，喂线速度为1.5～3.0m/s；全程底吹氩气搅拌，前期可根据情况适当调高氩气压力，出站前采用小压力软吹，软吹氩时间大于12分钟，保证夹杂物上浮；软吹氩之前喂钙铝线110-130m/炉，喂线速度为1.5～3.0m/s，生成低熔物12CaO·7Al2O3，降低Al2O3夹杂对钢水质量的影响。
(4)近终型异型坯连铸：大包下水口与大包长水口连接处吹氩气70～80L/min，在大包长水口碗口部位形成氩气保护氛围，防止大包长水口碗部密封不严吸入空气造成二次氧化；中间包液面采用CaO-SiO2-Al2O3系碱性覆盖剂，加入量按照1～1.5kg/t钢执行；中间包开浇前开氩气100～120L/min；采用结晶器翼缘单点非平衡全保护浇注工艺，直通型水口浸入深度50～60mm，浇注点部位保护渣渣层厚度按照35～45mm控制，非浇注点侧保护渣渣层厚度按照55～65mm控制；二冷采用弱冷，结晶器采用非正弦振动，液相线温度为1508～1520℃，中间包过热度按20～30℃控制，拉速为0.8～1.0m/min。
(5)轧制：加热炉的加热温度为1220～1280℃，均热温度为1240～1290℃，铸坯在炉时间120～140min；开轧温度1140～1160℃，终轧温度880～950℃；轧件在冷床自然冷却。
钢的化学成分重量百分比见表1，转炉冶炼过程记录表见表2，LF生产过程记录表见表3，连铸生产过程记录表见表4，轧制生产过程记录表见表5，轧材力学性能记录表见表6。
表1钢的化学成分重量百分比％
表2转炉冶炼过程记录表
表3LF生产过程记录表
表4连铸生产过程记录表
表5轧制生产过程记录表
表6轧材力学性能记录表
对比例
工艺路线为：铁水预脱硫→转炉冶炼→LF精炼→近终型异型坯套管式保护连铸→轧制→检验入库。
制备方法主要工艺措施：
(1)铁水预脱硫：入炉铁水砷含量小于80ppm；脱硫后铁水中的硫含量≤0.008wt％。
(2)转炉冶炼：采用顶底复吹转炉冶炼，钢包采用底吹良好的红净钢包，烘烤温度为800℃～1200℃；在放钢中过程加入硅钙钡3.0-3.5kg/吨钢脱氧；采用硅锰、中锰、钒铁进行合金化；合金在钢水出至五分之一至四分之一时开始均匀加入，钢水出至五分之三至四分之三时加完，合金对准钢流冲击区加入。因近终型异型坯采用套管式保护浇注，为避免连铸水口出现“套眼”，导致连铸生产不连续，因此不能采用铝脱氧。
(3)LF精炼：精炼取完第一个样后喂入钛线，按照Ti含量目标值控制要求，进行钛的成分调整；全程底吹氩搅拌，前期可根据情况适当调高氩气压力，出站前采用小压力软吹，保证夹杂物上浮，保证精炼软吹氩大于12分钟。根据炉渣的粘度、颜色及泡沫化程度，用碳化钙、碳化硅、硅钙钡等调整炉渣，出站前顶渣应达到白渣或黄白渣；精炼末期喂纯钙线70-150m/炉。
(4)近终型异型坯连铸：连铸采用套管式保护浇注工艺，使用改进后大包水口，加密封圈；中间包采用低碳碱性覆盖剂，加入量1.0～1.5kg/t钢；二冷采用弱冷，结晶器采用非正弦振动，液相线温度为1508～1520℃，中间包过热度按20～25℃控制，拉速为0.7～1.0m/min。
(5)轧制：加热炉的加热温度为1220～1280℃，均热温度为1240～1290℃，铸坯在炉时间120～140min；开轧温度1140～1160℃，终轧温度880～950℃；轧件在冷床自然冷却。
实施例对比
1、气体含量
实施例1-5相较于对比例，保护浇注效果明显提升，连铸浇注过程增氮量以及铸坯全氧含量如表7所示。
表7气体含量分析结果
2、夹杂物
实施例1-5相较于对比例，夹杂物控制水平明显提升，夹杂物含量大大降低。
表8夹杂物等级检测结果
本发明生产过程中采用异型坯单点翼缘非平衡全保护连铸工艺，采用铝脱氧，铸坯全氧含量平均控制在30ppm以内，连铸浇注过程增氮量平均控制在3.0ppm以内，全保护浇注效果好。本发明生产的大断面H型钢组织为铁素体+珠光体，夹杂物含量低，A类夹杂物0.5～1.0级、B类夹杂物为0.5～1.0级、C类夹杂物为0.5～1.0级、D类夹杂物为0.5～1.0级。本发明生产的热轧H型钢的屈服强度366～407MPa，抗拉强度483～511MPa，延伸率28.5～32.0％，-20℃冲击功≥200J，轧材低温冲击性能稳定、合格率高。
本发明的工艺参数(如温度、时间等)区间上下限取值以及区间值都能实现本法，在此不一一列举实施例。
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
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该理解，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 (7)

1.一种大断面含铝热轧H型钢，其特征在于，所述热轧H型钢的化学成分按重量百分数计包括：C：0.11～0.14％、Si：0.18～0.25％、Mn：1.40～1.50％、P≤0.025％、S≤0.008％、V：0.040～0.050％、Ti：0.012～0.02％、Al：0.040～0.050％，其余为铁和微量杂质。
2.根据权利要求1所述的热轧H型钢，其特征在于，所述热轧H型钢的屈服强度366～407MPa，抗拉强度483～511MPa，延伸率28.5～32.0％，-20℃冲击功≥200J。
3.一种权利要求1或2所述热轧H型钢的制备方法，包括以下步骤：
1)铁水预脱硫：入炉铁水砷含量小于80ppm；脱硫后铁水中的硫含量≤0.008wt％；
2)转炉冶炼：采用顶底复吹转炉冶炼，使用铝锰铁进行脱氧，转炉终点碳≥0.08％；
3)LF精炼：全程底吹氩搅拌，精炼软吹时间≥12分钟；精炼过程中先搅拌化渣，造黄白渣；
4)近终型异型坯连铸：翼缘单点非平衡全保护浇注；
5)轧制：开轧温度不低于1080℃，终轧温度大于880℃。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，钢包采用红净钢包，烘烤温度为800℃～1200℃；采用硅锰、中锰、钒铁进行合金化，加入量分别为11.0-13.0kg/t钢、7.5-8.0kg/t钢、1.0-1.5kg/t钢；采用铝锰铁脱氧，加入量为2.0-2.5kg/t钢；合金在钢水出至五分之一至四分之一时开始均匀加入，钢水出至五分之三至四分之三时加完，合金对准钢流冲击区加入；转炉终点碳≥0.08％。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中，精炼进站后进行定氧，根据氧含量喂铝线配铝，铝含量按照0.04～0.05％进行控制；根据炉渣的粘度、颜色及泡沫化程度，用碳化钙、石灰调整炉渣，出站前顶渣应达到黄白渣；精炼取完第一个样后喂入钛线140～160m/炉，喂线速度为1.5～3.0m/s；全程底吹氩气搅拌，出站前采用小压力软吹，精炼软吹氩大于12分钟，小压力软吹是指氩气流量为50-150NL/min；软吹氩之前喂钙铝线110～130m/炉，喂线速度为1.5～3.0m/s。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤4)中，大包下水口与大包长水口连接处吹氩气70～80L/min；中间包采用CaO-SiO2-Al2O3系碱性覆盖剂，加入量按照1～1.5kg/t钢执行；中间包开浇前开氩气100～120L/min；采用结晶器翼缘单点非平衡全保护浇注工艺，水口浸入深度50～60mm，浇注点部位保护渣渣层厚度按照35～45mm控制，非浇注点侧保护渣渣层厚度按照55～65mm控制；二冷采用弱冷，结晶器采用非正弦振动，液相线温度为1508～1520℃，中间包过热度按20～30℃控制，拉速为0.8～1.0m/min。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，在步骤5)中，加热炉的加热温度为1220～1280℃，均热温度为1240～1290℃，铸坯在炉时间120～140min；开轧温度1140～1160℃，终轧温度880～950℃。
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