CN110983177B

CN110983177B - 1000MPa级含钛马氏体钢氮化钛夹杂物的控制方法

Info

Publication number: CN110983177B
Application number: CN201911161176.4A
Authority: CN
Inventors: 武志杰; 何方; 程迪; 韩闯闯; 路殿华; 姜丽梅; 杜艳玲
Original assignee: Handan Iron and Steel Group Co Ltd; HBIS Co Ltd Handan Branch
Current assignee: Handan Iron and Steel Group Co Ltd; HBIS Co Ltd Handan Branch
Priority date: 2019-11-24
Filing date: 2019-11-24
Publication date: 2022-03-22
Anticipated expiration: 2039-11-24
Also published as: CN110983177A

Abstract

本发明涉及一种1000MPa级含钛马氏体钢氮化钛夹杂物的控制方法。该马氏体钢化学成分及质量百分含量分别为：C：0.13‑0.17，Si：0.3‑0.7，Mn：2.0‑2.3，P≤0.020，S≤0.015，Cr：0.3‑0.6，Ti：0.02‑0.06。控制方法包括转炉冶炼、LF精炼、RH精炼和板坯连铸工序控制，通过LF精炼粗调钛+RH精炼精调钛的工艺控制氮化钛夹杂物，使钢中氮化钛夹杂物尺寸降低至5μm以下。本发明综合考虑热力学和动力学因素，充分利用氮化钛析出的孕育期，采用分批加入钛铁合金的方法，解决大颗粒氮化钛夹杂物问题。

Description

1000MPa级含钛马氏体钢氮化钛夹杂物的控制方法

技术领域

本发明涉及钢中氮化钛夹杂物的控制方法，尤其涉及一种1000MPa级含钛马氏体钢氮化钛夹杂物的控制方法。

背景技术

1000MPa级含钛马氏体钢是目前商业化高强钢中强度级别最高的钢种，国内只有少数企业具备批量稳定生产的能力，其显微组织几乎全部为马氏体，在汽车用钢产品中适合于简单零件的冷冲压和辊压成形零件，如保险杠、门槛加强板和侧门内的防撞杆等。

该钢种钛含量为0.02-0.06wt%，氮含量为30-70ppm，在生产过程中，存在因尺寸在6-20μm的大颗粒氮化钛夹杂物而导致的冷轧轧制过程中带钢边部裂纹缺陷，该缺陷裂口长度在2-4cm，严重时达到10cm以上，严重影响生产稳定性，恶化产品质量。因此，需要寻找一种氮化钛夹杂物的控制方法，减少大颗粒氮化钛夹杂物，降低带钢边部裂纹缺陷。

相关研究表明，氮化钛的析出与钢中钛和氮元素的溶解度以及温度密切相关，由雍岐龙编写的《钢铁材料中的第二相》一书中，给出钢中氮化钛析出物溶解度随温度变化的函数表达式为：

经计算其开始析出温度为1588℃-1803℃。因此，氮化钛夹杂物的控制应在钢水冶炼工序进行。

氮化钛夹杂物的析出在理论上存在形核、长大的问题，一般情况下，氮化钛夹杂物在达到析出温度后，除自身析出外，还会以Al₂O₃夹杂物为核心进行形核，因此，通过扫描电镜经常可以看到氮化钛和Al₂O₃复生的夹杂物。而其长大过程主要包括元素扩散长大、布朗碰撞长大、湍流碰撞长大和斯托克斯碰撞长大。由此可以看出，氮化钛夹杂物的形核、长大过程非常复杂，控制难度很大，非简单的工程经验和已有知识能解决。

目前，氮化钛夹杂物的控制普遍采用降低钢水中氮含量或者钛含量，降低氮化钛析出温度，以热力学的方法实现氮化钛夹杂物的控制。如：申请号201410459165.5的专利公开了“一种齿轮钢棒材氮化钛夹杂物的控制方法”，通过对“转炉-LF精炼-RH精炼-矩形坯连铸”全流程工艺的控制，降低钢水氮含量，从而控制氮化钛夹杂物。

申请号201010228812.3的专利公开了“一种中碳含铌钢减少表面裂纹的方法”，通过设备精度控制、尽量做到生产中不增氮，以及RH真空循环脱气工艺保证氮含量小于0.0045wt%，从而减少碳氮化钛的大量富集超标。

申请号201710693270.9的专利公开了“一种降低齿轮钢20CrMnTi中氮化钛夹杂的冶炼工艺”，通过转炉、精炼、连铸工艺控制钢中氮含量和钛含量从而达到降低钢水中氮化钛夹杂物的目的。

以上方法均对钢中氮含量进行严格控制，现场生产实践表明，当控制钢中氮含量≤60ppm时，会显著增加工艺控制难度，造成工序成本上升。

还有一些专利通过加入抑制剂的方法控制氮化钛夹杂物的目的。如申请号为201811319185.7的专利公开了“一种轴承钢中添加Ce抑制氮化钛夹杂物形成的合金工艺”，但是该方法同样增加了生产成本。

发明内容

本发明提供一种1000MPa级含钛马氏体钢氮化钛夹杂物的控制方法，综合考虑热力学和动力学因素，充分利用氮化钛析出的孕育期，采用分批加入钛铁合金的方法，解决大颗粒氮化钛夹杂物问题，从而有效解决1000MPa级马氏体钢由于大颗粒氮化钛夹杂导致的带钢边部裂纹。

解决上述技术问题的技术方案为：

1000MPa级含钛马氏体钢氮化钛夹杂物的控制方法，该马氏体钢化学成分及质量百分含量分别为：C：0.13-0.17 wt%，Si：0.3-0.7 wt%，Mn：2.0-2.3 wt%，P≤0.020 wt%，S≤0.015 wt%，Cr：0.3-0.6 wt%，Ti：0.02-0.06 wt%。

上述的1000MPa级含钛马氏体钢氮化钛夹杂物的控制方法，包括转炉冶炼、LF精炼、RH精炼和板坯连铸工序，其改进之处为：通过LF精炼粗调钛+RH精炼精调钛的工艺控制氮化钛夹杂物，使钢中氮化钛夹杂物尺寸降低至5μm以下。

上述的1000MPa级含钛马氏体钢氮化钛夹杂物的控制方法，转炉工序处理结束后，钢包进入LF精炼工序进行脱氧操作，将钢中氧含量脱至25ppm以下，加入钛铁合金控制钢水中钛含量在0.02%-0.04wt%，完成钛元素粗调；

RH工序进行真空循环处理，整体处理时间控制在6-15min；由于LF工序氮化钛夹杂物去除过程中会造成钛含量损失，真空处理过程再次进行钛元素精调，使钛元素含量达到0.02-0.06wt%。

上述的1000MPa级含钛马氏体钢氮化钛夹杂物的控制方法，LF精炼处理完成后，钢包净吹10-15min；净吹过程中，钢包底吹砖采用弥散型透气砖，透气砖采用非对称式布置，净吹气量为35-60NL/min。

上述的1000MPa级含钛马氏体钢氮化钛夹杂物的控制方法，LF精炼工序中，钢包顶渣要求SiO₂/Al₂O₃在0.5-0.8之间，（CaO+MgO）/Al₂O₃，在1.5-3.0之间，优选CaO含量在30-50wt%之间，SiO₂含量在10-20wt%之间。

上述的1000MPa级含钛马氏体钢氮化钛夹杂物的控制方法，板坯连铸工序中，浇注温度配合钢种成分控制在1516-1521℃，过热度控制在10-15℃，拉速控制在1.2-1.4m/min，浇注时间控制在35min以内。

上述的1000MPa级含钛马氏体钢氮化钛夹杂物的控制方法，所述弥散型透气砖为2块，采用非对称式布置，1块位于包底径向包底半径的5/6处，另1块位于包底径向包底半径的2/3处，且两透气砖中心与包底中心三点之间连线呈120°角。

技术原理分析：

本发明在转炉工序处理结束，LF精炼脱氧后，进行钛元素粗调。粗调的主要目的是缩小氮化钛夹杂物产生的孕育期，即在高氮、高钛以及钢水中大量Al₂O₃夹杂物为形核剂存在的条件下，可以尽早形成氮化钛夹杂物，为之后氮化钛夹杂物碰撞、聚集、长大、上浮去除提供充足的时间。

LF精炼处理完成后，钢包净吹10-15min。主要通过钢包净吹，增加氮化钛夹杂物长大的动力学条件，同时利用氩气泡粘附氮化钛夹杂物或气泡上浮过程中产生的尾流夹带氮化钛夹杂物使其得以去除。该步骤可以有效去除钢水中氮化钛夹杂，同时可以降低钢水氮含量8-12ppm左右。

该过程中，钢包底吹砖选用弥散型透气砖而不采用直通定向型和狭缝型透气砖，主要因为弥散型透气砖为大量不规则的贯通透气孔，可以生产大量不规则弥散气泡，利于夹带氮化钛夹杂物。透气砖采用非对称式布置，净吹气量为35-60NL/min，通过以上方法，能够提高钢水搅拌、混匀能力，减少死区，达到最佳的搅拌效果，为大颗粒氮化钛夹杂物的去除提供有力的动力学条件。同时保证钢包顶渣的渣层不破开，防止与空气中的氮气接触造成钢水二次污染。钢包顶渣要求SiO₂/Al₂O₃在0.5-0.8之间，（CaO+MgO）/Al₂O₃，在1.5-3.0之间，优选CaO含量在30-50%之间、SiO₂含量在10-20 wt%之间，保证有效吸附氮化钛夹杂物的能力。

RH工序进行真空循环处理，并进行钛元素精调。精调过程与粗调过程目的相反，是延长氮化钛夹杂物析出的孕育期，阻止其液析过程。在该过程，钢水中依然存在钛和氮元素，但是，氮元素含量已经降低，而且RH真空条件下会进一步去氮，而且通过LF精炼工序处理，Al₂O₃夹杂含量较少，缺少形核剂不利于氮化钛夹杂物的生产，氮化钛夹杂形成的孕育期被延长。同时，RH处理时间控制在6-15min，与传统工艺相比，减少了20min左右，在孕育期延长的前提下，减少精炼时间，有利于减少氮化钛夹杂物生产。RH处理过程中一部分氮化钛夹杂物随着钢液流动聚集、上浮至顶渣，同时一部分通着吸附于Ar气泡或脱碳产生的CO气泡表面后被去除，该过程氮含量可降低3-5ppm。

板坯连铸工序中，进一步利用氮化钛形成的孕育期，采用低过热度，高拉速的控制方法，使钢水迅速凝固，减少氮化钛夹杂物碰撞、聚集、长大的时间，避免大颗粒氮化钛夹杂物的产生。

本发明的有益效果为：

本发明主要通过对LF和RH精炼工艺氮化钛夹杂物孕育期的控制，通过LF精炼粗调钛+RH精炼精调钛的工艺，消除了冷轧带钢边部因大颗粒氮化钛夹杂导致的裂纹问题，钢中氮化钛尺寸由6-20μm，降低至5μm以下。

本发明不需要添加氮化钛抑制剂，不需要对钢水中氮含量进行特殊控制；本发明成本低、易操作，具有较高的经济、环境和社会效益。

附图说明

图1为钢包底吹砖位置示意图；

图2为实例1氮化钛夹杂物尺寸图；

图3为实例2氮化钛夹杂物尺寸图；

图4为实例3氮化钛夹杂物尺寸图；

图5为实例4氮化钛夹杂物尺寸图；

图6为实例5氮化钛夹杂物尺寸图；

图7为实例6氮化钛夹杂物尺寸图。

图中标记为：弥散型透气砖1、钢包包底2。

具体实施方式

本发明提供了一种1000MPa级含钛马氏体钢氮化钛夹杂物的控制方法。1000MPa级马氏体钢钛含量为0.02-0.06 wt%，该马氏体钢化学成分及质量百分含量分别为：C：0.13-0.17 wt%，Si：0.3-0.7 wt%，Mn：2.0-2.3 wt%，P≤0.020 wt%，S≤0.015 wt%，Cr：0.3-0.6wt%，Ti：0.02-0.06 wt%。

控制方法包括转炉冶炼、LF精炼、RH精炼和板坯连铸工序，其改进之处为：通过LF精炼粗调钛+RH精炼精调钛的工艺控制氮化钛夹杂物，使钢中氮化钛夹杂物尺寸降低至5μm以下。具体为：

转炉工序处理结束后，钢包进入LF精炼工序进行脱氧操作，钢包净吹10-15min；净吹过程中，钢包底吹砖采用弥散型透气砖1，2块透气砖1采用非对称式布置，一组位于包底径向包底半径的5/6处，另一组位于包底径向包底半径的2/3处，且两透气砖中心与包底中心三点之间连线呈120°角，净吹气量为35-60NL/min，将钢中氧含量脱至25ppm以下，加入钛铁合金控制钢水中钛含量在0.02%-0.04wt%，完成钛元素粗调； LF精炼工序中，钢包顶渣要求SiO₂/Al₂O₃在0.5-0.8之间，（CaO+MgO）/Al₂O₃，在1.5-3.0之间，优选CaO含量在30-50wt%之间，SiO₂含量在10-20wt%之间；

RH工序进行真空循环处理，整体处理时间控制在6-15min；由于LF工序氮化钛夹杂物去除过程中会造成钛含量损失，真空处理过程再次进行钛元素精调，使钛元素含量达到0.02-0.06wt%；

板坯连铸工序中，浇注温度配合钢种成分控制在1516-1521℃，过热度控制在10-15℃，拉速控制在1.2-1.4m/min，浇注时间控制在35min以内。

下面结合具体实施例对本发明进行进一步阐述。

实施例1：采用“转炉-LF精炼-RH精炼-板坯连铸”工艺流程生产1000MPa级含钛马氏体钢，最终成品C：0.170 wt%，Si:0.57% wt%，Mn：2.16 wt%，P：0.020 wt%，S：0.004wt%，Cr：0.39wt%，Ti：0.02wt%。具体生产过程如下：

LF进站后加造渣剂和铝块造渣脱氧，脱氧后钢中氧含量为19.1ppm；

LF处理过程检测渣样成分，SiO₂：20.0wt%，CaO：39.9wt%，MgO：9.6wt%，Al₂O₃：25.2wt%；

LF出站前3min检测气体N含量为70.8ppm，加入钛铁合金调整钢水中钛含量为0.022wt%，完成钛元素粗调；LF处理完成后，钢包净吹11min，净吹气量55NL/min，之后钢包调运至RH工位；

RH处理前检测气体N含量为58.8ppm，LF净吹过程氮含量降低12ppm，RH工序净真空循环时间6min；

RH真空处理过程进行钛元素精调，调整后钛含量为0.02wt%；

RH出站前检测气体N含量为53.8ppm，该过程氮含量降低5ppm；

连铸过程浇注温度控制在1518℃，过热度控制在12℃，拉速控制在1.30m/min，浇注时间控制在35min。

图2显示，实施例1生产的铸坯中氮化物夹杂尺寸在2μm，该炉次对应冷轧带钢轧制过程中未出现边裂现象。

实施例2：采用“转炉-LF精炼-RH精炼-板坯连铸”工艺流程生产1000MPa级含钛马氏体钢，最终成品C：0.149 wt%，Si:0.42 wt%，Mn：2.00 wt%，P：0.017 wt%，S：0.009wt%，Cr：0.37wt%，Ti：0.034wt%。具体生产过程如下：

LF进站后加造渣剂和铝块造渣脱氧，脱氧后钢中氧含量为18.8ppm；

LF处理过程检测渣样成分，SiO₂：14.6wt%，CaO：50.0wt%，MgO：5.7wt%，Al₂O₃：24.2wt%；

LF出站前3min检测气体N含量为62.5ppm，加入钛铁合金调整钢水中钛含量为0.024wt%，完成钛元素粗调；LF处理完成后，钢包净吹10min，净吹气量30NL/min，之后钢包调运至RH工位；

RH处理前检测气体N含量为51.7ppm，LF净吹过程氮含量降低10.8ppm，RH工序净真空循环时间8min；

RH真空处理过程进行钛元素精调，调整后钛含量为0.034wt%；

RH出站前检测气体N含量为48.2ppm，该过程氮含量降低3.5ppm。

连铸过程浇注温度控制在1517℃，过热度控制在11℃，拉速控制在1.25m/min，浇注时间控制在34min。

图3显示，实施例2生产的铸坯中氮化物夹杂尺寸在3μm，该炉次对应冷轧带钢轧制过程中未出现边裂现象。

实施例3：采用“转炉-LF精炼-RH精炼-板坯连铸”工艺流程生产1000MPa级含钛马氏体钢，最终成品C：0.143 wt%，Si:0.49 wt%，Mn：2.11 wt%，P：0.010 wt%，S：0.006wt%，Cr：0.54wt%，Ti：0.046wt%。具体生产过程如下：

LF进站后加造渣剂和铝块造渣脱氧，脱氧后钢中氧含量为19.6ppm；

LF处理过程检测渣样成分，SiO₂：10.0wt%，CaO：39.6wt%，MgO：19.6wt%，Al₂O₃：19.8wt%；

LF出站前3min检测气体N含量为64.3ppm，加入钛铁合金调整钢水中钛含量为0.020wt%，完成钛元素粗调；LF处理完成后，钢包净吹12min，净吹气量60NL/min，之后钢包调运至RH工位；

RH处理前检测气体N含量为53.1ppm，LF净吹过程氮含量降低11.2ppm，RH工序净真空循环时间11min；

RH真空处理过程进行钛元素精调，调整后钛含量为0.046wt%；

RH出站前检测气体N含量为48.9ppm，该过程氮含量降低4.2ppm；

连铸过程浇注温度控制在1518℃，过热度控制在12℃，拉速控制在1.40m/min，浇注时间控制在33min。

图4显示，实施例3生产的铸坯中氮化物夹杂尺寸在5μm，该炉次对应冷轧带钢轧制过程中未出现边裂现象。

实施例4：采用“转炉-LF精炼-RH精炼-板坯连铸”工艺流程生产1000MPa级含钛马氏体钢，最终成品C：0.167 wt%，Si:0.70 wt%，Mn：2.22 wt%，P：0.009 wt%，S：0.005wt%，Cr：0.60wt%，Ti：0.060wt%。具体生产过程如下：

LF进站后加造渣剂和铝块造渣脱氧，脱氧后钢中氧含量为22.2ppm；

LF处理过程检测渣样成分，SiO₂：18.9wt%，CaO：30.0wt%，MgO：16.2wt%，Al₂O₃：23.7wt%；

LF出站前3min检测气体N含量为57.4ppm，加入钛铁合金调整钢水中钛含量为0.040wt%，完成钛元素粗调；LF处理完成后，钢包净吹15min，净吹气量45NL/min，之后钢包调运至RH工位；

RH处理前检测气体N含量为49.4ppm，LF净吹过程氮含量降低8ppm，RH工序净真空循环时间12min；

RH真空处理过程进行钛元素精调，调整后钛含量为0.060wt%；

RH出站前检测气体N含量为45.5ppm，该过程氮含量降低3.9ppm；

连铸过程浇注温度控制在1520℃，过热度控制在14℃，拉速控制在1.25m/min，浇注时间控制在34min；

图5显示，实施例4生产的铸坯中氮化物夹杂尺寸在3μm，该炉次对应冷轧带钢轧制过程中未出现边裂现象。

实施例5：采用“转炉-LF精炼-RH精炼-板坯连铸”工艺流程生产1000MPa级含钛马氏体钢，最终成品C：0.152 wt%，Si:0.35 wt%，Mn：2.30 wt%，P：0.012 wt%，S：0.014wt%，Cr：0.45wt%，Ti：0.044wt%。具体生产过程如下：

LF进站后加造渣剂和铝块造渣脱氧，脱氧后钢中氧含量为18.9ppm；

LF处理过程检测渣样成分，SiO₂：15.2wt%，CaO：40.6wt%，MgO：4.9wt%，Al₂O₃：30.3wt%；

LF出站前3min检测气体N含量为51.3ppm，加入钛铁合金调整钢水中钛含量为0.027wt%，完成钛元素粗调；LF处理完成后，钢包净吹13min，净吹气量35NL/min，之后钢包调运至RH工位；

RH处理前检测气体N含量为42.4ppm，LF净吹过程氮含量降低8.9ppm，RH工序净真空循环时间9min；

RH真空处理过程进行钛元素精调，调整后钛含量为0.044wt%；

RH出站前检测气体N含量为38.9ppm，该过程氮含量降低3.5ppm；

连铸过程浇注温度控制在1521℃，过热度控制在15℃，拉速控制在1.20m/min，浇注时间控制在33min。

图6显示，实施例5生产的铸坯中氮化物夹杂尺寸在2μm，该炉次对应冷轧带钢轧制过程中未出现边裂现象。

实施例6：采用“转炉-LF精炼-RH精炼-板坯连铸”工艺流程生产1000MPa级含钛马氏体钢，最终成品C：0.130 wt%，Si:0.30 wt%，Mn：2.21 wt%，P：0.007 wt%，S：0.015wt%，Cr：0.30wt%，Ti：0.051wt%。具体生产过程如下：

LF进站后加造渣剂和铝块造渣脱氧，脱氧后钢中氧含量为25ppm；

LF处理过程检测渣样成分，SiO₂：15.4wt%，CaO：44.6wt%，MgO：10.2wt%，Al₂O₃：22.2wt%；

LF出站前3min检测气体N含量为74.5ppm，加入钛铁合金调整钢水中钛含量为0.030wt%，完成钛元素粗调；LF处理完成后，钢包净吹14min，净吹气量40NL/min，之后钢包调运至RH工位；

RH处理前检测气体N含量为64.9ppm，LF净吹过程氮含量降低9.6ppm，RH工序净真空循环时间15min；

RH真空处理过程进行钛元素精调，调整后钛含量为0.051wt%；

RH出站前检测气体N含量为60.5ppm，该过程氮含量降低4.4ppm。

连铸过程浇注温度控制在1516℃，过热度控制在10℃，拉速控制在1.30m/min，浇注时间控制在35min。

图7显示，实施例6生产的铸坯中氮化物夹杂尺寸在5μm，该炉次对应冷轧带钢轧制过程中未出现边裂现象。

Claims

1. 1000MPa级含钛马氏体钢氮化钛夹杂物的控制方法，该马氏体钢化学成分及质量百分含量分别为：C：0.13-0.17 wt%，Si：0.3-0.7 wt%，Mn：2.0-2.3 wt%，P≤0.020 wt%，S≤0.015 wt%，Cr：0.3-0.6 wt%，Ti：0.02-0.06 wt%，所述控制方法包括转炉冶炼、LF精炼、RH精炼和板坯连铸工序，其特征在于：通过LF精炼粗调钛+RH精炼精调钛的工艺控制氮化钛夹杂物，使钢中氮化钛夹杂物尺寸降低至5μm以下，转炉冶炼工序处理结束后，钢包进入LF精炼工序进行脱氧操作，将钢中氧含量脱至25ppm以下，加入钛铁合金控制钢水中钛含量在0.02%-0.04wt%，完成钛元素粗调；LF精炼工序中，钢包顶渣要求SiO₂/Al₂O₃在0.5-0.8之间，（CaO+MgO）/Al₂O₃，在1.5-3.0之间， LF精炼处理完成后，钢包净吹10-15min；净吹过程中，钢包底吹砖采用弥散型透气砖，透气砖采用非对称式布置，净吹气量为35-60NL/min；RH工序进行真空循环处理，整体处理时间控制在6-15min；真空处理过程再次进行钛元素精调，使钛元素含量达到0.02-0.06wt%。

2.如权利要求1所述的1000MPa级含钛马氏体钢氮化钛夹杂物的控制方法，其特征在于：LF精炼工序中，钢包顶渣要求CaO含量在30-50wt%之间，SiO₂含量在10-20wt%之间。

3.如权利要求1或2所述的1000MPa级含钛马氏体钢氮化钛夹杂物的控制方法，其特征在于：板坯连铸工序中，浇注温度配合钢种成分控制在1516-1521℃，过热度控制在10-15℃，拉速控制在1.2-1.4m/min，浇注时间控制在35min以内。

4.如权利要求1或2所述的1000MPa级含钛马氏体钢氮化钛夹杂物的控制方法，其特征在于：所述弥散型透气砖（1）为2块，采用非对称式布置，1块位于包底（2）径向包底半径的5/6处，另1块位于包底（2）径向包底半径的2/3处，且两透气砖（1）的中心与包底（2）的中心三点之间连线呈120°角。