CN112080687A - 一种细晶粒高碳钢及其轧制生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种细晶粒高碳钢及其轧制生产方法，按照质量百分比，该细晶粒高碳钢的化学成分包含：C：0.57～0.65％；Si：0.20～0.30％；Mn：0.60～0.90％；Cr≤0.08％；P≤0.020％；S≤0.020％；Al：0.010～0.025％；N：0.006～0.010％；其余为Fe和不可避免的杂质。该方法依次包括：加热、除鳞、粗轧、连轧、穿水冷却、棒材减定径机组精轧、精轧后冷却。本发明通过控制加热温度、变形程度和冷却速度相结合的方法，达到细晶粒高碳钢的良好的综合力学性能：抗拉强度≥680MPa，屈服强度≥350MPa，硬度为210～220HBW；晶粒度≥7.0级。
Description
技术领域
本发明属于冶金行业特殊钢生产加工领域，具体涉及一种细晶粒高碳钢及其轧制生产方法。
背景技术
轴类零部件在工作时承受着循环载荷，尤其电机主轴是连接发电机的关键结构件，不仅要满足强度和刚度要求，还需要有足够高的疲劳强度，这对电机主轴的质量提出了很高的要求。
随着下游加工企业对材料性能越来越高的要求，普通钢种已不能满足用户需求，亟待开发一种强度高、韧性好，尤其实际晶粒度细小的钢种来满足用户需求。
目前，提高钢铁材料强度的途径有固溶强化、位错强化、细晶强化和第二相粒子的析出强化等。其中细晶强化效果最为明显，也是较好的强度与韧性同时增加的机制。随着晶粒细化、裂纹扩展阻力提高，钢的疲劳强度增加，韧性提高、脆性转折点的温度降低。细晶粒钢具有良好的强度和韧性配合，在汽车、船舶、桥梁及机械设备等领域得到广泛应用。
现有技术中，对于细化钢材实际晶粒度的轧制方法，绝大多数钢铁企业的主要思路是采用化学成分的微合金化理论。文献“
细晶粒45钢的研究与生产实践”介绍了一种采用钛铝微合金成分设计，连铸全过程采用保护浇铸，过热度控制在20～35℃；轧制过程中，钢坯的上下面、头尾部温差控制在≤50℃；通过上述生产工艺开发的
细晶粒45钢，其铁素体晶粒度达到8级，钢材的强度达到620MPa以上，具有良好的强度、韧性，能够满足汽车、机械制造行业的使用要求。但是该研究仅能实现小规格钢种的实际晶粒度控制，未能达到大规格(Φ50～130mm)高碳钢的实际晶粒度的控制要求。文献“活塞杆用中碳微合金化钢晶粒度的控制”研究了一种大型液压油缸活塞杆用大规格圆钢实际晶粒度的控制方法。该方法根据钒、钛等元素在钢中与碳、氮结合形成化合物、起到钉扎晶界，细化晶粒度的微合金化原理，在用于制造液压油缸活塞杆的传统中碳钢中加入微量的钒、钛元素，并加入适量氮元素，显著改善了油缸活塞杆用中碳大规格圆钢的实际晶粒度，实际晶粒度级别可以提高2级以上，无混晶现象；虽然该研究解决了液压油缸活塞杆圆钢的实际晶粒度问题，但其所采用的工艺成本增加，投入成本较高。
文献“铌钒微合金化高碳钢的轧制工艺”介绍了一种采用铌钒微合金化高碳钢对奥氏体晶粒尺寸大小的影响规律研究；研究了铌钒微合金化对高碳钢的实际晶粒度的控制，并研究了加热温度、冷却速度和保温温度对组织性能的影响。但是该研究对高碳钢的晶粒度控制没有达到大规格高碳钢的实际晶粒度的控制要求。
文献“加热炉炉温对45钢和40Cr钢晶粒度的影响”通过控制加热温度，研究加热制度对45钢和40Cr钢的晶粒度的影响；结果表明，加热段温度控制在1200～1250℃，预热段温度控制在600～800℃，均热段温度控制在1200～1230℃时，45钢和40Cr钢成品的晶粒度能够控制在5级及5级以上。但是该研究也未能达到对大规格碳钢的实际晶粒度的控制要求。
现有技术对于细化钢材实际晶粒度的轧制方法，存在如下缺点：虽然采用化学成分的微合金化理论，可以通过合理的工艺控制解决晶粒度细化问题，但却大幅度增加了微合金采购成本。
因此，急需一种经济的、可实现大规格钢晶粒度控制的方法。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，满足用户对高碳钢的高强度、高韧性及细小晶粒度的要求，本发明提供了一种细晶粒高碳钢；同时，为了生产出满足客户要求的大规格细晶粒的高碳钢，实现了电机主轴棒材的规模化生产，本发明还提供一种细化高碳钢晶粒度的轧制生产方法，用以替代高成本的微合金化成分设计工艺，提供一种既经济又科学的高碳钢晶粒细化工艺控制方法，并使采用轧制生产方法制备的高碳钢达到对大规格高碳钢的实际晶粒度的控制。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种细晶粒高碳钢，按照质量百分比，所述细晶粒高碳钢的化学成分包含：C：0.57～0.65％；Si：0.20～0.30％；Mn：0.60～0.90％；Cr≤0.08％；P≤0.020％；S≤0.020％；Al：0.010～0.025％；N：0.006～0.010％；其余为Fe和不可避免的杂质。
上述细晶粒高碳钢，作为一种优选实施方式，所述细晶粒高碳钢的抗拉强度≥680MPa，屈服强度≥350MPa，硬度为210～220HBW左右；晶粒度≥7.0级。
上述细晶粒高碳钢，作为一种优选实施方式，所述细晶粒高碳钢的规格为Φ50～100mm。
本发明还提供了一种如上所述的细晶粒高碳钢的轧制生产方法，以高碳钢连铸坯为原料，所述方法包括将高碳钢连铸坯依次进行如下工序：加热、除鳞、粗轧、连轧、穿水冷却、棒材减定径机组精轧、精轧后冷却，最终得到成品棒材。
上述轧制生产方法中，作为一种优选实施方式，所述加热工序中，对所述连铸坯进行加热，所述加热包括预热段、加热一段、加热二段和均热段。
上述轧制生产方法中，作为一种优选实施方式，所述加热工序中，所述预热段的温度≤800℃(比如600℃、700℃、750℃、780℃、795℃)；如果预热段的温度过高，可能会导致钢坯导热速率过快，进而导致最终轧材的表面出现裂纹。
上述轧制生产方法中，作为一种优选实施方式，所述加热工序中，所述加热一段的温度为1000～1050℃(比如1005℃、1010℃、1020℃、1030℃、1040℃、1045℃)。
上述轧制生产方法中，作为一种优选实施方式，所述加热工序中，所述加热二段的温度为1050～1150℃(比如1055℃、1080℃、1100℃、1110℃、1130℃、1140℃)；所述加热一段和所述加热二段的主要作用在于：减少能源消耗，减少钢坯氧化烧损；优选地，加热一段的温度低于加热二段的温度。
上述轧制生产方法中，作为一种优选实施方式，所述加热工序中，均热段的温度为1180～1240℃(比如1185℃、1190℃、1195℃、1200℃、1205℃、1210℃、1220℃、1230℃)，所述均热段的主要作用在于：减少能源消耗，减少钢坯氧化烧损，同时减少钢坯脱碳。
上述轧制生产方法中，作为一种优选实施方式，所述加热工序中，所述加热工序中的总加热时间为3.5～5h(比如3.7h、4h、4.5h、4.8h)，优选地，所述均热段的均热时间为30～80min(比如32min、35min、40min、45min、50min、55min、60min、70min、75min、78min)；如此能充分实现如下四个目标：(1)减少能源消耗；(2)减少钢坯氧化烧损；(3)减少钢坯脱碳；(4)减少因加热时间过长带来最终轧材表面裂纹。
上述轧制生产方法中，作为一种优选实施方式，所述加热工序中，所述加热工序在四段步进式加热炉内进行。
上述轧制生产方法中，作为一种优选实施方式，所述除鳞工序中，采用高压水除鳞以去氧化铁皮，所述高压水的压力为25～30MPa(比如25.5MPa、26.5MPa、27MPa、28MPa、29.5MPa)，优选为28～30MPa。
上述轧制生产方法中，作为一种优选实施方式，所述粗轧工序中，入口处钢料温度为950～1100℃(比如960℃、970℃、980℃、990℃、1000℃、1020℃、1040℃、1060℃、1080℃、1090℃)。
上述轧制生产方法中，作为一种优选实施方式，所述粗轧工序中，粗轧道次为5～7道次；再优选地，所述粗轧道次为6道次。
上述轧制生产方法中，作为一种优选实施方式，所述粗轧工序中，所述粗轧工序中使用的粗轧机共6架。
上述轧制生产方法中，作为一种优选实施方式，所述粗轧工序中，所述入口处钢料温度为980～1050℃(比如985℃、990℃、1000℃、1010℃、1020℃、1030℃、1040℃、1045℃)。
上述轧制生产方法中，作为一种优选实施方式，所述连轧工序中，连轧后得到适合进入棒材减定径机组的来料；所述连轧包括中轧工序，所述中轧工序的入口处钢料温度为900～950℃(比如905℃、910℃、920℃、930℃、940℃、945℃)。
上述轧制生产方法中，作为一种优选实施方式，所述连轧工序中，中轧道次为5～7道次，再优选地，所述中轧道次为6道次。
上述轧制生产方法中，作为一种优选实施方式，所述连轧工序中，所述中轧工序中共设置5～7架中轧机；优选地，所述中轧工序中共设置6架中轧机。
上述轧制生产方法中，作为一种优选实施方式，所述连轧还包括预精轧工序，所述预精轧工序中，预精轧出口处钢料温度为870-950℃(比如875℃、880℃、890℃、900℃、910℃、920℃、930℃、940℃、945℃)。
上述轧制生产方法中，作为一种优选实施方式，所述预精轧工序中，预精轧道次为3～5道次；再优选地，所述预精轧道次为4道次。
上述轧制生产方法中，作为一种优选实施方式，所述预精轧工序中，所述预精轧工序中共设置3-5架预精轧机；优选地，所述预精轧工序中共设置4架预精轧机。
上述轧制生产方法中，作为一种优选实施方式，所述穿水冷却工序中，将连轧后的来料穿水冷却至钢料表面温度800～850℃(比如802℃、805℃、810℃、820℃、830℃、840℃、845℃、848℃)；将穿水冷却后的钢料温度控制在所述温度范围内，能给轧材留有足够的返红温度距离，如果温度不控制在所述温度范围内，可能导致后续轧制温度过高或过低，对非调质高碳钢的晶粒度、综合力学性能会带来一定程度的不利影响。
上述轧制生产方法中，作为一种优选实施方式，所述穿水冷却工序中，所述穿水冷却的水冷速度为35～100℃/s(比如38℃/s、42℃/s、45℃/s、50℃/s、55℃/s、60℃/s、70℃/s、80℃/s、90℃/s、95℃/s、98℃/s)，水压为0.2～0.6MPa(比如0.25MPa、0.3MPa、0.35MPa、0.4MPa、0.45MPa、0.5MPa、0.55MPa)；所述穿水冷却工序的目的在于降低轧制温度，实现低温轧制，提高棒材的组织及综合力学性能。
上述轧制生产方法中，作为一种优选实施方式，所述棒材减定径机组精轧工序中，将穿水冷却工序获得的钢料送入棒材减定径机组进行精轧，其中，入口处钢料的温度为850～900℃(例如，852℃、855℃、860℃、865℃、870℃、875℃、880℃)。棒材轧制入口处钢料温度是影响实际晶粒度的关键，因为通过减定径机组控制钢材过冷奥氏体转变温度降低达到Ar3温度下可控制铁素体晶粒形核数量增多，使晶粒长大速率减缓，从而实现晶粒细化。采用棒材减定径机组精轧能更好地实施低温轧制，从而提高高碳钢的晶粒度及其综合力学性能，为高碳钢的生产提供其优异性能。
上述轧制生产方法中，作为一种优选实施方式，所述棒材减定径机组精轧工序中，所述棒材减定径机组精轧可采用KOCKS轧机、SMS精轧机和两辊精轧机中的一种轧机轧制；优选地，所述棒材减定径机组精轧采用KOCKS轧制。
上述轧制生产方法中，作为一种优选实施方式，所述精轧后冷却工序包括第二次穿水冷却和冷床冷却，所述第二次穿水冷却是指将所述棒材减定径机组精轧后得到的轧件通过穿水冷却的方式冷却至轧件表面温度为800～850℃(例如，805℃、810℃、820℃、825℃、830℃、840℃、845℃)时进行冷床冷却。
上述轧制生产方法中，作为一种优选实施方式，所述第二次穿水冷却的冷却速度为30～100℃/s(例如，40℃/s、50℃/s、60℃/s、80℃/s、90℃/s)，水压为0.2～0.6MPa(例如，0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa、0.55MPa)。
上述轧制生产方法中，作为一种优选实施方式，所述冷床冷却的具体方法为：将第二次穿水冷却后的轧件在冷床上空冷，或者将第二次穿水冷却后的轧件进行快速收集后堆冷，或者将第二次穿水冷却后的轧件在冷床上进行喷雾冷却，或者将第二次穿水冷却后的轧件在冷床上空冷至400℃以下再进行保温冷却，即入缓冷坑缓慢冷却。
上述轧制生产方法中，作为一种优选实施方式，所述冷床冷却的具体方法为：将第二次穿水冷却后的轧件在冷床上空冷。
上述轧制生产方法中，作为一种优选实施方式，所述轧件为棒材，所述成品棒材规格为Φ50～100mm。
上述轧制生产方法中，作为一种优选实施方式，所述高碳钢连铸坯的尺寸规格为300mm×400mm(宽×高)。
上述轧制生产方法中，作为一种优选实施方式，按照质量百分比，所述高碳钢的化学成分包含：C：0.57～0.65％；Si：0.20～0.30％；Mn：0.60～0.90％；Cr≤0.08％；P≤0.020％；S≤0.020％；Al：0.010～0.025％；N：0.006～0.010％；其余为Fe和不可避免的杂质。
在本发明轧制生产方法中，各优选技术特征在不冲突的情况下可以自由组合成新的技术方案。
本发明采用细化高碳钢晶粒度的技术原理为：细晶强化既提高钢的强度，又能改善其塑性和韧性。晶粒细化能改善塑性和韧性的原因在于细的晶粒为塑性变形的发生和扩展提供了更好的条件。一般来说，凡是使奥氏体向铁素体转变温度Ar3降低的因素都有晶粒细化的趋势。其中，控轧控冷是细化高碳钢晶粒度的主要途径，控轧控冷工艺通过变形制度和形变温度控制过冷奥氏体转变温度降低达到Ar3温度下控制铁素体晶粒形核数量增多，晶粒长大减缓实现晶粒细化。本发明通过控制加热温度、变形程度和冷却速度相结合，达到细化实际晶粒度，提高钢材强度和韧性的目的。因此，根据上述机理，本发明提供了一种细化高碳钢晶粒度的轧制生产方法。
采用该工艺方法可以细化高碳钢的实际晶粒度，高碳钢的力学性能为抗拉强度≥680MPa，屈服强度≥350MPa，其金相组织为细小铁素体+珠光体，硬度普遍为210～220HBW左右，其晶粒度细小而均匀；轧制后的圆钢实际晶粒度可达7.0级以上，其综合力学性能均优于常规轧制工艺。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明提供一种细化高碳钢晶粒度的轧制生产方法，通过控制轧制和控制冷却工艺替代了微合金化成分设计，节省合金量使用，节约大量生产成本，同时满足用户需求。
(2)本发明通过控轧控冷技术工艺得到了抗拉强度≥680MPa，屈服强度≥350MPa，其金相组织为细小铁素体+珠光体，硬度普遍为210HBW左右，其晶粒度细小而均匀，轧制后的圆钢晶粒度至少可达7.0级，其综合力学性能均优于常规轧制工艺。
(3)本发明结合自身工艺特点，通过制定合理的生产工艺，成功开发出生产大规格细晶粒的高碳钢棒材，产品质量达到了用户要求，实现了电机主轴棒材的规模化生产。
附图说明
图1是本发明实施例1中制备的轧制的
规格高碳钢棒材的金相组织照片。
图2是本发明实施例2中制备的轧制的
规格高碳钢棒材的金相组织照片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
以下结合附图通过实例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
本发明提供的一种细晶粒高碳钢，按照质量百分比，所述细晶粒高碳钢的化学成分包含(％)：C：0.57～0.65；Si：0.20～0.30；Mn：0.60～0.90；Cr：≤0.08；P≤0.020；S≤0.020；Al：0.010～0.025；N：0.006～0.010；其余为Fe和不可避免的杂质。
所述细晶粒高碳钢的抗拉强度≥680MPa，屈服强度≥350MPa，硬度为210～220HBW左右；晶粒度≥7.0级。
本发明还提供一种生产上述细晶粒高碳钢的轧制生产方法，以高碳钢连铸坯为原料，本发明的原料连铸坯即通过常规冶炼、精炼、连铸工序获得，在此不再详细说明。
本发明提供的一种生产上述细晶粒高碳钢轧制生产方法依次包括如下工序：加热、除鳞、粗轧、连轧、穿水冷却、棒材减定径机组精轧、冷却(包括第二次穿水冷却和冷床冷却)，最终得到成品棒材。具体步骤如下：
(1)钢坯加热：加热工序在四段步进式加热炉内进行，预热段的温度优选≤800℃；所述加热一段的温度优选1000～1050℃；所述加热二段的温度优选1050～1100℃；所述均热段的温度优选1180～1240℃；优选地，所述加热工序中的总加热时间(即从入炉至出炉的时间)为3.5～5h，优选地，所述均热段的均热时间为30～80min。
(2)钢坯除鳞：将加热后的钢坯采用高压水除鳞以去氧化铁皮，所述高压水的压力25～30MPa；优选为28～30MPa。
(3)粗轧钢坯：将除鳞后的钢坯送入6架高刚度粗轧机进行粗轧得到粗轧坯；入口温度为950～1100℃，优选入口温度为980～1050℃，粗轧道次优选为5～7道次，更优选为6道次。
(4)连轧机组连轧：将步骤(3)得到的粗轧坯送入连轧机组，中轧入口温度为900～950℃，中轧道次优选5～7道次，更优选为6道次，预精轧道次优选为3～5道次，更优选为4道次，预精轧出口温度优选为为870-950℃；
再优选地，所述中轧工序中共设置5～7架中轧机；进一步优选地，所述中轧工序中共设置6架中轧机；
再优选地，所述预精轧工序中共设置3-5架预精轧机；进一步优选地，所述预精轧工序中共设置4架预精轧机。
(5)穿水冷却：将预精轧后的轧材进行穿水冷却；优选地，所述穿水冷却将温度冷却至800～850℃；优选地，所述穿水冷却的水冷速度为35～100℃/s，水压为0.2～0.6MPa。在穿水冷却后让轧材返红以获得KOCKS轧制的温度。
(6)KOCKS轧制：将步骤(5)得到的轧材进行KOCKS轧制，得到棒材；优选地，KOCKS轧制的入口温度为850～900℃。
(7)精轧后冷却：包括第二次穿水冷却和冷床冷却；
第二次穿水冷却：将步骤(6)KOCKS轧制后的轧材进行第二次穿水冷却；优选地，所述第二次穿水冷却将KOCKS轧制后的轧材温度冷却至800～850℃；优选地，所述第二次穿水冷却的水冷速度为30～100℃/s，水压为0.2～0.6MPa；
冷床冷却：将第二次穿水冷却后的棒材在冷床空冷，最终得到成品棒材。
实施例1
本实施例提供一种生产细晶粒高碳钢的轧制生产方法，所需成品高碳钢棒材的规格为Φ50mm，包括以下步骤：
加热、除鳞、粗轧、连轧、穿水冷却、棒材减定径机组精轧(KOCKS精轧)、冷却(包括第二次穿水冷却和冷床冷却)，最终得到成品棒材。具体步骤如下：
(1)钢坯加热：将300×400×9000mm(宽×高×长)连铸坯切断后采用冷送方式放入四段步进式加热炉中进行加热，其中，所述连铸坯中各化学成分的质量百分比(％)含量为：C：0.61；Si：0.25；Mn：0.87；Al：0.020；N：0.008；P：0.010；S：0.015；其余为Fe和不可避免的杂质；预热段的温度703℃，加热一段的温度1007℃，加热二段的温度1056℃，均热段的温度1214℃；该加热工序中的总加热时间为4.2h，均热段的均热时间为58min。
(2)钢坯除鳞：将加热后的钢坯采用高压水除鳞以去氧化铁皮，高压水的压力29.2MPa。
(3)粗轧钢坯：将除鳞后的钢坯送入6架高刚度粗轧机进行粗轧得到粗轧轧坯；粗轧入口温度为1024℃，粗轧道次为6道次。
(4)连轧机组连轧：将步骤(3)得到的粗轧坯送入连轧机组，中轧入口温度为938℃，中轧道次为6道次，预精轧出口温度为931℃，预精轧道次为4道次。
(5)穿水冷却：将预精轧后的轧材进行穿水冷却至轧材温度为830℃，得到规格为Φ70mm的轧材；其中，水冷速度为62℃/s，水压为0.5MPa。
(6)KOCKS轧制：将步骤(5)得到的规格为Φ70mm的轧材进行KOCKS轧制，得到规格为Φ50mm的轧材；KOCKS轧制的入口温度为895℃。
(7)第二次穿水冷却：将步骤(6)KOCKS轧制后的轧材进行穿水冷却，冷却至温度823℃得到规格为Φ50mm的棒材；其中，水冷速度为50℃/s，水压为0.5MPa。
(8)冷床冷却：将步骤(7)得到的规格为Φ50mm的棒材在冷床空冷，最终得到成品棒材；其中，上冷床温度为823℃。
为了分析成品棒材的结构，对其进行金相组织检测，Φ50mm规格高碳钢棒材的金相组织如图1所示。
由图1可以看出，在本实施例所采用的轧制生产工艺下，Φ50mm规格高碳钢棒材热轧态组织为铁素体+珠光体，实际晶粒度为9.0级。
根据GB/T228.1、GB/T231.1、GB/T13299以及ASTM E112标准对步骤(8)得到的棒材产品在热轧状态下(试样无需热处理)进行强度、韧性和硬度性能测试，本实施例所制备的棒材产品力学性能如表1所示。
表1实施例1制备的棒材产品的机械性能
实施例2
本实施例提供一种生产细晶粒高碳钢的轧制生产方法，所需成品高碳钢棒材的直径为90mm，包括以下步骤：
(1)钢坯加热：将300×400×9000mm连铸坯切断后采用冷送方式放入四段步进式加热炉中进行加热，其中，连铸坯中各化学成分的质量百分比(％)含量为：C：0.60；Si：0.30；Mn：0.88；Al：0.022；N：0.010；P：0.008；S：0.012；其余为Fe和不可避免的杂质；预热段的温度742℃，加热一段的温度1013℃，加热二段的温度1062℃，均热段的温度1209℃；该加热工序中的总加热时间为4.6h，均热段的均热时间为72min。
(2)钢坯除鳞：将加热后的钢坯采用高压水除鳞以去氧化铁皮，高压水的压力29.5MPa。
(3)粗轧钢坯：将除鳞后的钢坯送入6架高刚度粗轧机进行粗轧得到粗轧轧坯；粗轧入口温度为1020℃，粗轧道次为6道次。
(4)连轧机组连轧：将步骤(3)得到的粗轧坯送入连轧机组，中轧入口温度为918℃，中轧道次为6道次，预精轧出口温度为900℃，预精轧道次为4道次。
(5)穿水冷却：将预精轧后的轧材进行穿水冷却，冷却至温度820℃得到规格为Φ105mm的轧材；其中，水冷速度为45℃/s，水压为0.5MPa。
(6)KOCKS轧制：将步骤(5)得到的规格为Φ105mm的轧材进行KOCKS轧制，得到规格为90mm的轧材；其中，KOCKS轧制的入口温度为875℃。
(7)第二次穿水冷却：将步骤(6)KOCKS轧制后的轧材进行第二次穿水冷却，冷却至温度835℃得到规格为90mm的棒材；其中，水冷速度为32℃/s，水压为0.5MPa。
(8)冷床冷却：将步骤(7)得到的规格为Φ90mm的棒材在冷床空冷，最终得到成品棒材。
为了分析成品棒材的结构，对其进行金相组织检测，Φ90mm规格高碳钢棒材的金相组织如图2所示。
由图2可以看出，在本实施例所采用的轧制生产工艺下，Φ90mm规格高碳钢棒材的热轧态组织为铁素体+珠光体，实际晶粒度为8.0级。
根据GB/T228.1、GB/T231.1、GB/T13299以及ASTM E112标准对步骤(8)得到的棒材产品在热轧状态下(试样无需热处理)进行强度、韧性和硬度性能测试，本实施例所制备的棒材产品力学性能如表2所示。
表2实施例2制备的棒材产品的机械性能
由表1-2可以看出，本发明提供的一种生产细晶粒高碳钢的轧制生产方法，其方法独特，采用该生产方法可以生产抗拉强度≥680MPa，屈服强度≥350MPa，其金相组织为细小铁素体+珠光体，硬度体普遍为210HBW左右，其晶粒度细小而均匀，轧制后的圆钢实际晶粒度可达7.0级以上，其综合力学性能均优于常规轧制工艺，另外，本申请钢材并未使用价格昂贵的钒钛铌等，成本低。
由于采用本发明提供的轧制生产方法所生产的成品棒材规格为
因此，采用本发明提供的一种细化高碳钢晶粒度的轧制生产方法，所生产的成品棒材的晶粒度可达7.0级以上，相对于常规高碳钢的晶粒度提高2～3级，与采用微合金化成分设计得到的高碳钢的晶粒度级别相当，可以达到对大规格高碳钢的的实际晶粒度的控制要求。
对比例1-6
本对比例与实施例1相比，除了棒材规格、均热温度、轧制温度和轧制方式冷床冷却温度不同外，其余工艺参数与实施例1相同。本对比例涉及的一些工艺参数如表3所示，成品棒材的力学性能如表4所示。
由表3和表4可以看出，采用对比例1-6中的工艺参数生产大规格高碳钢棒材，很难达到用户需求的晶粒度要求(≥6.0)；而且，与实施例1-2相比，对比例1-6制备的大规格高碳钢棒材的强度和塑性均相对较差，棒材的表面硬度相对较高，其综合力学性能很难满足客户需求。
表3对比例1-6中制备高碳钢棒材的具体工艺参数
表4对比例1-6制备的棒材产品的机械性能
综上分析，相对于常规轧制生产方法，本发明提供的一种生产细晶粒高碳钢的轧制生产方法，通过控制轧制和控制冷却工艺可替代微合金化成分设计，节省合金量使用，节约大量生产成本，同时满足用户需求；本发明制备的大规格高碳钢棒材的抗拉强度≥680MPa，屈服强度≥350MPa，其金相组织为细小铁素体+珠光体，硬度普遍为210～220HBW，其晶粒度细小而均匀，轧制后的圆钢晶粒度至少可达7.0级，其综合力学性能均优于常规轧制工艺。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。本领域内的技术工程人员在不违背本发明的精神及范畴下，可对这些实施例作出变更和修改。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种细晶粒高碳钢，其特征在于，按照质量百分比，所述细晶粒高碳钢的化学成分包含：C：0.57～0.65％；Si：0.20～0.30％；Mn：0.60～0.90％；Cr≤0.08％；P≤0.020％；S≤0.020％；Al：0.010～0.025％；N：0.006～0.010％；其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的细晶粒高碳钢，其特征在于，所述细晶粒高碳钢的抗拉强度≥680MPa，屈服强度≥350MPa，硬度为210～220HBW；晶粒度≥7.0级；优选地，所述细晶粒高碳钢的规格为Φ50～100mm。
3.一种如权利要求1-2任一项所述的细晶粒高碳钢的轧制生产方法，其特征在于，所述方法包括将高碳钢连铸坯依次进行如下工序：
加热、除鳞、粗轧、连轧、穿水冷却、棒材减定径机组精轧、精轧后冷却；其中，所述加热工序中，所述加热包括预热段、加热一段、加热二段和均热段；
优选地，所述预热段的温度≤800℃；
优选地，所述加热一段的温度为1000～1050℃；
优选地，所述加热二段的温度为1050～1150℃；
优选地，所述均热段的温度为1180～1240℃；
优选地，所述加热工序中的总加热时间为3.5～5h；
优选地，所述均热段的均热时间为30～80min；
优选地，所述加热一段的温度低于所述加热二段的温度；
优选地，所述加热工序在四段步进式加热炉内进行；
优选地，所述高碳钢连铸坯的尺寸规格为300mm×400mm。
4.根据权利要求3所述的轧制生产方法，其特征在于，所述除鳞工序中，采用高压水除鳞以去氧化铁皮，所述高压水的压力25～30MPa；优选地，所述高压水的压力28～30MPa。
5.根据权利要求3所述的轧制生产方法，其特征在于，所述粗轧工序中，入口处钢料温度为950～1100℃；
优选地，所述入口处钢料温度为980～1050℃；
优选地，粗轧道次为5～7道次；再优选地，所述粗轧道次为6道次；
优选地，所述粗轧工序中使用的粗轧机共6架。
6.根据权利要求3所述的轧制生产方法，其特征在于，所述连轧工序包括中轧工序；
优选地，所述中轧工序的入口处钢料温度为900～950℃；
优选地，中轧道次为5～7道次；再优选地，所述中轧道次为6道次；
优选地，所述中轧工序中共设置5～7架中轧机；再优选地，所述中轧工序中共设置6架中轧机。
7.根据权利要求3所述的轧制生产方法，其特征在于，所述连轧工序还包括预精轧工序；
优选地，所述预精轧工序中，预精轧出口处钢料温度为870-950℃，预精轧道次为3～5道次；再优选地，所述预精轧道次为4道次；
优选地，所述预精轧工序中共设置3-5架预精轧机；再优选地，所述预精轧工序中共设置4架预精轧机。
8.根据权利要求3所述的轧制生产方法，其特征在于，所述穿水冷却工序中，将钢料表面温度冷却800～850℃；
优选地，所述穿水冷却的水冷速度为35～100℃/s，水压为0.2～0.6MPa。
9.根据权利要求3所述的轧制生产方法，其特征在于，所述棒材减定径机组精轧工序中，入口处钢料的温度为850～900℃；
优选地，所述棒材减定径机组精轧可采用KOCKS轧机、SMS精轧机和两辊精轧机中的一种轧机轧制；再优选地，所述棒材减定径机组精轧采用KOCKS轧制。
10.根据权利要求3所述的轧制生产方法，其特征在于，所述精轧后冷却工序包括第二次穿水冷却和冷床冷却，其中，
所述第二次穿水冷却将轧件冷却至表面温度为800～850℃时进行冷床冷却；
优选地，所述第二次穿水冷却的冷却速度为30～100℃/s；
再优选地，所述冷床冷却的具体方法为：将第二次穿水冷却后的轧件在冷床上空冷，或者将第二次穿水冷却后的轧件进行快速收集后堆冷，或者将第二次穿水冷却后的轧件在冷床上进行喷雾冷却，或者将第二次穿水冷却后的轧件在冷床上空冷至400℃以下入缓冷坑缓冷。
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2020
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