CN112095050B - 一种低合金高强度结构钢的生产方法 - Google Patents

一种低合金高强度结构钢的生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低合金高强度结构钢的生产方法，按照下列步骤进行生产，包括铁水脱硫预处理、转炉吹炼、转炉出钢渣洗原位去夹杂、钢包钢水底吹氩搅拌、板坯连铸，一是成分设计；二是转炉原料的要求和冶炼的控制；三是转炉出钢过程的脱氧合金化、渣料的成分配比和渣量的要求；四是连铸偏析的控制及无缺陷板坯的生产；五是板坯控轧、控冷。本发明有利于节能和降低制造成本，生产吨钢可降低工序成本40元以上。由于钢中的锰元素含量大幅度下降，可降低成本83元//吨钢，具有广泛的推广价值，可推广到不具备LF设备的钢厂生产高纯净度低合金高强钢。

Description

一种低合金高强度结构钢的生产方法
技术领域
本发明涉及一种低合金高强度结构钢的生产方法。
背景技术
低合金高强度钢的冶炼工艺通常采用废钢为原料电炉工艺(短流程)和以铁水为原料转炉冶炼、LF精炼(长流程)两种工艺路线。电炉工艺通常和LF配套，使用的主原料有废钢、少量的铁水(也可以使用全废钢)、合金等，少量的铁水利于废钢快速熔化，可以降低电炉冶炼成本，电炉起废钢、合金融化的作用，同时还可以吹氧脱磷可，钢水提温、成分微调、脱硫和去夹杂都在LF工序完成。
另外一种工艺是采用转炉、LF工艺精炼工艺(长流程)，主要原料是铁水，少量废钢，合金等。由高强度结构钢需要大量的合金强化，合金含量高，原工艺必须经LF精炼处理，LF的主要是提温、去夹杂、成分和温度调整。由于Q355B、于Q355D、等以上级别的高强度结构钢，主要依靠碳、锰元素以及添加少量的铌、钒、钛元素进行强化。合金元素含量高，需要加入的合金量大，转炉出钢过程钢水温降大，需要经LF提温，成分微调、造还原渣深脱硫、夹杂物去除等一系列处理钢水质量才能满足高强度结构钢的要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低合金高强度结构钢的生产方法，采用低能耗、低成本的方法生产高纯净度的高强度结构钢。
实现上述目的的一种低合金高强度结构钢的生产方法，按照下列步骤进行生产，包括铁水脱硫预处理→转炉吹炼→转炉出钢渣洗原位去夹杂→钢包钢水底吹氩搅拌→板坯连铸，
A、成分设计：成分组成以重量百分比：[C]：0.16～0.20％；[Si]：0.15-0.30％；[Mn]：0.35～0.45％；[P]：≤0.015％；[S]：≤0.006％％；[Nb]：0.010～0.020％；[Al]：0.015～0.040％；[N]：≤0.0045％，其它为铁和不可避免的杂质；
B、铁水脱硫预处理：高炉铁水扒渣，铁水罐投入脱硫剂进行脱硫预处理，脱硫剂为活性石灰和萤石，其中活性石灰占92％，萤石8％，脱硫剂加入量每吨铁水为5kg～5.5kg，KR法搅拌脱硫，脱硫后铁水罐顶渣中加入炉渣凝聚剂，其主要成分为CaO+MgO之和≤5％、AL2O3为25％，SiO2为65％，Na2O+K2O之和8％，软熔点温度≤1230℃，铁水预处理后的[S]含量小于0.002％；
C、转炉冶炼出钢过程的脱氧合金化及控制钢水增氮方法：(1)转炉首先装入废钢和氧化铁皮，然后兑入铁水；(2)转炉吹炼时，为防止二次吹氧时熔池冲击坑钢水裸露增氮，要求一次脱碳成功，其控制参数为供氧压力0.8～0.90MPa,流量25500～2650m3/h，强度为2.95～3.45Nm3/t·min，吹氧时间不大于16min，其中前8分钟，供氧强度3.10Nm3/t·min，后期为加强熔池搅拌，氧气流量提高到了26500m3/h，供氧强度提高到了3.3Nm3/t·min；转炉底吹氩搅拌供气强度全程为0.06～0.25Nm3/t.min；前半程时间长度不大于8分钟，为氮气，后半程为氩气，转炉出钢温度为1640～1680℃，转炉出钢[C]含量为0.08～0.11％，[P]含量不大于0.012％，[S]含量不大于0.008％；
D、转炉出钢渣洗：转炉出钢，吨钢加入0.30kg铝铁，然后吨钢加入1kg/t萤石和3kg/t石灰，为了调整钢包顶渣成分含量，依次加入0.4kg/t硅铁增加钢包顶渣的SiO2含量、钢包顶渣改制剂2.0-2.5kg/t，改质剂主要成分及含量CaO 25％、CaF25％、Al2O340-50％，SiO2不大于5％，Al含量为30％，钢包底吹氩强搅拌时间控制在8-12分钟；
E、连铸板坯偏析控制：(1)成分设计控制偏析：为了有效控制板坯偏析，结合控轧控冷工艺条件，成分设计上尽可能减少易偏析元素的含量，采用低锰、低P以及超低硫设计，[Mn]：0.35～0.45％；[P]：≤0.015％；[S]：≤0.006％；(2)连铸过程控制板坯偏析的方法：对于120吨钢包，钢包底吹氩强搅拌钢水温降为2.0～2.5℃，根据连铸板坯的断面，连铸上钢水温度控制在1575～1605℃；板坯连铸过程钢水的保温方法；中间包采用无碳高碱度覆盖剂，主要组分为铺展性好的高碱度覆盖剂石灰粉，主要成分CaO≥80％、S≤0.05％，SiO2≤8％、Al2O3≤5.0；连铸采用大包长水口采用密封圈+氩封保护，中间包浸入式水口+氩封保护浇铸；连铸时钢水[N]增量小于0.0005％；连铸板坯宽1510mm,板坯厚度250mm，设定板坯拉速为0.8～1.0m/min，0.90m/min为目标恒拉速连铸；连铸板坯凝固末端采用轻压下，压下量控制在3.0mm～4.0mm；
F、含铌钢连铸板坯角部裂纹控制：钢中的N含量不大于0.0045％，C含量设计为0.16-0.20％，采用强冷模式使连铸板坯的表面晶粒细化；
G、板坯轧制：板坯加热温度1170±25℃，板坯的粗轧返回温度1040±15℃；采用两阶段控制轧制，一阶段再结晶区轧制采用大压下破碎晶粒，在轧制高强度结构钢时使粗轧1个道次空过，增加中间坯厚度，粗轧的最后一道次和精轧的第一道次联合采用大压下量轧制，粗轧最后一道次下量120mm，精轧第1道次压下量16mm，设计的精轧温度860±20℃，二阶段开轧温度低于未再结晶温度，轧制后钢板快速冷却进一步细化组织晶粒，卷取温度540±20℃。
采用本发明方法生产的高强度结构钢，钢材力学性能(横向)检测显示，屈服强度386～432MPa，抗拉强度529～572MPa，断后伸长率24～29.5％，冲击功最低值为145，均值在150.5～227.5J之间，完全满足国家标准要求。由于锰含量的大幅度降低，使钢材的碳当量也随着大幅度降低，有利于提高钢材的焊接性能。
具体实施方式
本发明一种采用长流程生产高强度结构钢的方法属于长流程，其创新点是钢水去掉了LF精炼处理工序，成分设计上，降低钢水锰含量，减少锰合金加入量，也就减少了融化合金需要的热量，减少钢水出钢过程温降(转炉出钢前的钢水温度减去出钢后钢包钢水温降)，采用不容易氧化的铌元素作为合金强化元素，在转炉出钢过程添加低熔点的复合渣料。
本发明的实现方法：按照下列步骤进行生产，包括铁水脱硫预处理→转炉吹炼→转炉出钢渣洗原位去夹杂→钢包钢水底吹氩搅拌→板坯连铸，一是成分设计；二是转炉原料的要求和冶炼的控制；三是转炉出钢过程的脱氧合金化、渣料的成分配比和渣量的要求；四是连铸偏析的控制及无缺陷板坯的生产；五是板坯控轧、控冷。
1.成分设计：以Q355C为例，成分组成以重量百分比：[C]：0.16～0.20％；[Si]：0.15-0.30％；[Mn]：0.35～0.45％；[P]：≤0.015％；[S]：≤0.006％％；[Nb]：0.010～0.020％；[Al]：0.015～0.040％；；[N]：≤0.0045％，其它为铁和不可避免的杂质；
其创新点是，锰含量从原工艺的1.2％(高强度结构钢国内外普遍采用的成分含量)降低到0.4％，降低了三分之二，采用微量的铌强化，钢中铌含量为0.008-0.012％(目标值为0.010％)，减少钢水温降30～40℃。同样的转炉出钢温度，钢包温度可提高35℃，有利于转炉出钢化渣、脱硫、夹杂物去除。
2.铁水脱硫预处理：高炉铁水扒渣，铁水罐投入脱硫剂进行脱硫预处理，脱硫剂为活性石灰和萤石，其中活性石灰占92％，萤石8％，脱硫剂加入量每吨铁水为5～5.5kg，KR法搅拌脱硫，脱硫后铁水罐顶渣中加入炉渣凝聚剂(主要成分为CaO+MgO之和≤5％、AL2O3为25％，SiO2为65％，Na2O+K2O之和约8％，软熔点温度≤1230℃)使脱硫渣反干聚集，降低铁水回硫，利于脱硫渣扒除干净。铁水预处理后的[S]含量小于0.002％；
3.转炉冶炼出钢过程的脱氧合金化及控制钢水增氮方法：
(1)转炉首先装入废钢，同时装入氧化铁皮(轧钢过程的板坯除磷产物，主要成分为铁的氧化物利于转炉冶炼初期快速成渣，利于脱磷)，然后兑入铁水。
(2)转炉吹炼时，为防止二次吹氧时熔池冲击坑钢水裸露增氮，要求一次脱碳成功，尽量减少补吹，其控制参数为供氧压力0.8～0.90MPa,流量25500～2650m3/h，强度为2.95～3.45Nm3/t·min，吹氧时间不大于16min，其中前8分钟，供氧强度3.10Nm3/t·min，后期为加强熔池搅拌，氧气流量提高到了26500m3/h，供氧强度提高到了3.3Nm3/t·min；转炉底吹氩搅拌供气强度全程为0.06～0.25Nm3/t.min；前半程(不大于8分钟)为氮气，后半程为氩气，转炉出钢温度为1640～1680℃。转炉出钢[C]含量为0.08～0.11％，[P]含量不大于0.012％，[S]含量不大于0.008％。
4.转炉出钢渣洗：转炉出钢，为防止钢水在钢包内剧烈的反应而导致钢水大翻腾增氮(增大了钢水与空气的接触面积导致钢水氧化、吸氮)，严格控制铝铁的加入量，吨钢加入0.30kg铝铁，然后吨钢加入1kg/t萤石和3kg/t石灰(由于转炉挡渣出钢有效降低了钢包内的渣量，转炉带来的高氧势氧化渣量减少，有利于钢包氧化渣的还原改质，但少渣量容易使钢水在钢包底吹氩强搅拌时钢水裸露增氮。采用的方法增加钢包顶渣量，增加了石灰的加入量，并加入萤石)，为了调整钢包顶渣成分含量，利于脱硫和非金属夹杂的去除，依次加入0.4kg/t硅铁增加钢包顶渣的SiO2含量、钢包顶渣改制剂2.0-2.5kg/t((改质剂主要成分及含量CaO约25％、CaF2约5％、Al2O3约40-50％，SiO2不大于5％，Al含量为30％，)，钢包底吹氩强搅拌，提高钢包脱硫去夹杂效果。钢包底吹氩强搅拌时间控制在8-12分钟。经对钢水进行渣洗、顶渣改制，促使杂物在原位(原位使指夹杂在生成的位置形成低熔点的复合夹杂通过钢包底吹氩强搅拌改善钢水学条件，促使非金属夹杂碰撞、长大、快速上浮)上浮、吸附去除。
结合化验成分，钢水成分铝含量以喂铝线方式补充，满足控制要求。
5.无缺陷连铸板坯的生产：
5.1连铸板坯偏析控制：
(1)成分设计控制偏析：为了有效控制板坯偏析，结合控轧控冷工艺条件，成分设计上尽可能减少易偏析元素的含量，采用低锰、低P以及超低硫设计。[Mn]：0.35～0.45％；[P]：≤0.015％；[S]：≤0.006％。
(2)连铸过程控制板坯偏析的方法：精准控制上连铸时的钢水温度，解决办法是通过控制钢包底吹氩时间来精准控制钢水温度，通常120吨钢包，钢包底吹氩强搅拌钢水温降为2.0～2.5℃，根据连铸板坯的断面，连铸上钢水温度控制在1575～1605℃。
a、板坯连铸过程钢水的保温方法；中间包采用无碳高碱度覆盖剂，主要组分为铺展性好的高碱度覆盖剂％(石灰粉主要成分CaO≥80％、S≤0.05％，SiO2≤8％、Al2O3≤5.0。连铸采用大包长水口采用密封圈+氩封保护，中间包浸入式水口+氩封保护浇铸；一是防止钢水与空气接触，发生氧化，造成钢水在连铸过程增氮，连铸时钢水[N]增量小于0.0005％；二是起到保温作用，防止钢水温度下降过快。
b、连铸板坯宽1510mm,板坯厚度250mm，设定板坯拉速为0.8～0.1.0m/min，0.90m/min恒拉速连铸。连铸板坯凝固末端采用轻压下，压下量控制在3.0mm～4.0mm；通过以上方法生产的板坯中心偏析板坯不大于2.5级(曼内斯曼标准)。可满足轧制高强度结构钢Q355B\C\D的要求
5.2含铌钢连铸板坯角部裂纹控制：
由于含Nb钢板坯在固相线温度下具有较宽的热塑性低谷温度范围，连铸板坯生产过程中容易出现角横裂。主要原因是Nb的C、N化合物在奥氏体晶界析出的结果,通常称为晶界脆化，钢中Nb升高板坯晶界脆化的温度也随着升高，因此科学配比Nb含量和降低钢中的N含量是控制角部横裂纹的有效方法之一。本发明要求钢中的N含量不大于0.0045％，由于省略了LF精炼处理工序，也不存在LF精炼过程增氮，钢中氮含量更容易控制。C含量在0.12～0.15％内的包晶钢，板坯表面晶粒最粗大，故最易产生裂纹。因此本发明的C含量设计为0.16-0.20％，避开了裂纹敏感区，有利于防止板坯角部横裂纹的产生；奥氏体晶粒越粗大和越弥散细小的析出，越容易产生裂纹，解决含铌钢的角部横裂纹，连铸的二次冷却是关键，采用强冷模式使连铸板坯的表面晶粒细化。
6.板坯轧制：
本发明可生产厚度为5.5～12mm的Q355C热轧钢卷或横切板。轧制采用1750热连轧轧机轧制，具有可逆式粗轧机1架，精轧6机架。
由于强化元素的含量降低，就要在轧制和冷却过程中弥补，否则会导致钢材的拉伸性能不能满足标准要求。
其方法是：首先根据成分含量，计算出Nb的析出温度，确定板坯加热温度1170±25℃。板坯的粗轧返回温度1040±15℃。
采用两阶段控制轧制，一阶段再结晶区轧制采用大压下破碎晶粒。创新点是；根据钢板厚度要求，通常的工艺是粗轧采用5道次或7道次轧制，本发明在轧制高强度结构钢时可使粗轧1个道次空过，增加中间坯厚度，粗轧的最后一道次和精轧的第一道次联合采用大压下量轧制，粗轧最后一道次下量120mm，精轧第1道次压下量16mm，以达到破碎晶粒的目的。设计的精轧温度860±20℃，二阶段开轧温度低于未再结晶温度，轧制后钢板快速冷却进一步细化组织晶粒,卷取温度540±20℃。
7.钢材力学性能：钢材力学性能(横向)检测显示，屈服强度386～432MPa，抗拉强度529～572MPa，断后伸长率24～29.5％，冲击功最低值为145，均值在150.5～227.5J之间，完全满足国家标准要求。由于锰含量的大幅度降低，使钢材的碳当量也随着大幅度降低，有利于提高钢材的焊接性能。
8.生产实例验证：
(1)熔炼成品成分和板坯质量：
采用本方法生产7炉，生产250mm×1510mm×10500mm板坯28块，806吨，熔炼成品[S]≤0.006％、[N]≤0.0042％、[C]0.17～0.18％；具体成分见表1。
板坯偏析抽检显示1#、3#、5#、7#试样分别为2.4级、1.9级、2.0级、2.3级(判定标准为曼内斯曼标准)。板坯角部不存在角横裂缺陷，全部热送轧钢厂，并热装和冷装两种模式轧制。热装模式，板坯入炉温度大于500℃，冷装模式，板坯冷却至常温。
分冷装和热装两种模式进行轧制。
表1采用本发明方法生产的高强度结构钢Q355C成品实绩
炉号 C Si Mn P S Cu Ni Cr Nb Al CEV N
1# 0.17 0.17 0.40 0.012 0.0060 0.011 0.007 0.019 0.014 0.021 0.24 0.0024
2# 0.17 0.17 0.35 0.014 0.0038 0.021 0.009 0.016 0.016 0.025 0.23 0.0029
3# 0.18 0.18 0.39 0.012 0.0040 0.022 0.008 0.013 0.013 0.029 0.25 0.0033
4# 0.18 0.19 0.43 0.013 0.0060 0.010 0.008 0.018 0.018 0.023 0.25 0.0040
5# 0.18 0.16 0.43 0.012 0.0053 0.010 0.009 0.017 0.017 0.016 0.26 0.0039
6# 0.18 0.17 0.40 0.009 0.0040 0.015 0.008 0.021 0.012 0.018 0.25 0.0042
7# 0.17 0.16 0.36 0.010 0.0055 0.009 0.008 0.017 0.013 0.022 0.23 0.0042
最小值 0.17 0.16 0.35 0.009 0.0038 0.009 0.007 0.013 0.012 0.018 0.23 0.0024
最大值 0.18 0.19 0.43 0.014 0.0060 0.022 0.009 0.021 0.018 0.021 0.26 0.0042
平均值 0.176 0.171 0.394 0.012 0.0049 0.014 0.008 0.017 0.015 0.024 0.247 0.0036
(2)轧后钢材力学性能：
表2采用本方法生产的高强度结构钢Q355C钢材性能
Figure GDA0003117687090000081
Figure GDA0003117687090000091
钢材力学性能(横向)检测显示，屈服强度386～432MPa，抗拉强度529～572MPa，断后伸长率24～29.5％，0℃冲击功最低值为145，均值在150.5～227.5J之间，完全满足国标要求(国标要求≥27J)
(3)钢材的晶粒度和纯净度检测：
以上7炉钢轧后钢材抽检，组织为铁素体+珠光体，晶粒度在9.0级至9.5级之间。非金属夹杂物最大为B类细1.5级，完全纯净钢的要求。
表3本发明方法生产的高强度结构钢Q355C钢材纯净度检测结果
Figure GDA0003117687090000092
9.生产方法与原工艺比较：本发明有利于节能和降低制造成本，原工艺钢水需要LF精炼处理，增加了工序成本(电耗、物料消耗等)，采用本工艺生产吨钢可降低工序成本40元以上。由于钢中的锰元素含量大幅度下降，促使合金成本降低(锰可降低成本88元/吨钢，铌可增加成本45元/吨钢)，吨钢可降低合金成本43元/吨钢，两项合计可降低成本83元//吨钢，具有广泛的推广价值，可推广到不具备LF设备的钢厂生产高纯净度低合金高强钢。

Claims (1)

1.一种低合金高强度结构钢的生产方法，按照下列步骤进行生产，包括铁水脱硫预处理→转炉吹炼→转炉出钢渣洗原位去夹杂→钢包钢水底吹氩搅拌→板坯连铸，其特征在于：
A、成分设计：成分组成以重量百分比：[C]：0.16～0.20％；[Si]：0.15-0.30％；[Mn]：0.35～0.45％；[P]：≤0.015％；[S]：≤0.006％％；[Nb]：0.010～0.020％；[Al]：0.015～0.040％；[N]：≤0.0045％，其它为铁和不可避免的杂质；
B、铁水脱硫预处理：高炉铁水扒渣，铁水罐投入脱硫剂进行脱硫预处理，脱硫剂为活性石灰和萤石，其中活性石灰占92％，萤石8％，脱硫剂加入量每吨铁水为5kg～5.5kg，KR法搅拌脱硫，脱硫后铁水罐顶渣中加入炉渣凝聚剂，其主要成分为CaO+MgO之和≤5％、AL2O3为25％，SiO2为65％，Na2O+K2O之和8％，软熔点温度≤1230℃，铁水预处理后的[S]含量小于0.002％；
C、转炉冶炼出钢过程的脱氧合金化及控制钢水增氮方法：(1)转炉首先装入废钢和氧化铁皮，然后兑入铁水；(2)转炉吹炼时，为防止二次吹氧时熔池冲击坑钢水裸露增氮，要求一次脱碳成功，其控制参数为供氧压力0.8～0.90MPa,流量25500～2650m3/h，强度为2.95～3.45Nm3/t·min，吹氧时间不大于16min，其中前8分钟，供氧强度3.10Nm3/t·min，后期为加强熔池搅拌，氧气流量提高到了26500m3/h，供氧强度提高到了3.3Nm3/t·min；转炉底吹氩搅拌供气强度全程为0.06～0.25Nm3/t.min；前半程时间长度不大于8分钟，为氮气，后半程为氩气，转炉出钢温度为1640～1680℃，转炉出钢[C]含量为0.08～0.11％，[P]含量不大于0.012％，[S]含量不大于0.008％；
D、转炉出钢渣洗：转炉出钢，吨钢加入0.30kg铝铁，然后吨钢加入1kg/t萤石和3kg/t石灰，为了调整钢包顶渣成分含量，依次加入0.4kg/t硅铁增加钢包顶渣的SiO2含量、钢包顶渣改制剂2.0-2.5kg/t，改质剂主要成分及含量CaO25％、CaF25％、Al2O340-50％，SiO2不大于5％，Al含量为30％，钢包底吹氩强搅拌时间控制在8-12分钟；
E、连铸板坯偏析控制：(1)成分设计控制偏析：为了有效控制板坯偏析，结合控轧控冷工艺条件，成分设计上尽可能减少易偏析元素的含量，采用低锰、低P以及超低硫设计，[Mn]：0.35～0.45％；[P]：≤0.015％；[S]：≤0.006％；(2)连铸过程控制板坯偏析的方法：对于120吨钢包，钢包底吹氩强搅拌钢水温降为2.0～2.5℃，根据连铸板坯的断面，连铸上钢水温度控制在1575～1605℃；板坯连铸过程钢水的保温方法；中间包采用无碳高碱度覆盖剂，主要组分为铺展性好的高碱度覆盖剂石灰粉，主要成分CaO≥80％、S≤0.05％，SiO2≤8％、Al2O3≤5.0；连铸采用大包长水口采用密封圈+氩封保护，中间包浸入式水口+氩封保护浇铸；连铸时钢水[N]增量小于0.0005％；连铸板坯宽1510mm,板坯厚度250mm，设定板坯拉速为0.8～1.0m/min，0.90m/min为目标恒拉速连铸；连铸板坯凝固末端采用轻压下，压下量控制在3.0mm～4.0mm；
F、含铌钢连铸板坯角部裂纹控制：钢中的N含量不大于0.0045％，C含量设计为0.16-0.20％，采用强冷模式使连铸板坯的表面晶粒细化；
G、板坯轧制：板坯加热温度1170±25℃，板坯的粗轧返回温度1040±15℃；采用两阶段控制轧制，一阶段再结晶区轧制采用大压下破碎晶粒，在轧制高强度结构钢时使粗轧1个道次空过，增加中间坯厚度，粗轧的最后一道次和精轧的第一道次联合采用大压下量轧制，粗轧最后一道次下量120mm，精轧第1道次压下量16mm，设计的精轧温度860±20℃，二阶段开轧温度低于未再结晶温度，轧制后钢板快速冷却进一步细化组织晶粒，卷取温度540±20℃。
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