CN112522593B

CN112522593B - 一种薄规格30CrMo热轧钢板/带及其生产方法

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Publication number: CN112522593B
Application number: CN201910889384.XA
Authority: CN
Inventors: 吴建春; 方园
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2019-09-19
Filing date: 2019-09-19
Publication date: 2022-06-24
Anticipated expiration: 2039-09-19
Also published as: CN112522593A

Abstract

一种薄规格30CrMo热轧钢板/带及其生产方法，利用废钢中残余的Sn、Cu等元素进行钢水冶炼，并有选择地添加Mo、Cr等微合金元素和B、N元素；冶炼过程中通过控制渣的碱度、钢中夹杂物类型及熔点、钢水中的游离氧含量、酸溶铝Als含量；然后进行双辊薄带连铸浇铸出铸带，铸带出结晶辊后直接进入到一个有非氧化性气氛的下密闭室中，并在密闭情况下进入到在线轧机进行热轧，轧后带钢采用气雾化冷却方式进行冷却。本发明薄规格30CrMo热轧钢板/带组织性能均匀、内部无缩松/缩孔、脱碳层少、淬透性好、可切削性及可加工性好；且可实现“一火成材”，可广泛应用于机械制造、石油化工、锅炉制造业以及锯片刀模等行业。

Description

一种薄规格30CrMo热轧钢板/带及其生产方法

技术领域

本发明属于冶金行业连铸工艺和产品，具体涉及一种薄规格30CrMo热轧钢板/带及其生产方法。

背景技术

在传统钢铁生产流程中，锡(Sn)、铜(Cu)是钢中典型的残余元素或有害元素，炼钢过程中要充分地去除Sn、Cu非常困难而且也是非常昂贵，一旦钢中含有Sn、Cu，基本是无法彻底消除的，只能通过稀释钢水来降低Sn、Cu的含量，这些都造成钢铁产品冶炼成本的升高。

近年来，由于废钢的连续循环利用，废钢资源越来越多，电价也持续降低，国内基于废钢的短流程电炉炼钢日益兴起，导致钢中的Sn、Cu等残余元素的含量逐渐升高，钢中的Sn、Cu是易偏析元素，容易富集在晶界导致裂纹等缺陷发生，因此在传统的工艺中Sn、Cu元素的含量是被严格控制的，在普通结构用钢中，对Sn、Cu的含量均有明确的要求：Sn(wt％)≤0.005％；Cu(wt％)≤0.2％。

因此，如果能对钢(特别是废钢)中Sn、Cu等残余元素做到合理利用，“化害为利”，将对整个冶金界产生积极的影响；可以实现对现有废钢或低品质劣质矿资源(高锡矿、高铜矿)的有效利用，促进钢的循环利用，降低生产成本，实现钢铁业可持续发展。

传统的薄带钢大都是由厚达200-250mm的铸坯经过多道次连续轧制生产出来的，传统热轧工艺流程是：连铸+铸坯再加热保温+粗轧+精轧+冷却+卷取，即首先通过连铸得到厚度为200mm左右的铸坯，对铸坯进行再加热并保温后，再进行粗轧和精轧，得到厚度一般大于2mm的钢带，最后对钢带进行层流冷却和卷取，完成整个热轧生产过程。如果要生产厚度小于2.0mm(含)的钢带，则难度相对较大，通常要对热轧钢带进行后续冷轧以及退火来完成。且工艺流程长、能耗高、机组设备多、基建成本高，导致生产成本较高。

薄板坯连铸连轧工艺流程是：连铸+铸坯保温均热+热连轧+冷却+卷取。该工艺与传统工艺的主要区别是：薄板坯工艺的铸坯厚度大大减薄，为50-120mm，由于铸坯薄，铸坯只要经过1～2道次粗轧(铸坯厚度为70-90mm时)或者不需要经过粗轧(铸坯厚度为50mm时)，而传统工艺的连铸坯要经过反复多道次轧制，才能减薄到精轧前所需规格；而且薄板坯工艺的铸坯不经冷却，直接进入均热炉进行均热保温，或者少量补温，因此薄板坯工艺大大缩短了工艺流程，降低了能耗，减少了投资，从而降低了生产成本。但薄板坯连铸连轧由于较快的冷速会导致钢材强度提高，屈强比提高，从而增加轧制载荷，使得可经济地生产热轧产品的厚度规格也不可能太薄，一般为≥1.5mm，见中国专利CN200610123458.1，CN200610035800.2以及CN200710031548.2。

近年来兴起的一种全无头薄板坯连铸连轧工艺(简称：ESP)，是在上述半无头薄板坯连铸连轧工艺的基础上发展起来的一种改进工艺，ESP实现了板坯连铸的无头轧制，取消了板坯火焰切割和起保温均热、板坯过渡作用的加热炉，整条产线长度大大缩短到190米左右。连铸机连铸出来的板坯厚度在90-110mm，宽度在1100-1600mm，连铸出来的板坯通过一段感应加热辊道对板坯起到保温均热的作用，然后再依次进入粗轧、精轧、层冷、卷取工序得到热轧板。这种工艺由于实现了无头轧制，可以得到最薄0.8mm厚度的热轧板，拓展了热轧板的规格范围，再加上其单条产线产量可达220万t/年规模。目前该工艺得到了快速发展和推广，目前世界上已有多条ESP产线在运营生产。

比薄板坯连铸连轧更短的工艺流程是薄带连铸连轧工艺，薄带连铸技术是冶金及材料研究领域内的一项前沿技术，它的出现为钢铁工业带来一场革命，它改变了传统治金工业中钢带的生产过程，将连续铸造、轧制、甚至热处理等整合为一体，使生产的薄带坯经过一道次在线热轧就一次性形成薄钢带，实现薄钢带产品的“一火成材”，大大简化了生产工序，缩短了生产周期，其工艺线长度仅50m左右；设备投资也相应减少，产品成本显著降低，是一种低碳环保的热轧薄带生产工艺。双辊薄带连铸工艺是薄带连铸工艺的一种主要形式，也是世界上唯一实现产业化的一种薄带连铸工艺。

双辊薄带连铸典型的工艺流程如图1所示，大包1中的熔融钢水通过大包长水口2、中间包3、浸入式水口4以及布流器5直接浇注在一个由两个相对转动并能够快速冷却的结晶辊8a、8b和侧封装置6a、6b围成的熔池7中，钢水在结晶辊8a、8b旋转的周向表面凝固形成凝固壳并逐渐生长，进而在两结晶辊辊缝隙最小处(nip点)形成2-5mm厚的铸带11，铸带经由导板9导向夹送辊12送入轧机13中轧制成0.7-2.5mm的薄带，随后经过冷却装置14冷却，经飞剪装置16切头后，最后送入卷取机19卷取成卷。

30CrMo合金钢具有较高的强度和韧性，淬透性好，在淬火低温回火后、淬火高温回火后都具有优异的综合力学性能等优点。该钢种经调质后，在低于550℃以下具有较高的强度，而且低温韧性好，并且无回火脆性，焊接性能和可切削性可加工性良好。30CrMo广泛应用于机械制造、石油化工、锅炉制造业以及锯片刀模行业等，据市场统计，薄规格的30CrMo市场用量在10-15万t/年，市场用量和未来潜力巨大。30CrMo钢中Cr、Mo元素的合理配合，使钢具有良好的常温和高温性能，在获得致密组织、高强度的同时而不显著降低塑性，同时，还提高了钢的淬透性，增加回火时的稳定性，消除回火脆性与高温时晶粒长大的倾向。

目前，30CrMo钢板/带的主流生产工艺流程为：转炉/电炉—精炼—常规厚板坯连铸—步进式加热炉—粗轧—多机架精轧—层流冷却—卷取。这种传统的生产流程生产出来的30CrMo钢板/带，主要存在以下问题：

(1)成分偏析和内部疏松：由于钢中合金含量较高，厚板坯连铸时的拉速较低，钢水凝固缓慢，容易造成板坯内部严重的成分偏析和内部疏松，最终导致产品质量性能不均匀；

(2)表面脱碳：因钢中含碳量较高，采用步进式加热炉加热板坯，加热时间长，温度高，会导致铸坯表面脱碳严重，直接影响产品的表面硬度、耐磨性和热稳定性；

(3)铸坯表面和边部裂纹严重：30CrMo的液相线温度较低，厚板坯连铸速度慢，导致铸坯温度低，进入高温脆性区后容易在铸坯表面和边部产生裂纹，直接影响产品质量。

薄规格30CrMo热轧钢板/带产品规格特征厚度1.5-3.0mm，由于产品厚度较薄，假如采用上述传统的连铸+热连轧产线进行生产将更加困难。即使采用薄板坯连铸连轧生产，由于板坯厚度也要达到70-120mm，在铸坯尺寸厚度上与传统厚板坯连铸(铸坯厚度200-250mm)没有出现数量级、本质上的差异，因此无法从根本上解决元素偏析问题；同时，连铸出来的板坯仍然要经过隧道式加热炉或电磁感应加热段，材料表面脱碳问题也无法完全消除；此外轧制较薄的规格，会导致轧辊的辊耗也较大。因此，采用传统的厚板坯连铸还是薄板坯连铸生产工艺流程，都无法完全解决30CrMo钢生产出现的问题，而且生产出来的薄规格30CrMo热轧钢板/带的生产成本也会非常高。

另外，热轧带钢作为薄规格热轧板产品使用时，对带钢表面质量要求很高。一般要求带钢表面氧化皮的厚度越薄越好，这就需要在铸带后续的各个阶段控制氧化铁皮的生成，如在图1所示的典型工艺中，在结晶辊8直至轧机13入口均采用密闭室装置10防止铸带氧化，在密闭室装置10内如专利US6920912添加氢气以及在专利US20060182989中控制氧气含量小于5％，均可以控制铸带表面的氧化皮厚度。但是在轧机至卷取这段输送过程如何控制氧化皮的厚度很少有关专利涉及，尤其是在采用层流冷却或喷淋冷却对带钢进行冷却的过程中，高温的带钢与冷却水接触，铸带表面的氧化皮厚度增长很快。同时，高温的带钢与冷却水接触还会带来很多问题：其一，会在带钢表面形成水斑(锈斑)，影响表面质量；其二，层流冷却或喷淋冷却用的冷却水容易造成带钢表面局部冷却不均匀，造成带钢内部微观组织的不均匀，从而造成带钢性能的不均匀，影响产品质量；其三，带钢表面局部冷却不均匀，会造成板形的恶化，影响板形质量。

诚然，薄带连铸由于其本身的快速凝固工艺特性，生产出来的产品会普遍存在组织不均匀、延伸率偏低、性能不均匀等问题，这是由于铸带内部的奥氏体晶粒具有明显的不均匀性，会导致奥氏体相变后所获得的最终产品组织也不均匀，从而导致产品的性能特别是延伸率和成形性能不稳定；同时，薄带连铸在生产较高碳含量的钢种时，由于凝固收缩，钢液来不及补缩，容易在铸带中心区域附近出现内部缩松/缩孔问题。

因此，采用薄带连铸工艺来生产薄规格30CrMo热轧钢板/带产品，同样具有一定难度和挑战，需要在成分和工艺上有突破。

发明内容

本发明的目的在于提供一种薄规格30CrMo热轧钢板/带及其生产方法，有效改善组织均匀性，解决内部缩松缩孔问题，提高产品质量和性能，实现薄规格30CrMo热轧钢板/带的“一火成材”；本发明生产的薄规格30CrMo热轧钢板/带是机械制造、石油化工、锅炉制造业以及锯片刀模行业薄规格用钢领域的理想用材。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

本发明充分利用废钢中残余的Sn、Cu等元素进行钢水的冶炼，并在钢中有选择地添加Mo、Cr等微合金元素和B、N元素；冶炼过程中通过控制渣的碱度、钢中夹杂物类型及熔点、钢水中的游离氧含量、酸溶铝Als含量；然后进行双辊薄带连铸浇铸出2.0-5.0mm厚的带钢，在带钢出结晶辊后，直接进入到一个有非氧化性气氛的下密闭室中，并在密闭情况下进入到在线轧机进行热轧至1.5-3.0mm；轧制后的带钢采用气雾化冷却方式对带钢进行冷却，气雾化冷却方式可以有效减小带钢表面氧化皮厚度，改善带钢温度均匀性，提高带钢性能均匀性和表面质量。采用本发明所述方法生产的薄规格30CrMo热轧钢板/带，组织性能均匀、内部无缩松/缩孔、脱碳层少、淬透性好、可切削性及可加工性好；该制造方法实现了薄规格30CrMo热轧钢板/带的“一火成材”，生产效率大大提高，生产成本大大降低，是一种低碳、绿色环保产品。

具体的，本发明所述的一种薄规格30CrMo热轧钢板/带，其化学成分重量百分比为：C：0.24-0.34％，Si：0.1-0.5％，Mn：0.6-1.5％，P≤0.03％，S≤0.007％，Cr：0.80-1.50％，Mo：0.10-0.30％，N：0.004-0.010％，Als：<0.001％，B：0.001-0.006％，总氧[O]_T：0.007-0.020％；余量为Fe和不可避免杂质，且同时满足：

还含有Cu：0.10-0.60％或Sn：0.005-0.04％中的一种或两种元素；

Mn/S>250。

本发明所述热轧钢板/带的显微组织为针状铁素体(AF)+块状铁素体(PF)+珠光体(P)。

所述热轧钢板/带的抗拉强度≦900MPa，硬度≦HRC25。

在本发明钢的成分设计中：

C：C是钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化来提高钢的强度，是保证淬火硬度和淬透性的重要元素。C是奥氏体转变过程中析出渗碳体必不可少的元素，因此C含量的高低在很大程度上决定钢的强度级别，即较高的C含量对应较高的强度级别。但是，C含量不能过高，太高会导致轧制时变形抗力高，调质热处理后韧性降低，还会影响焊接性能。同时，对常规板坯连铸来说，在包晶反应区浇铸易产生铸坯表面裂纹，严重时会发生漏钢事故。对薄带连铸来说也同样如此，在包晶反应区浇铸铸带坯易发生表面裂纹，严重时会发生断带。因此，Fe-C合金的薄带连铸同样需要避开包晶反应区。故本发明采用的C含量范围是0.24-0.34％。

Si：Si在钢中起固溶强化作用，且钢中加Si能协助脱氧形成硅酸盐，有助于改善切削加工性能，同时能提高钢质纯净度，但Si含量过高会影响可焊性和增加钢的脆性。故本发明采用的Si含量范围是0.1-0.5％。

Mn：Mn是价格最便宜的合金元素之一，它能提高钢的淬透性和淬火硬度，在钢中具有相当大的固溶度，通过固溶强化提高钢的强度，同时对钢的塑性和韧性基本无损害，是提高钢的强度最主要的强化元素，跟Si配合，还可以在钢中起到脱氧的作用。但Mn含量过高会导致铸带热应力和组织应力加大，容易断带。故本发明采用的Mn含量范围是0.6-1.5％。

P：高含量的P容易在晶界偏析，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。在薄带连铸工艺中，铸带的凝固和冷却速率极快，可有效抑制P的偏析，从而可有效避免P的劣势，充分发挥P的优势。故在本发明中，采用较传统工艺生产时高的P含量，适当放宽P元素的含量，炼钢工序中取消脱磷工序，在实际操作中，不需要刻意进行脱磷工序，也不需要额外添加磷，P含量的范围≤0.03％。

S：在通常情况下S是钢中有害元素，使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在轧制时造成裂纹。S还会降低焊接性能和耐腐蚀性。故在本发明中，S作为杂质元素来控制，其含量范围是≤0.007％。且，Mn/S>250。

Als：为控制钢中的夹杂物，本发明要求不能用Al脱氧，耐材的使用中，也应尽量避免Al的额外引入，严格控制酸溶铝Als的含量：<0.001％。

N：与C元素类似，N元素可通过间隙固溶提高钢的强度，本发明要利用钢中的N跟B作用生成BN的析出相，需要钢中有一定的N含量。同时适量的N可以促进调质热处理过程中碳氮化物的析出，提高钢在切削、机械加工过程中的红硬性；但过高的N含量会损坏钢的韧性，也会增加铸带的脆性，降低可制造性。因此，本发明采用的N含量范围是0.004-0.010％。

Cr：不仅是提高钢的淬透性的元素，还可以有效提高钢的高温抗氧化性和抗蠕变性能，在薄规格30CrMo热轧钢中添加Cr，一是用于提高钢的淬透性、高温强度和蠕变强度，二是还有二次硬化作用，可提高钢的硬度和耐磨性能，不使钢变脆；Cr与废钢中的Cu配合还有提高钢的耐腐蚀性能的作用。但是其含量太高会导致轧制时变形抗力高，调质热处理后韧性降低，影响用户的切削加工，本发明中将Cr含量限定在0.80-1.50％。

Mo：Mo可以细化晶粒，提高强度和韧性。Mo一部分固溶于铁素体中，强化了铁素体基体，另一部分以碳化物弥散存在于钢中，因此含Mo钢同时具有固溶强化和碳化物弥散强化的作用。Mo由于高温下在铁素体中扩散速度较慢，因而还可显著提高钢的高温强度和回火稳定性。但过高的Mo会显著增加钢的原料冶炼成本。因此本发明中将Mo含量限定在0.10-0.30％。

Cu：在钢中主要起固溶和沉淀强化作用，Cu与Cr的共同作用，还可以提高30CrMo钢耐腐蚀性，使本发明钢适用于一些腐蚀性场合，而且耐候不容易生锈。值得说明的是，本发明利用废钢作为原料，冶炼时无需额外添加Cu。由于Cu是易偏析元素，传统工艺流程中一般对Cu含量有较严格的控制。运用薄带连铸的快速凝固效应，本发明将Cu的上限提高到0.60％。Cu含量的提高，在一定意义上可以充分利用废钢，可以在废钢原料准备时不加筛选，提高冶炼作业率和降低成本，促进钢的循环利用，实现可持续发展的目的；还可实现劣质矿资源(如高铜矿)中铜的有效利用。

Sn：也是废钢中的主要残余元素之一，它被公认为钢中的有害元素，因为Sn是易偏析元素，少量的Sn就会在晶界富集，导致是裂纹等缺陷发生，因此在传统的工艺中Sn元素的含量是被严格控制的。薄带连铸由于快速凝固的特点，元素在枝晶间的偏析大大减小，可以大大提高元素的固溶量，因此在薄带连铸工艺条件下，Sn元素的范围可以扩大，因此可以大大降低炼钢成本。图2是Sn元素与平均热流密度的关系。由图2可见，当Sn加入量小于0.04％时，对热流密度的影响不大，即对薄带凝固过程没有影响。图3是Sn含量与表面粗糙度的关系。因为铸带表面的裂纹通常都是在铸带表面凹凸不平的皱褶处产生，用表面粗糙度来表征表面裂纹发生情况。如果粗糙度大，则裂纹发生的概率高。由图3可知，Sn含量的增加，在快速凝固条件下并没有对铸带的表面质量产生不良的影响。由图2和图3的结果可知，Sn没有对铸带的凝固和表面质量产生不良影响。故在本发明中，对Sn含量的要求可进一步放宽，设计Sn的含量范围在0.005-0.04％。

B：B在钢中的显著作用是：极微量的硼就可以使钢的淬透性成倍增加，B可以在高温奥氏体中优先析出粗大的BN颗粒从而抑制细小AlN的析出，减弱细小AlN对晶界的钉扎作用，提高晶粒的生长能力，从而粗化和均匀化奥氏体晶粒，有利于改善钢卷产品的可加工性能，利于后续用户进行切削或机械加工；另外B与N的结合可以有效防止晶界低熔点相B₂O₃的出现，从而避免热脆。

B是活泼易偏析元素，容易在晶界偏聚，传统工艺生产含B钢时，B含量一般控制的非常严格，一般在0.001-0.003％左右；而在薄带连铸工艺中，凝固和冷却速率较快，可有效抑制B的偏析，固溶更多的B含量，因此B的含量可以适当放宽；还可以通过合理的工艺控制生成粗大的BN颗粒，抑制细小的AlN析出，起到固氮的作用。还有研究表明，B在和Mo复合添加时，会得到更好的效果，会减小C原子的偏聚倾向，避免了晶界Fe₂₃(C,B)₆的析出，因此可以添加更多的B。故在本发明中，采用较传统工艺更高的B含量，范围是0.001-0.006％。

本发明所述的薄规格30CrMo热轧钢板/带的生产方法，其包括如下步骤：

1)冶炼、连铸

按照上述成分进行冶炼，炼钢过程造渣的碱度a＝CaO/SiO₂控制在a<1.5，优选a<1.2，或a＝0.7-1.0；钢水中低熔点MnO-SiO₂-Al₂O₃三元夹杂物中的MnO/SiO₂控制在0.5～2，优选为1～1.8；钢水中的自由氧[O]_Free含量为：0.0005-0.005％；Mn/S>250；

连铸采用双辊薄带连铸，在两结晶辊辊缝隙最小处形成2.0-5.0mm厚的铸带，结晶辊直径在500-1500mm之间，优选为800mm，结晶辊内部通水冷却，浇铸速度为40-100m/min；控制大包开浇温度范围1580-1610℃；连铸布流采用两级钢水分配布流系统，即中间包+布流器；

2)下密闭保护

铸带出结晶辊后，铸带温度在1360-1430℃，直接进入到下密闭室内，下密闭室内通非氧化性气体，下密闭室内的氧浓度控制在<5％，下密闭室出口铸带的温度在1150-1280℃；

3)在线热轧

铸带在下密闭室内经夹送辊将铸带送至轧机，轧制成1.5-3.0mm厚度的钢带，轧制温度为1100-1250℃，热轧压下率为10-50％，优选地，热轧压下率为30-50％；

4)轧后冷却

对在线热轧后的钢带进行轧后冷却，冷却采用气雾化冷却方式，气雾化冷却的冷却速率为10-100℃/s；

5)卷取

冷却后的热轧带钢经切头剪切除质量较差的头部后，直接进行卷取成卷；控制热轧带钢的卷取温度700～760℃。

进一步，还包括：步骤6)调质热处理，840-880℃油淬，400-440℃回火。

优选的，步骤1)中，本发明冶炼采用通过电炉炼钢，冶炼的原料可以从真正意义上实现100％全废钢冶炼，无需进行预筛选，大大降低原料成本；如果冶炼采用转炉炼钢，废钢按占冶炼原料20％以上的比例加入转炉，且无需预筛选，最大限度提高转炉废钢比，大大降低冶炼成本和能耗。

优选的，步骤2)中，所述非氧化性气体包括N₂、Ar、干冰升华得到的CO₂气体。

优选的，步骤4)中，气雾化冷却的气水比为15：1～10：1，气压0.5～0.8MPa，水压1.0～1.5MPa。

优选的，步骤5)中，卷取采用双卷取机形式，或采用卡罗塞尔卷取形式。

在本发明生产方法中：

为提高薄带连铸钢水的可浇铸性，炼钢过程造渣的碱度a＝CaO/SiO₂控制在a<1.5，优选a<1.2，或a＝0.7-1.0。

为提高薄带连铸钢水的可浇铸性，需要获得低熔点MnO-SiO₂-Al₂O₃三元夹杂物，如图4的阴影区域，MnO-SiO₂-Al₂O₃三元夹杂物中的MnO/SiO₂控制在0.5～2，优选为1～1.8。

为提高薄带连铸钢水的可浇铸性，钢中的氧(O)是形成氧化夹杂物的必要元素，本发明需要形成低熔点的MnO-SiO₂-Al₂O₃的三元夹杂物，要求钢水中的自由氧[O]_Free范围为：0.0005-0.005％。

为提高薄带连铸钢水的可浇铸性，上述成分中，Mn和S的控制须满足如下关系式：Mn/S>250。

本发明结晶辊直径在500-1500mm之间，优选800mm；结晶辊内部通水冷却。根据铸带厚度不同，铸机的浇铸速度范围介于40-100m/min。

本发明设计的30CrMo钢种液相线温度在1500℃左右，控制大包开浇温度范围1580-1610℃。

下密闭室内通非氧化性气体保护带钢，实现对带钢的防氧化保护，下密闭室内的氧浓度控制在<5％。下密闭室对铸带的防氧化保护到轧机13入口，下密闭室出口铸带的温度在1150-1280℃。

铸带在下密闭过程中涉及到的BN析出相的理论基础：

钢中硼与氮、铝和氮在γ-Fe中的热力学方程如下：

BN＝B+N；Log[B][N]＝-13970/T+5.24 (1)

AlN＝Al+N；Log[Al][N]＝-6770/T+1.03 (2)

如图5所示，钢中BN的开始析出温度在1280℃左右，980℃时BN的析出趋于平衡，而此时AlN的析出才刚刚开始(AlN的析出温度在980℃左右)，从热力学上讲，BN的析出要优先于AlN。本发明在下密闭室内完成B与N的结合，生成粗大的BN颗粒，从而抑制了细小的AlN析出，减弱细小AlN对晶界的钉扎作用，提高晶粒的生长能力，从而粗化奥氏体晶粒，使奥氏体晶粒更加均匀，有利于提高材料的切削性能和可加工性能；另外B与N的结合可以有效防止晶界低熔点相B₂O₃的出现。

铸带在下密闭室内经夹送辊送至轧机，轧制成1.5-3.0mm厚度的薄带材，轧制温度为1100-1250℃，较高的轧制温度可以有效解决传统工艺易出现的边裂问题。热轧压下率为10-50％，优选热轧压下率30-50％，单机架较大的压下率可以完全解决因C含量较高引起的铸带中心区域附近的内部缩松/缩孔问题。

对在线热轧后的带钢进行轧后冷却，冷却采用气雾化冷却方式，气雾化冷却方式可以有效减小带钢表面氧化皮厚度，改善带钢温度均匀性，提高带钢性能和表面质量。气雾化冷却的气水比为15：1～10：1，气压0.5～0.8MPa，水压1.0～1.5MPa。气雾化后形成高压水雾喷射在钢带表面，一方面起到了降低钢带温度的作用，另一方面水雾会形成致密的气膜包覆在带钢表面，起到带钢防氧化的作用，从而有效控制了热轧带钢表面氧化皮的生长。该种冷却方式可以避免传统喷淋或者层流冷却带来的问题，使带钢表面温度均匀下降，提高带钢温度均匀性，从而达到均匀化内部微观组织的效果；同时冷却均匀，可以提高带钢的板形质量和性能稳定性；有效减少带钢表面的氧化皮厚度。气雾化冷却的冷却速率范围为10-100℃/s。

冷却后的热轧带钢经切头剪切除质量较差的头部后，直接进行卷取成卷。控制热轧带的卷取温度700～760℃。高的卷取温度可保证发明钢获得尽可能低的抗拉强度(小于900MPa和硬度(HRC25以下)，从而能够顺利卷取；对下游制造用户而言，也更容易进行各种切削和机械加工。

卷取采用双卷取机形式，也可以采用卡罗塞尔卷取形式，保证带钢的连续生产。优选地，卷取机采用卡罗塞尔卷取形式，可以使产线长度更短，更紧凑。

进一步，生产的钢板/带经过开平和剪切后，用户根据最终产品的尺寸进行切削加工和机械加工，最后再施以调质热处理：840-880℃油淬，400-440℃回火，确保材料获得均匀的索氏体组织和硬度分布，并可减少片体的变形。调质热处理后可获得所需的材料硬度：HRC35±2。

本发明提出采用薄带连铸连轧工艺来生产这种薄规格30CrMo热轧钢板/带，在薄规格生产和使用场合将带来显著的制造和成本优势，优势主要体现着以下方面：

一方面，薄带连铸的速度达到80-150m/min，钢水的凝固速度达到10²-10⁴℃/s，连铸出来的厚度仅有2-5mm，30CrMo钢中的合金元素在很短的时间(0.1-0.2s)内来不及偏析就完全凝固了，这种快速凝固效应有效消除了元素的偏析问题；

另一方面，由于拉速较快，连铸出来的带钢很快进入带有保护气氛的下密闭室，然后直接进入在线热轧机进行热轧，全程保护浇铸和轧制使带钢表面几乎没有脱碳层；

第三方面，由于高拉速，即使30CrMo钢液相线温度较低，连铸出来的带钢温度也较高，进入轧机的轧制温度也相应较高，有效避开了带钢进入高温脆性区进行轧制，有效避免了带钢表面和边部裂纹的发生；

最后，薄带连铸连轧工艺将传统的连铸、加热、热连轧等独立的工序有机地集合在一起，生产周期大大缩短、生产效率大大提高、能耗大大降低、产品质量和性能大幅度提升。

因此，本发明采用薄带连铸工艺来生产薄规格30CrMo热轧钢板/带产品，同样具有一定难度和挑战，需要在成分和工艺上有突破，本发明通过添加适量的B、N元素，配合合理的在线热轧工艺以及轧后冷却措施，有效改善组织均匀性，解决了内部缩松缩孔问题，提高了产品质量和性能，实现了薄规格30CrMo热轧钢板/带的“一火成材”。

本发明与现有技术相比：

本发明区别于现有薄带连铸技术最明显的一个特征就是结晶辊的辊径及其相对应的布流方式。EUROSTRIP技术特征就是Φ1500mm大辊径结晶辊，结晶辊大、熔池钢水容量大，布流容易，结晶辊制造及运维成本高。CASTRIP技术特征就是Φ500mm小辊径结晶辊，结晶辊小、熔池钢水容量小，布流非常困难，但铸机设备制造与运维成本低。CASTRIP为解决小熔池的均匀布流问题，采用三级钢水分配布流系统(中间包+过渡包+布流器)。由于采用了三级布流系统，会直接导致耐材成本增加；更为主要的是，三级布流系统使钢水流动的路径变长，钢水的温降也较大，为了满足熔池钢液的温度，出钢温度需要大大提高。出钢温度的提高，会导致炼钢成本增加、能耗增加以及耐材寿命缩短等问题。

本发明结晶辊直径在500-1500mm优选Φ800mm辊径的结晶辊，采用两级钢水分配布流系统(中间包+布流器)。从布流器流出的钢水，沿辊面和两个端面形成不同的布流模式，且分两路流动，互不干扰。由于采用了两级布流系统，相比三级布流系统，耐材成本大幅度降低；钢水流动路径的缩短，使钢水温降减小，可以降低出钢温度，相比三级布流系统，出钢温度可降低30-50℃。出钢温度的降低，可有效降低炼钢成本、节约能耗以及延长耐材寿命。本发明配合优选Φ800mm辊径的结晶辊，采用两级钢水分配布流系统，既实现了钢水稳定布流的要求，又实现了结构简单、操作方便、加工成本低的目标。

中国专利公开号CN101773929B公开了一种生产30CrMo热轧钢板的方法，该方法基于薄板坯连铸连轧流程，主要包括：冶炼、精炼、薄板坯连铸、均热、高压水除鳞、热连轧、冷却、卷取等步骤。其成分为C：0.26-0.34％，Si：0.17-0.37％，Mn：0.40-0.70％，P：≤0.035％，S≤0.035％，Cr：0.80-1.10，Mo：0.15-0.25％，其余为Fe和不可避免杂质。该专利生产的30CrMo热轧钢板，具有组织性能均匀、热稳定性高、强度高的特点，质量也得到显著改善。该专利与本发明提出的30CrMo钢及生产方法，其本质区别是采用的生产工艺不一样，本发明采用双辊薄带连铸工艺，而且设计的成分也不一样，可以得到无偏析、无表面脱碳层、质量性能更优的产品。

中国专利公开号CN107419192A公开了一种30CrMo钢带及其生产方法，该发明也是基于薄板坯连铸连轧流程，主要包括：转炉冶炼、LF精炼、薄板坯连铸、加热、热连轧和卷取工序。其成分为C：0.26-0.34％，Si：0.17-0.30％，Mn：0.40-0.70％，P：≤0.025％，S≤0.025％，Als≥0.010％，Cr：0.80-1.10，Mo：0.15-0.25％，Ni≤0.30％，Cu≤0.30％，余量为Fe和不可避免杂质。该发明从全流程工艺角度出发，消除连铸坯的中心偏析、中心缩孔、降低表面脱碳，并可生产出2.5-4.0mm厚的热轧薄规格钢带，实现了30CrMo钢的低成本生产。该专利与本发明提出的30CrMo钢及生产方法，同样是在生产工艺上存在本质区别，本发明采用双辊薄带连铸工艺，更加简化了生产流程，而且设计的成分也不一样，可以得到无偏析、无表面脱碳层、质量性能更优的产品。

中国专利公开号CN100366779C公开了一种石材切割锯片钢及其制造方法，其化学成分重量百分比为C 0.45-0.60、Si 0.1-0.6、Mn 1.3-1.8、P ≤0.02、S≤0.01、V 0.05-0.20、Cr 0.15-0.30、N 0.005-0.020、Ca 0-0.0050、Al 0.005-0.040，其余为Fe和不可避免杂质。该方法包括：冶炼、浇铸、连铸坯采用热装热送工艺，保证板坯进入加热前的温度在300℃以上，板坯加热温度1150℃以上，热轧时控制终轧温度在900℃以上，轧后空冷卷取，卷取温度在700℃以上。该发明钢淬透性高，特别适用于制造直径1000mm以上的石材切割用锯片。该专利与本发明涉及的钢种不同，该专利的含碳量在0.45-0.60，本发明含碳量在0.24-0.34，而且生产工艺上存在本质区别，本发明采用双辊薄带连铸工艺，更加简化了生产流程。

中国专利公开号CN102345071B公开了一种合金用结构钢30CrMo加B钢板及其生产方法，该板包含如下质量百分比的化学成分：C：0.28-0.33、Si：0.20-0.35、Mn：0.60-0.80、P：≤0.018、S：≤0.005、Cr：0.90-1.10、Mo：0.15-0.25、Als：0.20-0.40、B：0.0008-0.0015，其余为Fe和残留元素。采取的生产方法包括：转炉炼钢、LF精炼、真空精炼、浇注、铸坯/钢锭加热、轧制、缓冷、热处理，成功开发出≤100mm高强30CrMo加B钢，实物机械性能：屈服强度、抗拉强度、高温回火布氏硬度均高于普通30CrMo钢。该发明虽然也添加了微量B，但由于采用的是最传统最落后的模铸工艺，凝固速度非常慢，B很容易偏析，而且容易在晶界出现低熔点的B2O3相导致热裂纹，因此B的加入量非常低，仅0.0008-0.0015％，效果甚微。此外，在实施例中看出生产的产品厚度规格也较厚，在50mm、100mm的厚度。本发明采用先进的双辊薄带连铸工艺，直接生产出1.5-3.0mm的钢板/带，B的加入量可达到0.006％，质量性能更加优异，与该专利在成分和生产方法上均有所差别。

本发明的主要优点：

1.本发明利用薄带连铸技术生产含锡(Sn)、铜(Cu)/含锡(Sn)、铜(Cu)、氮(N)、硼(B)的薄规格30CrMo热轧钢，迄今为止尚未见报导。

2.本发明省去了板坯加热、多道次反复热轧等复杂过程，通过双辊薄带连铸+一道次在线热轧工序，生产流程更短、效率更高，产线投资成本和生产成本大幅降低。

3.本发明省去了传统工艺生产中诸多复杂的中间步骤，与传统生产工艺相比，生产的能耗和CO₂排放大幅度降低，是一种绿色环保的产品。

4.本发明采用薄带连铸工艺生产薄规格30CrMo热轧钢，由于工艺本身的先进性，可完全解决传统工艺中存在的表面脱碳、元素偏析以及边裂等问题。

5.本发明采用添加微量的N元素，可促进发明钢在调质热处理过程中碳氮化物的析出，有效提高30CrMo钢在切削、机械加工过程中的红硬性，有益于延长最终产品的使用寿命。

6.本发明采用添加微量的B元素，在高温奥氏体中优先析出粗大的BN颗粒从而抑制细小AlN的析出，减弱细小AlN对晶界的钉扎作用，提高晶粒的生长能力，从而粗化、均匀化奥氏体晶粒，有利于改善钢卷产品的可加工性能，利于后续用户进行切削或机械加工。

7.本发明利用含Cu、Sn的废钢，对钢中的Cu、Sn做到“化害为利”，实现对现有废钢或低品质劣质矿资源(高锡矿、高铜矿)的充分利用，促进废钢的循环利用，降低生产成本，实现钢铁业可持续发展。

8.本发明冶炼采用电炉炼钢，冶炼的原料可以从真正意义上实现100％全废钢冶炼，无需进行预筛选，大大降低原料成本；如果冶炼采用转炉炼钢，废钢按占冶炼原料20％以上的比例加入转炉，且无需预筛选，最大限度提高转炉废钢比，大大降低冶炼成本和能耗。

9.本发明采用轧后带钢气雾化冷却方式，可以避免传统喷淋或者层流冷却带来的问题，使带钢表面温度均匀下降，提高带钢温度均匀性，从而达到均匀化内部微观组织的效果；同时冷却均匀，可以提高带钢的板形质量和性能稳定性；有效减少带钢表面的氧化皮厚度。

10.传统工艺板坯冷却过程中发生合金元素析出，板坯再加热时往往会由于合金元素回溶不充分而降低合金元素利用率。本发明薄带连铸工艺中，高温铸带直接热轧，所添加的合金元素主要以固溶态存在，可提高合金利用率。

11.本发明选用热轧钢带卡罗塞尔卷取机，有效缩短产线长度；同时同位卷取可以大大提高卷取温度的控制精度，提高产品性能的稳定性。

附图说明

图1为双辊薄带连铸工艺的工艺布置示意图；

图2为Sn含量与平均热流密度的关系示意图；

图3为Sn含量与铸带表面粗糙度的关系示意图；

图4为MnO-SiO₂-Al₂O₃三元相图(阴影区域：低熔点区)；

图5为BN，AlN析出的热力学曲线示意图。

具体实施方式

下面用实施例对本发明作进一步阐述，但这些实施例绝非对本发明有任何限制。本领域技术人员在本说明书的启示下对本发明实施中所作的任何变动都将落在本发明权利要求保护范围内。

参见图1，将符合本发明化学成分设计的钢水经大包1，通过大包长水口2、中间包3、浸入式水口4以及布流器5直接浇注在一个由两个相对转动并能够快速冷却的结晶辊8a、8b和侧封板装置6a、6b围成的熔池7中，钢水在结晶辊8a、8b旋转的周向表面凝固，进而形成凝固壳并逐渐生长随后在两结晶辊辊缝隙最小处(nip点)形成2.0-5.0mm厚的铸带11。

在铸带11出结晶辊8a、8b后，铸带温度在1360-1430℃，直接进入到下密闭室10内，下密闭室10通惰性气体保护带钢，实现对带钢的防氧化保护，防氧化保护的气氛可以是N₂，也可以是Ar，也可以是其他非氧化性气体，比如N₂和H₂的混合气、干冰升华得到的CO₂气体等，下密闭室10内的氧浓度控制在<5％。下密闭室10对铸带11的防氧化保护到轧机13入口。下密闭室10出口铸带的温度在1150-1280℃。然后通过摆动导板9、夹送辊12将铸带送至热轧机13，热轧后形成1.5-3.0mm的热轧带，轧制后的带钢采用气雾化冷却方式对带钢进行冷却，改善带钢温度均匀性。经飞剪装置16切头之后，切头沿着飞剪导板17掉入飞剪坑18中，切头后的热轧带进入卡罗塞尔卷取机19进行卷取。将钢卷从卷取机上取下后，自然冷却至室温。

本发明实施例化学成分如表1所示，其成分余量为Fe和不可避免杂质。经本发明的制造方法，工艺参数见表2，最终获得热轧带的力学性能见表3。

综上所述，利用薄带连铸工艺技术按本发明提供的钢种成分设计范围制造的薄规格30CrMo热轧钢板/带，抗拉强度均小于900MPa，硬度在HRC25以下，能够顺利卷取，对下游制造用户而言，容易进行各种切削和机械加工。进一步，生产的钢板/带经过开平和剪切后，用户根据最终产品的尺寸进行切削加工和机械加工，最后再施以调质热处理：840-880℃油淬，400-440℃回火，调质热处理后获得的材料硬度均在HRC35±2范围内，确保了材料所需的硬度分布，并可减少片体的变形，达到并且超过了薄规格30CrMo传统热轧钢的性能要求。

采用本发明所述方法生产的薄规格30CrMo热轧钢板/带，组织性能均匀、内部无缩松/缩孔、脱碳层少、淬透性好、可切削性及可加工性好，是机械制造、石油化工、锅炉制造业以及锯片刀模行业薄规格用钢领域的理想用材。本发明还可实现薄规格30CrMo热轧钢板/带的“一火成材”，生产成本大大降低，是一种低碳、绿色环保产品。

Claims

1.一种薄规格30CrMo热轧钢板/带，其化学成分重量百分比为：C：0.24-0.34％，Si：0.1-0.5％，Mn：0.6-1.5％，P≤0.03％，S≤0.007％，Cr：0.80-1.50％，Mo：0.10-0.30％，N：0.004-0.010％，Als：<0.001％，B：0.001-0.006％，总氧[O]_T：0.007-0.020％；余量为Fe和不可避免杂质，且同时满足：

还含有Cu：0.10-0.60％或Sn：0.005-0.04％中的一种或两种元素；

Mn/S>250；

所述热轧钢板/带的显微组织为针状铁素体+块状铁素体+珠光体；

所述热轧钢板/带的抗拉强度为780～900MPa，硬度HRC为21～25。

2.如权利要求1所述的薄规格30CrMo热轧钢板/带的生产方法，其特征是，包括如下步骤：

1)冶炼、连铸

按照权利要求1所述成分进行冶炼，炼钢过程造渣的碱度a＝CaO/SiO₂控制在a＝0.7-1.0；钢水中低熔点MnO-SiO₂-Al₂O₃三元夹杂物中的MnO/SiO₂控制在0.5～2；钢水中的自由氧[O]_Free含量为：0.0005-0.005％；Mn/S>250；

连铸采用双辊薄带连铸，在两结晶辊辊缝隙最小处形成2.0-5.0mm厚的铸带，结晶辊直径在500-1500mm之间，结晶辊内部通水冷却，浇铸速度为40-100m/min；控制大包开浇温度范围1580-1610℃；连铸布流采用两级钢水分配布流系统，即中间包+布流器；

2)下密闭保护

3)在线热轧

铸带在下密闭室内经夹送辊将铸带送至轧机，轧制成1.5-3.0mm厚度的钢带，轧制温度为1100-1250℃，热轧压下率为10-50％

4)轧后冷却

5)卷取

3.如权利要求2所述的薄规格30CrMo热轧钢板/带的生产方法，其特征是，还包括步骤6)调质热处理，840-880℃油淬，400-440℃回火。

4.如权利要求2所述的薄规格30CrMo热轧钢板/带的生产方法，其特征是，步骤1)中，冶炼采用通过电炉炼钢，冶炼的原料可以从真正意义上实现100％全废钢冶炼，无需进行预筛选，大大降低原料成本；如果冶炼采用转炉炼钢，废钢按占冶炼原料20％以上的比例加入转炉，且无需预筛选，最大限度提高转炉废钢比，大大降低冶炼成本和能耗。

5.如权利要求2所述的薄规格30CrMo热轧钢板/带的生产方法，其特征是，步骤2)中，所述非氧化性气体包括N₂、Ar、干冰升华得到的CO₂气体。

6.如权利要求2所述的薄规格30CrMo热轧钢板/带的生产方法，其特征是，步骤4)中，气雾化冷却的气水比为15：1～10：1，气压0.5～0.8MPa，水压1.0～1.5MPa。

7.如权利要求2所述的薄规格30CrMo热轧钢板/带的生产方法，其特征是，步骤5)中，卷取采用双卷取机形式，或采用卡罗塞尔卷取形式。

8.如权利要求2所述的薄规格30CrMo热轧钢板/带的生产方法，其特征是，步骤1)中，所述钢水中低熔点MnO-SiO₂-Al₂O₃三元夹杂物中的MnO/SiO₂控制在1～1.8。

9.如权利要求2或8所述的薄规格30CrMo热轧钢板/带的生产方法，其特征是，步骤1)中，所述结晶辊直径为800mm。

10.如权利要求2所述的薄规格30CrMo热轧钢板/带的生产方法，其特征是，步骤3)中，所述热轧压下率为30-50％。