CN114196877B - 一种高强度、高韧性高铁构架钢及其冶炼方法 - Google Patents

一种高强度、高韧性高铁构架钢及其冶炼方法 Download PDF

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Abstract

一种高强度、高韧性高铁构架钢及其冶炼方法，所述构架钢化学成分为：C：0.14～0.18%，Si：0.15～0.35%，Mn：1.05～1.15%，P≤0.012%，S≤0.003%，Cr：0.85～0.95%，V：0.04～0.08%，Nb：0.02～0.05%，Ni：0.35～0.55%，Cu：0.40～0.60%，Ti≤0.0050%，N≤50ppm，O≤10ppm，As、Sn、Pb、Bi、Sb元素含量均不超过0.01%，且5种元素总含量不超过0.025%，其余为Fe及不可避免的杂质。所述生产方法包括转炉初炼、LF精炼、VD真空、连铸工序。本发明钢质纯净，极大提高了构架钢强度、低温性能。

Description

一种高强度、高韧性高铁构架钢及其冶炼方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种高强度、高韧性高铁构架钢及其冶炼方法。
背景技术
随着铁路跨越式发展，我国高速铁路快速向前发展，同时，高速列车对转向架构架钢的强度、韧性、低温性能及耐腐蚀性要求日益提高，尤其高寒地区高铁列车，对转向架的构架钢性能要求更为苛刻。
现有转向架构架钢的力学性能多数为：屈服强度400-450MPa、抗拉强度520-620MPa，-60℃低温冲击功为100-170J，延伸率≥20％，低温冲击性能不稳定，存在碳含量偏低，硫磷含量偏高等问题。
发明内容
为解决以上技术问题，本发明提供一种高强度、高韧性高铁构架钢及其冶炼方法，本发明采用的技术方案如下：
一种高强度、高韧性高铁构架钢，其化学成分及重量百分含量为：C：0.14～0.18％，Si：0.15～0.35％，Mn：1.05～1.15％，P≤0.012％，S≤0.003％，Cr：0.85～0.95％，V：0.04～0.08％，Nb：0.02～0.05％，Ni：0.35～0.55％，Cu：0.40～0.60％，Ti≤0.0050％，N≤50ppm，O≤10ppm，As、Sn、Pb、Bi、Sb元素含量均不超过0.01％，同时5种元素含量总和不超过0.025％，其余为Fe及不可避免的残余元素。
上述高强度、高韧性高铁构架钢的冶炼方法，其包括转炉初炼、LF精炼、VD真空处理、连铸工序。
所述转炉初炼工序，转炉出钢温度控制在1600～1650℃，出钢过程中加入白灰15～20kg/吨钢，预熔渣15～25kg/吨钢，铝饼4～10kg/吨钢，硅铁2～5kg/吨钢，低碳铬铁6～15kg/吨钢，低碳锰铁8～16kg/吨钢，镍板3～5kg/吨钢；
所述LF精炼工序，精炼到位喂铝线0.3～0.5kg/吨钢，碳化硅粉3～7kg/吨钢，铝粒0.4～0.6kg/吨钢，预熔渣8～15kg/吨钢，白灰10～25kg/吨钢，低碳铬铁3～8kg/吨钢，硅铁2～4kg/吨钢，低碳锰铁2～6kg/吨钢，铜板5～8kg/吨钢，镍板1～3kg/吨钢，铌铁0.2～0.6kg/吨钢，钒铁1.5～2.5kg/吨钢；白渣保持时间≥25min。
所述VD真空处理工序，真空度≤67Pa，真空保持时间≥15min，软吹氩时间≥15min，吊包温度1580～1605℃。
所述连铸工序，连铸拉速0.20～0.30m/min，连铸二冷水量0.10～0.15L/kg；结晶器电磁搅拌电流100～200A，频率2～5Hz；末端电磁搅拌电流150～250A，频率5～8Hz；结晶器冷却水流量4000～4500L/min。
本发明成分设计中部分元素的作用：
C：0.14～0.18％(wt％，以下各元素相同)，C为碳化物形成元素，可以提高钢的强度，太低时效果不明显，太高时会又会大大降低钢的韧性。
Mn：1.05～1.15％，为奥氏体形成元素，可以提高钢的强度，含量小于1.05％时作用不明显，含量大于1.15％时，组织偏析倾向加重，影响热轧组织的均匀性。
Cr：0.85～0.95％，Cr为碳化物形成元素，可以提高钢的强度和淬透性，太低时效果不明显，太高时会大大降低钢的韧性。
Ni：0.35～0.55％，可以提高钢的韧性，加入太低，效果不明显，加入太高，提高韧性的作用不明显。
Cu：0.40～0.60％，有效提高钢的抗大气腐蚀能力，过低时，达不到抗大气腐蚀能力，过高时，生产过程中钢容易发生开裂。
S≤0.003％，S含量控制过高，钢中硫化形成倾向增大，钢纯净度降低，钢的韧性水平下降。
P≤0.012％，P含量控制过高，冷脆倾向增大，降低钢的韧性。
V：0.04～0.08％，V与N都有很大的亲和力，强碳化物元素。细化晶粒，提高钢的强度和韧性，减小过热敏感性韧性不变低，提高热稳定性。但V含过高时，钢时效脆性增加。
Nb：0.02～0.05％，能生成高度分散的强固的碳化物NbC(熔点3500℃)，所以可细化晶粒，直加热至1100～1200℃，仍可阻止晶粒长大。Nb含量过高时，亦将生成铁素体δ相或其它脆性相，而使其韧性降低，热加工性能变坏。
Ti≤0.0050％，钛与N有很大的亲和力而极易成形TiN。TiN呈菱形，有尖角，破坏钢基体连续性，降低钢的低温冲击性能。
吊包过热度控制在1580-1605℃，温度低影响钢水可浇性，不利于夹杂物上浮去除，钢水纯净度受到影响，控制太高，钢中碳、锰等偏析加重，钢的均质性降低，淬透性带宽变大，影响钢热处理变形程度。
有害元素通常低熔点，含量超过一定限度时，会明显降低钢的高温性能，降低钢的强度和韧性，增加钢的高温脆性。它们往往共生于一体，造成严重偏析，很少单独存在，因而对钢的破坏作用更大；本发明通过开发合理配方，控制钢中有害元素在较低的水平，保证钢水的洁净度，钢中夹杂物得到良好的控制，A类夹杂物≤0.5级，B类夹杂物≤0.5级，无C类夹杂物，D类夹杂物细系≤1.0级、粗系≤0.5级，夹杂物细小、分布均匀、数量低，钢的组织更均匀化，进而钢的机械性能更均匀化，通过上述设计思路，高铁构架钢的低温性能得到明显的提高，进行轧制作业后，屈服强度498～530MPa、抗拉强度597～673MPa，延伸率≥39％，收缩率≥79％，-60℃低温冲击功为159～231J。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细的说明。
本发明高强度、高韧性高铁构架钢的冶炼过程包括转炉初炼、LF精炼、VD真空处理、连铸工序，各工序的工艺参数如下所述：
(1)转炉初炼工序：转炉出钢温度控制在1600～1650℃，出钢过程中加入白灰15～20kg/吨钢，预熔渣15～25kg/吨钢，铝饼4～10kg/吨钢，硅铁2～5kg/吨钢，低碳铬铁6～15kg/吨钢，低碳锰铁8～16kg/吨钢，镍板3～5kg/吨钢；
(2)LF精炼工序：精炼到位喂铝线0.3～0.5kg/吨钢，碳化硅粉3～7kg/吨钢，铝粒0.4～0.6kg/吨钢，预熔渣8～15kg/吨钢，白灰10～25kg/吨钢，低碳铬铁3～8kg/吨钢，硅铁2～4kg/吨钢，低碳锰铁2～6kg/吨钢，铜板5～8kg/吨钢，镍板1～3kg/吨钢，铌铁0.2～0.6kg/吨钢，钒铁1.5～2.5kg/吨钢；白渣保持时间≥25min；
(3)VD真空处理工序：真空度≤67Pa，真空保持时间≥15min，软吹氩时间≥15min，吊包温度1580～1605℃；
(4)连铸工序：连铸拉速0.20～0.30m/min，连铸二冷水量0.10～0.15L/kg；结晶器电磁搅拌电流100～200A，频率2～5Hz；末端电磁搅拌电流150～250A，频率5～8Hz；结晶器冷却水流量4000～4500L/min；连铸坯出连铸机后进行轧制作业。
实施例1-10的具体工艺参数见表1-4；所得高铁构架钢的化学成分见表5、6；连铸坯中非金属类夹杂物情况见表7；轧材力学性能见表8。
表1：各实施例转炉初炼工序参数
Figure BDA0003357749390000041
Figure BDA0003357749390000051
表2：各实施例LF精炼工序部分参数
Figure BDA0003357749390000052
表3：各实施例LF精炼、VD真空处理工序参数
Figure BDA0003357749390000053
表4：各实施例连铸工序部分参数
Figure BDA0003357749390000054
Figure BDA0003357749390000061
表5：各实施例高铁构架钢的化学成分-1单位：wt％
Figure BDA0003357749390000062
表6：各实施例高铁构架钢的化学成分-2单位：wt％
Figure BDA0003357749390000063
表5、6中，余量为Fe0和不可避免的杂质。
表7：各实施例高铁构架钢连铸坯中非金属类夹杂物情况
Figure BDA0003357749390000064
Figure BDA0003357749390000071
表8：各实施例高铁构架钢轧材力学性能
Figure BDA0003357749390000072

Claims (4)

1.一种高强度、高韧性高铁构架钢，其特征在于，所述构架钢化学成分及重量百分含量为：C：0.16～0.18%，Si：0.15～0.35%，Mn：1.05～1.15%，P≤0.012%，S≤0.003%，Cr：0.85～0.95%，V：0.04～0.08%，Nb：0.02～0.05%，Ni：0.35～0.55%，Cu：0.40～0.60%，Ti≤0.0027%，N≤50ppm，O≤10ppm，As、Sn、Pb、Bi、Sb元素含量均不超过0.01%，同时5种元素含量总和不超过0.025%，其余为Fe及不可避免的杂质元素；
所述构架钢的冶炼方法包括转炉初炼、LF精炼、VD真空处理、连铸工序；所述转炉初炼工序，出钢过程中加入白灰15～20kg/吨钢，预熔渣15～25kg/吨钢，铝饼4～10kg/吨钢，硅铁2～5kg/吨钢，低碳铬铁6～15kg/吨钢，低碳锰铁8～16kg/吨钢，镍板3～5kg/吨钢；所述LF精炼工序，精炼到位喂铝线0.3～0.5kg/吨钢，碳化硅粉3～7kg/吨钢，铝粒0.4～0.6kg/吨钢，预熔渣8～15kg/吨钢，白灰10～25kg/吨钢，低碳铬铁3～8 kg/吨钢，硅铁2～4kg/吨钢，低碳锰铁2～6 kg/吨钢，铜板5～8kg/吨钢，镍板1～3kg/吨钢，铌铁0.2～0.6kg/吨钢，钒铁1.5～2.5kg/吨钢；所述VD真空处理工序，软吹氩时间≥15min，真空度≤67Pa，真空保持时间≥15min，吊包温度1580～1605℃；所述连铸工序，连铸拉速0.20～0.30m/min，连铸二冷水量0.10～0.15L/kg，结晶器电磁搅拌电流100～200A，频率2～5Hz；末端电磁搅拌电流150～250A，频率5～8Hz；结晶器冷却水流量4000～4500L/min。
2.如权利要求1所述的高强度、高韧性高铁构架钢的冶炼方法，其特征在于，其包括转炉初炼、LF精炼、VD真空处理、连铸工序；
所述转炉初炼工序，出钢过程中加入白灰15～20kg/吨钢，预熔渣15～25kg/吨钢，铝饼4～10kg/吨钢，硅铁2～5kg/吨钢，低碳铬铁6～15kg/吨钢，低碳锰铁8～16kg/吨钢，镍板3～5kg/吨钢；
所述LF精炼工序，精炼到位喂铝线0.3～0.5kg/吨钢，碳化硅粉3～7kg/吨钢，铝粒0.4～0.6kg/吨钢，预熔渣8～15kg/吨钢，白灰10～25kg/吨钢，低碳铬铁3～8 kg/吨钢，硅铁2～4kg/吨钢，低碳锰铁2～6 kg/吨钢，铜板5～8kg/吨钢，镍板1～3kg/吨钢，铌铁0.2～0.6kg/吨钢，钒铁1.5～2.5kg/吨钢；
所述VD真空处理工序，软吹氩时间≥15min，真空度≤67Pa，真空保持时间≥15min，吊包温度1580～1605℃；
所述连铸工序，连铸拉速0.20～0.30m/min，连铸二冷水量0.10～0.15L/kg，结晶器电磁搅拌电流100～200A，频率2～5Hz；末端电磁搅拌电流150～250A，频率5～8Hz；结晶器冷却水流量4000～4500L/min。
3.根据权利要求2所述的高强度、高韧性高铁构架钢的冶炼方法，其特征在于，所述转炉初炼工序，转炉出钢温度控制在1600～1650℃。
4.根据权利要求3所述的高强度、高韧性高铁构架钢的冶炼方法，其特征在于，所述LF精炼工序，白渣保持时间≥25min。
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