CN115627418B - 一种含镍铬锰的碳素结构用钢及其制造方法 - Google Patents

一种含镍铬锰的碳素结构用钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种含镍铬锰的碳素结构用钢及其制造方法，所述含镍铬锰的碳素结构用钢化学成分重量百分比为：C：0.15‑0.20Wt％，Si：0.15‑0.30Wt％，Mn：0.50‑0.70Wt％，Cr：0.60‑0.80Wt％，Ni：0.35‑0.45Wt％，P≤0.040Wt％，S≤0.015Wt％，Alt≤0.008Wt％，N≤0.008Wt％；余量为Fe和不可避免的微量元素；所述含镍铬锰的碳素结构用钢及其制造方法包括以下依次进行的工艺步骤：红土镍矿烧结矿→初炼炉→低镍铬锰铁水+炼钢生铁→AOD精炼炉冶炼造渣和吹氧脱磷→钢包精炼炉精炼处理→双流板坯连铸→热连轧。本发明打破了传统电炉或转炉冶炼生产普通碳素结构用钢的工艺观念限制，同时解决了AOD精炼炉冶炼无法脱磷的技术问题。

Description

一种含镍铬锰的碳素结构用钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及钢铁冶炼生产领域，具体涉及一种含镍铬锰的碳素结构用钢及其制造方法。
背景技术
目前，普通碳素结构用钢以高炉铁水或废钢作为主要原料，由氧气转炉或电炉冶炼经过脱碳、脱硅、脱磷等冶炼操作生成成分合格的钢水，其铬、镍、铜含量各不大于0.3％。而以红土镍矿为原料经初炼炉冶炼得到的红土镍矿铁水因其含有较高铬锰镍合金元素往往不适用于普通碳素结构用钢冶炼；同时AOD精炼炉因具备良好的脱碳保铬功能一般应用于冶炼生产含铬不锈钢，由于整个过程一直处于还原气氛下进行反应，完全无脱磷能力。
综上所述，现有技术中存在以下问题：普通碳素结构用钢镍铬含量低于0.3％，并且都是传统电炉或转炉冶炼生产；AOD精炼炉冶炼技术无法脱磷。
发明内容
本发明提供一种普通碳素结构用钢(碳素钢)及其制造方法，尤其是一种含镍铬锰的碳素结构用钢及其制造方法，打破了传统电炉或转炉冶炼生产普通碳素结构用钢的工艺观念限制，同时解决了AOD精炼炉冶炼无法脱磷的技术问题。
为此，本发明提出一种含镍铬锰的碳素结构用钢及其制造方法，所述含镍铬锰的碳素结构用钢化学成分重量百分比为：C：0.15-0.20Wt％，Si：0.15-0.30Wt％，Mn：0.50-0.70Wt％，Cr：0.60-0.80Wt％，Ni：0.35-0.45Wt％，P≤0.040Wt％，S≤0.015Wt％，Alt≤0.008Wt％，N≤0.008Wt％；余量为Fe和不可避免的微量元素。
所述含镍铬锰的碳素结构用钢及其制造方法采用红土镍矿为原料，包括以下依次进行的工艺步骤：
红土镍矿烧结矿→初炼炉→低镍铬锰铁水+炼钢生铁→AOD精炼炉冶炼造渣和吹氧脱磷→钢包精炼炉精炼处理(LF精炼处理)→双流板坯连铸→热连轧；
其中，AOD精炼炉冶炼造渣和吹氧脱磷包括两步：S1:冶炼前期对生产原料进行脱氧脱碳脱硅至一定阶段，加生石灰造渣并进行扒渣、倒渣；S2:强供氧，所述S1倒渣结束后加入生石灰进行二次造渣，然后扒渣；
所述二次造渣包括以下步骤：先以侧枪为主→待加入的石灰融化后，使用顶枪复吹进行吹炼，然后通过氧化期控制炉渣碱度，其中，氧化前中期以增加氧化性为主脱磷，氧化末期依据碳含量处理脱磷。
进一步地，所述炉渣碱度控制在3.5-4.5。
进一步地，所述碳含量≤0.10％时倒炉测温取样，根据炉渣流动性加入萤石调整终渣；所述碳含量≤0.04％时停止供氧，加少量硅铁对含铬渣进行浅还原，倒炉测温取样，磷含量满足要求后，进行扒渣操作。
进一步地，所述顶枪工作参数:工作压力为6-8公斤，枪位控制为1700-2000mm。
进一步地，所述S1倒渣结束后加入生石灰量为总装量的6％-10％。
进一步地，所述萤石加入量≤总装量的2％。
进一步地，所述热连轧工艺参数为：预热段温度700-800℃，加热段温度1220-1250℃，均热段温度1200-1230℃，在炉时间≥180min；采用四机架粗轧+九架精轧热连轧机，中间坯厚度36mm，终轧温度控制在940-1000℃，卷曲温度680-720℃，空冷。
进一步地，AOD精炼炉冶炼包括：化钢期，化钢期中，普通生铁单次加入重量≤8吨，分6次加入，加入硅铁、硅碳球等物料升温后，加入8-8.5吨石灰进行造渣，硅铁+硅碳球加入量为3.2-3.5吨；起渣后倒渣，碱度控制在1.2-1.6，化钢期结束钢液温度：1700℃≤ΔTc+T≤1750℃，其中ΔTc为不同碳含量对应的钢液温度差，T为化钢期初始温度。
进一步地，AOD精炼炉冶炼还包括：出钢，所述出钢：钢水成分、温度达到控制目标，出钢温度1580～1610℃，出钢过程随钢流加入0.5kg/t硅铁粉或0.15kg/t高铝铁脱氧。
本发明还提供一种含镍铬锰的碳素结构用钢，按照前述步骤任一项的方法制成，所述含镍铬锰的碳素结构用钢化学成分重量百分比为：C：0.15-0.20Wt％，Si：0.15-0.30Wt％，Mn：0.50-0.70Wt％，Cr：0.60-0.80Wt％，Ni：0.35-0.45Wt％，P≤0.040Wt％，S≤0.015Wt％，Alt≤0.008Wt％，N≤0.008Wt％；余量为Fe和不可避免的微量元素；含镍铬锰的碳素结构用钢为钢带。
进一步地，所述含镍铬锰的碳素结构用钢化学成分重量百分比为：C：0.15-0.17Wt％，Si：0.15-0.24Wt％，Mn：0.50-0.58Wt％，Cr：0.60-0.67Wt％，Ni：0.35-0.39Wt％，P≤0.040Wt％，S≤0.015Wt％，Alt≤0.008Wt％，N≤0.008Wt％；余量为Fe和不可避免的微量元素；含镍铬锰的碳素结构用钢为钢带。
进一步地，所述含镍铬锰的碳素结构用钢化学成分重量百分比为：C：0.17-0.18Wt％，Si：0.24-0.2Wt％，Mn：0.58-0.63Wt％，Cr：0.67-0.72Wt％，Ni：0.39-0.43Wt％，P≤0.040Wt％，S≤0.015Wt％，Alt≤0.008Wt％，N≤0.008Wt％；余量为Fe和不可避免的微量元素；含镍铬锰的碳素结构用钢为钢带。
进一步地，所述含镍铬锰的碳素结构用钢化学成分重量百分比为：C：0.18-0.20Wt％，Si：0.25-0.30Wt％，Mn：0.63-0.70Wt％，Cr：0.72-0.80Wt％，Ni：0.43-0.45Wt％，P≤0.040Wt％，S≤0.015Wt％，Alt≤0.008Wt％，N≤0.008Wt％；余量为Fe和不可避免的微量元素；含镍铬锰的碳素结构用钢为钢带。
进一步地，所述含镍铬锰的碳素结构用钢化学成分重量百分比为：C：0.18Wt％，Si：0.24Wt％，Mn：0.61Wt％，Cr：0.71Wt％，Ni：0.41Wt％，P:0.034Wt％，S：0.014Wt％，Alt：0.006Wt％，N：0.003Wt％；余量为Fe和不可避免的微量元素；含镍铬锰的碳素结构用钢为钢带。
进一步地，所述含镍铬锰的碳素结构用钢化学成分重量百分比为：C：0.17Wt％，Si：0.25Wt％，Mn：0.58Wt％，Cr：0.67Wt％，Ni：0.39Wt％，P:0.032Wt％，S：0.013Wt％，Alt：0.005Wt％，N：0.005Wt％；余量为Fe和不可避免的微量元素；含镍铬锰的碳素结构用钢为钢带。
进一步地，所述含镍铬锰的碳素结构用钢化学成分重量百分比为：C：0.17Wt％，Si：0.24Wt％，Mn：0.63Wt％，Cr：0.72Wt％，Ni：0.43Wt％，P:0.035Wt％，S：0.014Wt％，Alt：0.005Wt％，N：0.006Wt％；余量为Fe和不可避免的微量元素；含镍铬锰的碳素结构用钢为钢带。
本发明的有益效果是：本发明打破了传统电炉或转炉冶炼生产普通碳素结构用钢的工艺观念限制，首次使用红土镍矿铁水+炼钢生铁为主要原料，采用AOD精炼炉为主要冶炼装备，开发了AOD精炼炉冶炼脱磷关键技术。本发明通过降低冶炼过程的氮气、氩气压力，保证顶侧的吹氧操作，形成氧化气氛，达到脱磷所需的反应气氛，再通过创造高碱度、大渣量、高氧化性的热力学条件，期间通过顶枪与侧枪强复吹的效果，加强钢渣界面的反应，形成较好的动力学条件，多条件共同作用下最终去除钢液中的磷元素，从而达到利用AOD精炼炉进行脱磷的目的，解决了必须以电炉或转炉冶炼生产普通碳素结构用钢的问题。
附图说明
图1为本发明的基材组织的金相照片；
图2为本发明的热影响区组织的金相照片；
图3为本发明的焊缝组织的金相照片。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现说明本发明。
本发明提供一种含镍铬锰的碳素结构用钢及其制造方法，热轧产品屈服强度Rp0.2为400～420Mpa，抗拉强度Rm为510～540Mpa，延伸率A≥27％，冷弯、宽冷弯性能d＝2a优良，焊接性能满足要求。
采用的技术方案：一种含镍铬锰的碳素结构用钢，该钢种化学成分重量百分比为C：0.15-0.20Wt％，Si：0.15-0.30Wt％，Mn：0.50-0.70Wt％，Cr：0.60-0.80Wt％，Ni：0.35-0.45Wt％，P≤0.040Wt％，S≤0.015Wt％，Alt≤0.008Wt％，N≤0.008Wt％；余量为Fe和不可避免的微量元素。
1、AOD精炼炉冶炼
所述AOD为氩氧脱碳法的简称。脱磷技术条件包括高碱度、高氧化性、大渣量和低温度，而AOD精炼炉常用于含铬不锈钢冶炼，其脱碳保铬的还原气氛工艺要求不具备转炉或电炉(电弧炉)脱碳脱硅的效率，不能快速造出高FeO、高碱度的脱磷渣，脱磷效果差；同时AOD精炼炉所使用的原料为经过预处理的初炼钢水，其炉型设计不具备铁水脱硅后高碱度、大渣量的造渣空间，容易喷溅。因此，本发明开发了AOD精炼炉脱磷造渣及供氧制度。
AOD精炼炉(AOD氩氧精炼炉)冶炼造渣和吹氧脱磷包括两步：S1:冶炼前期对生产原料进行脱氧脱碳脱硅至一定阶段，配加少量废钢消化脱碳脱硅产生的化学热，加生石灰造渣并进行扒渣操作去除脱硅产生的大量SiO2，为后续快速造高碱度渣创造条件，然后倒渣；S2:强供氧快速脱碳脱硅，由于前期去除了大量碳、硅，因此所述S1倒渣结束后加入生石灰进行二次造渣，可快速造出高碱度、高氧化性渣快速脱磷，然后扒渣。AOD精炼炉冶炼具体步骤如下：
(1)铁水、废钢条件和能源介质要求：红土镍矿铁水成分、范围及温度见表1所示。红土镍矿铁水加入量18吨，炼钢生铁42吨，炼钢生铁(普通生铁)成分和范围见表2，总装量按60吨控制，为弥补热量加入硅碳球或硅铁进行吹炼升温，氧氮氩压力：16-18Mpa。
表1：红土镍矿铁水条件
表2：炼钢生铁
炼钢生铁成分 Si Mn P S
范围(％) 0.3～0.7 0.1～0.3 1.1～1.3 0.1～0.3
(2)化钢期：普通生铁单次加入重量≤8吨，分6次加入，加入硅铁、硅碳球等物料升温后，加入8-8.5吨石灰进行造渣，硅铁+硅碳球加入量为3.2-3.5吨；起渣后倒渣，碱度控制在1.2-1.6，化钢期结束钢液温度：1700℃≤ΔTc+T≤1750℃，其中ΔTc为不同碳含量对应的钢液温度差，T为化钢期初始温度。
(3)氧化期：主要以脱磷为主，具体操作如下：所述S1倒渣结束后再加入石灰4-6吨，进行造渣脱磷，二次造渣时，先以侧枪为主，待加入的石灰融化后，使用顶侧复吹进行吹炼，其中，氧化前中期主要以造氧化气氛为主，吹炼到氧化后期终点碳不做控制，以增加氧化性为主来脱磷；氧化末期，碳含量≤0.10％时倒炉测温取样，根据炉渣流动性加入萤石调整终渣，萤石加入量0.8kg-1.2t；脱碳至≤0.04％时停止供氧，由于红土镍矿铁水含铬脱磷渣中含有铬的氧化物不易扒除，因此在扒渣前对渣进行浅还原操作，即加入少量硅铁或硅碳球对含铬渣进行浅还原增加渣流动性，提升脱磷渣的扒除效果，同时为防止回磷必须严格控制浅还原程度，然后进行倒炉测温取样，磷含量满足要求后，进行扒渣操作。
所述顶枪工作参数:工作压力为6-8公斤，枪位控制为1700-2000mm。侧枪主要提供氮气或氮氧混合气体加强搅拌；氧化期炉渣碱度控制在3.5-4.5。
(4)还原期：扒渣完成后，加入硅铁进行脱氧合金化。还原温度控制在1620-1650℃，还原3分钟取样、测温和扒渣。
(5)LF精炼处理：LF精炼3分钟，达到出钢条件后出钢。
(6)出钢：钢水成分、温度达到控制目标，出钢温度1580-1610℃，出钢过程随钢流加入0.5kg/t硅铁粉或0.15kg/t高铝铁脱氧。
2、热连轧(热轧)
铸坯加热温度制度：预热段温度700-800℃、加热段温度1220-1250℃，均热段温度1200-1230℃，在炉时间≥180min，保证铸坯在炉内保温时间内，使合金化元素充分固溶；采用四机架粗轧+九架精轧热连轧机，中间坯厚度36mm，终轧温度控制在940～1000℃，卷取温度680～720℃，空冷。
3、实施例
(1)本发明的含镍铬锰碳素结构用钢制造方法采用下述成分配比。其中，表3是各实施例产品化学成分(按重量百分比计)。
表3：各实施例化学成分(％)
实例 C Si Mn P S Alt N Ni Cr
实例1 0.18 0.24 0.61 0.034 0.014 0.006 0.003 0.41 0.71
实例2 0.17 0.25 0.58 0.032 0.013 0.005 0.005 0.39 0.67
实例3 0.17 0.24 0.63 0.035 0.014 0.005 0.006 0.43 0.72
(2)轧制规格为2.5mm×620mm的含镍铬锰碳素结构用钢的具体工艺参数见表4，表4是与表3所述各实施例相对应的工艺参数。
表4：各实施例具体的热轧工艺参数
(3)本发明所含镍铬锰的碳素结构用钢为钢带，详细力学性能见表5；所含镍铬锰的碳素结构用钢钢带焊接接头抗拉强度Rm为510-550Mpa，屈服强度Rp0.2为380-420Mpa，弯曲试验符合标准，焊接性能满足要求；所述含镍铬锰的碳素结构用钢钢带焊接接头详细力学性能见表6。表5、表6是分别从表3各实施例随机抽取试样的检验结果。
表5：含镍铬锰的碳素结构用钢热轧钢带性能
实例 抗拉强度/Mpa 屈服强度/Mpa 延伸率A/％ 冷弯、宽冷弯性能d＝2a
实施1 524 408 27.1 合格
实施2 521 417 30.7 合格
实施3 530 409 28.0 合格
表6：含镍铬锰的碳素结构用钢钢带焊接接头力学性能
所述含镍铬锰的碳素结构用钢钢带焊接接头焊缝金相组织及硬度结果见表7，表7是表6实例的检测结果。其中，P：珠光体；F：铁素体；B：贝氏体；AF：针状铁素体，基材组织金相照片见图1，热影响区组织金相照片见图2，焊缝组织金相照片见图3。
表7：焊缝金相组织及硬度
本发明打破传统电炉或转炉冶炼生产碳素钢工艺观念限制，首次使用红土镍矿铁水+炼钢生铁为主要原料，采用AOD精炼炉为主要冶炼装备，开发了AOD精炼炉冶炼脱磷关键技术。本项目通过降低冶炼过程的氮气、氩气压力，保证顶侧的吹氧操作，形成氧化气氛，达到脱磷所需的反应气氛；再通过创造高碱度、大渣量、高氧化性的热力学条件；期间通过顶枪与侧枪强复吹的效果，加强钢渣界面的反应，形成较好的动力学条件，多条件共同作用下最终去除钢液中的磷元素，从而达到利用AOD精炼炉进行脱磷的目的，解决了必须以电弧炉或转炉冶炼生产碳素钢的问题。本发明所得镍铬锰的碳素结构用钢屈服强度Rp0.2为400～420Mpa，抗拉强度Rm为510～540Mpa，延伸率A≥27％，冷弯、宽冷弯试验(d＝2a)性能优良，焊接性能满足要求。该镍铬锰的碳素结构用钢具有高耐受性，可应用于一般结构用钢。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种含镍铬锰的碳素结构用钢，其特征在于，所述含镍铬锰的碳素结构用钢化学成分重量百分比为：C：0.15-0.20Wt%，Si：0.15-0.30Wt%，Mn：0.50-0.70Wt%，Cr：0.60-0.80Wt%，Ni：0.35-0.45Wt%，P≤0.040Wt%，S≤0.015Wt%，Alt≤0.008Wt%，N≤0.008Wt%；余量为Fe和不可避免的微量元素；
所述含镍铬锰的碳素结构用钢的制造方法采用红土镍矿为原料，包括以下依次进行的工艺步骤：
红土镍矿烧结矿→初炼炉→低镍铬锰铁水+炼钢生铁→AOD精炼炉冶炼造渣和吹氧脱磷→钢包精炼炉精炼处理→双流板坯连铸→热连轧；
其中，AOD精炼炉冶炼造渣和吹氧脱磷包括两步：S1:冶炼前期对生产原料进行脱氧脱碳脱硅至一定阶段，加生石灰造渣并进行扒渣、倒渣；S2:强供氧，所述S1倒渣结束后加入生石灰进行二次造渣，然后扒渣；
所述二次造渣包括以下步骤：先以侧枪为主→待加入的石灰融化后，使用顶枪复吹进行吹炼，然后通过氧化期控制炉渣碱度，其中，氧化前中期以增加氧化性为主脱磷，氧化末期依据碳含量处理脱磷；
AOD精炼炉冶炼包括：化钢期，化钢期中，普通生铁单次加入重量≤8吨，分6次加入，加入硅铁、硅碳球等物料升温后，加入8-8.5吨石灰进行造渣，硅铁+硅碳球加入量为3.2-3.5吨；起渣后倒渣，碱度控制在1.2-1.6，化钢期结束钢液温度：1700℃≤ΔTc+T≤1750℃，其中ΔTc为不同碳含量对应的钢液温度差，T为化钢期初始温度。
2.根据权利要求1所述的一种含镍铬锰的碳素结构用钢，其特征在于，所述炉渣碱度控制在3.5-4.5。
3.根据权利要求1所述的一种含镍铬锰的碳素结构用钢，其特征在于，所述碳含量≤0.10%时倒炉测温取样，根据炉渣流动性加入萤石调整终渣；所述碳含量≤0.04%时停止供氧，加少量硅铁对含铬渣进行浅还原，倒炉测温取样，磷含量满足要求后，进行扒渣操作。
4.根据权利要求1所述的一种含镍铬锰的碳素结构用钢，其特征在于，所述顶枪工作参数:工作压力为6-8公斤，枪位控制为1700-2000mm。
5.根据权利要求1所述的一种含镍铬锰的碳素结构用钢，其特征在于，所述S1倒渣结束后加入生石灰量为总装量的6%-10%。
6.根据权利要求3所述的一种含镍铬锰的碳素结构用钢，其特征在于，所述萤石加入量≤总装量的2%。
7.根据权利要求1所述的一种含镍铬锰的碳素结构用钢，其特征在于，所述热连轧工艺参数为：预热段温度700-800℃，加热段温度1220-1250℃，均热段温度1200-1230℃，在炉时间≥180min；采用四机架粗轧+九架精轧热连轧机，中间坯厚度36mm，终轧温度控制在940-1000℃，卷曲温度680-720℃，空冷。
8.根据权利要求1所述的一种含镍铬锰的碳素结构用钢，其特征在于，AOD精炼炉冶炼还包括：出钢，所述出钢：钢水成分、温度达到控制目标，出钢温度1580～1610℃，出钢过程随钢流加入0.5kg/t硅铁粉或0.15kg/t高铝铁脱氧。
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