CN115697586A - 一种铸造具有高钛含量的钢半成品的方法 - Google Patents

一种铸造具有高钛含量的钢半成品的方法 Download PDF

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Abstract

由钢水铸造钢半成品的方法，所述钢半成品具有至少3.5重量％的钛的目标组成。

Description

一种铸造具有高钛含量的钢半成品的方法
本发明涉及具有高钛含量的钢半成品的铸造。
FeTiB2钢因其优异的高弹性模量E、低密度和高抗拉强度而备受关注，这使得它们对于车辆轻量化和安全性一直是当务之急的汽车行业非常有前景。然而，由于与要形成的析出物有关的限制，这些钢难以制造。因此，已经开发了不同的解决方案来生产这样的钢，特别是解决铸造性问题。
US20130174942公开了一种FeTiB2钢，其包含2.5％w至7.2％w的Ti，其在比所述钢的液相线温度高不超过40℃的铸造温度下铸造。这允许具有细的显微组织。
EP3612657公开了特定的钢组成，其中钢的游离Ti含量为至少0.95％，并且由于该游离Ti含量，钢的组织在低于液相线温度的任何温度下主要保持为铁素体。结果，所述钢的热硬度与现有技术的钢相比显著降低，使得铸造性提高。铸造优选以薄板坯的形式进行。
然而，无论何种铸造方法，都要求钢水以适当的组成、温度和粘度到达出钢站。对于那些特定的等级，这个步骤是最难处理的步骤之一。在炼钢期间，根据炉渣组成和温度，炉渣的一些组分可能析出。在高钛等级的情况下，钛倾向于配分并向炉渣迁移，并且由于钛氧化物倾向于在铸造温度下析出，因此炉渣的结晶速率急剧增加。对于炼钢厂而言，良好的结晶速率是这样的：可以采集熔融金属样品，同时这样的炉渣仍然覆盖熔融金属以避免与空气接触。
因此需要一种允许铸造具有高钛含量(即高于3.5重量％)的钢半成品的铸造方法。
该问题通过根据本发明的方法来解决，其中进行以下步骤：
A/向钢水中添加铝，使得钢水包含至少0.1重量％的铝，
B/向钢水中添加包含铝和/或钙以及任选的镁和CaF2的无机化合物，以达到并保持以下炉渣组成：其中CaO与Al2O3之比(CaO/Al2O3)为0.7至2并且所述炉渣包含多至25重量％的CaF2，
C/向钢水中添加钛以达到目标组成，
D/以半成品的形式铸造钢。
本发明的方法还可以包括分别考虑或根据所有可能的技术组合考虑的以下任选特征：
-添加的铝的量使得钢水包含大于0.2重量％，优选大于0.4重量％的铝
-钢半成品包含满足下式的最小重量百分比的硼：％B≥0.45×％Ti-1.35％
-在步骤A与步骤B之间进行钢水的加热步骤，
-在步骤C之后进行硼的添加的步骤，
-在步骤B期间进行硼的添加，
-在步骤B期间，添加晶石CaF2以达到CaF2为6重量％至15重量％的组成，
-在步骤B期间，添加氧化镁以达到炉渣的MgO为5重量％至15重量％的组成。
-在步骤B期间完成无机化合物的添加以达到以下炉渣组成：其中CaO与Al2O3之比(CaO/Al2O3)为0.9至1.3，
-完成无机化合物的添加以达到以下炉渣组成：其中CaO与Al2O3之比(CaO/Al2O3)为1.4至2，炉渣还包含6重量％至12重量％的CaF2，
-钢半成品具有至少5.8重量％的钛的目标组成，
-无机化合物选自石灰、晶石和氧化镁，
-钢半成品具有以重量含量表示的以下组成：
0.01％≤C≤0.2％
3.5％≤Ti≤10％
(0.45×Ti)-1.35％≤B≤(0.45×Ti)+0.70％
S≤0.03％
P≤0.04％
N≤0.05％
O≤0.05％
以及任选地包含：
Si≤1.5％
Mn≤3％
Al≤1.5％
Ni≤1％
Mo≤1％
Cr≤3％
Cu≤1％
Nb≤0.1％
V≤0.5％
以及包含TiB2的析出物和任选的Fe2B的析出物，余量为Fe和由加工产生的不可避免的杂质。
本发明还涉及炼钢炉渣，所述炼钢炉渣具有以重量含量表示的以下组成：
35％≤CaO≤55％，
15％≤Al2O3≤55％，
同时满足0.7≤CaO2/Al2O3≤2，
0％≤MgO≤15％，
TiOx<20％
各自小于1％的以下化合物：B2O3、SiO2、CrOx、MnO、NiO、FeOx、S，
0％≤CaF2≤25％
剩余部分为由熔融金属中存在的杂质产生的氧化物。
在根据本发明的方法的一个实施方案中，使可以来自电弧炉或来自任何炼钢设备例如碱性氧气转炉或转炉的钢水(也称为熔融金属)经受脱氧步骤。在那个阶段，钢水的温度通常为约1650℃。为了进行脱氧，通常在钢包出钢期间向熔融金属中添加铝以促进均匀的脱氧反应。根据本发明，添加铝使得在熔融金属中的量高于或等于0.1重量％，这高于钢水脱氧所需的通常量。在一个优选实施方案中，添加铝使得在熔融金属中的量高于或等于0.2重量％。在一个优选实施方案中，其高于或等于0.4重量％。因此形成的氧化物向熔融金属顶部迁移并增加炉渣量。待添加的铝的量取决于控制钛配分的参数(例如熔融金属组成、炉渣组成和温度)以及为了限制炉渣结晶的在炉渣中的钛氧化物的可接受量。在这些参数中，主要参数是熔融金属中的钛含量、熔融金属中的合金元素例如硼、锰、铬……(其可以改变炉渣/金属平衡)、熔融金属和炉渣各自的温度、炉渣重量/熔融金属重量比、炉渣组成。必须避免其他可被钛还原的炉渣氧化物例如SiO2、B2O3，以限制钛配分。当热力学模型和热力学数据库可用时，可以进行炉渣/金属热力学平衡的计算。
基于炉渣中最终的TiOx目标、熔融金属组成和精炼过程期间的温度完成热力学计算以优化待添加的铝量和炉渣组成二者。对于该等级的精炼过程的每个步骤，优化熔融金属和炉渣组成中的铝含量，以限制钛配分以及保证TiOx目标并限制炉渣结晶。
为了限定最佳条件，根据温度以及熔融金属和炉渣组成的变化计算炉渣中TiOx和结晶部分的演变。所有这些计算是炼钢领域的技术人员所熟知的。如果模型和数据库不可用，则可以进行实验室或半工业规模的炉渣/金属平衡以模拟工业条件。
添加铝允许使钢水脱氧，而且允许降低炉渣中TiOX的含量。炉渣结晶的一部分通过钛酸盐析出发生，钛酸盐是氧化钛与其他氧化物例如氧化铝结合的化合物。通过降低炉渣中的TiOx含量，钛酸盐的析出受到限制，从而导致较低的晶体分数。钛酸盐的性质和结晶速率可能或多或少是复杂的，这取决于炉渣组成。
然后，根据本发明的方法，将包含铝和/或钙和/或镁的无机化合物例如石灰Ca(OH)2或氧化镁MgO以及多至25重量％的晶石CaF2添加到熔融金属中。根据本发明，进行这些添加以达到并保持炉渣的组成，其中CaO与Al2O3之比(C/A)为0.7至2。该组成允许通过使炉渣硫容量最大化来限制存在于炉渣中的钛氧化物的结晶速率。
由于添加铝而对TiOx的限制确实必须与炉渣组成的优化联系起来以优化钛酸盐的性质和量并限制它们在炉渣中的析出，从而促进铸造温度下的低炉渣结晶。
在一个优选实施方案中，当该比率为1.4至2时，炉渣还包含6重量％至25重量％的晶石CaF2，并且更优选6重量％至12重量％的晶石CaF2。如何计算和控制该比率是炼钢领域的本领域技术人员所熟知的。在另一个实施方案中，比率C/A为0.9至1.3并且炉渣包含5重量％至15重量％的氧化镁。在第三实施方案中，该比率为1.4至2，并且炉渣包含6重量％至12重量％的晶石CaF2和5重量％至15重量％的氧化镁MgO。氧化镁允许降低炉渣的液相线温度。该最后的组成允许进一步限制钛氧化物的结晶速率。氧化镁可以添加到熔体中和/或可以直接来自炼钢容器中熔融金属周围的耐火材料。本领域技术人员从经验中已知，多少量的氧化镁将从耐火材料中溶解出来，以及需要添加多少量以达到所需的含量。
由于这种炉渣组成控制和铝添加，炉渣包含严格小于20重量％的钛氧化物。在所有的实施方案中，剩余的炉渣组成包含小于1％w的B2O3、小于1％w的SiO2、小于1％w的CrOX、小于1％w的MnO、小于1％w的NiO、小于1％w的FeOX。使用根据本发明的方法，在进行下一步骤之前不需要除渣，这减少了钢的加工时间。
在矿物添加步骤之后，将钛以一定量添加到熔体中以达到最终半成品的至少高于或等于3.5重量％的目标组成。这是标称组成。这种钛可以以海绵钛或钛铁片(例如Fe-70％Ti或Fe-35％Ti)、或纯Ti或钛铁丝的形式添加。
添加钛之后，炉渣具有以下组成：
35％≤CaO≤55％，
15％≤Al2O3≤55％，
同时满足0.7≤CaO2/Al2O3≤2，
0％≤MgO≤15％，
TiOx<20％
各自小于1％的以下化合物：B2O3、SiO2、CrOx、MnO、NiO、FeOx、S，
0％≤CaF2≤25％
剩余部分为由熔融金属中存在的杂质产生的氧化物。
然后将如此形成的钢水送到铸造站以以半成品的形式铸造。铸造温度低于或等于T液相线+40℃，T液相线表示钢的液相线温度。在当前情况下，例如为大约1330℃。半成品是指钢坯、厚带材或薄板坯或者通过连铸、立式铸造、水平铸造、辊铸、薄板坯铸造、bet铸造(betcasting)、带材铸造制成的任何其他产品。
在根据本发明的方法的另一个实施方案中，待铸造的半成品包含至少2％的硼，硼是在矿物添加步骤之后通过投入硼铁片例如Fe-18％B或硼铁丝而添加的。在一个最优选的实施方案中，该添加在矿物添加步骤期间进行。
在一个优选实施方案中，钢半成品具有以重量含量表示的以下组成：
0.01％≤C≤0.2％
3.5％≤Ti≤10％
(0.45×Ti)-1.35％≤B≤(0.45×Ti)+0.70％
S≤0.03％
P≤0.04％
N≤0.05％
O≤0.05％
以及任选地包含：
Si≤1.5％
Mn≤3％
Al≤1.5％
Ni≤1％
Mo≤1％
Cr≤3％
Cu≤1％
Nb≤0.1％
V≤0.5％
以及包含TiB2的析出物和任选的Fe2B的析出物，余量为Fe和由加工产生的不可避免的杂质。
这种优选的组成允许钢在低于液相线温度的任何温度下保持主要为铁素体，并因此减少了铸造性问题。
炼钢厂进行根据本发明的方法的一种方式是首先限定最终半成品中钛的目标和该最终半成品的铸造温度。然后，为了限定在本发明的给定框架内他希望具有哪种炉渣组成，即保持在给定的C/A比范围内，潜在地添加晶石、耐火材料提供的MgO量……取决于在铸造时他可以容忍的结晶体积。最后，使用已知模型计算达到该限定的炉渣组成所需的铝和其他矿物添加量。
对于所有先前提及的实施方案，根据工厂配置，可以无差异地在相同的容器、不同的容器中对钢水进行不同的步骤。除了炼钢车间常用的设备之外，不需要其他特殊设备。
实施例
在下文中提供的以下试验本质上是非限制性的并且必须仅出于举例说明的目的来考虑。它们将说明本发明的有利特征。
计算
使用如前所述且本领域技术人员已知的热力学模型进行计算。考虑的炉渣温度为1350℃。
所考虑的参数是待铸造的半成品中的钛量(％Ti)、炉渣中％CaO和％Al2O3的比率C/A、炉渣中的CaF2(或晶石)的量和炉渣中的TiOX的目标最大量。考虑每吨熔融金属15kg炉渣进行计算
炉渣中氧化镁MgO的含量总是考虑为10％w。
考虑每吨熔融金属15kg炉渣进行计算。
在所有这些条件下，计算了炉渣的结晶百分比，该百分比表示固相体积占总炉渣体积的百分比。热力学计算给出了在液态炉渣中析出的氧化物的性质和量，知晓了液态炉渣的体积，就可以确定结晶炉渣的体积百分比。
-铝添加
在这组实施例中，最终产品中钛的目标从2.5％到10％不等。C/A比率设定为1.1，不添加CaF2。
所有参数和结果汇总于下表1中，带有星号*的试验编号不是根据本发明的。
N° ％Ti C/A ％Al ％TiOx
1＊ 2.5 1.1 0.14 5％
2＊ 2.5 1.1 0 14.8
3 3.5 1.1 0.23 5％
4＊ 3.5 1.1 <u>0</u> 20
5 4 1.1 0.27 5％
6＊ 4 1.1 <u>0</u> 21.7
7 5 1.1 0.34 5％
8＊ 5 1.1 <u>0</u> 26.9
9 8 1.1 0.61 5％
10＊ 8 1.1 <u>0</u> 43.8
11 10 1.1 0.85 5％
12＊ 10 1.1 <u>0</u> 50.6
表1
根据这组试验，当最终产品中钛的目标高于或等于3.5％时，需要添加铝以降低炉渣中TiOx的量，并因此避免炉渣结晶。
-C/A比率
在这组实施例中，最终产品中钛的目标等于8或10。C/A比率从0.5到2.3不等，不添加CaF2。
添加的铝量设定为0.4％。
所有参数和结果汇总于下表2中，带有星号*的试验编号不是根据本发明的。如前所述，结晶速率的可接受量取决于工艺，但炼钢厂的可接受结晶速率是这样的：炉渣覆盖熔融金属表面同时仍允许在熔融金属中取样。
N° ％Ti C/A ％Al ％结晶
20＊ 8 <u>0.5</u> 0.4 48.7
21 8 0.7 0.4 3.8
22 8 1.1 0.4 1.7
23 8 1.6 0.4 4.9
24 8 2 0.4 16.7
25＊ 8 <u>2.3</u> 0.4 24.0
26＊ 10 <u>0.5</u> 0.4 37.4
27 10 0.7 0.4 1.5
28 10 1.1 0.4 1.7
29 10 1.6 0.4 4.1
30 10 2 0.4 15.2
31＊ 10 <u>2.3</u> 0.4 23.2
表2
根据这组试验，添加无机化合物以获得本发明的C/A范围内的炉渣组成允许降低炉渣的结晶速率。
-CaF2对铝添加的影响
在这组实施例中，最终产品中钛的目标设定为8％。
C/A比率设定为1.1，晶石(CaF2)含量从0％到20％w不等。
计算铝含量，以使炉渣中钛氧化物的含量等于5％。
所有参数和结果汇总于下表3中。
N° ％Ti C/A ％CaF2 ％Al ％TiOx
40 8 1.1 0 0.61 5
41 8 1.1 5 0.55 5
42 8 1.1 10 0.48 5
43 8 1.1 15 0.4 5
44 8 1.1 20 0.33 5
表3
CaF2的添加允许减少为了降低炉渣中TiOx含量并因此限制结晶所需的铝量。
-CaF2对结晶速率的影响
在这组实施例中，最终产品中钛的目标固定为8％。
C/A比率从1.1到2不等并且晶石(CaF2)含量为0％w或12％w。
铝含量固定为0.4％。
所有参数和结果汇总于下表4中。
N° ％Ti C/A ％CaF2 ％Al ％结晶
52 8 1.1 0 0.4 1.7
53 8 1.1 12 0.4 0.0
54 8 1.6 0 0.4 4.9
55 8 1.6 12 0.4 0
56 8 2 0 0.4 16.4
57 8 2 12 0.4 8.7
表4
晶石CaF2的添加允许进一步限制炉渣的结晶速率。
半工业生产试验(Pilot trials)
以小规模在试验性工厂进行试验，以再现钢行为。在给定温度和气氛条件下将初始组成在表5中给出的熔融金属倒入放置在炉中的氧化镁坩埚中。氩气的存在以及因此非氧化气氛的存在与试验性工厂的配置有关，并且在工业条件下不是必要的。然后在熔融金属的顶部添加炉渣球，其组成在表5中给出。在结晶方面的结果也在表5中给出。
试验A608是用与本发明不对应的方法进行的，而其他五个试验是根据本发明进行的。对于该试验，将标准的用于脱氧的铝值添加到钢中，而不是像根据本发明的方法中那样添加更多。
试验A608是唯一在铸造温度下出现炉渣结晶的试验，因此妨碍了钢的进一步铸造。因此，根据本发明的方法允许避免炉渣在所需的铸造温度下结晶。
此外，使用所述方法防止了钛的配分并因此需要较少的钛添加来达到目标组成。
Figure BDA0003952928480000091
表5

Claims (15)

1.一种由钢水铸造钢半成品的方法，所述钢半成品具有至少3.5重量％的钛的目标组成，所述方法包括以下步骤：
A/向所述钢水中添加铝，使得钢水包含至少0.1重量％的铝，
B/向所述钢水中添加包含CaF2和铝和钙以及任选的镁的无机化合物，以达到并保持以下炉渣组成：其中CaO与Al2O3之比(CaO/Al2O3)为0.7至2并且所述炉渣包含多至25重量％的CaF2，
C/向所述钢水中添加钛以达到所述目标组成，
D/以半成品的形式铸造钢。
2.根据权利要求1所述的方法，其中添加的铝的量使得所述钢水包含大于0.2重量％的铝。
3.根据权利要求2所述的方法，其中添加的铝的量使得所述钢水包含大于0.4重量％的铝。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述无机化合物选自石灰、晶石CaF2和氧化镁。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述钢半成品包含满足下式的最小重量百分比的硼：％B≥0.45×％Ti-1.35％。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中在步骤A与步骤B之间进行所述钢水的加热步骤。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中在步骤C之后进行硼的添加的步骤。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中在步骤B期间进行硼的添加。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤B期间，添加晶石CaF2以达到CaF2为6重量％至15重量％的组成。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤B期间，添加氧化镁以达到MgO为5重量％至15重量％的组成。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中在步骤B期间完成无机化合物的添加以达到以下炉渣组成：其中CaO与Al2O3之比(CaO/Al2O3)为0.9至1.3。
12.根据权利要求1至8所述的方法，其中在步骤B期间完成无机化合物的添加以达到以下炉渣组成：其中CaO与Al2O3之比(CaO/Al2O3)为1.4至2，所述炉渣还包含6重量％至12重量％的CaF2。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述钢半成品具有至少5.8重量％的钛的目标组成。
14.根据权利要求1至12所述的方法，其中所述钢半成品具有以重量含量表示的以下组成：
0.01％≤C≤0.2％
3.5％≤Ti≤10％
(0.45×Ti)-1.35％≤B≤(0.45×Ti)+0.70％
S≤0.03％
P≤0.04％
N≤0.05％
O≤0.05％
以及任选地包含：
Si≤1.5％
Mn≤3％
Al≤1.5％
Ni≤1％
Mo≤1％
Cr≤3％
Cu≤1％
Nb≤0.1％
V≤0.5％
以及包含TiB2的析出物和任选的Fe2B的析出物，余量为Fe和由加工产生的不可避免的杂质。
15.一种炼钢炉渣，具有以重量含量表示的以下组成：
35％≤CaO≤55％，
15％≤Al2O3≤55％，
同时满足0.7≤CaO2/Al2O3≤2，
0％≤MgO≤15％，
TiOx<20％
各自小于1％的以下化合物：B2O3、SiO2、CrOx、MnO、NiO、FeOx、S，
6％≤CaF2≤12％
剩余部分为由熔融金属中存在的杂质产生的氧化物。
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