CN115927962A - 芯棒用钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及炼钢技术领域，具体而言，涉及芯棒用钢及其制备方法；本发明的方法用于高碳铬钢，其成分按照质量百分数计，包括：C：0.85～1.00％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.25～0.45％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cu≤0.25％，Ni≤0.10％，Cr：1.50～1.80％，Ti≤0.0025％，O≤0.0010％，余量为Fe及不可避免杂质；本发明的方法包括控制钢水浇注的过热度为10～40℃。本发明的芯棒用钢的横截面碳偏差能稳定满足≤0.04％的要求，加工成芯棒后，能稳定满足使用要求。
Description
技术领域
本发明涉及炼钢技术领域，具体而言，涉及芯棒用钢及其制备方法。
背景技术
芯棒是轧制无缝钢管的重要生产工具，在实现钢管减径、减壁，改善钢管内表面质量方面起着重要作用。在生产过程中，芯棒要承受较大的径向压力、轴向拉力、来自钢管内表面的摩擦力以及频繁的冷热交变作用，这对芯棒的性能均匀性提出了较高的要求。
相关技术中常用于芯棒的材料为H13、H11等，这些材料属于高合金钢，成本高。而高碳铬钢具有良好冷、热加工性能，又有相关技术为了改善上述问题选用高碳铬钢替代H13、H11材料的芯棒，但是由于高碳铬钢的碳含量较高，C元素容易出现偏聚，后续加工成芯棒后，容易出现硬度不均，导致芯棒提前失效。而相关技术提供的高碳铬钢容易出现碳偏差＞0.04％的情况，甚至出现碳偏差达到0.10％的情况，均匀性较差。
发明内容
本发明的目的在于提供芯棒用钢及其制备方法，本发明的芯棒用钢的横截面碳偏差能稳定满足≤0.04％的要求，加工成芯棒后，能稳定满足使用要求。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明提供一种芯棒用钢，其为高碳铬钢，其成分按照质量百分数计，包括：
C：0.85～1.00％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.25～0.45％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cu≤0.25％，Ni≤0.10％，Cr：1.50～1.80％，Ti≤0.0025％，O≤0.0010％，余量为Fe及不可避免杂质。
第二方面，本发明提供一种芯棒用钢的制备方法，其包括：控制钢水浇注的过热度为10～40℃。
在可选的实施方式中，还包括：对铸坯进行四段加热，分别为预热段、一加热段、二加热段和均热段，其中，二加热段的温度为1200±20℃，二加热段的时间为△T×(6-8)min，△T为过热度。
在可选的实施方式中，均热段的温度为1250±15℃，均热段的时间为△T×(9-11)min。
在可选的实施方式中，预热段的温度≤700℃。
在可选的实施方式中，一加热段的温度为900±50℃。
在可选的实施方式中，还包括：控制拉速为0.90±0.1m/min。
在可选的实施方式中，还包括：控制结晶器电磁搅拌的电流强度为500±20A，频率为2.0±0.2Hz。
在可选的实施方式中，还包括：末搅电磁搅拌的电流强度为300A±20A，频率为4.0±0.3Hz，且比水量为0.28L。
在可选的实施方式中，还包括：在铸坯的凝固末端轻压下，且压下量为15～17mm。
优选地，压下量为16mm。
本发明包括以下有益效果：
本发明实施例提供的芯棒用钢的横截面碳偏差能稳定满足≤0.04％的要求，加工成芯棒后，能稳定满足使用要求。
发明人研究发现，若是过热度太高，使铸坯产生柱状晶或穿晶组织，当C元素以柱状晶粒析出，会排到尚未凝固的钢液中，随着结晶过程的进行，C元素被富集到铸坯中心或凝固末端区域，则会形成原始的碳偏析；若是过热度太低，容易造成中包水口冻结，迫使浇注中断，影响生产。因此，本发明的方法优化过热度能够改善铸坯心部的成分均匀性，从源头改善碳偏析质量，使芯棒用钢的横截面碳偏差能稳定满足≤0.04％的要求，加工成芯棒后，能稳定满足使用要求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明中钢材的碳偏差检测取点示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
相关技术中，为了降低芯棒用钢的成本，选用高碳铬钢替代H13、H11材料。但是，由于高碳铬钢的碳含量较高，C元素容易出现偏聚，后续加工成芯棒后，容易出现硬度不均，导致芯棒提前失效。
为了提高高碳铬钢性能的均匀性，降低高碳铬钢的横截面碳偏差，相关技术中主要通过电磁搅拌和连铸末端轻压技术对碳偏析进行改善；但是相关技术的方法对于横截面碳偏差的控制不稳定，仍然容易出现碳偏差＞0.04％的情况下，甚至会出现碳偏差达到0.10％的情况。
本发明提供一种芯棒用钢的制备方法，该方法适用于高碳铬钢，且其成分按照质量百分数计，包括：C：0.85～1.00％(例如：0.85％、0.90％、0.95％、1.00％等)，Si：0.15～0.35％(例如：0.15％、0.20％、0.25％、0.30％、0.35％等)，Mn：0.25～0.45％(例如：0.25％、0.30％、0.35％、0.40％、0.45％等)，P≤0.020％(例如：0.020％、0.015％、0.010％等)，S≤0.010％(例如：0.010％、0.005％等)，Cu≤0.25％(例如：0.25％、0.20％等)，Ni≤0.10％(例如：0.10％、0.08％、0.06％等)，Cr：1.50～1.80％(例如：1.50％、1.60％、1.70％、1.80％等)，Ti≤0.0025％(例如：0.0025％、0.0020％、0.0015％等)，O≤0.0010％(例如：0.0010％、0.0008％、0.0006％等)，余量为Fe及不可避免杂质。
过热度即为浇注温度减去液相线温度，液相线温度是一个稳定值，浇注温度越高、过热度就越大。发明人研究发现，若过热度越大(即浇注温度高)，铸坯易产生柱状晶或者穿晶组织，因此在铸坯结晶过程中，C元素会以柱状晶粒析出，并且会排到尚未凝固的钢液中，随着结晶过程的进行，C元素被富集到铸坯中心或者凝固末端区域，形成原始的碳偏析；若过热度过低(即浇注温度低)，容易造成中包水口冻结，迫使浇注中断，影响生产。因此，在铸坯连铸过程中优化钢水浇注的过热度，并控制在10～40℃(例如：10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃等)，能够改善铸坯心部的成分均匀性，从源头改善碳偏析质量，使芯棒用钢的横截面碳偏差能稳定满足≤0.04％的要求，加工成芯棒后，能稳定满足使用要求。
需要说明的是，液相线温度是一个稳定值(其是根据成分计算出来的，具有固定的公式，具体方式和相关技术类似，在此不再赘述)，而浇注温度在连铸过程会被记录，进而可以根据浇注温度减去液相线温度得到对应的过热度△T。
进一步地，优化拉速也能够提高芯棒用钢的质量；在一些实施方式中，拉速恒定0.90±0.1m/min，例如：0.80m/min、0.90m/min、1.0m/min等。
优化结晶电磁搅拌的参数也能改善碳偏析问题，提高横截面碳偏差控制的稳定性，有效地将碳偏差控制为≤0.04％。
在一些实施方式中，结晶器电磁搅拌(M-EMS)的电流强度为500±20A，例如：480A、490A、500A、510A、520A等，频率为2.0±0.2Hz，例如：1.8Hz、2.0Hz、2.2Hz等。
进一步地，末搅电磁搅拌(F-EMS)电流强度为300A±20A，例如：280A、290A、300A、310A、320A等，频率为4.0±0.3Hz，例如：3.7Hz、4.0Hz、4.3Hz等；比水量0.28L±0.02/Kg。
为了进一步提高横截面碳偏差控制的稳定性，有效地将碳偏差控制为≤0.04％，可以采用轻压下工艺，具体地，在铸坯的凝固末端轻压下，且压下量为15～17mm，优选为16mm。若压下量太低，偏析改善效果不佳；压下量太大，导致铸坯心部出现压下裂纹，降低铸坯质量。
需要说明的是，铸坯的断面尺寸可以是280×280mm，在此不做具体限定。
铸坯凝固过程出现碳偏析是不可避免的，为了进一步改善碳偏析质量，钢材生产时对铸坯进行适当的高温扩散，具体为：分四段加热包括预热段、一加热段、二加热段、均热段。
发明人研究发现，当过热度越大时，柱状晶产生的越多，C偏析越严重；铸坯在加热过程中，C元素会从浓度高的位置向浓度低的位置扩散，进而可以改善碳偏析的问题；因此，当铸坯原始碳偏析越严重时，适当的延长保温的时间，能够使C元素充分扩散，有效地通过保温处理，改善碳偏析的问题。
而且，发明人进一步研究发现，铸坯在1180℃及以上温度保温时，C元素的扩散效果才明显，而且加热温度在一定范围内时，过热度与加热时间呈一定比例，能够进一步地确保碳偏析问题被有效地改善。
本发明中，控制预热的温度≤700℃，例如：700℃、690℃、680℃、670℃、660℃等。预热段的时间可以参考相关技术，在此不做具体限定。
一加热段的温度900±50℃，例如：850℃、880℃、900℃、920℃、950℃等。
为了利用高温使C元素充分扩散，进而改善碳偏析的问题。本发明中，二加热段的温度为1200±20℃，例如：1180℃、1190℃、1200℃、1210℃、1220℃等；二加热段时间为△T×(6-8)min，其中，T为钢水浇注的过热度。
进一步地，为了进一步利用高温使C元素充分扩散，进而改善碳偏析的问题。本发明中，均热段的温度为1250±15℃，例如：1235℃、1240℃、1250℃、1255℃、1265℃等；均热段时间为△T×(9-11)min；其中△T为钢水浇注的过热度。
按照本发明的方法在高温下保温处理，能够确保铸坯心部温度与表面温度均匀，成分可以得到进一步的均匀化，碳偏析质量得到有效改善。
加热好的铸坯经过12-16道次轧制成40-80规格圆钢，终轧温度≥800℃。
按照本发明的方法制得的芯棒用钢，能够改善铸坯心部的成分均匀性，从源头改善碳偏析质量，进而稳定地控制碳偏析，且碳偏差能够稳定地满足≤0.04％的要求。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1-3以及对比例1-4的钢材成分见表1。
表1钢材主要化学成分/％
| 成分 | C | Si | Mn | P | S | Cu | Ni | Cr | Ti | O |
| 实施例1 | 0.91 | 0.24 | 0.35 | 0.012 | 0.002 | 0.02 | 0.04 | 1.68 | 0.0013 | 0.0006 |
| 实施例2 | 0.91 | 0.24 | 0.35 | 0.009 | 0.003 | 0.02 | 0.02 | 1.69 | 0.0015 | 0.0005 |
| 实施例3 | 0.9 | 0.24 | 0.35 | 0.008 | 0.002 | 0.02 | 0.05 | 1.68 | 0.0016 | 0.0005 |
| 对比例1 | 0.9 | 0.24 | 0.37 | 0.015 | 0.002 | 0.02 | 0.04 | 1.67 | 0.0016 | 0.0006 |
| 对比例2 | 0.9 | 0.24 | 0.36 | 0.01 | 0.002 | 0.02 | 0.06 | 1.68 | 0.0014 | 0.0007 |
| 对比例3 | 0.88 | 0.25 | 0.36 | 0.011 | 0.002 | 0.02 | 0.01 | 1.7 | 0.0016 | 0.0006 |
| 对比例4 | 0.9 | 0.24 | 0.36 | 0.012 | 0.002 | 0.02 | 0.01 | 1.68 | 0.0015 | 0.0004 |
实施例1-3以及对比例1-19的连铸和加热工艺见表2。
表2芯棒用钢连铸、加热工艺
实施例1-3以及对比例1-19的预热段温度为650℃，一加热段温度为900℃；终轧温度温度850℃。
对比例5-19的成分与实施例1相同，在此不再赘述。
需要说明的是，各个实施例和对比例的碳偏差检测方法包括：取30mm厚的高碳铬圆钢样，采用9点法进行全截面碳偏差分析，9点中最大值与最小值的差为碳偏差，即取如图1中编号1-9的9点分析碳偏析，用编号1-9的9个值中的最大值与最小值的差为碳偏差。
根据表2的碳偏差结果可知，对比例1和对比例3的二加热段时间未按照本发明的方法控制，时间更短，C元素不能充分扩散，碳偏差大于0.04％，不满足要求。
对比例2的均热段时间未按照本发明的方法控制，时间更短，C元素不能充分扩散，碳偏差大于0.04％，不满足要求。
对比例4的轻压下量更大，虽然对于碳偏差未显示出不良影响；但是制备的钢材具有裂纹，无法满足生产的基本要求。
对比例5的轻压下量更小，碳偏差大于0.04％，不满足要求。
对比例6的过热度更低；具体地，过热度低于8℃，会出现断浇的情况，无法生产。
对比例7的过热度更高，碳偏差大于0.04％，达到0.072％，不满足要求。
对比例8的二加热段时间和均热段时间均未按照本发明的方法控制，其中，二加热段时间更短，均热段的时间也更短，碳偏差大于0.04％，不满足要求。
对比例9的二加热段时间和均热段时间均未按照本发明的方法控制，其中，二加热段时间更长，均热段的时间更短，碳偏差大于0.04％，不满足要求。
对比例10的二加热段时间和均热段时间均未按照本发明的方法控制，其中，二加热段的时间更短，均热段的时间更长，碳偏差大于0.04％，不满足要求。
对比例11的过热度、二加热段时间和均热段时间均未按照本发明的方法控制，其中，过热度更低，二加热段的时间更短，均热段的时间也更短，会出现断浇的情况，无法生产。
对比例12的过热度、二加热段时间和均热段时间均未按照本发明的方法控制，其中，过热度更低，二加热段的时间更长，均热段的时间也更长，会出现断浇的情况，无法生产。
对比例13的过热度、二加热段时间和均热段时间均未按照本发明的方法控制，其中，过热度更高，二加热段的时间更短，均热段的时间也更短；过热度高于40℃，铸坯的偏析很严重，很难通过后续加热来改善，碳偏差大于0.04％，不满足要求。
对比例14的过热度、二加热段时间和均热段时间均未按照本发明的方法控制，其中，过热度更高，二加热段的时间更长，均热段的时间也更长，碳偏差大于0.04％，不满足要求。
对比例15的过热度、二加热段时间和均热段时间均未按照本发明的方法控制，其中，过热度更低，二加热段的时间更短，均热段的时间更长，会出现断浇的情况，无法生产。
对比例16的过热度、二加热段时间和均热段时间均未按照本发明的方法控制，其中，过热度更低，二加热段的时间更长，均热段的时间更短，会出现断浇的情况，无法生产。
对比例17的过热度、二加热段时间和均热段时间均未按照本发明的方法控制，其中，过热度更高，二加热段的时间更短，均热段的时间更长，碳偏差大于0.04％，不满足要求。
对比例18的过热度、二加热段时间和均热段时间均未按照本发明的方法控制，其中，过热度更高，二加热段的时间更长，均热段的时间更短，碳偏差大于0.04％，不满足要求。
综上所述，本发明的制备方法，通过优化过热度，并且控制后续的高温保温时间与过热段相适配，以改善铸坯心部的成分均匀性，从源头改善碳偏析质量，并且确保C元素有效、均匀的扩散，使芯棒用钢的横截面碳偏差能稳定满足≤0.04％的要求，加工成芯棒后，能稳定满足使用要求。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种芯棒用钢，其特征在于，所述芯棒用钢为高碳铬钢，其成分按照质量百分数计，包括：
C：0.85～1.00％，Si：0.15～0.35％，Mn：0.25～0.45％，P≤0.020％，S≤0.010％，Cu≤0.25％，Ni≤0.10％，Cr：1.50～1.80％，Ti≤0.0025％，O≤0.0010％，余量为Fe及不可避免杂质。
2.一种如权利要求1所述的芯棒用钢的制备方法，其特征在于，包括：
控制钢水浇注的过热度为10～40℃。
3.根据权利要求2所述的芯棒用钢的制备方法，其特征在于，还包括：对铸坯进行四段加热，分别为预热段、一加热段、二加热段和均热段，其中，所述二加热段的温度为1200±20℃，所述二加热段的时间为△T×(6-8)min，所述△T为所述过热度。
4.根据权利要求3所述的芯棒用钢的制备方法，其特征在于，所述均热段的温度为1250±15℃，所述均热段的时间为△T×(9-11)min。
5.根据权利要求3所述的芯棒用钢的制备方法，其特征在于，所述预热段的温度≤700℃。
6.根据权利要求3所述的芯棒用钢的制备方法，其特征在于，所述一加热段的温度为900±50℃。
7.根据权利要求2所述的芯棒用钢的制备方法，其特征在于，还包括：控制拉速为0.90±0.1m/min。
8.根据权利要求2所述的芯棒用钢的制备方法，其特征在于，还包括：控制结晶器电磁搅拌的电流强度为500±20A，频率为2.0±0.2Hz。
9.根据权利要求8所述的芯棒用钢的制备方法，其特征在于，还包括：末搅电磁搅拌的电流强度为300A±20A，频率为4.0±0.3Hz，且比水量为0.28L。
10.根据权利要求2所述的芯棒用钢的制备方法，其特征在于，还包括：在铸坯的凝固末端轻压下，且压下量为15～17mm。
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| CN110205547A (zh) * | 2019-06-13 | 2019-09-06 | 山东钢铁股份有限公司 | 一种凸轮轴用非调质钢及其制备方法 |
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2022
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