CN1405351A - 用富氮和含钒合金微合金化高强度低合金钢及其冶炼方法 - Google Patents

用富氮和含钒合金微合金化高强度低合金钢及其冶炼方法 Download PDF

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Abstract

本发明为一种用富氮合金和含钒合金微合金化高强度低合金钢及其冶炼方法，涉及高强度低合金钢的炼钢生产工艺。所述微合金化高强度低合金钢的化学成份(重量％)为：N 0.0083～0.021％，Si 0.15～0.7％，C 0.12～0.3％，Mn 0.8～1.6％，V 0.03～0.12％P≤0.4％，S≤0.04％，余量为Fe。所述冶炼方法可以采用转炉冶炼工艺，也可以采用电炉冶炼、精炼炉精炼工艺，所用铁水必须符合GB717－82炼钢生铁所规定的二级标准，该方法通过提高钢中[N]含量，降低微合金化元素含量，获得了强度高、塑性好的高强度低合金钢，并显著降低了生产成本。

Description

用富氮和含钒合金微合金化高强度低合金钢及其冶炼方法
技术领域
本发明为一种用富氮合金和含钒合金微合金化高强度低合金钢及其冶炼方法，涉及高强度低合金钢的炼钢生产工艺。
背景技术
高强度低合金钢是具有良好物理性能，诸如延性、弯曲性能、可焊性能和严格的强屈比要求的结构、建筑用基础材料。该类钢种的生产工艺一般采取两种方法：一是高温轧制的热处理；二是微合金化。由于微合金化具有无须改变炼钢和热轧操作、强化效果显著、较好满足建筑材料对物理性能的要求等优点，国内外普遍采用此类方法。微合金化工艺在提高强度的同时，对其它物理性能指标不产生影响，最新为人们所认识的核心技术是提高钢中[N]含量，即最大程度的提高[C、N]化合物的生成量。但国内外一些向钢中增氮的方法，如钢中吹氮、添加氰氨化钙(CaCN2)、添加富氮锰铁、使用VN合金等工艺都没有较好地解决生产成本高和富氮不稳定等矛盾。由于上述原因，虽然人们早已认识到提高微合金化钢中[N]含量对提高钢材强度、降低微合金元素使用量的重大意义，但仍不得不采用单一提高微合金化元素在钢中的含量来达到提高强度的目的。因该工艺没有足够的[N]和过饱和度，因此强度增加不明显，在增加相当[V]的含量的前提下，也只能满足或达到400MPa级钢的强度要求，完全不能满足生产高强度低合金钢(500MPa以上级)或对微合金元素含量缺陷产生敏感铸坯钢种的工艺要求。
技术内容
本发明的目的是提供一种用富氮合金和含钒合金微合金化高强度低合金钢及其冶炼方法，该方法通过提高钢中[N]含量，降低微合金化元素含量，获得了强度高、塑性好的高强度低合金钢，并显著降低了生产成本。
本发明的目的是这样实现的：
所述微合金化高强度低合金钢的化学成份(重量％)为：N 0.0083～0.021％，Si 0.15～0.7％，C 0.12～0.3％，Mn 0.8～1.6％，V 0.03～0.12％，P≤0.4％，S≤0.04％，余量为Fe。
所述用富氮合金和含钒合金微合金化高强度低合金钢冶炼方法，包括如下步骤：
本发明炼钢原料采用GB717-82标准规定的二级标准炼钢生铁、废钢、浇注钢坯。
冶炼工艺：
本发明可以采用转炉冶炼工艺，也可以采用电炉冶炼、精炼炉精炼工艺，所用铁水必须符合GB717-82炼钢生铁所规定的二级标准，即：
C 3.5％，Si 0.85～1.25％，Mn 0.3～0.5％，P 0.15～0.25％，S 0.03～0.05％
一、转炉冶炼工艺
①用氧气顶吹转炉冶炼，加入渣料80～130kg/吨钢，冶炼操作采用单渣法操作，出钢温度控制在1680～1720℃。
②冶炼终点控制：终点碳含量≥0.08％，终渣(FeO％+MnO％)含量≤20％，用挡渣锥和挡渣塞挡渣，包渣厚度控制在14～16kg/吨钢。
③脱氧合金化：
在出钢过程中加入烘烤后的含硅(Si≥60％)、含锰(Mn≥35％)合金，所述合金加入量为：
含硅合金折合总硅量 2.0～9.5kg/T钢
含锰合金折合总锰量 9.5～20.0kg/T钢
④富氮合金及其加入方法：
所述富氮合金为一种以Si3N4为基体，混合Al、Si、Mn、C金属粉末冷固积压成型的球状合金，其粒度为Φ13～17mm；
所述富氮合金的化学成份(重量％)为：N 15～20％，Si 20～21％，C 2～3％，Mn 32～33％，Al 2～5％，P≤0.4％，S≤0.02％，余量为Fe。
在出钢1/6～4/5时，以袋装沉淀方法加入富氮合金，同时加入含钒合金(V≥5.5％)，出钢过程中吹氩弱搅拌，所述合金加入量为：
含钒合金折合总钒量：钒渣0.35～1.3kg/T钢，或钒铁0.3～1.3kg/T钢
所述富氮合金加入量为：0.8～4.0kg/T钢
冶炼好的钢水进行吹氩处理，吹氩压力0.15～0.25Mpa，吹氩时间在3分钟以上，钢包加覆盖剂，待浇注。
⑤钢水浇注
连铸浇注钢坯，中间包温度控制在1530～1560℃，拉速：板坯(1050×150mm)控制在1.0～1.3m/min；方坯(120×120mm)控制在2.4～2.8m/min，采用弱冷冷却。
二、电炉冶炼、精炼炉精炼工艺
①采用电炉冶炼、精炼炉精炼，配加生铁或热装铁水占总装入量的10～15％，废钢占85～90％，一次性加入生石灰4～5吨，采用留钢留渣操作工艺，熔化末期在吹氧操作的同时喷入碳粉1.0～3.5kg/T钢，造泡沫渣，进行埋弧冶炼，出钢温度控制在1610～1630℃。
②冶炼终点控制：终点碳含量控制在0.08～0.16％，终渣(FeO％+MnO％)含量≤20％，采用EPT方式出钢，包渣厚度控制在8～12kg/吨钢。
③脱氧合金化：
在出钢过程中加入合金渣料、脱氧剂，合金渣料、脱氧剂加入量为：
CaO 7～9kg/T钢，CaF 0.5～0.8kg/T钢，铝块 0.7～0.9kg/T钢
含硅合金折合总硅量 2.0～9.5kg/T钢
含锰合金折合总锰量 9.5～20.0kg/T钢
④富氮合金及其加入方法：
所述富氮合金为一种以Si3N4为基体，混合Al、Si、Mn、C金属粉末冷固积压成型的球状合金，其粒度为Φ13～17mm；
所述富氮合金的化学成份(重量％)为：N 15～20％，Si 20～21％，C 2～3％，Mn 32～33％，Al 2～5％，P≤0.4％，S≤0.02％，余量为Fe。
在出钢1/6～4/5时，以袋装或散料沉淀方法加入如前所述富氮合金，同时加入含钒合金(V≥5.5％)，所述合金加入量为：
含钒合金折合总钒量为：钒渣0.35～1.5kg/T钢，钒铁0.3～1.3kg/T钢
所述富氮合金加入量为：0.8～4.0kg/T钢
出钢的同时开始吹氩，出钢完毕，至精炼炉精炼，继续吹氩，造渣精炼，吊包温度控制在1615～1625℃。
冶炼好的钢水进行吹氩处理，吹氩压力0.15～0.25Mpa，吹氩时间在3分钟以上，钢包加覆盖剂，待浇注。
⑤钢水浇注
连铸浇注钢坯，采用全程保护浇注，中间包温度控制在1520～1535℃，拉速控制在：方坯2.4～2.8m/min，板坯0.85～1.1m/min，采用弱冷冷却。
本发明具有如下优点：
1、富氮工艺简单，钢中氮含量稳定，效果明显，可广泛应用于生产微合金化高强度低合金钢。
2、由于富氮合金生成了足够的[N]，增强了C、N化物的过饱和度，达到微合金化低合金钢在提高强度的同时，增强其塑性的目的。
3、与其它微合金化生产低合金钢工艺相比，能大量节约贵重元素的加入量，显著降低生产成本。
4、由于本发明的工艺特点，有利于开发微合金化强化性能的钢种。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1：
所述微合金化高强度低合金钢的化学成份(重量％)为：N 0.010％，Si 0.56％，C 0.21％，Mn 1.35％，V 0.043％，P 0.025％，S 0.032％，余量为Fe。
所用铁水必须符合GB717-82炼钢生铁所规定的二级标准，铁水温度高于1250℃。
(1)氧气顶吹转炉冶炼
用20T氧气顶吹转炉冶炼，加入渣料(主要是石灰，少量萤石，石灰∶萤石＝12.5∶1)80kg/吨钢，冶炼操作采用单渣法操作，终点前1分钟降氧枪操作，终渣(FeO％+MnO％)含量控制在≤16％，终点碳含量控制在0.09％，出钢采用挡渣锥和挡渣塞挡渣出钢，包渣厚度控制在15kg/吨钢，出钢温度控制在1693℃。在出钢1/6～4/5加入烘烤后的合金，合金加入量为：
FeSi(74％)2kg/吨钢        FeMn(65％)21kg/吨钢
富氮合金2.8kg/吨钢          钒渣(V2O511％)10kg/吨钢
所述富氮合金的化学成份(重量％)为：N 17％，Si 20％，C 2.3％，Mn 32％，Al 4％，P 0.38％，S 0.019％，余量为Fe。其粒度为Φ15mm。
用钢包车送至小平台，取样测温，吹氩4分钟，吹氩压力0.2Mpa，之间加入钢包覆盖剂，将钢包吊至连铸钢包架上，中包加入保护渣，实行敞开式浇注，连铸浇注钢坯，中包温度控制在1530～1550℃，方坯(120×120mm)拉速为2.5m/min，采用弱冷冷却。
(2)电炉冶炼、精炼炉精炼
采用100T直流超高功率电弧炉冶炼、配入热装铁水占总装入量的13％，废钢占87％，一次性加入生石灰4.5吨左右，采用留钢留渣操作工艺，熔化末期在吹氧操作的同时喷入碳粉1.2kg/吨钢，造泡沫渣，进行埋弧冶炼，采用EPT方式出钢，包渣厚度控制在10.5kg/吨钢，出钢温度控制在1623℃，在出钢1/5～4/5之间加入合金渣料、脱氧剂，合金渣料、脱氧剂加入量为：
CaO 8kg/T钢，CaF 0.6kg/T钢，Al 0.8kg/T钢
FeMn65Si14(Si15％、Mn70％) 18.8kg/T钢
FeSi(76％)                 2kg/T钢
富氮合金0.8kg/吨钢         钒渣(V2O5 11％)8kg/吨钢
所述富氮合金的化学成份(重量％)为：N 17％，Si 20％，C 2％，Mn 32％，P 0.4％，S 0.02％，余量为Fe。其粒度为Φ15mm。
出钢的同时，开始吹氩，吹氩压力0.25Mpa，吹氩时间在4分钟，出钢完毕，将钢包车开出，将钢包吊至精炼炉工位进行精炼，继续吹氩，造渣精炼，吊包温度控制在1620℃，加钢包覆盖剂后将钢包吊至连铸的大包回转台，连铸浇注钢坯，采用全程无氧化浇注，中间包温度控制在1530℃，方坯(150×150mm)拉速控制在2.4m/min，采用弱冷冷却。
实施例2：
所述微合金化高强度低合金钢的化学成份(重量％)为：
N 0.012％，Si 0.20％，C 0.20％，Mn 1.21％，V 0.12％，P 0.027％，S 0.025％，余量为Fe。
所用铁水必须符合GB717-82炼钢生铁所规定的二级标准，铁水温度高于1250℃。
(1)氧气顶吹转炉冶炼
用20T氧气顶吹转炉冶炼，加入渣料(主要是石灰，少量萤石，石灰/萤石＝12.5∶1)80kg/吨钢，冶炼操作采用单渣法操作，终点前1分钟降氧枪操作，终渣(FeO％+MnO％)含量控制在≤16%终点碳含量控制在0.10％，出钢采用挡渣锥和挡渣塞挡渣出钢，包渣厚度控制在14kg/吨钢，出钢温度控制在1700℃。在出钢1/5～4/5之间加入烘烤后的合金，合金加入量为：
FeSi(74％) 3kg/吨钢    FeMn(65％)    20.5kg/吨钢
富氮合金   4.0kg/吨钢    钒铁(FeV50％) 2.4kg/吨钢
所述富氮合金的化学成份(重量％)为：N 19%，Si 20％，C 2.5％，Mn 33％，Al 4％，P 0.40％，S 0.020％，余量为Fe。其粒度为Φ15mm。
用钢包车送至小平台，取样测温，吹氩4分钟，吹氩压力0.2Mpa，之间加入钢包覆盖剂，将钢包吊至连铸钢包架上，中包加入保护渣，实行大包注流套管保护浇注，连铸浇注钢坯，中包温度控制在1535～1555℃，板坯(150×1050mm)拉速为1.1m/min，采用弱冷冷却。
(2)电炉冶炼、精炼炉精炼
采用100T直流超高功率电弧炉冶炼、配入热装铁水占总装入量的13％，废钢占87％，一次性加入生石灰4.5吨左右，采用留钢留渣操作工艺，熔化末期在吹氧操作的同时喷入碳粉1.5kg/T钢，造泡沫渣，进行埋弧冶炼，采用EPT方式出钢，终点碳含量控制在0.09％，终渣(FeO％+MnO％)含量≤15％，包渣厚度控制在9kg/吨钢，出钢温度控制在1625℃，在出钢1/5～4/5之间加入合金渣料、脱氧剂，合金渣料、脱氧剂加入量为：
CaO 8kg/T钢，CaF 0.6kg/T钢，Al 0.8kg/T钢
FeMn65Si14(Si14％、Mn66％)18kg/T钢
富氮合金 0.8kg/吨钢    钒铁(FeV50％) 2.2kg/吨钢
所述富氮合金的化学成份(重量％)为：N 19％，Si 20％，C 2.5％，Mn33％，Al 4％，P 0.40％，S 0.020％，余量为Fe。其粒度为Φ15mm。
出钢的同时，开始吹氩，吹氩压力0.2Mpa，吹氩时间在4分钟，出钢完毕，将钢包车开出，将钢包吊至精炼炉工位进行精炼，继续吹氩，造渣精炼，吊包温度控制在1620℃，加钢包覆盖剂后将钢包吊至连铸的大包回转台，连铸浇注钢坯，采用全程无氧化浇注，中间包温度控制在1530℃，板坯(150～250×1500mm)拉速控制在1.1m/min，采用弱冷冷却。
表2为使用富氮合金和含钒合金微合金化工艺达到的物理性能指标。
                                 表2
   工    艺  级别  规格   бs(或бp0.2)MPa    бbMPa   δs％
实施例1    I  400   22       460     620     24
   II  500   22       550     715     18
实施例2    III  450   12       500     645     18
   IV  450   12       495     635     18

Claims (5)

1、一种用富氮合金和含钒合金微合金化高强度低合金钢，其特征在于所述微合金化高强度低合金钢的化学成份(重量％)为：N 0.0083～0.021％，Si 0.15～0.7％，C 0.12～0.3％，Mn 0.8～1.6％，V 0.03～0.12％P≤0.4％，S≤0.04％，余量为Fe。
2、如权利要求1所述合金钢的冶炼方法，其特征在于所述合金钢采用转炉冶炼方法，包括如下步骤：
所述合金钢炼钢原料采用GB717-82标准规定的二级标准炼钢生铁、废钢、浇注钢坯；
冶炼工艺：
①用氧气顶吹转炉冶炼，加入渣料80～130kg/吨钢，冶炼操作采用单渣法操作，出钢温度控制在1680～1720℃；
②冶炼终点控制：终点碳含量≥0.08％，终渣(FeO％+MnO％)含量≤20％，用挡渣锥和挡渣塞挡渣，包渣厚度控制在14～16kg/吨钢；
③脱氧合金化：在出钢中间加入烘烤后的含硅(Si≥60％)、含锰(Mn≥35％)合金，所述合金加入量为：
      含硅合金折合总硅量2.0～9.5kg/T钢
      含锰合金折合总锰量9.5～20.0kg/T钢
④富氮合金及其加入方法：所述富氮合金为一种以Si3N4为基体，混合Al、Si、Mn、C金属粉末冷固积压成型的球状合金，其粒度为Φ13～17mm；
所述富氮合金的化学成份(重量％)为：N 15～20％，Si 20～21％，C 2～3％，Mn 32～33％，Al 2～5％，P≤0.4％，S≤0.02％，余量为Fe；
在出钢1/6～4/5时，以袋装沉淀方法加入富氮合金，同时加入含钒合金(V≥5.5％)，出钢过程中吹氩弱搅拌，所述合金加入量为：
含钒合金折合总钒量：钒渣0.35～1.3kg/T钢，或钒铁0.3～1.3 kg/T钢
所述富氮合金加入量为：0.8～4.0kg/T钢
冶炼好的钢水进行吹氩处理，吹氩压力0.15～0.25Mpa，吹氩时间在3分钟以上，钢包加覆盖剂。
3、如权利要求2所述的方法，其特征在于用所述钢水连铸浇注钢坯，中间包温度控制在1530～1560℃，拉速：板坯控制在1.0～1.3m/min，方坯控制在2.4～2.8m/min。
4、如权利要求1所述合金钢的冶炼方法，其特征在于所述合金钢采用电炉冶炼、精炼炉精炼冶炼方法，包括如下步骤：
所述合金钢炼钢原料采用GB717-82标准规定的二级标准炼钢生铁、废钢、浇注钢坯；
冶炼工艺：
①采用电炉冶炼、精炼炉精炼，配加生铁或热装铁水占总装入量的10～15％，废钢占85～90％，一次性加入生石灰4～5吨，采用留钢留渣操作工艺，熔化末期在吹氧操作的同时喷入碳粉0.5～3.5kg/T钢，造泡沫渣，进行埋弧冶炼，出钢温度控制在1610～1630℃；
②冶炼终点控制：终点碳含量控制在0.08～0.16％，终渣(FeO％+MnO％)含量≤20％，采用EPT方式出钢，包渣厚度控制在8～12kg/吨钢；
③脱氧合金化：在出钢过程中加入合金渣料、脱氧剂，合金渣料、脱氧剂加入量为：
CaO 7～9kg/T钢，CaF 0.5～0.8kg/T钢，铝块 0.7～0.9kg/T钢
含硅合金折合总硅量 2.0～9.5kg/T钢
含锰合金折合总锰量 9.5～20.0kg/T钢
④富氮合金及其加入方法：
所述富氮合金为一种以Si3N4为基体，混合Al、Si、Mn、C金属粉末冷固积压成型的球状合金，其粒度为Φ13～17mm，
所述富氮合金的化学成份(重量％)为：N 15～20％，Si 20～21％，C 2～3％，Mn 32～33％，Al 2～5％P≤0.4％，S≤0.02％，余量为Fe；
在出钢1/5～4/5时，以袋装或散料沉淀方法加入如前所述富氮合金，同时加入含钒合金(V≥5.5％)，所述合金加入量为：
含钒合金折合总钒量：  钒渣0.35～1.5kg/T钢，钒铁0.3～1.3kg/T钢
所述富氮合金加入量为：0.8～4.0kg/T钢
出钢的同时开始吹氩，出钢完毕，至精炼炉精炼，继续吹氩，造渣精炼，吊包温度控制在1615～11625℃；
冶炼好的钢水进行吹氩处理，吹氩压力0.15～0.25Mpa，吹氩时间在3分钟以上，钢包加覆盖剂。
5、如权利要求2所述的方法，其特征在于用所述钢水连铸浇注钢坯，采用全程保护浇注，中间包温度控制在1520～1535℃，方坯拉速控制在2.4～2.8m/min，板坯拉速控制在0.85～1.1m/min。
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