CN1793404A

CN1793404A - 高强度耐大气腐蚀型钢及其生产方法

Info

Publication number: CN1793404A
Application number: CN 200510022441
Authority: CN
Inventors: 刘明; 周一平; 方淑芳; 唐历; 刘建华; 陶功明; 王亚东; 李纪仁
Original assignee: Panzhihua Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Pangang Group Co Ltd
Priority date: 2005-12-29
Filing date: 2005-12-29
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2025-12-29
Also published as: CN100427630C

Abstract

本发明提供了一种高强度耐大气腐蚀型钢，其化学成分按重量百分比包括：C：0.10～0.15％、Si：0.30～0.50％、Mn：1.20～1.45％、Cu：0.20～0.40％、Ni：0.15～0.35％、Cr：0.20～0.40％、P≤0.35％、S≤0.15％、V≤0.15％。还提供了一种生产上述型钢的方法。本发明的型钢的R_eL达到450MPa以上，R_m达到550MPa以上，Ak_v大于26J，在0℃条件下进行CO₂气体保护焊、埋弧焊和手工焊接均不会出现裂纹。本发明的生产方法不需冷弯工序，轧后不需控制冷却方法，仅采用自然冷却即可。

Description

高强度耐大气腐蚀型钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种型钢及其生产方法，特别是涉及一种高强度耐大气腐蚀型钢及其生产方法。

背景技术

随着我国铁路货运列车重载化的发展，铁路货运列车制造用钢材一直在向高强度方向发展，为了满足我国重载列车中梁钢的要求，铁道部运输局于2004年颁发了铁道货车用高强度耐大气腐蚀热轧310乙字型钢技术条件，对高强度耐大气腐蚀热轧310乙字型钢提出了屈服强度(R_eL)不小于450MPa、抗拉强度(R_m)不小于550MPa、-40℃冲击功(Ak_V)不小于24J的性能要求，同时要求钢材具有良好的焊接性和耐大气腐蚀性能。

《钢铁钒钛》杂志2002年12月(第23卷第4期第23～26页，VN₁₂合金化工艺对09V钢性能的影响，刘明著)报道了攀钢采用VN₁₂合金替代钒铁合金化，可以提高乙字型钢的强度30MPa的报道。《包钢科技》杂志2004年8月(第30卷第4期第35～37页，高耐候310乙字型钢试制，程德富等著)报道了包钢生产高耐候(耐大气腐蚀)Q345GNHL310乙字型钢的情况，该钢的R_eL可达420～435MPa，并具有良好的耐候性能。《稀土信息》杂志(2003年第11期第10页)报道了包钢成功开发高强度耐大气腐蚀B450NbRE 310乙字型钢的情况，但该杂志未见有详细的性能指标和大规模生产信息的报道。汉口轧钢厂的申请号为03125344.X的专利申请公布了一种用于铁路车辆制造的冷弯中梁，采用冷弯型钢的方法生产屈服强度R_eL≥450MPa的大帽型钢，来代替乙字型钢制作铁道货车中梁。

但无论采用VN₁₂合金替代钒铁合金化生产乙字型钢，还是Q345GNHL310乙字型钢，R_eL均未达到450MPa。采用冷弯法生产大帽型钢代替乙字型钢制作铁道货运列车中梁，需增加冷弯工序，增加了生产成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高强度耐大气腐蚀型钢，该钢的R_eL达到450MPa以上，Ak_v在24J以上，并具有良好的耐大气腐蚀能力。

本发明还要提供一种生产上述型钢的方法，该方法不需冷弯工序。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是：高强度耐大气腐蚀型钢，其化学成份按重量百分比包括：C：0.10～0.15％、Si：0.30～0.50％、Mn：1.20～1.45％、Cu：0.20～0.40％、Ni：0.15～0.35％、Cr：0.20～0.40％、P≤0.35％、S≤0.15％、V≤0.15％。

一种生产上述高强度耐大气腐蚀型钢的方法，包括以下步骤：1)冶炼钢水，使钢水中P≤0.35％、S≤0.15％、V≤0.15％，再加入Cu板和Ni板，使钢水中Cu：0.20～0.40％、Ni：0.15～0.35％，当钢水中C含量小于0.05％时，出钢到钢包中，2)向钢包中加入预脱氧剂，使钢水中氧浓度降到0.01％以下，再加入Si、Mn和Cr的合金，使钢水中Si：0.30～0.45％、Mn：1.20～1.40％、Cr：0.20～0.40％，再加入含有Al₂O₃的渣料，3)向钢水加热并吹氩，加入C粉、Si和Mn的合金，使C：0.10～0.15％、Si：0.30～0.50％、Mn：1.20～1.45％、CEN：0.25～0.34％，当钢水温度为1600～1630℃后，停止加热，继续吹氩15～30min；或向钢水加热并吹氩，当钢水温度为1600～1630℃后，停止加热，进行真空处理，真空处理后期加入C粉、Si和Mn的合金，使C：0.10～0.15％、Si：0.30～0.50％、Mn：1.20～1.45％、CEN：0.25～0.34％，4)浇铸，温度为1548±10℃，5)以8～14℃/min的速度加热铸坯到1100～1250℃，保温1.5～2.0小时后，轧制型钢，终轧温度为700～900℃，轧后进行冷却。

本发明的有益效果是：本发明的型钢的R_eL达到450MPa以上，R_m达到550MPa以上，Ak_V大于26J，碳当量(CEN)的最大值不超过0.34％，在0℃条件下进行CO₂气体保护焊、埋弧焊和手工焊接均不会出现裂纹。采用TB/T2375-1993《铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》进行腐蚀试验时，本发明的型钢相对于Q345B(化学成份的重量百分比含量为：C：0.12～0.18％、Si≤0.40％、Mn：0.12～0.18％、P≤0.030％、S≤0.020％、Cu≤0.070％、Cr≤0.10％、Ni≤0.10％)(下面出现的百分比含量均为重量百分比含量)的腐蚀率≤55％。本发明的生产方法不需冷弯工序，轧后不需控制冷却方法，仅采用自然冷却即可。

附图说明

图1采用本发明方法生产的310乙字型钢截面图。

图2专利申请号03125344.X生产的冷弯中梁截面图。

图3本发明的310乙字型钢对焊后再与铁道货运列车车厢的焊接示意图。

图4专利申请号03125344.X生产的冷弯中梁与铁道货运列车车厢的焊接示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明作进一步的描述。

C通过增加钢中珠光体数量提高钢的强度，Si、Mn固溶在钢中同样能大幅度的提高强度，但随着钢中C、Si、Mn组份的增加，钢的韧性和可焊性随之下降，因此C含量为0.10～0.15％、Si含量为0.30～0.50％、Mn含量为1.20～1.45％。

添加Cu、Ni和Cr元素可以提高钢的耐大气腐蚀能力，但这些元素也会降低钢的韧性和焊接性，因此，Cu含量为0.20～0.40％、Ni含量为0.15～0.35％、Cr含量为0.20～0.40％。

P也能提高钢的耐大气腐蚀能力，但P又能提高低温脆性转变温度，不利于钢的低温冲击性能，所以P含量不大于0.35％。

除易切削钢外，S是有害元素，越低越好，所以本发明的S含量不大于0.15％。

V可形成V(C、N)质点，部分V(C、N)质点成为铁素体核心，促进晶内铁素体的产生，使钢的晶粒得到细化，V的加入量不大于0.15％。

CEN是钢的碳当量，CEN高于0.34％时，钢的可焊性差，CEN低于0.25％时，钢中合金元素含量低，钢的屈服强度随之降低。

CEN按下式计算：

CEN＝C+A(C){Si/24+Mn/16+Cu/15+Ni/20+(Cr+V)/5}

式中A(C)为C的适用系数，A(C)＝0.75+0.25tgh[20(C-0.12)]。

本发明生产高强度耐大气腐蚀型钢的方法为：

(一)钢水转炉初炼

钢水转炉初炼期控制不易氧化的元素Cu、Ni、Cr的含量在最终成品钢要求的范围内，Si、Mn的含量比最终成品钢的范围稍低，以防止后部工序有增Si、Mn含量的可能性。

1)转炉冶炼钢水使钢中P≤0.35％、S≤0.15％、V≤0.15％，转炉冶炼完毕前5min加入Cu和Ni板，使钢水中Cu、Ni的含量分别为0.20～0.40％和0.15～0.35％，当钢水中C含量小于0.05％时，立即出钢到钢包中。

2)出钢1/3后加入预脱氧剂，比如Al块或Fe-Al-Mn合金等，加入量以钢水中的氧浓度降到0.01％以下为准。加入预脱氧剂后，再加入Si合金(Fe-Si合金或Fe-Si-Mn合金)、Mn合金(Fe-Mn合金或Fe-Si-Mn合金)和Cr合金(中碳Fe-Cr合金、低碳Fe-Cr合金、微碳Fe-Cr合金或金属Cr)，进行合金化，控制钢水中Si含量为0.30～0.45％、Mn含量为1.20～1.40％、Cr含量为0.20～0.40％。出钢到2/3时加完所有的预脱氧剂和合金。

3)出完钢后向钢包内加入含有Al₂O₃的渣料，以使钢包渣的Al₂O₃在12～26％的范围内，加入渣料的目的是为了吸附钢包中的杂质。

(二)钢水精炼

采用“电加热装置”或“电加热+真空处理装置”均可进行钢水的精炼。钢水精炼期主要控制C、Si、Mn和CEN在最终成品钢要求的范围内，去除钢水中的SiO₂、CaO、Al₂O₃等夹杂，增加钢水的纯净度，改善钢材最终性能。

1)采用电加热工艺：

钢水到电加热工序后，立即开始吹氩并加热，并补加C粉和Si、Mn合金，吹氩强度控制在0.2～0.4MPa范围内，当钢水温度达到1600～1630℃时停止加热，停止加热后必须继续吹氩15～30min，在电加热期间，电加热5分钟后钢包渣即可全部熔化，熔化的钢包渣具有吸附钢中的SiO₂、CaO、Al₂O₃等夹杂的能力。电加热期间控制C、Si和Mn含量分别在0.10～0.15％、0.30～0.50％和1.20～1.45％的范围内，CEN控制在0.25～0.34％的范围内。在电加热工序后期进行Ca处理，Ca处理的目的是对硫化物进行球化处理，降低杂质的评级级别，Ca的加入量为每吨钢0.1～0.3kg。

2)采用电加热+真空处理工序：

钢水到电加热工序后，立即开始吹氩并加热，吹氩强度控制在0.2～0.4MPa范围内，钢水温度达到1600～1630℃范围内时停止加热，送钢水到真空处理装置进行真空处理。当采用RH真空循环处理装置处理钢水时，真空度控制在不大于12Kpa，当采用VD真空处理装置处理钢水时，真空度控制在不大于10KPa。钢水真空处理时间控制在10～15min。在真空处理后期需适量补加C粉和Si、Mn合金，控制C、Si和Mn含量分别在0.10～0.15％、0.30～0.50％和1.20～1.45％的范围内，CEN控制在0.25～0.34％的范围内。真空处理完后，进行Ca处理，Ca的加入量为每吨钢0.1～0.3kg。

(三)连续铸钢

本发明的高强度耐大气腐蚀钢液相线温度为1518℃，控制连铸机中包的过热度为30±10℃，因此，控制连铸机中包温度为1548±10℃。该温度是通过控制电加热温度来实现的。

(四)型钢轧制

铸坯在加热炉中以8～14℃/min的加热速度加热，当加热到1100～1250℃后，在该温度下保温1.5～2.0小时，终轧温度控制在700～900℃，轧后可采用空冷方式进行冷却。

图1是根据本发明方法生产的热轧310乙字型钢2，其与铁道货运列车车厢1焊接如图3所示，因310乙字型钢2的外角均为直角，在与车厢厢底焊接时，是平面与平面的焊接，焊接过程中不会出现虚焊的现象。

图2是根据专利申请号03125344.X公开的方法生产的冷弯中梁3，其与铁道货运列车车厢1的焊接如图4所示。因冷弯中梁3外角为大圆角，在与车厢厢底焊接时，是弧与平面的焊接，在焊接过程中可能出现虚焊的现象。

根据本发明方法生产的310乙字型钢与专利申请号03125344.X公开的方法生产的冷弯中梁在其它方面的优缺点对比见表1，对比结果表明，除在铁道货运车辆的制造中，本发明的乙字型钢需多焊接一次外，其它方面均优于根据专利申请号03125344.X公开的方法生产的冷弯中梁。

表1

	本发明热轧310乙字型钢	03125344.X的冷弯中梁	评价
	本发明热轧310乙字型钢	03125344.X的冷弯中梁	评价	钢厂生产成本	钢的冶炼→热轧	钢的冶炼→热轧成板材→冷弯成中梁	冷弯中梁需增加冷弯工序成本
货运列车	先对焊后，	直接与边梁	采用本发明方法生产310乙	钢厂生产成本	钢的冶炼→热轧	钢的冶炼→热轧成板材→冷弯成中梁	冷弯中梁需增加冷弯工序成本

制造厂成本	再与边梁和车厢底部焊接	和车厢底部焊接	字型钢成本略高
制造厂成本	再与边梁和车厢底部焊接	和车厢底部焊接	字型钢成本略高	截面形状	变截面形状	等厚截面形状	变截面形状更有利于承受铁道货运列车箱体上部的重量
铁道货运列车制造工艺	各个外角呈直角	各个外角呈大圆弧状	本发明的热轧310乙字型钢焊接和装配容易	截面形状	变截面形状	等厚截面形状	变截面形状更有利于承受铁道货运列车箱体上部的重量
铁道货运列车制造工艺	各个外角呈直角	各个外角呈大圆弧状	本发明的热轧310乙字型钢焊接和装配容易	其它缺陷	无冷弯变形区域	有冷弯变形区域	冷弯变形部位极易形成裂纹源

实施例1：

转炉冶炼钢水完毕前5min加入Cu和Ni板，使钢水中Cu、Ni的含量分别为0.27％和0.29％，当钢水中C含量小于0.05％时，立即出钢到钢包中，钢水中的C含量为0.03％、P含量为0.016％、S含量为0.009％。出钢1/3后加入预脱氧剂Fe-Al-Mn合金1吨，Fe-Al-Mn合金中Al含量为20％、Mn含量为25％，控制钢水中的氧浓度到0.005％，再加入Fe-Si-Mn、Fe-Si和Fe-Cr合金，进行Si、Mn、Cr元素合金化，其中，Fe-Si-Mn合金中Si含量为12％、Mn含量为62％，Fe-Si合金中Si含量为74％，Fe-Cr合金中Cr含量为63％，控制钢水中Si含量为0.42％、Mn含量为1.30％、Cr含量为0.24％。出完钢后向钢包内加入Al₂O₃含量为21％的渣料500kg。钢水送到电加热炉后，加热钢水到1615℃，立即到RH真空处理装置中进行真空处理，真空度控制在10KPa，真空处理5min后，加入C粉、Fe-Si合金和Fe-Mn合金，控制C、Si、Mn含量分别为0.12％、0.39％和1.40％，同时控制CEN为0.28％，真空处理时间为12min。真空处理后喂Si-Ca包芯线800米(每米Si-Ca包芯线中Ca重量为35g)，进行Ca处理。连铸浇钢时，钢水温度控制在1545℃。再以加热速度为10℃/min，采用推钢式加热炉加热钢坯到1220℃，并在此温度下保温1.5小时后开始轧制型钢，终轧温度控制为850℃，轧后采用空冷方式进行冷却。

检验型钢的力学性能为：R_eL：485Mpa、R_m：615Mpa、Ak_v：42J。

实施例2：

转炉冶炼钢水完毕前5min加入Cu和Ni板，使钢水中Cu含量为0.25％、Ni含量为0.27％，当钢水中C含量小于0.05％时立即出钢到钢包中，钢水中的C含量为0.03％、P含量为0.015％、S含量为0.011％。出钢1/3后加入预脱氧剂Fe-Al-Mn合金1吨，Fe-Al-Mn合金中Al含量为20％、Mn含量为25％，控制钢水中的氧浓度到0.003％，再加入Fe-Si-Mn、Fe-Si和Fe-Cr合金，进行Si、Mn、Cr元素合金化，其中，Fe-Si-Mn合金中Si含量为12％、Mn含量为62％，Fe-Si合金中Si含量为74％，Fe-Cr合金中Cr含量为63％，控制钢水中Si含量为0.46％、Mn含量为1.36％、Cr含量为0.24％。出完钢后向钢包内加入Al₂O₃含量为15％的渣料500kg。钢水送到电加热炉后，加热钢水到1610℃后，立即到RH真空处理装置中进行真空处理，真空度控制在10KPa，真空处理5min后，加入C粉、Fe-Si合金和Fe-Mn合金，控制C、Si、Mn分别为0.12％、0.40％和1.40％，同时控制CEN为0.28％，钢水真空处理时间12min。真空处理后喂Si-Ca包芯线800米(每米Si-Ca包芯线中Ca重量为35g)，进行Ca处理。连铸浇钢时，钢水温度控制为1550℃。再以加热速度为9℃/min，采用推钢式加热炉加热钢坯到1200℃，并在此温度下保温1.5小时后开始轧制型钢，终轧温度控制在750℃，轧后采用空冷方式进行冷却。

检验型钢的力学性能为：R_eL：500Mpa、R_m：620Mpa、Ak_v：36J。

实施例3：

转炉冶炼钢水完毕前5min加入Cu和Ni板，使钢水中Cu含量为0.26％、Ni含量为0.24％，当钢水中C含量小于0.05％时立即出钢到钢包中。钢水中的C含量为0.04％、P含量为0.013％、S含量为0.008％。出钢1/3后加入预脱氧剂Fe-Al-Mn合金1吨，Fe-Al-Mn合金中Al含量为20％、Mn含量为25％，控制钢水中的氧浓度到0.007％，再加入Fe-Si-Mn、Fe-Si和Fe-Cr合金，进行Si、Mn、Cr元素合金化，其中，Fe-Si-Mn合金中Si含量为12％、Mn含量为62％，Fe-Si合金中Si含量为74％，Fe-Cr合金中Cr含量为63％，控制钢水中Si含量为0.43％、Mn含量为1.34％、Cr含量为0.24％。出完钢后向钢包内加入Al₂O₃含量为19％的渣料500kg。钢水送到电加热炉后，加热钢水到1600℃，立即到RH真空处理装置中进行真空处理，真空度控制在10KPa，真空处理5min后，加入C粉、Fe-Si合金和Fe-Mn合金，控制C含量为0.13％、Si含量为0.42％、Mn含量为1.41％，同时控制CEN为0.29％，钢水真空处理时间为12min。真空处理后喂Si-Ca包芯线800米(每米Si-Ca包芯线中Ca重量为35g)，进行Ca处理。连铸浇钢时，钢水温度控制在1545℃。再以加热速度为9℃/min，采用推钢式加热炉加热钢坯到1200℃，并在此温度下保温1.5小时后开始轧制型钢，终轧温度控制在800℃，轧后采用空冷方式进行冷却。

检验型钢的力学性能为：R_eL：500Mpa、R_m：620Mpa、Ak_v：38J。

本发明不仅可用于铁道货车用高强度耐大气腐蚀热轧310乙字型钢，还可用于其它方面，这些都属于本发明保护的范围。

Claims

1、高强度耐大气腐蚀型钢，其特征在于，其化学成份按重量百分比包括：C：0.10～0.15％、Si：0.30～0.50％、Mn：1.20～1.45％、Cu：0.20～0.40％、Ni：0.15～0.35％、Cr：0.20～0.40％、P≤0.35％、S≤0.15％、V≤0.15％。

2、如权利要求1所述的高强度耐大气腐蚀型钢，其特征在于，CEN为0.25～0.34％，其中，CEN＝C+A(C){Si/24+Mn/16+Cu/15+Ni/20+(Cr+V)/5}，A(C)＝0.75+0.25tgh[20(C-0.12)]。

3、一种生产权利要求1所述的高强度耐大气腐蚀型钢的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1)冶炼钢水，使钢水中P≤0.35％、S≤0.15％、V≤0.15％，再加入Cu板和Ni板，使钢水中Cu：0.20～0.40％、Ni：0.15～0.35％，当钢水中C含量小于0.05％时，出钢到钢包中，

2)向钢包中加入预脱氧剂，使钢水中氧浓度降到0.01％以下，再加入Si、Mn和Cr的合金，使钢水中Si：0.30～0.45％、Mn：1.20～1.40％、Cr：0.20～0.40％，再加入含有Al₂O₃的渣料，

3)向钢水加热并吹氩，加入C粉、Si和Mn的合金，使C：0.10～0.15％、Si：0.30～0.50％、Mn：1.20～1.45％、CEN：0.25～0.34％，当钢水温度为1600～1630℃后，停止加热，继续吹氩15～30min；或向钢水加热并吹氩，当钢水温度为1600～1630℃后，停止加热，进行真空处理，真空处理后期加入C粉、Si和Mn的合金，使C：0.10～0.15％、Si：0.30～0.50％、Mn：1.20～1.45％、CEN：0.25～0.34％，

4)浇铸，温度为1548±10℃，

5)以8～14℃/min的速度加热铸坯到1100～1250℃，保温1.5～2.0小时后，轧制型钢，终轧温度为700～900℃，轧后进行冷却。

4、如权利要求3所述的高强度耐大气腐蚀型钢的生产方法，其特征在于，步骤2所述预脱氧剂为Al块或Fe-Al-Mn合金。

5、如权利要求3所述的高强度耐大气腐蚀型钢的生产方法，其特征在于，步骤2所述的Si合金是Fe-Si或Fe-Si-Mn合金，Mn合金是Fe-Mn或Fe-Si-Mn合金，Cr合金是中碳Fe-Cr、低碳Fe-Cr、微碳Fe-Cr合金或金属Cr。

6、如权利要求3所述的高强度耐大气腐蚀型钢的生产方法，其特征在于，步骤3所述的真空处理采用真空循环处理装置和真空处理装置，当采用真空循环处理装置时，真空度不大于12KPa，当采用真空处理装置时，真空度不大于10KPa。

7、如权利要求3所述的高强度耐大气腐蚀型钢的生产方法，其特征在于，步骤3所述的吹氩强度为0.2～0.4Mpa。

8、如权利要求3所述的高强度耐大气腐蚀型钢的生产方法，其特征在于，步骤3所述的真空处理时间为10～15min。

9、如权利要求3所述的高强度耐大气腐蚀型钢的生产方法，其特征在于，所述步骤3后再进行Ca处理，Ca的加入量为每吨钢0.1～0.3kg。

10、如权利要求3所述的高强度耐大气腐蚀型钢的生产方法，其特征在于，所述步骤5采用空冷方式进行冷却。