EP1725347A1 - Verfahren und anlage zur herstellung eines leichtbaustahls mit einem hohe mangan-gehalt - Google Patents

Verfahren und anlage zur herstellung eines leichtbaustahls mit einem hohe mangan-gehalt

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EP1725347A1
EP1725347A1 EP06723198A EP06723198A EP1725347A1 EP 1725347 A1 EP1725347 A1 EP 1725347A1 EP 06723198 A EP06723198 A EP 06723198A EP 06723198 A EP06723198 A EP 06723198A EP 1725347 A1 EP1725347 A1 EP 1725347A1
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slabs
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Definitions

  • the invention relates to a method and a plant for producing a hot strip of a good cold-workable, high-strength, austenitic lightweight steel with increased levels of manganese (Mn), aluminum (AI) and SiIi- zium (Si) with TWIP properties (Twinning-induced Plasticity) in which the steel is first cast on a continuous casting plant to a continuous strand, divided into slabs and then rolled to the final thickness.
  • Mn manganese
  • AI aluminum
  • TWIP properties winning-induced Plasticity
  • Austenitic lightweight steels with TWIP properties for use in, for example, body panel parts, stiffening body elements, as well as cryo gen-containers and pipes have, for example, according to EP 0889144 B1 a chemical composition of 10 to 30% Mn, 1 to 6% Si 1 1 up to 8% Al (with Si + Al ⁇ 12%), balance Fe.
  • a high-strength lightweight steel with 7 to 30% Mn, 1 to 10% Al, 0.7 to 4% Si, ⁇ 10% Cr, ⁇ 10% Ni, ⁇ 3% Cu and ⁇ 0, 5% C and optionally with the other alloying elements N 1 Va 1 Nb 1 Ti, P described, which in addition to good mechanical properties also has good corrosion and stress corrosion cracking resistance.
  • This steel is to be cast in a continuous casting process and hot rolled or slotted close to the final dimensions by thin strip casting.
  • WO 02/101109 A1 discloses a process according to which, by increasing the possible carbon content (C ⁇ 1%) and by adding further elements, here in particular B, also Ni, Cu, N, Nb, Ti, V, P, a significant reduction of the yield strength and thus an improvement in ductility during hot and cold rolling is achieved.
  • a starting material (slab, thin slab or strip) is heated and hot rolled and coiled under consideration of certain temperature limits.
  • EP 1 341 937 B1 describes a process in which a 12 to 30% Mn-containing steel is cast with a two-roll casting machine into a thin pre-strip having a thickness of less than 1 mm to 6 mm, which is vertical From the casting gap emerging pre-strip is cooled by applied to its surface coolant and then rolled in a single hot roll pass to the final thickness. The total time between exit from the casting gap and entry into the rolling stand is about 8 seconds.
  • EP 1 067 203 B1 discloses a process for the production of strips of an Fe-C-Mn alloy, in which initially a thin steel strip having a thickness of between 1.5 and 10 mm and having the composition: 6 to 30% Mn, 0.001 to 1, 6% C, ⁇ 2.5% Si, ⁇ 6% Al 1 ⁇ 10% Cr and other elements produced on a two-roller casting machine and this then with a degree of reduction between 10 and 60% in one or several steps hot rolled.
  • the stated object is procedurally achieved with the characterizing features of claim 1, characterized in that by successively arranged process steps a lightweight steel with the predetermined chemical composition of 15 to 27% Mn, 1 to 6% Al 1 1 to 6% Si, ⁇ 0.8 % C, 5 remainder Fe and accompanying elements
  • An installation for carrying out the method is characterized by the features of claim 7.
  • roller hearth furnace of a CSP plant due to the short lead times greater depletion of the alloying elements or the oxidation of the grain boundaries avoided, which is difficult, for example, in the longer heating phases in the blast furnace of a conventional hot strip mill in the prior art can lead.
  • a suitable casting powder is required.
  • Such a suitable casting powder according to the invention has the property of achieving equilibrium very quickly and then no longer changing its lubricating behavior.
  • the casting powder according to the invention contains an increased proportion of Al 2 O 3 of> 10%.
  • the SiO 2 proportion of the casting powder is alternatively or additionally increased, this increase being carried out up to a basicity (ratio CaOZSiO 2 ) of 0.5-0.7.
  • MnO 2 is more easily reduced by the Al of the steel than SiO 2 and thereby the SiO 2 is protected from this reduction (from burnup), it is possible to add MnO 2 to the casting powder as a further measure of the invention. Even a partial replacement of the SiO 2 by TiO 2 , which acts like SiO 2 glass-forming, but is not attacked (reduced) by the Al of the steel, may be added to the casting powder according to the invention.
  • the plant used is a known CSP plant in which, according to the invention, the distances between the individual plant components have been changed so far that the method of the invention with the requirements, directly after the solidification in an intermediate furnace in the course of a temperature compensation bring about and then hot roll the slab directly without interim cooling, is feasible.
  • the plant shown in the drawing figure therefore consists of a thin slab caster 1 and a downstream intermediate furnace 4, in which the divided from the endless strand 2 after its solidification slab 3 is introduced.

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Abstract

Die Herstellung von Stählen mit erhöhten Gehalten an Mangan (Mn), Aluminium (AI) und Silizium (Si) mit TWIP-Eigenschaften (Twinning Induced Plasticity) durch Strangguss wird nach dem Stand der Technik aus verschiedenen Gründen als schwierig bzw. unmöglich angesehen. Die genannten Gründe sind u. a. geringe Festigkeit der Strangschale bei der Erstarrung wegen starker Mikroseigerung von Mn, hohe Festigkeit bei niedrigeren Temperaturen, Reaktionen des Aluminium im Stahl mit dem Gießpulver, Makroseigerungen, Abreicherung der Legierungselemente im Randbereich sowie Oxidation der Korngrenzen bei der Wiedererwärmung von Brammen im Stoßofen. Gemäß der Erfindung wird deshalb vorgeschlagen, durch hintereinander angeordnete Verfahrensschritte Leichtbaustahl mit einer vorgegebenen chemischen Zusammensetzung von bis 27 % Mn, 1 bis 6 % AI, 1 bis 6 % Si, < 0,8 % C, Rest Fe und Begleitelemente auf einer Dünnbrammengießmaschine (1 ) (d ≤ 120 mm) unter Verwendung von geeigneten Gießpulvern zu vergießen, direkt anschließend an die Erstarrung Brammen (3) vom Endlosstrang (2) abzuteilen und in einem Zwischenofen (4) im Durchlauf einen Temperaturausgleich herbeizuführen und dann die Bramme (3) ohne zwischenzeitliche Abkühlung direkt warmzuwalzen.

Description

Verfahren und Anlage zur Herstellung eines Leichtbaustahls mit einem hohen Mangan-Gehalt
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung eines Warmbandes aus einem gut kaltumformbaren, hochfesten, austenitischen Leichtbaustahl mit erhöhten Gehalten an Mangan (Mn), Aluminium (AI) und SiIi- zium (Si) mit TWIP-Eigenschaften (Twinning jnduced Plasticity), wobei der Stahl zunächst auf einer Stranggießanlage zu einem Endlosstrang vergossen, in Brammen unterteilt und dann auf die Enddicke gewalzt wird.
Austenitische Leichtbaustähle mit TWIP-Eigenschaften zur Verwendung für bei- spielsweise Karosserieblechteile, versteifende Karosserieelemente sowie Cryo- gen-Behälter und Rohrleitungen besitzen beispielsweise entsprechend der EP 0 889 144 B1 eine chemische Zusammensetzung von 10 bis 30 % Mn, 1 bis 6 % Si1 1 bis 8 % AI (mit Si + AI < 12 %), Rest Fe.
In der DE 199 00 199 A1 wird ein hochfester Leichbaustahl mit 7 bis 30 % Mn, 1 bis 10 % AI, 0,7 bis 4 % Si, < 10 % Cr, < 10 % Ni, < 3 % Cu und < 0,5 % C sowie optional mit den weiteren Legierungselementen N1 Va1 Nb1 Ti, P beschrieben, der neben guten mechanischen Eigenschaften auch gute Korrosions- und Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit besitzt. Dieser Stahl soll im Stranggießverfahren vergossen und warmgewalzt oder durch Dünnbandgießen endabmessungsnah vergossen werden.
Die Herstellung von hochmanganhaltigen Stählen durch Strangguss wird nach dem Stand der Technik aus verschiedenen Gründen als schwierig bzw. unmög- lieh angesehen. Die genannten Gründe sind: geringe Festigkeit der Strangschale bei der Erstarrung wegen starker Mikroseigerung von Mn (Durchbruchgefahr bei Mn > 15 %), hohe Festigkeit bei niedrigeren Temperaturen (Anlagenüberlastung, Rissprobleme), Reaktionen des Aluminium im Stahl mit dem Gießpulver (Einschränkung der Funktion), Makroseigerungen, Wasserstoff- und/oder Sauerstoffaufnahme durch die Spritzwasserkühlung, vermehrtes Auftreten von nichtmetallischen Einschlüssen, Abreicherung der Legierungselemente im Randbereich sowie Oxidation der Korngrenzen bei der Wiedererwärmung von Brammen im Stoßofen.
In einer Veröffentlichung von Spitzer et al.: "Innovative Stahlprodukte - Herausforderung für die Prozessentwicklung"1; Konferenz-Einzelbericht: Barbara 2001 , S. 71 - 84 wird hierzu ausgesagt, dass Stähle mit steigendem Mangangehalt zunehmend schwieriger zu vergießen sind. Sie weisen zum einen bei hohen Temperaturen nach der Erstarrung eine geringe Festigkeit auf, da sich Mangan bei hohen Gehalten in der Restschmelze stark anreichert und in den interdendritischen Bereichen den Schmelzpunkt absenkt. Hierdurch steigt die Nei- gung zu Kleberdurchbrüchen, die bei Mn-Gehalten von 15 % und mehr nach heutiger Einschätzung ein Stranggießverfahren unmöglich machen. Die Stähle weisen andererseits bei niedrigeren Temperaturen eine hohe Festigkeit auf, so dass beim Biegen des Stranges Anlagenüberlastungen auftreten und mit Rissbildung gerechnet werden muss. Des Weiteren erfolgen bei Aluminiumgehalten von mehreren Prozenten, wie sie bei diesen Stählen u. a. zur Absenkung der Dichte eingestellt werden, Reaktionen mit dem Gießpulver, die dessen Funktion gravierend beeinträchtigen.
In einer anderen Veröffentlichung von Gigacher et al.: "Eigenschaften hoch- manganhaltiger Stähle unter stranggießähnlichen Bedingungen"; BHM 149 (2004), Heft 3, S. 112 - 117 wird hierzu zusammenfassend festgestellt, dass das Vergießen der vorgestellten Legierungskonzepte zur Erzeugung von TWIP- Stählen für Verfahren mit Gießpulver nicht vorteilhaft ist.
Das vorherrschende Problem beim Gießen von Stählen mit einem hohen AI- Gehalt (> 1 %) ist die Reaktion des AI aus dem Stahl mit den oxidischen Be- standteilen des Gießpulvers. Durch die Reduktion des SiO2 in der Schlacke durch das AI aus dem Stahl entsteht AI2O3, das von der Schlacke aufgenommen wird, wodurch die Basizität (Verhältnis CaO/SiO2) der Schlacke zunimmt. Die Folge ist, dass sich Viskosität und Schmierverhältnisse in der Kokille sehr stark verändern.
Auf Grund dieser Schwierigkeiten wurden in der Vergangenheit verschiedene Verfahrenswege zur Herstellung von TWIP-Stählen beschriften:
Aus der WO 02/101109 A1 ist ein Verfahren bekannt, nach dem durch Erhö- hung des möglichen Kohlenstoffgehalts (C ≤ 1 %) und durch Zugabe weiterer Elemente, hier besonders B, auch Ni, Cu, N, Nb, Ti, V, P, eine deutliche Verminderung der Streckgrenze und damit eine Verbesserung der Verformbarkeit beim Warm- und Kaltwalzen erreicht wird. Für die Herstellung dieses Stahls wird ein Vormaterial (Bramme, Dünnbramme oder Band) erwärmt und unter Beachtung bestimmter Temperaturgrenzen warmgewalzt und gehaspelt.
In der EP 1 341 937 B1 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem ein 12 bis 30 % Mn enthaltender Stahl mit einer Zwei-Rollen-Gießmaschine zu einem dünnen Vorband mit einer Dicke von weniger als 1 mm bis 6 mm vergossen, das verti- kal aus dem Gießspalt austretende Vorband durch auf seine Oberfläche aufgebrachte Kühlmittel gekühlt und dann in einem einzigen Warmwalzstich auf die Enddicke gewalzt wird. Die Gesamtzeitspanne zwischen Austritt aus dem Gießspalt und Eintritt in das Walzgerüst beträgt etwa 8 Sekunden.
Aus der EP 1 067 203 B1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Bändern aus einer Fe-C-Mn Legierung bekannt, bei dem zunächst ein dünnes Stahlband mit einer Dicke zwischen 1,5 bis 10 mm mit der Zusammensetzung: 6 bis 30 % Mn, 0,001 bis 1 ,6 % C, < 2,5 % Si, < 6 % Al1 < 10 % Cr sowie weiteren Elementen auf einer Zwei-Rollen-Gießmaschine erzeugt und dieses dann mit einem Re- duktionsgrad zwischen 10 und 60 % in einem oder mehreren Schritten warmgewalzt wird. Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein möglichst einfach zu realisierendes Verfahren und eine Anlage anzugeben, mit der hochmanganhaltige Stähle mit einer vorgegebenen chemischen Zusammensetzung durch Stranggießen hergestellt werden können. o
Die gestellte Aufgabe wird verfahrensmäßig mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass durch hintereinander angeordnete Verfahrensschritte ein Leichtbaustahl mit der vorgegebenen chemischen Zusammensetzung von 15 bis 27 % Mn, 1 bis 6 % Al1 1 bis 6 % Si, < 0,8 % C, 5 Rest Fe und Begleitelemente
• auf einer Dünnbrammengießmaschine (d ≤ 120 mm) unter Verwendung von geeigneten Gießpulvern, die sehr schnell ein Gleichgewicht erreichen und anschließend ihr Schmierverhalten nicht mehr verändern, vergossen und in Brammen unterteilt wird, 0 • direkt anschließend an die Erstarrung und Abtrennung einer Bramme in einem Zwischenofen im Durchlauf ein Temperaturausgleich stattfindet und dann
• die Bramme ohne zwischenzeitliche Abkühlung direkt warmgewalzt wird.
5 Eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens ist durch die Merkmale des Anspruchs 7 gekennzeichnet.
Bei der Herstellung von Dünnbrammen auf beispielsweise CSP-Gießmaschinen (CSP = Compact Strip Production) wird der Strang senkrecht ausgefördert, im 0 Anschluss an die Erstarrung in die Horizontale gebogen und anschließend in Brammen unterteilt. Deshalb können hier keine Probleme mit Innenrissen auftreten. Die Herstellung von hochfesten austenitischen Stählen ist ohne Anlagenüberlastung möglich und inzwischen Stand der Technik. Mikroseigerungen, die direkt nach der Erstarrung noch im Strang vorhanden sind, verschwinden wieder beim Durchlauf durch den Zwischenofen, beispielsweise durch einen Rollenherdofen, noch vor der nachfolgenden Walzumformung zu einem großen Teil durch Diffusion. Die Makroseigerungen in der Brammenmitte werden dabei ähnlich wie bei austenitischen Edelstahlen bei der starken Umformung im Warmwalzwerk ausreichend ausgeglichen.
Mit Vorteil wird bei der erfindungsgemäßen Verwendung des Rollenherdofens einer CSP-Anlage wegen der kurzen Durchlaufzeiten eine stärkere Abreiche- rung der Legierungselemente bzw. die Oxidation der Korngrenzen vermieden, was beispielsweise bei den längeren Aufheizphasen im Stoßofen einer konventionellen Warmbreitbandstraße nach dem Stand der Technik zu Schwierigkeiten führen kann.
Um die Technik des Vergießens von TWIP- Leichtbaustählen mit hohem Mn- und AI-Gehalt auf einer Dünnbrammengießmaschine erfindungsgemäß nutzen zu können, ist die Verwendung eines geeigneten Gießpulvers erforderlich. Ein solches geeignetes Gießpulver weist entsprechend der Erfindung die Eigenschaft auf, sehr schnell ein Gleichgewicht zu erreichen und danach sein Schmierverhalten nicht mehr zu verändern.
Um beispielsweise die Reaktionsgeschwindigkeit der SiO2-Reduktion durch das AI des Stahls zu verkleinern, enthält das Gießpulver entsprechend der Erfindung einen erhöhten Anteil an AI2O3 von >10 %. Um im Gleichgewichtszustand mehr SiO2 zur Verfügung zu haben, ist alternativ oder zusätzlich der SiO2-Anteil des Gießpulvers erhöht, wobei diese Erhöhung bis zu einer Basizi- tät (Verhältnis CaOZSiO2) von 0,5 - 0,7 durchgeführt wird.
Da MnO2 vom AI des Stahls leichter reduziert wird als SiO2 und dadurch das SiO2vor dieser Reduktion (vor Abbrand) geschützt wird, ist als weitere Maß- nähme der Erfindung ein Zusatz von MnO2 zum Gießpulver möglich. Auch ein teilweiser Ersatz des SiO2 durch TiO2, das wie SiO2 glasbildend wirkt, aber vom AI des Stahls nicht angegriffen (reduziert) wird, kann dem Gießpulver erfindungsgemäß zugemischt sein.
Schließlich besteht noch die Möglichkeit, die Viskosität des Gießpulvers in der Kokille zu erniedrigen. Hierdurch wird der Gießpulver-Verbrauch erhöht und mehr gebildetes AI2O3 abgeführt, so dass sich ein Gleichgewicht mit niedrigeren AI2O3-Gehalten einstellt. Erreicht wird diese Viskositätserniedrigung durch Zugabe von B2O3 (Borat), Na2O und/oder LiO2 zum Gießpulver.
Nachfolgend wird das in einer schematischen Zeichnungsfigur dargestellte Verfahrensschema einer erfindungsgemäßen Anlage zur Herstellung eines Warmbandes näher erläutert.
Im Prinzip handelt es sich bei der verwendeten Anlage um eine bekannte CSP- Anlage, bei der erfindungsgemäß die Abstände zwischen den einzelnen Anlagenteilen soweit verändert wurden, dass das Verfahren der Erfindung mit den Forderungen, direkt anschließend an die Erstarrung in einem Zwischenofen im Durchlauf einen Temperaturausgleich herbeizuführen und dann die Bramme ohne zwischenzeitliche Abkühlung direkt warmzuwalzen, durchführbar ist.
Die in der Zeichnungsfigur dargestellte Anlage besteht demnach aus einer Dünnbrammengießmaschine 1 und einem nachgeordneten Zwischenofen 4, in den die vom Endlosstrang 2 nach seiner Erstarrung abgeteilte Bramme 3 eingeführt wird. Diesem Zwischenofen 4 wiederum ist ein Walzwerk 5 nachgeordnet, in dem die Bramme 3 nach erfolgtem Temperaturausgleich im Zwischenofen 4 direkt, d. h. ohne Zwischenkühlung zum Warmband 6 ausgewalzt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Warmbandes (6) aus einem gut kaltum- formbaren, hochfesten, austenitischen Leichtbaustahl mit erhöhten Gehalten an Mangan (Mn), Aluminium (AI) und Silizium (Si) mit TWIP- Eigenschaften (Iwinning Jnduced Plasticity), wobei der Leichtbaustahl zunächst auf einer Stranggießanlage (1) zu einem Endlosstrang (2) vergossen, in Brammen (3) unterteilt und dann auf die Enddicke gewalzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch hintereinander angeordnete Verfahrensschritte ein Leichtbau- stahl mit der vorgegebenen chemischen Zusammensetzung von 15 bis 27
% Mn, 1 bis 6 % AI, 1 bis 6 % Si, < 0,8 % C, Rest Fe und Begleitelemente
• auf einer Dünnbrammengießmaschine (1 ) (d < 120 mm) unter Verwendung von Gießpulvern, die sehr schnell ein Gleichgewicht erreichen und anschließend ihr Schmierverhalten nicht mehr verän- dem, vergossen und in Brammen (3) unterteilt wird,
• direkt anschließend an die Erstarrung und Abtrennung einer Bramme (3) in einem Zwischenofen (4) im Durchlauf ein Temperaturausgleich stattfindet und dann
• die Bramme (3) ohne zwischenzeitliche Abkühlung direkt warm- gewalzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gießpulver einen erhöhten AI2O3- Gehalt von > 10 % aufweist 5 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gießpulver einen erhöhten SiO2 - Gehalt mit einer Basizität (Verhältnis CaO/SiO2) zwischen 0,5 bis 0,7 aufweist.
o
4. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gießpulver MnO2 und/oder TiO2 enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , 2, 3 oder 4, L5 dadurch gekennzeichnet, dass zur Erniedrigung der Viskosität des Gießpulvers in der Kokille das Gießpulver Anteile an B2θ3 (Borat), Na2O und/oder LiO2 enthält.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, 0 dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenofen (4) ein Rollenherdofen ist.
7. Anlage zur Herstellung eines Warmbandes aus einem gut kaltumformba- ren, hochfesten, austenitischen Leichtbaustahl mit erhöhten Gehalten an 5 Mangan (Mn), Aluminium (AI) und Silizium (Si) mit TWIP-Eigenschaften
(Twinning Jnduced Plasticity), zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch, die unmittelbar hintereinander angeordneten Anlagenteile Dünnbrammen- 0 gießmaschine (1 ), Zwischenofen (4), Warmwalzanlage (5).
EP06723198A 2005-03-05 2006-03-03 Verfahren zur herstellung eines leichtbaustahls mit einem hohe mangan-gehalt Expired - Lifetime EP1725347B1 (de)

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EP (1) EP1725347B1 (de)
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