一種基于薄板坯工藝的含Nb中高碳高強度鋼及其制造方法

專利名稱：一種基于薄板坯工藝的含Nb中高碳高強度鋼及其制造方法
技術領域：
本發明屬于薄板坯連鑄連軋工藝技術領域。尤其涉及一種基于薄板坯工藝的含Nb中高碳
高強度鋼及其制造方法。
背景技術：
傳統板坯連鑄、薄板坯連鑄工藝是生產薄鋼板和薄帶鋼板的主要方式，鑄錠粗軋開坯生 產工藝除極少數高合金鋼生產外，已被淘汰。薄板坯連鑄連軋與傳統板坯連鑄和薄板坯連鑄 在建設投資和生產周期上具有無可比擬的優越性，自問世來，己受到各國鋼鐵界的密切關注。
薄板坯連鑄連軋技術之所以在近二十年的時間里會有如此迅速的發展，就在于它與傳統 熱軋帶鋼生產相比具有流程短、工序緊湊、裝備簡單、投資省、能耗低、環境污染小、生產 率高和成本低等優點。傳統熱軋帶鋼生產一般是煉鋼車間冶煉鋼水，鑄成一定規格長度的厚 板坯，冷卻后送往軋鋼車間，經處理、編組后由加熱爐進行再加熱至軋制溫度才能軋制成材。 煉鋼車間與軋鋼車間是兩個相對獨立的車間，生產線不連續，而薄板坯連鑄連軋是將連鑄機
和連軋機連成一條生產線，鋼水由薄板坯連鑄機鑄成一定規格長度的薄板坯，隨即進入在線 的再加熱爐進行少量加熱，即送入連軋機軋制成材。
中高碳鋼由于容易造成成分偏析甚至疏松和縮孔，同時由于高碳鋼的脆性，通常采用模 鑄+初軋開坯再熱軋或者常規厚板坯連鑄+熱軋的工藝來生產。對于模鑄+初軋開坯再熱軋工 藝，能耗高，產品質量差，生產周期長，金屬收得率低，污染環境嚴重。對于常規厚板坯連 鑄+熱軋的工藝，容易造成碳的成分偏析和性能不均勻，能耗較高，生產周期較長，金屬收得
率不高。

發明內容
本發明的目的是提供一種生產成本低、能耗低、生產周期短、工藝過程簡單的薄板坯工
藝的Nb微合金中高碳高強度鋼的制造方法。所制造的薄鋼板強度高、內部和表面質量高、品 種規格多，生產靈活性大。
為實現上述目的，本發明所釆用的技術方案是含Nb中高碳高強度鋼的化學成分是C
為0.25 1.25wtX， Nb為0.01 0.15wtX， Al為0.001 0.1wtX ， Ca為0.0010 0.0050wt^ ，其 余為Fe、不可避免的雜質和合金元素。合金元素的含量是Si為0.05 1.5wt^、Mn為0.1 2.0wt X、Ni為0.1 1.5wt^、 Cr為0.1 1.5wt^、 Mo為0.01 1.5wt^、 V為0.01 1.5wt^、 W為0.01 1.5wt%、 Ti為0.01 0.15wtX、 Cu為0.01 1.5wtX中的一種或一種以上的元素及其含量。含 Nb中高碳高強度鋼的屈服強度為350 1500Mpa。
基于薄板坯工藝的含Nb中高碳高強度鋼的制造方法是先進行煉鋼和精煉工藝，再進行 薄板坯連鑄，鑄坯凝固后直接進入輥底式加熱爐和均熱爐，然后進行熱連軋、冷卻和巻取。 其工藝參數為-
(1) 所述化學成分的鋼種進行煉鋼和精煉，加入脫氧劑A1和合金元素，進行脫氧和合金化， Al控制在0.001o/o 0.1wtX; [Ca]/[A1]比控制在0.01 0.30之間；
(2) 進行板坯連鑄，薄板坯連鑄的拉速為2.5 6.0m/min;
(3) 將厚度為70 90mm的連鑄板坯進行加熱和均熱，鑄坯進入加熱爐的溫度為900 IIOO'C，鑄坯進入均熱爐的溫度為1000 125(TC;
(4) 進行熱連軋，熱連軋的開軋溫度為1000 120(TC，終軋溫度為650 950。C;
(5) 冷卻和巻取，冷卻或為層流冷卻、或為空冷，巻取溫度為450 85(TC，控制鋼板厚 度為l 12mm。
由于采用上述技術方案，本發明在高碳鋼中加入微量鈮(Nb)元素，提高奧氏體中固溶 鈮的含量，固溶鈮量提高，升高了再結晶溫度，從而可實現高溫軋制，保證了高溫時奧氏體 再結晶的充分，改善了非再結晶區高溫控軋效果，實現高溫大壓下，保證了中心組織的細化， 還可以實現高溫控軋，減輕軋制負荷。另外，在凝固和軋制過程中形成Nb的碳氮化物可以阻 止晶粒長大，有利于晶粒細化。其次，在高碳鋼中加入的微量鈮元素，可使其A—P(奧氏體4 珠光體)轉變開始溫度提高，有利于晶粒細化；再者，鈮的加入減緩了鐵、碳原子的擴散，使 珠光體的片層間距減小，珠光體團尺寸減小，有利于提高高碳鋼的強度、韌性和塑性。此外， Nb還可以提高中高碳鋼的耐磨性。由于Nb的上述細化鐵素體晶粒、減小珠光體片層間距和減 小珠光體團尺寸的效果，可以采用Nb微合金化的方式節省貴重合金元素，可以進一步降低成 本和提高性能。
本發明所制造的中高碳鋼薄鋼板鐵素體晶粒細小，珠光體片層間距小，其強度和韌性明 顯高于傳統工藝流程生產的中高碳鋼薄鋼板。該類鋼鐘經過調質熱處理后，其強度和韌性高 高出傳統工藝生產的鋼種。因而，所制造的薄鋼板強度高、內部和表面質量高、品種規格多， 生產靈活性大，金屬收得率明顯提高。
另外，本發明在工藝上具有如下特點
1)縮短了生產線長度，減少了總圖面積。薄板坯連鑄連軋縮短了從結晶器至熱帶巻取機間的距離，同時省去了傳統熱軋帶鋼生產中的板坯存放、處理車間。
2) 縮短了生產周期。連鑄連軋是一個連續的過程，省去了大量的中間滯留時間，由鋼水 至成巻一般在15 30分鐘，而傳統生產至少需要5小時。
3) 減少了設備，節約了能耗。薄板坯厚度較薄，致使可省去傳統帶鋼生產中的初軋機組。 鑄坯由精軋機組直接軋制成材。鑄坯在高溫狀態下，只需少量加熱即可軋制，節省了能源。 據統計，薄板坯連鑄連軋可節省設備約30%，動力及能耗節約50%。
4) 產品成本降低，經濟效益巨大。就投資而言， 一座大型鋼廠從厚板坯連鑄到軋制成品 的投資為875美元/t，年產量可達400萬噸，而一座CSP的投資為200美元/t，每年產量為250萬 噸。從工效來看，大型鋼廠的工效為1.5 2.5h/t，而CSP為0.3 0.6h/t。從鋼包爐到最終軋制 的能耗來看，大型鋼廠為465kWh/t，而CSP為105 kWh/t。據測算，采用CSP技術將降低成本 90 100美元/t。
5) 提高了金屬收得率，普通連鑄為94.6%，薄板坯連鑄的金屬收得率為97.0%，金屬收得 率得到顯著提高。
6) 薄板坯表面不需要清理。在實現直接熱軋工藝中，不允許對鑄坯表面進行清理，因此， 在薄板坯連鑄時，采用專門為生產薄板坯而研制的熔點低流動性好的保護渣，可使鑄坯同結 晶器之間得到良好的潤滑，釆用了結晶器中鋼液面的自動控制，避免了鋼液面波動太大而造 成巻渣以及鑄坯表面出現缺陷。
7) 薄板坯內部質量好。由于薄板坯在結晶器內冷卻強度遠大于傳統的厚板坯，其二次枝 晶和三次枝晶更短，柱狀晶更細、更均勻，為最終組織的細化創造了條件。同時，因冷卻強 度大，板坯的微觀偏析得到了很大的改善，分布更均勻，產品的性能更加均勻和穩定。
8) 減少了污染，保護了環境。
9) 中高碳鋼中的碳偏析得到了很大的改善，分布更均勻，產品的性能更加均勻和穩定。
10) 根據中高碳鋼品種規格的要求，可以在同一爐或者同一澆次軋制多個不同厚度的品 種，生產靈活性大。
11) 由于鑄坯薄，易于軋制薄規格的中高碳鋼板。
12) Nb可以提高中高碳鋼的耐磨性。
13) 由于Nb可以細化鐵素體晶粒、減小珠光體片層間距和減小珠光體團尺寸，可以采用 Nb微合金化的方式節省貴重合金元素，可以進一步降低成本和提高性能。
總之，本發明采用的薄板坯連鑄連軋工藝，由于冷卻速度快，碳和合金元素的成分偏析小，組織和性能均勻。因此，具有生產成本低、能耗低、生產周期短、工藝過程簡單的特點。 本發明適用于各類中高碳高強鋼的生產，如鋸片用鋼、模具用鋼、汽車門鎖等工具用鋼 和結構鋼等；可提高產品質量，提高制造效率，減少制造成本，節約資源和能源等。
具體實施例方式
下面結合具體實施方式
對本發明作進一步描述，并非是對本發明保護范圍的限制。 實施例1
一種基于薄板坯工藝的含Nb高碳高強度鋼。該鋼種的化學成分是C為0.62 0.69wt^、 Nb為0.01 0.05wtX、 Si為0.17 0.37wtX、 Mn為0.7 1.0wt^ 、 Al為0.01 0.04wtX 、 Ca為 0.0010-0.0030wt%、 P為^0.030wtX、 S為^).030wtX，其余為Fe及不可避免的雜質。
含Nb中高碳高強度鋼的制造方法是先進行煉鋼和精煉工藝，再進行薄板坯連鑄，鑄坯
凝固后直接進入輥底式加熱爐和均熱爐，然后進行熱連軋、冷卻和巻取。其工藝參數為
(1) 對所述化學成分的鋼種進行煉鋼和精煉，加入脫氧劑Al和合金元素Nb、 Si、 Mn，進行 脫氧和合金化，Al控制在0.010。/。 0.050 wt% 。 [Ca]/[A1]比控制在0.05 0.15之間。
(2) 進行板坯連鑄，薄板坯厚度為70mm，結晶器保護渣為高碳鋼保護渣，薄板坯連鑄的 拉速為3.0m/min;
(3) 將厚度為70mm的連鑄板坯進行加熱和均熱，鑄坯進入加熱爐的溫度為1000 1050°C，鑄坯進入均熱爐的溫度為1050 1150°C;
(4) 進行熱連軋，熱連軋的開軋溫度為1050 1150'C，終軋溫度為700 80(TC;
(5) 冷卻和巻取，冷卻為層流冷卻，巻取溫度為650 750'C，控制鋼板厚度為3 4mm。 本實施例l所制造的高碳鋼65MnNb鋼板的抗拉強度為970MPa，屈服強度為540MPa，而
傳統工藝的抗拉強度為650MPa，屈服強度為410MPa。該鋼經過調質熱處理后，其強度和韌
性高于傳統工藝生產的鋼種的15-50%。
實施例2
一種基于薄板坯工藝的含Nb中碳高強度鋼。該鋼種的化學成分是C為0.26 0.33wtX、 Al為0.03 0.08。/。wt、 Si為0.17 0.375wtX 、 Mn為0.4 0.7wtX 、 Cr為0.8 l.lwtX 、 Mo為0.15 0.25wt%、 Al為0.01 0.04。/owt、 Ca為0.0010-0.003()o/owt、 P為50.030wt^、 S為^).030wt^，其
余為Fe及不可避免的雜質。
基于薄板坯工藝的含Nb中高碳高強度鋼的制造工藝同實施例l。其工藝參數為
(1)對所述化學成分的鋼種進行煉鋼和精煉，加入脫氧劑Al和合金元素Nb、 Si、 Mn、 Cr、Mo，進行脫氧和合金化，八1控制在0.010% 0.040%。 [Ca]/[A1]比控制在0.05 0.18之間；
(2) 進行板坯連鑄，薄板坯厚度為90mm，結晶器保護渣為中碳鋼保護渣，薄板坯連鑄的 拉速為3.5m/min;
(3) 將厚度為90mm的連鑄板坯進行加熱和均熱，鑄坯進入加熱爐的溫度為900 100(TC ， 鑄坯進入均熱爐的溫度為1100 1250'C;
(4) 進行熱連軋，熱連軋的開軋溫度為1080 120(TC，終軋溫度為750 950。C;
(5) 冷卻和巻取，冷卻為空冷，巻取溫度為700 850'C，控制鋼板厚度為4 5mm。 本實施例2所制造的30CrMoNb鋼板的抗拉強度為780MPa，屈服強度為510MPa，而傳統
工藝的抗拉強度只有530MPa，屈服強度為320MPa。該鋼經過調質熱處理后，其強度和韌性
明顯高于傳統工藝生產的30CrMo鋼板。
實施例3
一種基于薄板坯工藝的含Nb中高碳高強度鋼。該鋼種的化學成分是C為0.40 0.50wt %、 Al為0.05 0.12wt^、 Si為0.15 0.35wt^、 Mn為0.1 0.4wt^ 、 Cu為0.1 0.3wt^ 、 W為 0.01 0.2wt%、 Al為0.01 0.04wtX、 Ca為0.0010陽0.0030wt^ 、 P為^).030wt^、 S為^).030wt %，其余為Fe及不可避免的雜質。
基于薄板坯工藝的含Nb中高碳高強度鋼的制造工藝同實施例l。其工藝參數為
(1) 對所述化學成分的鋼種進行煉鋼和精煉，加入脫氧劑Al和合金元素Si、 Mn、 Cu、 W， 進行脫氧和合金化，Al控制在0.010。/。 0.030wtX 。 [Ca]/[A1]比控制在0.05 0.20之間；
(2) 進行板坯連鑄，薄板坯厚度為50mm，結晶器保護渣為中碳鋼保護渣，薄板坯連鑄的 拉速為4.5m/min;
(3) 將厚度為50mm的連鑄板坯進行加熱和均熱，鑄坯進入加熱爐的溫度為1000 1 IOO'C ，鑄坯進入均熱爐的溫度為1000 1100°C;
(4) 進行熱連軋，熱連軋的開軋溫度為1000 1080'C，終軋溫度為650 750'C;
(5) 冷卻和巻取，冷卻為層流冷卻，巻取溫度為450 65(TC，控制鋼板厚度為l 3mm。 本實施例3所制造的45Nb鋼板的抗拉強度為720MPa，屈服強度為460MPa。該鋼經過調質
熱處理后，其強度和韌性明顯高于傳統工藝生產的45#鋼種。 實施例4
一種基于薄板坯工藝的含Nb中高碳高強度鋼。該鋼種的化學成分是C為1.02 L22wt %、 Si為0.15 0.35wt^、 Mn為0.1 0.4wt^、 Ti為0.06 0.12wt^、 Al為0.04 0.08wt^、Ca為0.0010-0.0030wt^、 P為^0.030wt^、 S為^).030wt^，其余為Fe及不可避免的雜質。 基于薄板坯工藝的含Nb中高碳高強度鋼的制造工藝同實施例l。其工藝參數為
(1) 對所述化學成分的鋼種進行煉鋼和精煉，加入脫氧劑Al和合金元素Si、 Mn、 Ti，進 行脫氧和合金化，Al控制在0.04。/。 0.08wtX 。 [Ca]/[A1]比控制在0.03 0.1之間；
(2) 進行板坯連鑄，薄板坯厚度為50mm，結晶器保護渣為高碳鋼保護渣，薄板坯連鑄的 拉速為4.5m/min;
(3) 將厚度為50mm的連鑄板坯進行加熱和均熱，鑄坯進入加熱爐的溫度為1000 U00'C，鑄坯進入均熱爐的溫度為1000 1100。C;
(4) 進行熱連軋，熱連軋的開軋溫度為1000 1080'C，終軋溫度為650 75(TC;
(5) 冷卻和巻取，冷卻為層流冷卻，巻取溫度為450 650'C，控制鋼板厚度為7mm。 本實施例4所制造的高碳含Nb鋼板的屈服強度為1500MPa。該鋼經過調質熱處理后，其強
度和韌性明顯高于傳統工藝生產的相同高碳鋼種。
本實施例1 4所制造的中高碳鋼薄鋼板鐵素體晶粒細小，珠光體片層間距小，其強度和 韌性明顯高于傳統工藝流程生產的中高碳鋼薄鋼板。該類鋼鐘經過調質熱處理后，其強度和 韌性高高出傳統工藝生產的鋼種。因而，所制造的薄鋼板強度高、內部和表面質量高、品種 規格多，生產靈活性大，金屬收得率明顯提高。
總之，本具體實施方式
采用的薄板坯連鑄連軋工藝，由于冷卻速度快，碳和合金元素的 成分偏析小，組織和性能均勻。因此，具有生產成本低、能耗低、生產周期短、工藝過程簡 單的特點。
本具體實施方式
適用于各類中高碳高強鋼的生產，如鋸片用鋼、模具用鋼、汽車門鎖等 工具用鋼和結構鋼等；可提高產品質量，提高制造效率，減少制造成本，節約資源和能源等。
權利要求
1、一種基于薄板坯工藝的含Nb中高碳高強度鋼，其特征在于所述的含Nb中高碳高強度鋼的化學成分是C為0.25～1.25wt％，Nb為0.01～0.15wt％，Al為0.001～0.1wt％，Ca為0.0010～0.0050wt％，其余為Fe、不可避免的雜質和合金元素；合金元素是Si為0.05～1.5wt％、Mn為0.1～2.0wt％、Ni為0.1～1.5wt％、Cr為0.1～1.5wt％、Mo為0.01～1.5wt％、V為0.01～1.5wt％、W為0.01～1.5wt％、Ti為0.01～0.15wt％、Cu為0.01～1.5wt％中的一種或一種以上的元素及其含量；含Nb中高碳高強度鋼的屈服強度為350～1500MPa。
2、 權利要求l所述的基于薄板坯工藝的含Nb中高碳高強度鋼的制造方法，先進行煉鋼和 精煉工藝，再進行薄板坯連鑄，薄板坯厚度為50 90mm，鑄坯凝固后直接進入輥底式加熱爐 和均熱爐，然后進行熱連軋、冷卻和巻取，其特征在于薄板坯工藝及工藝參數為(1) 權利要求l所述化學成分的鋼種進行煉鋼和精煉，加入脫氧劑A1和合金元素，進行脫 氧和合金化，Al控制在0.001。/。 0.1wtX， [Ca]/[A1]比控制在0.01 0.30之間；(2) 進行板坯連鑄，薄板坯連鑄的拉速為2.5 6.0m/min;(3) 將厚度為50 90mm的連鑄板坯進行加熱和均熱，鑄坯進入加熱爐的溫度為900 IIOO'C，鑄坯進入均熱爐的溫度為1000 125(TC;(4) 進行熱連軋，熱連軋的開軋溫度為1000 1200'C，終軋溫度為650 950'C;(5) 冷卻和巻取，冷卻或為層流冷卻、或為空冷，巻取溫度為450 85(TC，控制鋼板厚 度為l 12mm。
全文摘要
本發明涉及一種基于薄板坯工藝的含Nb中高碳高強度鋼及其制造方法。其技術方案中所述的鋼種的化學成分是C為0.25～1.25wt％，Nb為0.01～0.15wt％，Al為0.001～0.1wt％，Ca為0.0010～0.0050wt％，其余為Fe、不可避免的雜質和合金元素；所制備的鋼板屈服強度為350～1500MPa。薄板坯工藝及工藝參數為薄板坯厚度為50～90mm；板坯拉速為2.5～6.0m/min；鑄坯進入加熱爐溫度為900～1100℃；鑄坯進入均熱爐溫度為1000～1250℃；開軋溫度為1000～1200℃；終軋溫度為650～950℃；卷取溫度為450～850℃和鋼板厚度為1～12mm。本發明可提高產品質量，提高制造效率，減少制造成本，節約資源和能源等。
文檔編號C22C38/12GK101307411SQ200810048358
公開日2008年11月19日 申請日期2008年7月10日 優先權日2008年7月10日
發明者劉國民, 吳開明, 周明偉, 周春泉, 朱正宜, 梁新亮, 溫德智, 焦國華, 陳建新, 剛 黃 申請人:武漢科技大學;湖南華菱漣源鋼鐵有限公司