CN101397624A

CN101397624A - 一种低碳低氮中钛铁

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Publication number: CN101397624A
Application number: CNA2007100463427A
Authority: CN
Inventors: 朱全郎; 凌天鹰
Original assignee: SHANGHAI CHONGMING METALLURGY MATERIAL CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI CHONGMING METALLURGY MATERIAL CO Ltd
Priority date: 2007-09-25
Filing date: 2007-09-25
Publication date: 2009-04-01

Abstract

本发明提供了一种低碳低氮中钛铁。所述低碳低氮中钛铁主要包括钛和铁，还含有铝、硅、碳、氮、磷、硫、铜、锰等杂质元素，各组分重量百分比为：钛38～42％、铝＜8.5％、硅≤1.5％、碳≤0.05％、氮≤0.05％、磷≤0.02％、硫≤0.03％、铜≤0.1％、锰≤2％，余量为铁。该低碳低氮中钛铁是以钛精矿和金红石为原料，采用铝热法熔炼而得。本发明的低碳低氮中钛铁杂质含量低，特别是碳、氮含量得到有效控制，可用于冶炼IF钢。

Description

一种低碳低氮中钛铁

技术领域

本发明涉及铁合金技术领域，具体地说，本发明涉及一种低碳低氮中钛铁，该低碳低氮中钛铁尤其适用于冶炼IF钢。

背景技术

超深冲钢，即IF钢(无间隙原子钢)，是继沸腾钢、低碳铝镇静钢后，当今世界新一代深冲性能最好的钢板。它是在超低碳、低氮钢中加入适量的钛或铌，使钢中的碳、氮间隙原子完全被固定成碳、氮化合物，钢中没有间隙原子存在。IF钢钢板表面质量极高，其塑性应变比r值(塑性各向异性)达1.9以上、应变硬化指数n达0.27、伸长率达50％，具有非常好的冲压成形性能，且无时效性、无屈服平台，是近期新开发的具有极优深冲性能的第三代冲压用钢，特别适用于形状复杂、表面质量要求特别严格的冲压件。

根据不同稳定化合金元素，有三种类型的IF钢，分别为含TI IF钢、含Nb+Ti IF钢和含Nb IF钢，这三种IF钢的生产都可以采用连续退火和热镀锌工艺。在含Ti IF钢中，Ti在净化碳之前先要和氮、硫结合，因此TiIF钢中的Ti的最低含量由下列关系式给出：Ti≥3.43N+1.5S+4C。在含Nb+Ti IF钢中，要加入足够的Ti与N形成TiN，剩下的Nb以NbC形式净化C。在含Nb IF钢中，C仅由Nb净化，至于N则大部分与Al结合成AlN。在这三类IF钢中，含Ti IF钢对成分和工艺波动的敏感性最小。

IF钢的生产工艺路线一般为：铁水预处理→复吹转炉炼钢→RH精炼→板坯连铸→热连轧→冷轧、退火、镀锌等，但由于超低碳IF钢对深冲性能、表面质量等要求极高，所以生产难度很大。超低碳IF钢冶炼的主要难点在于获得超低碳和超低氮钢水，得到表面质量极高的连铸坯。目前，先进的RH真空精炼设备可以将钢水中的碳含量降低至0.0015％以下，但稍有不慎，钢包耐材、中间包覆盖剂和结晶器保护渣等材料会导致钢水增碳约0.0025～0.0040％，钢水中的碳含量也增加至0.0050％以上，完全丧失RH精炼设备的冶金效果。通过优化转炉吹炼工艺，钢水中的氮含量可以降低至0.0010～0.0015％，但是在连铸过程中，如果发生保护浇铸不好，钢水可以增氮0.0030％，钢水中的氮含量会增加至0.0050％。在攻克IF钢生产技术上的这些难题中，首钢技术研究院科研人员和迁钢公司技术人员围绕超低碳和超低氮冶炼、RH深脱碳处理和保护浇铸等关键技术进行了攻关，基本掌握了超低碳IF钢的冶炼技术，试制结果显示：在正常铸坯中，碳含量在0.0030％左右，磷和硫含量在0.0070％左右，氮和总氧含量都在0.0020％以下，基本接近世界同类钢种的最好水平。表1为IF钢的典型化学成分。

表1 IF钢的典型化学成分

鉴于IF钢要求的超纯净度(钢水中碳≤0.0030％、氮≤0.0020％)，作为冶炼IF钢的重要合金——钛铁，也要求其所含杂质元素(特别是碳、氮、磷、硫、硅元素)尽可能低，否则不但会对钢水造成二次污染，而且会影响成品钢材的延伸率和深冲性。

钛铁，尤其是高钛铁是以金属钛加铁重熔而成，如专利申请号为200610023557.2，名称为“低氮钛铁及其制造方法和包芯线”的中国申请专利公开了一种低氮铁及其制造方法，该低氮钛铁杂质含量(碳、氮、磷、硫等)较低，能满足冶炼IF钢的需要，但该高钛铁是以金属钛重熔而成，单位品质成本比钛精矿冶炼钛铁高达数倍，因价格高而无法在冶炼IF钢中广泛使用。而金红石冶炼的高钛铁(70钛铁)，其含氧量高达8～12％，二氧化钛杂质含量高，由于IF钢中要求氧含量≤0.002％，若钛铁中氧含量达8～12％，显然无法满足IF钢的产品的要求。

也有直接采用钛精矿生产低硅钛铁，如专利号为97107131.4，名称为“低硅钛铁的制备方法”的中国专利以及专利申请号为03113095.X，名称为“低硅钛铁及其制备方法”的中国申请专利，它们均提供了一种低硅钛铁的制备方法，即以钛材废料和钛精矿为原料，采用铝热法和重熔法相结合的熔炼方法。所谓铝热法结合重熔法是指在铝热法熔炼过程中加入部分纯废钛，其特点是纯废钛杂质少且以金属钛的状态加入，可以减少主要原材料和还原剂铝的加入量，但却大大增加了熔炼成本，另外所得的低硅钛铁的铝含量偏高，虽然铝可固定钢中的间隙原子氮，形成微细的AlN，从而得到微细的铁素体晶体，保证了钢板的韧性，但过多的铝不但会生成粗大的AlN造成钢板韧性劣化，而且会在钢中形成大量弥散的针状Al₂O₃夹杂物，损害钢板内质健全性、室温形变能力和焊接性，且上述两种钛铁未涉及对其氮含量的控制，氮在IF钢中的危害特别突出，它不仅能极大地提高钢板的屈服强度和应变硬化率，而且能大幅度地降低钢板冲击韧性及焊接性能。

专利申请号为200710019619.7，名称为“一种低碳低硅钛铁及其制备工艺”的中国申请专利公开了一种低碳低硅钛铁，它主要含有钛、铝和铁，还含有硅、碳、磷、硫、铜和锰，各组份重量百分比(％)组成为：钛45～55、铝8～12、硅≤1.5、碳0.02～0.05、磷≤0.04、硫≤0.03、铜0.05～0.1和铁余量，它以钛精矿和金红石为原料，采用铝热法的熔炼方法制得，该低碳低硅钛铁能降低钛合金的冶炼成本，使钛具有较好的利用率，但未对钛铁中含氮量作要求，且其含铝量同样偏高。

专利申请号为200510094826.X，名称为“用于冶炼含钛钢种的低硅钛铁”的中国申请专利公开了一种低硅钛铁，其成分为：钛38～42％、铝8～12％、硅0.8～1.5％、碳0.02～0.05％、磷0.01～0.02％、硫0.01～0.02％、铜0.1～0.15％、锰1.5～2％，铁余量。该钛铁含铝量偏高，且也未涉及对氮含量的要求。一般IF钢中要求铝含量≤0.06wt％，氮含量≤0.002wt％，因为当钛铁中的氮进入钢水中，增加钢水中有害元素氮含量，对钢材的深冲性能影响很大，同时钛铁中较多的铝与钢中的氧结合生成Al₂O₃，因此时已没有上浮条件，形成脆性夹杂物残留在钢中，也恶化了钢材的深冲性能。

为了解决上述问题，本发明者通过合理配料，选择低氮容量渣系，通过铝热法熔炼制得了一种低碳低氮中钛铁，该低碳低氮中钛铁中的碳、氮、硫、磷等杂质含量低，可用于冶炼深冲性能优异的IF钢。

本发明的目的在于提供一种低碳低氮中钛铁。

发明内容

本发明提供的低碳低氮中钛铁所含钛的重量百分比含量为38～42％，其中还含有铝、硅、碳、氮、磷、硫、铜、锰和铁，所述铝和氮的重量百分比含量分别控制在<8.5％和≤0.05％。

在一个优选实施方式中：本发明的低碳低氮中钛铁所含铝的重量百分比含量控制在≤7％。

在另一个优选实施方式中：本发明的低碳低氮中钛铁所含硅、碳、磷、硫、铜、锰、铁的重量百分比含量分别控制为：硅≤1.5％、碳≤0.05％、磷≤0.02％、硫≤0.03％、铜≤0.1％、锰≤2％，余量为铁。

在另一个优选实施方式中：本发明的低碳低氮中钛铁所含硅的重量百分比含量控制在≤1.15。

下面，对本发明的低碳低氮中钛铁的化学成分作用作详细叙述。

钛：钛可与钢中的间隙原子碳、氮结合形成细小的析出物，消除钢的基体中碳、氮原子的存在。它与钢中C、N结合，不仅生成稳定性很高的TiC、TiN粒子，消除钢中固溶的C、N原子，而且生成的TiC、TiN粒子具有较强的细化晶粒效果和析出强化效果，可提高钢板的冲击韧性及焊接性能。本发明的低碳低氮中钛铁的钛含量控制为38～42wt％。

碳：虽然具有强化钢强度和硬度的作用，但对于IF钢来说，随着其含量的增加，会使IF钢的冲击韧性下降，脆性转变温度明显上移，一般要求IF钢中的碳含量≤0.003wt％，因此本发明的低碳低氮中钛铁中碳含量控制在≤0.05wt％。

铝：可固定钢中的间隙原子氮，但过多的铝会与钢中的氧结合形成大量弥散的针状Al₂O₃夹杂物，因此时已没有上浮条件，Al₂O₃将形成脆性夹杂物残留在钢中，也恶化了钢材的深冲性能，损害钢板内质健全性、室温形变能力和焊接性。一般IF钢中要求铝含量≤0.06wt％，因此当钛铁中的铝含量<8.5wt％，则带到钢中的铝小于0.0255wt％，不影响IF钢的质量，更优选的是，本发明低碳低氮中钛铁的铝含量≤7wt％。

氮：氮是一种间隙原子，在IF钢中的危害特别突出，因为当钛铁中的氮进入钢水中，增加钢水中有害元素氮含量，它不仅会极大地提高钢板的屈服强度和应变硬化率，而且将大幅度地降低钢板冲击韧性及焊接性能。一般IF钢中要求氮含量≤0.002wt％，但钛铁生产中必定会含氮，由于控制方法不同，最终钛铁的含氮量也不同，由于钛和氮的结合力很强，若钛铁中的氮含量为0.2wt％，则进入钢中的氮含量为0.0006wt％，本发明低碳低氮中钛铁的氮含量≤0.05wt％。

硅：IF钢的应变硬化率、脆性转变温度会随着硅含量的增加而增加，同时IF钢的拉伸延伸率会下降，因此杂质元素硅的含量控制在≤1.5wt％，更优选的是，硅含量控制在≤1.15wt％。

磷、硫：钢中不可避免的有害夹杂物，对IF钢的拉伸延伸率损害很大，理论上要求它们的含量越低越好，本发明低碳低氮中钛铁的磷含量和硫含量分别控制为：磷≤0.02wt％、硫≤0.03wt％。

铜、锰：铜、锰的存在使钢在凝固或热加工等加热过程中生成低熔点的物质在晶界析出，易产生晶间裂纹。一般IF钢中要求Cu含量越低越好，锰≤0.2wt％，因此本发明低碳低氮中钛铁的铜含量和锰含量分别控制为：铜≤0.1wt％、锰≤2wt％。

本发明的低碳低氮中钛铁以钛精矿和金红石为原料，采用铝热法熔炼制得。具体方法按照以下步骤进行：(1)按要求选料、烘烤；(2)按重量配比分别配混主料、精炼料和点火剂，主料由钛精矿、金红石、铝粒、铁磷、石灰、莹石、发热剂组成，精炼料由铝粒、铁磷、石灰、莹石、发热剂组成，点火剂由铝粒、铁磷、硝酸钠组成；(3)将一定量的主料和点火剂所组成的底料投入熔炼炉，用红火激发点火剂；(4)待反应形成熔池后向熔炉内投入主料；(5)待主料反应完毕后，投加精炼料；(6)投加渣面缓凝剂石灰粉；(7)排渣、冷却、精整筛分。

在本发明钛铁的熔炼过程中，采取了一定的措施防止过量的氮、铝、硅、碳及其它杂质进入其中：本发明通过合理的配料控制钛铁中的含铝量，即通过铝热法中铝的加入量来加以控制；通过控制原料(钛精矿、金红石，石灰)的含碳量来达到钛铁中的低含碳量；通过选择低SiO₂的钛精矿和金红石以降低钛铁中硅含量，只有SiO₂含量低，才能减少硅进入产品中，同时提高炉渣碱度抑制二氧化硅的还原以达到控制钛铁中含硅量的目的；选择低氮容量渣系的炉渣(主要成分：Al₂O₃ 60～70％，CaO 5～10％，CaF₂ 3～5％)，该炉渣具有低熔点、高密度、低溶解度等特点，对氮的溶解能力很弱，能有效地防止炉渣吸入大气中的氮，从而阻止大气中氮向渣中转移和渣中氮向钛铁中转移，此外，炉渣中的萤石(CaF₂)可降低炉渣熔点而不降低碱度，从而形成防止或减少氮进入的渣系。

本发明的有益效果为：由于本发明低碳低氮中钛铁中的碳、氮、硫、磷等杂质元素含量得到了有效的控制，含量均很低，因此完全可用于冶炼深冲性能优异的IF钢。

具体实施方式

以下用实施例对本发明作更详细的描述。这些实施例仅仅是对本发明最佳实施方式的描述，并不对本发明的范围有任何限制。

实施例1

1、设备：

反射炉、转鼓式混料机、中间料仓、冶炼炉等。

2、原料要求：

钛精矿：TiO₂≥50％，SiO₂≤1.2％，∑Fe≤35％，C、S、P均≤0.02％；

金红石：TiO₂≥90％，SiO₂≤1.5％，C、S、P均≤0.02％；

铝粒：Al≥99％，Si≤0.5％，粒度0.9～0.12mm(20～120目)；

铁磷：∑Fe≥65％，Si≤1.5％，粒度≤0.9mm(20目)；

石灰：CaO≥90％，C≤0.2％，粒度≤2mm(10目)；

莹石：CaF₂≥90％，粒度≤2mm(10目)；

氯酸钾：KClO₃≥99.5％，粒度≤2mm(10目)。

3、原料组成：

把以上原料，按下述配比和步骤分成不同的操作用料，供后续操作使用。

主料：钛精矿：金红石：铝粒：铁磷：石灰：莹石：氯酸钾为70：30：45.5：3.6：9.4：3.8：2.8；

精炼料：铝粒：铁磷：石灰：莹石：氯酸钾为2.7：7：1：0.3：1；

点火剂：铝粒：铁磷：硝酸钠为5：6：4。

4、熔炼操作：

将以上配制好的操作用料按以下步骤，进行熔炼操作：

在熔炼炉内，首先制成一个镁砂窝，然后向镁砂窝中放入主料作为“底料”以及点火剂，采用下部点火法，用“红火”激发点火剂引起底料的反应，当底料反应形成熔池后继续加入主料，主料加入的量和加入速度应随着熔池的扩大而增加和加快，直至主料加完。

待上述熔炼反应完毕后，随即快速而均匀地加入精炼料。当精炼料在熔炼炉中反应完毕后，即向熔炼炉中加入石灰粉，其目的是使渣面缓凝，以利于炉内残存的气体顺利排除和钛铁珠的充分沉降，一段时间后放掉熔炼炉中的废渣。熔炼结束，待熔炼炉中的成品自然冷却后，再进一步水冷，然后送精整区进行精整、筛分、包装。

通过以上方法，熔炼得到的低碳低氮中钛铁，其成品化学成分分析结果如下：

钛：40.12wt％、铝：8.05wt％、铜：0.1wt％、锰：0.64wt％、硅：1.13wt％、碳：0.028wt％、氮：0.032wt％、磷：0.015wt％、硫：0.016wt％，铁余量。

实施例2

实施方法同实施例1。

其中原料组成为：

主料：钛精矿：金红石：铝粒：铁磷：石灰：莹石：氯酸钾为68：29：48：3.4：9.6：3.4：2.5；

精炼料：铝粒：铁磷：石灰：莹石：氯酸钾为2.9：7：1：0.5：1.2；

点火剂：铝粒：铁磷：硝酸钠为5：6：4。

熔炼得到的低碳低氮中钛铁，其成品化学成分分析结果如下：

钛：38.06wt％、铝：8.2wt％、铜：0.1wt％、锰：0.70wt％、硅：1.1wt％、碳：0.022wt％、氮：0.035wt％、磷：0.017wt％、硫：0.018wt％，铁余量。

实施例3

实施方法同实施例1。

其中原料组成为：

主料：钛精矿：金红石：铝粒：铁磷：石灰：莹石：氯酸钾为71.5：30：45.5：3.7：9.4：3.7：2.7；

精炼料：铝粒：铁磷：石灰：莹石：氯酸钾为2.65：6.8：1：0.5：1；

点火剂：铝粒：铁磷：硝酸钠为5：6：4。

钛：39.6wt％、铝：7.24wt％、铜：0.08wt％、锰：0.85wt％、硅：1.24wt％、碳：0.026wt％、氮：0.03wt％、磷：0.017wt％、硫：0.02wt％，铁余量。

实施例4

实施方法同实施例1。

其中原料组成为：

主料：钛精矿：金红石：铝粒：铁磷：石灰：莹石：氯酸钾为70.5：28：45：3.5：9.4：3.7：2.8；

精炼料：铝粒：铁磷：石灰：莹石：氯酸钾为2.8：6.7：1.2：0.4：1.1；

点火剂：铝粒：铁磷：硝酸钠为5：6：4。

钛：41.15wt％、铝：6.8wt％、铜：0.08wt％、锰：0.65wt％、硅：1.4wt％、碳：0.03wt％、氮：0.028wt％、磷：0.014wt％、硫：0.017wt％，铁余量。

实施例5

实施方法同实施例1。

其中原料组成为：

主料：钛精矿：金红石：铝粒：铁磷：石灰：莹石：氯酸钾为73：30：44：3.6：9.3：3.85：2.7；

精炼料：铝粒：铁磷：石灰：莹石：氯酸钾为2.9：7：1.05：0.5：1；

点火剂：铝粒：铁磷：硝酸钠为5：6：4。

钛：41.8wt％、铝：7.25wt％、铜：0.1wt％、锰：0.68wt％、硅：1.3wt％、碳：0.032wt％、氮：0.025wt％、磷：0.018wt％、硫：0.02wt％，铁余量。

实施例6

实施方法同实施例1。

其中原料组成为：

主料：钛精矿：金红石：铝粒：铁磷：石灰：莹石：氯酸钾为66：31：43：3.8：9.6：3.9：3.0；

精炼料：铝粒：铁磷石灰：莹石：氯酸钾为2.5：7：1：0.5：1；

点火剂：铝粒：铁磷：硝酸钠为5：6：4。

钛：40.6wt％、铝：6.7wt％、铜：0.07wt％、锰：0.7wt％、硅：1.05wt％、碳：0.032wt％、氮：0.042wt％、磷：0.02wt％、硫：0.02wt％，铁余量。

Claims

1、一种低碳低氮中钛铁，其特征在于，所述低碳低氮中钛铁所含钛的重量百分比含量为38～42％，含有铝、硅、碳、氮、磷、硫、铜、锰和铁，所述铝和氮的重量百分比含量分别控制在<8.5％和≤0.05％。

2、根据权利要求1所述的低碳低氮中钛铁，其特征在于，所述铝的重量百分比含量控制在≤7％。

3、根据权利要求1所述的低碳低氮中钛铁，其特征在于，所述硅、碳、磷、硫、铜、锰、铁的重量百分比含量分别控制为：硅≤1.5％、碳≤0.05％、磷≤0.02％、硫≤0.03％、铜≤0.1％、锰≤2％，余量为铁。

4、根据权利要求1或3所述的低碳低氮中钛铁，其特征在于，所述硅的重量百分比含量控制在≤1.15。