CN115522118A

CN115522118A - 一种中碳含氮钢及其板坯连铸生产方法

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Publication number: CN115522118A
Application number: CN202110712314.4A
Authority: CN
Inventors: 郭亮亮; 陈建梁
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2021-06-25
Filing date: 2021-06-25
Publication date: 2022-12-27
Anticipated expiration: 2041-06-25
Also published as: CN115522118B

Abstract

本发明公开了一种中碳含氮钢及其板坯连铸生产方法，其中，该钢种由以下质量百分比的元素组成：C：0.15～0.60％，0.7<Si≤2.0％，0.4<Mn≤4.0％，P≤0.04％，S≤0.04％，且10≤Mn/S≤100，Al：0.1～0.2％，N：0.01～0.2％，Ti、B、Nb的一种或几种，含量0.01～0.3％，并且2≤Ti+B+Nb/N≤5，余量为Fe和不可避免的杂质。连铸板坯经热轧和冷轧连续退后，调质度T‑5CA的HR30T硬度可达73～78；二次冷轧后，轧制方向的抗拉强度约75～85kg/mm²。

Description

一种中碳含氮钢及其板坯连铸生产方法

技术领域

本发明涉及一种中碳含氮钢以及板坯连铸不产生纵裂与角横裂纹的制造方法，属冶金技术领域。

背景技术

含氮钢(N质量分数超过0.01％)这类特殊材料由于其优异的力学性能及耐腐蚀、抗氧化、耐磨损等性能，越来越广泛应用于能源、化工、冶金、交通运输、医疗及机械制造领域。由于受冶金资源—镍的匮乏和环保材料等因素的影响，含氮钢作为新一代资源节约型钢铁材料，已得到国际冶金界的高度重视。

中碳含氮钢种连铸过程中，从结晶器开始，直至二冷区后裂纹均有可能发生。当连铸坯在结晶器内时，在钢液凝固的过程中存在枝晶间的元素偏析，另一方面由于振痕处冷却较弱，使得生成的奥氏体晶粒粗大，并且整个坯壳凝固厚度不均匀，在坯壳薄的地方容易产生裂纹，而铁锰的氧硫化物在奥氏体晶界的析出会弱化晶界引发裂纹。当进入二冷区后，在高温区由于AlN、MnS等析出物在奥氏体晶界的生成，以及随着温度的降低发生的奥氏体向铁素体转变生成沿晶铁素体均会大幅度降低连铸坯的热塑性。在此基础之上，若二次冷却存在冷却不均匀、强度不适中等不合理条件，当连铸坯受到弯曲、矫直及热应力等外应力作用后，裂纹会大量生成并扩展，形成宏观角部横裂纹。随着温度的进一步降低，在晶界生成的渗碳体也会弱化晶界，增强裂纹敏感性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的上述不足，提供一种中碳含氮钢。

其所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实施。

一种中碳含氮钢，按重量百分数计，其包括如下元素：

C：0.15～0.60％，0.7<Si≤2.0％，0.4<Mn≤4.0％，P≤0.04％，S≤0.04％，且10≤Mn/S≤100，Al：0.1～0.2％，N：0.01～0.2％；Ti、B和Nb中的一种或几种，每种含量0.01～0.3％，并且2≤Ti+B+Nb/N≤5(指Ti、B及Nb之和与N的比值范围)；余量为Fe和不可避免的杂质。

作为本技术方案的优选实施例，该基板的钢种由以下质量百分比的元素组成：

C：碳作为固溶强化元素，为了提高中碳含氮钢镀锡基板的强度；碳含量低于0.15％，强度不满足产品要求；碳含量超过0.6％，产品脆性增强，生产难度过大。本发明的C：0.15～0.60％(优选0.20～0.50％)。

Si：硅能增加固溶强化性能，硅含量低于0.7％，固溶强化效果不良；但如果大量添加会增加材料脆性和降低耐蚀性，因此硅含量不宜过高。本发明的0.7<Si≤2.0％(优选0.8<Si≤1.8％)。

P和S：磷和硫均为有害元素，都能生成低熔点的脆性物、导致发生裂纹倾向性大，本发明的P≤0.04％，S≤0.04％(优选P≤0.02％，S≤0.02％)。

Mn：锰一般可增加钢的韧性，通过固溶强化增加钢的强度；凝固过程中，当钢液中S含量较高时，容易发生热脆，S与Fe结合生成FeS，在晶界析出聚集容易导致表面裂纹，Mn对该现象的发生具有抑制作用；由于Mn与S的亲和力大于Fe与S，当Mn/S提高到一定程度的时候，钢水中的S几乎会全部与Mn结合，形成的MnS会替代低熔点FeS，避免FeS在奥氏体晶界处的析出，同时MnS以线状形态分布于奥氏体中，可改善钢的高温热塑性，抑制板坯热裂倾向。同时，在钢水凝固过程中MnS优先于AlN和BN析出，AlN和BN以先析出的MnS为异质核心形核，可有效减少AlN和BN在晶界的析出。故本发明采用的Mn含量范围是1.0～4.0％。但由于Mn与S结合形成MnS，加剧铸坯角横裂纹产生，研究表明Mn/S≥100能够提高中碳钢的临界应变，有利于改善裂纹。本发明的0.4<Mn≤4.0％、且10≤Mn/S≤100。

Al：Al作为脱氧剂，同时适量的AlN可起到细化晶粒作用；钢中大量细小的AlN沿晶界析出，降低了奥氏体晶界强度，易在应力作用下沿晶界开裂，导致镀锡基板塑性下降，因此必须将Al含量控制在合理范围内。本发明的Al：0.1～0.2％(优选0.11～0.18％)。

N：N的加入有利于后续连续退火和表面光轧等加工，氮含量越高镀锡基板的加工和烘烤性能越好；但钢中[N]含量增加，会引起连铸坯角横裂纹和气体析出的敏感性增强，从综合保证性能和控制质量，本发明的N：0.01～0.2％(优选0.01～0.18％)。

Ti、B、Nb：通过向钢液内加入Ti、B、Nb等元素来固定钢中N，形成TiN或BN或Nb(C,N)颗粒，从而降低与Al结合的N含量，有利于抑制AlN析出，从而有利于减轻铸坯角部横裂缺陷；过量的Ti、B、Nb易生成过多的氮化物或碳氮化物，降低材料性能，本发明的Ti、B和Nb中的一种或几种，每种含量0.01～0.3％，并且2≤Ti+B+Nb/N≤5。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种上述中碳含氮钢的板坯连铸生产方法，以提高连铸坯质量。

其所要解决的技术方案可以通过以下技术方案来实施。

一种前述中碳含氮钢的板坯连铸生产方法，在所述连铸工序中，板坯的断面厚度×板坯宽度为(150～300)mm×(900～2150)mm，中间包过热度控制在10～40℃，平均拉速1.0～2.5m/min；结晶器电磁搅拌电流500～600A，二冷电磁搅拌电流为1000～2200A；结晶器宽面和窄面水量分别为1400～3000L/min和320～480L/min，二冷水比水量控制0.5±0.2L/kg；结晶器振动振频140～240次/min(cpm)、振幅3～7mm；连铸结晶器水口插入深度控制在120～180mm；结晶器窄面锥度1.0～1.25％。

在所述连铸工序中，针对断面板坯厚度×板坯宽度为(150～300)mm×(900～2150)mm，如果连铸过程钢水的过热度低于10℃，钢液流动性差，容易导致结晶器水口冻钢、迫使浇注中断，且保护渣熔化效果不好；如果钢水过热度高于40℃，极易发生偏析，导致凝固时间长、选分结晶充分，加剧铸坯质量问题；本发明中间包内钢液的过热度控制在10～40℃。

在所述连铸工序中，如果平均拉速高于2.5m/min，初生坯壳较薄，铸坯冷却不均匀，容易产生纵向裂纹乃至漏钢；考虑到炼钢连铸节奏和高拉速目标，如果平均拉速不低于1.0m/min，且不影响连铸机总体生产能力；本发明平均拉速控制在1.0～2.5m/min。

在所述连铸工序中，为了防止中碳含氮钢在结晶器内产生裂纹和凹陷，在结晶器内、二冷区宜采用弱冷工艺制度。结晶器宽面和窄面水量分别为1400～3000L/min和320～480L/min。当进入二冷区后，在高温区由于AlN、MnS等析出物在奥氏体晶界的的生成，以及随着温度的降低发生的奥氏体向铁素体转变生成沿晶铁素体均会大幅度降低连铸坯的热塑性，二冷水比水量控制0.5±0.2L/kg。

在所述连铸工序中，为了改善在连铸过程可能引起的偏析问题，本发明增加电磁搅拌工艺。如果结晶器和二冷区电磁搅拌电流强度分别低于500A和1000A，对于改善铸坯中心质量起不到效果；如果结晶器和二冷区电磁搅拌电流强度分别高于600A和2200A，结晶器液面波动较大、且铸坯易发生负偏析；经过大量实验表明，本发明控制结晶器电磁搅拌电流500～600A，二冷电磁搅拌电流为1000～2200A。

在所述连铸工序中，高频小振幅振动有利于减少铸坯各种表面缺陷，特别是角横裂、夹渣和气泡。本发明结晶器振动振频140～240次/min(cpm)，振幅3～7mm。

在所述连铸工序中，结晶器水口插入深度过浅的话，水口流股对钢渣界面的冲击较强，增加钢液与结晶器保护渣反应几率，同时增加弯月面卷渣概率；结晶器水口插入过深的话，铸坯易产生裂纹；本发明设计的连铸结晶器水口插入深度控制在120～180mm。

在所述连铸工序中，凝固过程中结晶器/铸坯间产生气隙，会使传热不均匀，导致坯壳生长厚度不均，容易形成表面凹陷或裂纹，故设置一个倒锥度以补偿凝固坯壳的收缩。若结晶器锥度太小，坯壳容易鼓胀；若锥度太大，坯壳与结晶器铜板摩擦力增加。一般应根据钢种、铸坯宽度和拉速来选择结晶器锥度。本发明设计的结晶器窄面锥度1.0～1.25％。

作为优选方案，所述中间包内钢液过热度控制在20～35℃、平均拉速控制在1.2～2.4m/min。

作为优选方案，所述结晶器电磁搅拌电流520～580A，二冷电磁搅拌电流为1200～2000A。

作为优选方案，所述结晶器宽面和窄面水量分别为1400～2800L/min和350～450L/min，二冷水比水量控制在0.5±0.1L/kg。

作为优选方案，所述结晶器振动振频150～220次/min(cpm)，振幅4～6mm。

作为优选方案，所述连铸结晶器水口插入深度控制在130～160mm。

作为优选方案，所述结晶器窄面锥度1.05～1.20％。

与现有技术相比，本发明的中碳含氮钢及其板坯连铸生产方法，具有连铸坯表面和中心质量好等特点，对提高连铸坯质量也有利。连铸板坯经热轧和冷轧连续退后，调质度T-5CA的HR30T硬度可达73～78；二次冷轧后，轧制方向的抗拉强度约75～85kg/mm²。

本技术是实现中碳含氮钢板坯连铸生产和质量保证的关键技术。对采用连铸工艺流程实现生产和试验的企业开发含氮品种以及优化工艺很有推广应用价值，提高了产能，降低了生产成本，增强了企业的综合竞争力。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例对本发明所述的中碳含氮钢及其板坯连铸工艺做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

下表1中列出了实施例1-6中碳含氮钢中各化学元素质量百分比。

表1:(wt％，余量为Fe和其他除了P、S以外的不可避免的杂质)

本发明所述实施例1-6的中碳含氮钢均采用以下连铸生产工艺制得：

在所述连铸工序中，在板坯厚度×板坯宽度为(150～300)mm×(900～2150)mm的断面，中间包过热度控制在10～40℃，平均拉速1.0～2.5m/min；结晶器电磁搅拌电流500～600A，二冷电磁搅拌电流为1000～2200A；结晶器宽面和窄面水量分别为1400～3000L/min和320～480L/min，二冷水比水量控制0.5±0.2L/kg；结晶器振动振频140～240cpm、振幅3～7mm；连铸结晶器水口插入深度控制在120～180mm；结晶器窄面锥度1.0～1.25％。

下表2列出了实施例1-6的中碳含氮钢的制造方法的具体工艺参数。

表2：

下表3列出了实施例1-6的中碳含氮钢的铸坯质量和产品特性。连铸板坯低倍性能测试方法采用《YB/T 4003-2016连铸钢板坯低倍组织缺陷评级图》。

表3：

编号	HR30T硬度	抗拉强度(kg/mm<sup>2</sup>)	铸坯质量
				实施例1	78	85	无裂纹，A类中心偏析1.0
实施例2	77	83	无裂纹，A类中心偏析0.5
				实施例3	74	77	无裂纹，A类中心偏析0.5
实施例4	76	81	无裂纹，A类中心偏析1.5
				实施例5	75	79	无裂纹，A类中心偏析1.5
实施例6	73	75	无裂纹，A类中心偏析1.0

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案；因此，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims

1.一种中碳含氮钢，其特征在于，按重量百分数计，包括如下元素或组份：

C：0.15～0.60％，0.7<Si≤2.0％，0.4<Mn≤4.0％，P≤0.04％，S≤0.04％，且10≤Mn/S≤100，Al：0.1～0.2％，N：0.01～0.2％；Ti、B和Nb中的一种或几种，每种含量0.01～0.3％，并且2≤Ti+B+Nb/N≤5；余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的中碳含氮钢，其特征在于，按重量百分数计，包括如下元素或组份：

C：0.20～0.50％，0.8<Si≤1.8％，0.4<Mn≤4.0％，P≤0.02％，S≤0.02％，且10≤Mn/S≤100，Al：0.11～0.18％，N：0.01～0.18％；Ti、B和Nb中的一种或几种，每种含量0.01～0.3％，并且2≤Ti+B+Nb/N≤5；余量为Fe和不可避免的杂质。

3.一种权利要求1或2所述中碳含氮钢的板坯连铸生产方法，其特征在于，在其连铸工序中，板坯的断面厚度×板坯宽度为(150～300)mm×(900～2150)mm，中间包内钢液过热度控制在10～40℃，平均拉速为1.0～2.5m/min；结晶器电磁搅拌电流500～600A，二冷电磁搅拌电流为1000～2200A；结晶器宽面和窄面水量分别为1400～3000L/min和320～480L/min，二冷水比水量控制0.5±0.2L/kg；结晶器振动振频140～240次/min，振幅3～7mm；连铸结晶器水口插入深度控制在120～180mm；结晶器窄面锥度1.0～1.25％。

4.根据权利要求3所述的板坯连铸生产方法，其特征在于，中间包内钢液过热度控制在20～35℃、平均拉速控制在1.2～2.4m/min。

5.根据权利要求3所述的板坯连铸生产方法，其特征在于，所述结晶器电磁搅拌电流为520～580A，二冷电磁搅拌电流为1200～2000A。

6.根据权利要求3所述的板坯连铸生产方法，其特征在于，所述结晶器宽面和窄面水量分别为1400～2800L/min和350～450L/min，二冷水比水量控制在0.5±0.1L/kg。

7.根据权利要求3所述的板坯连铸生产方法，其特征在于，所述结晶器振动振频为150～220次/min，振幅为4～6mm。

8.根据权利要求3所述的板坯连铸生产方法，其特征在于，所述连铸结晶器水口插入深度控制在130～160mm。

9.根据权利要求3所述的板坯连铸生产方法，其特征在于，所述结晶器窄面锥度为1.05～1.20％。

10.根据权利要求3所述的板坯连铸生产方法，其特征在于，铸板坯经热轧和冷轧连续退后，调质度T-5CA的HR30T硬度为73～78；二次冷轧后，轧制方向的抗拉强度为75～85kg/mm²。