利用针状铁素体组织增强高强度钢材性能的制备工艺及钢材

摘要

本发明提供了一种利用针状铁素体组织增强高强度钢材性能的制备工艺及钢材，针状铁素体型高强度钢材的屈服强度≥400MPa，钢材含有如下重量百分比的化学成分：C:0.17～0.25％，Si:0.40～0.80％，Mn:1.20～1.60％，S:≤0.045％，P:≤0.045％，Ca:0.005～0.035％，Ni:0.010～0.015％，Cu:0.015～0.050％，其余为Fe及不可避免的杂质。本发明在钢水出钢后用电石对钢水进行终脱氧，电石在剧烈反应的同时会生成CaO夹杂，生成的CaO夹杂在CO气泡生成同时呈弥散的状态分布，大量弥散分布的细小CaO夹杂作为异质形核核心，诱导晶内针状铁素体形成，细化或分割原奥氏体晶粒，使钢材组织更加细化，强度和韧性大幅度提高。

权利要求

1.一种利用针状铁素体组织增强高强度钢材性能的制备工艺，其特征在于：根据钢材的化学成分进行钢水冶炼，出钢时，先进行预脱氧，然后再添加电石进行终脱氧，最后依次进行连铸、热轧、冷却；电石在剧烈反应时，生成氧化钙夹杂，该氧化钙夹杂在一氧化碳气泡生成的同时呈弥散状分布，呈弥散状分布的氧化钙夹杂作为异质形核核心，诱导晶内针状铁素体形成；所述热轧的第一阶段开轧温度为1050～1100℃，第二阶段开轧温度为1100℃，终轧温度为830±20℃；

所述预脱氧采用先添加硅锰进行合金化，再依次添加硅铁合金和铝合金进行预脱氧；

所述电石添加在结晶器中；利用电石进行终脱氧后，氧含量降低至30-50ppm；

所述冷却采用水冷，在800～500℃的条件下进行冷却，所述冷却速度为5～15℃/s。

2.一种针状铁素体型高强度钢材，屈服强度≥400MPa，依据权利要求1所述的利用针状铁素体组织增强高强度钢材性能的制备工艺制备而得，其特征在于：钢材含有如下重量百分比的化学成分：C:0.17～0.25％，Si:0.40～0.80％，Mn:1.20～1.60％，S:≤0.045％，P:≤0.045％，Ca:0.005～0.035％，Ni:0.010～0.015％，Cu:0.015～0.050％，其余为Fe及不可避免的杂质。

3.根据权利要求2所述的一种针状铁素体型高强度钢材，其特征在于：当碳当量为0.43～0.46％时，钢材中尺寸为0.5～5μm的含Ca的复合夹杂物的数量达到2200～2600个/mm2，尺寸大于50μm的MnS复合夹杂物的数量小于2个/mm2，钢材屈服强度400～480MPa，抗拉强度

600～660MPa，延伸率22～25％。

4.根据权利要求2或3所述的一种针状铁素体型高强度钢材，其特征在于：钢材的金相组织特征为：原奥氏体晶界出为先共析铁素体，平均晶粒尺寸小于50μm，所占面积分数小于

20％；原奥氏体晶粒内部为微细的针状铁素体，所占面积分数大于80％。

说明书

利用针状铁素体组织增强高强度钢材性能的制备工艺及钢材

【技术领域】

[0001] 本发明属于建筑用高强度钢材技术领域，涉及利用钙基氧化物冶金技术生产一种高强度钢材的生产工艺，特别涉及一种利用针状铁素体组织增强高强度钢材性能的制备工艺。【背景技术】

[0002] 随着我国经济建设的发展，越来越多的超高层建筑、大跨度建筑、抗震等级高的建筑、大型基础设施涌现出来，对高强度钢材的需求越来越旺盛，对其性能要求也越来越高。高强度钢材是指强度级别在400MPa以上，符合国标GB1499中规定的HRB400、HRB500级钢材要求的钢材，其具有强度高、综合性能优良等特点。使用高强钢材可以减少构件自重，使结构设计更趋合理，可减少钢材运输、加工与连接工作量，同时可保证混凝土施工质量，提高安全储备等，对提高建筑物的安全性、耐久性提供了保障。因此，推广使用高强度钢材不仅能节约建筑钢材用量，而且能提高建筑物质量等级。

[0003] 目前，我国高强钢材全面采用微合金化技术，但微合金化工艺成本高，需要Ti、Nb、V等微合金化元素，加之当前钢铁市场持续低迷，现在面临巨大的合金资源及生产成本问题。而利用钙基氧化物冶金技术开发高强度钢材可以大幅度节约资源和能源，减少对合金元素的依赖和资源的过度消耗，这对提高高强度钢材的生产效益，实现减量化制造和推进国民经济的可持续发展，均有非常重要的意义。

[0004] 氧化物冶金，是使钢中的夹杂物变害为利，在钢液中形成细小、弥散分布、高熔点氧化物夹杂，从而改变大线能量焊接粗大的HAZ组织，使钢具有良好的韧性、较高的强度和优良的焊接性能。其可在不增加任何设备投资的情况下，合理设计钢材的合金成分，并在钢材冶炼过程中精确控制各合金元素及主功能合金的添加方式、添加顺序和添加时机，有效利用钢液中各元素间的物理化学反应，对钢中的非金属夹杂物进行弥散化处理并控制其形成适当数量，特定类型、尺寸和分布状态的高熔点微细夹杂物及第二相粒子，这些夹杂物在钢中作为非自发形核核心，细化或分割原奥氏体晶粒、影响奥氏体向铁素体的固相转变行为，诱导晶内针状铁素体形成，大幅度提高钢材的强、韧性能。

[0005] 氧化物冶金是上世纪90年代日本学者首次提出，是近年来比较热门的研究方向，目前在金属材料领域的应用还比较少，主要应用在改善大线能量焊接热影响区、非调质钢的强度和韧性，而在开发高强度钢材上没有应用。【发明内容】

[0006] 本发明针对目前采用微合金化工艺生产高强度钢材消耗合金资源、成本较高等问题，提出一种利用针状铁素体组织增强高强度钢材性能的制备工艺及钢材，利用钙基氧化物冶金技术生产高强度钢材，通过钢水出钢后往结晶器中添加一定量的电石再次脱氧，使钢中生成大量弥散分布的氧化钙等细小夹杂物，钙基复合夹杂物作为异质形核核心促进晶内针状铁素体的形成，细化原始奥氏体晶粒，从而提高钢材的强度和韧性。

[0007] 本发明采用以下技术方案：

[0008] 一种利用针状铁素体组织增强高强度钢材性能的制备工艺，根据钢材的化学成分进行钢水冶炼，出钢时，先进行预脱氧，然后再添加电石进行终脱氧，最后依次进行连铸、热轧、冷却。

[0009] 进一步，电石在剧烈反应时，生成氧化钙夹杂，该氧化钙夹杂在一氧化碳气泡生成的同时呈弥散状分布，呈弥散状分布的氧化钙夹杂作为异质形核核心，诱导晶内针状铁素体形成。

[0010] 进一步，所述预脱氧采用先添加硅锰进行合金化，再依次添加硅铁合金和铝合金进行预脱氧。

[0011] 进一步，所述电石添加在结晶器中。

[0012] 进一步，利用电石进行终脱氧后，氧含量降低至30-50ppm。

[0013] 进一步，所述热轧的第一阶段开轧温度为1050～1100℃，第二阶段开轧温度为1100℃，终轧温度为830±20℃。

[0014] 进一步，所述冷却采用水冷，在800～500℃的条件下进行冷却，所述冷却速度为5～15℃/s。

[0015] 一种针状铁素体型高强度钢材，屈服强度≥400MPa，钢材含有如下重量百分比的化学成分：C:0.17～0.25％，Si:0.40～0.80％，Mn:1.20～1.60％，S:≤0.045％，P:≤0.045％，Ca:0.005～0.035％，Ni:0.010～0.015％，Cu:0.015～0.050％，其余为Fe及不可避免的杂质。

[0016] 进一步，当碳当量为0.43～0.46％时，钢材中尺寸为0.5～5μm的含Ca的复合夹杂物的数量达到2200～2600个/mm2，尺寸大于50μm的MnS复合夹杂物的数量小于2个/mm2，钢材屈服强度400～480MPa，抗拉强度600～660MPa，延伸率22～25％。

[0017] 进一步，钢材的金相组织特征为：原奥氏体晶界处为先共析铁素体，平均晶粒尺寸小于50μm，所占面积分数小于20％；原奥氏体晶粒内部为微细的针状铁素体，所占面积分数大于80％。

[0018] 与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明方法在钢水出钢后用电石对钢水进行终脱氧，电石在高温下和钢水中的氧发生反应，这在一定程度上能促进大型夹杂物的脱出。此外，电石在剧烈反应的同时会生成CaO夹杂，由于生成CaO夹杂距离钢水凝固时间较短且钢水运动较为平缓，因此，刚刚生成的CaO夹杂聚集长大的可能相对较小，并且在CO气泡生成同时会呈弥散的状态分布，大量弥散分布的细小CaO夹杂作为异质形核核心，诱导晶内针状铁素体形成，细化或分割原奥氏体晶粒，使钢材组织更加细化，强度和韧性大幅度提高。【附图说明】

[0019] 图1为本发明钢材的金相组织图。

[0020] 图2为本发明钢材的金相组织图的局部放大图。

[0021] 图3为以氧化钙等复合夹杂物为核心促进针状铁素体的形成示意图。【具体实施方式】

[0022] 本发明的技术方案是：

[0023] 一种针状铁素体型高强度建筑用钢材，屈服强度≥400MPa，钢材含有如下重量百分比的化学成分：C:0.17～0.25％，Si:0.40～0.80％，Mn:1.20～1.60％,S:≤0.045％，P:≤0.045％，Ca:0.005～0.035％，Ni:0.010～0.015％，Cu:0.015～0.050％，其余为Fe及不可避免的杂质。

[0024] 在本发明钢材中，当碳当量为0.43～0.46％时，钢材中尺寸为0.5～5μm的含Ca的2
复合夹杂物的数量达到2200～2600个/mm ，尺寸大于50μm的MnS复合夹杂物的数量小于2个/mm2钢材屈服强度400～480MPa，抗拉强度600～660MPa，延伸率22～25％。

[0025] 本发明钢材的金相组织特征：原奥氏体晶界处为先共析铁素体，平均晶粒尺寸小于50μm，所占面积分数小于20％；原奥氏体晶粒内部为微细的针状铁素体，所占面积分数大于80％。

[0026] 上述的针状铁素体型高强度建筑用钢材的具体制备工艺如下：

[0027] 钢水冶炼：按上述钢材的目标化学成分进行钢水冶炼，在出钢时往钢包中先添加19.50kg/t的硅锰进行合金化，再添加2.35kg/t的硅铁合金、0.3～0.6kg/t的铝合金等进行预脱氧，在连铸拉坯前往结晶器中添加电石进行终脱氧，将氧含量降至30-50ppm。通过控制合金加入顺序，使钢液成分达到目标化学成分；

[0028] 连铸：将冶炼的钢水浇铸成连铸坯，铸坯规格为150mm×150mm的小方坯；

[0029] 铸坯加热：将连铸坯加热至1100℃左右，保温15～20min；

[0030] 热轧：采用TMCP工艺将连铸坯轧制成Φ25mm的钢材，一阶段开轧温度1050～1100℃，二阶段开轧温度1100℃，终轧温度830±20℃。

[0031] 冷却:采用水冷,在800～500℃,以5～15℃/s的速度冷却，钢中会析出大量的针状铁素体。

[0032] 本发明的原理：钢水出钢后用电石对钢水进行再次脱氧，电石在高温下和钢水中的氧发生反应，这在一定程度上又能促进大型夹杂物的脱出。电石在剧烈反应的同时会生成CaO夹杂，由于离钢水凝固时间较短且钢水运动较为平缓，此时刚刚生成的CaO夹杂聚集长大的可能相对较小，并且在CO气泡生成同时会呈弥散的状态分布。大量弥散分布的细小CaO夹杂作为异质形核核心，诱导晶内针状铁素体形成，细化或分割原奥氏体晶粒，使钢材组织更加细化，强度和韧性大幅度提高。

[0033] 本发明的优点：利用钙基氧化物冶金技术制备高强度钢材，以脱氧后生成有效的钙基复合夹杂物为异质形核核心，促进晶内针状铁素体的形成来细化晶粒组织，达到提高钢材强度、性能的目的。

[0034] 相比于其他高强度钢材生产工艺，具有以下优点:

[0035] 1不需要添加Ti、Nb、V等贵重金属元素，极大地降低了生产成本，节约了金属资源；

[0036] 2可以改善钢材的焊接性能，由于氧化物夹杂能在原奥氏体晶内形核，产生大量的晶内铁素体，即使奥氏体晶粒长大，依然可以获得晶粒细小的显微组织，晶内铁素体能抑制焊接热影响区的晶粒粗化，使焊接热影响区的性能大幅度提升；

[0037] 3不需要进行任何设备上的更新改造，在正常的转炉炼钢生产工艺流程下即可完成，快捷简便。

[0038] 本发明的具体实施例如下表1所示：

[0039] 表1本发明具体实施例 单位：％

[0040]

[0041]

[0042] 以下表2为6个实施例的实验钢材的力学性能，由此可知，本发明钢材的各项性能指标均到国标GB1499中对400MPa级钢材的性能要求。

[0043] 表2本发明钢材力学性能试验结果

[0044]序号 屈服强度ReL(MPa) 抗拉强度Rm(MPa) 断后伸长率A(％) 断后收缩率Z(％)
1 458 636 24.88 50.19
2 442 620 24.72 45.58
3 446 639 22.81 45.82
4 469 646 24.56 46.96
5 440 642 23.61 44.83
6 478 652 24.94 42.61

[0045] 从图1和图2的实验钢材金相组织图中，可以看出，奥氏体晶粒晶界出现先共析铁素体，内部呈现大量交错分布的针状铁素体。