CN108660289A - 一种解决含铜钢铜脆缺陷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种解决含铜钢铜脆缺陷的方法，工艺路线为铁水预处理、转炉或电炉熔炼、精炼、连铸或模铸、轧制；在含铜钢的生产过程中控制脱氧及合金化工艺，在钢中产生弥散分布的含MnS的Ti氧化物夹杂以及Ti‑Al复合氧化物夹杂作为Cu弥散析出的异质形核质点，铜在MnS上析出，使钢中的铜均匀、弥撒地分布在钢中，不易在晶界偏聚，消除含铜钢的铜脆缺陷。本方法通过对钢中夹杂物的类型、大小、分布的控制，进而控制含铜钢中铜的析出，可从根本上解决含铜钢铜脆缺陷。显著地提高了含铜钢的质量，因此利于推广应用。

Description

一种解决含铜钢铜脆缺陷的方法

技术领域

本发明涉及冶炼技术领域，特别涉及一种解决含铜钢铜脆缺陷的方法。

背景技术

铜对于大多数钢种来说是有害元素，在钢的生产时铸坯的冷却过程或钢的再加热过程中易在晶界偏聚，引起钢的热脆。但铜对于一些特殊钢种来说也是有益的合金元素，例如：耐腐蚀钢中通常加入少量的铜来提高钢的耐腐蚀性能。铜在钢材的腐蚀过程中起着活化阴极的作用，促使阳极钝化而减缓腐蚀。另外，铜可在钢的腐蚀层与铜的富集层之间紧贴钢基体形成致密、完整、附着性强的薄氧化铜中间层，减缓腐蚀介质腐蚀钢板内部。但是加入铜合金的含铜钢在生产时极易在钢的表面产生龟裂状的裂纹或密集分布的麻点状缺陷，即通常所说的“铜脆缺陷”，严重影响含铜钢的表面质量，甚至造成钢材报废。因此，含铜钢的生产是比较困难的。

含铜钢生产时通常采取一定的技术措施防止铜脆缺陷的产生，主要方法有以下几种：一是在含铜钢中配加镍(Ni:Cu＝1:3～1:2)，使钢中的富铜相变为熔点超过1200℃的铜镍富集相；二是降低含铜钢铸坯轧制前的再加热温度至1100℃以下，即降低轧钢温度至铜的熔点(1083℃)以下，并尽量减少不均匀变形及采用较小的道次变形量；三是通过调整相应的冶炼、连铸和热轧加热工艺控制等综合措施。目前，国内外企业均采用这些措施来预防和减弱含铜钢铜脆缺陷。但这些方法存在着成本高、钢种生产工艺限制、设备条件有限(如热轧机组不具备低温大压下能力)等缺点，而且这些方法均不能从根本上解决含铜钢的铜脆缺陷。文献论文“Cu、Ni在含铜时效钢表面氧化层中的富集”(《钢铁》2007年第4期)中，介绍了Cu、Ni在含铜时效钢表面氧化层中的富集规律。Ni加入到含铜钢中，改变了氧化层中富铜相的结构，促进了Ni-Cu富集相以颗粒状保留在氧化层内，抑制了Cu向基体中的渗透，从而改善了含铜时效钢的热脆性问题。但该方法存在镍合金价格昂贵、增加含铜钢生产成本等问题，因此，该方法不利于大规模生产应用；文献论文“含铜热轧钢板高温快烧工艺的研究”(《第七届轧钢年会》2002年)中，研究了提高热轧含铜钢板表面质量的高温快烧工艺。加热工艺采用还原性或中和性气氛，加快升温速度，提高加热温度，缩短加热时间。通过采取该工艺，减少选择性氧化，尽快避开临界温度，减缓铜富集。但该方法必须保证足够快的升温速度，工艺难以控制，而且对设备的要求较高，因此应用受到限制。

专利CN 103320713 B提供了一种高强度耐候钢及制备方法，该发明在传统耐候钢的成分中增加了Al、Mo、V、Nb、B等多种微合金元素进行复合合金化，降低了耐候钢中Cu、P含量，消除了Cu、P在耐候钢中引起的铜脆和磷脆危害，同时提高了钢的强度和耐候性能。该方法通过降低钢中Cu的含量来降低铜引起的铜脆缺陷，但不能从根本上解决问题。

专利CN 103882315 A提供一种耐硫酸露点腐蚀连轧钢的制造方法，主要解决现有加镍解决铜脆导致成本过高以及高温快烧工艺现场难以控制的技术问题。该发明的特征是板坯加热温度到1200℃～1230℃，保证板坯在炉时间达180～260min。该方法是利用热轧加热工艺的调整，并利用初轧除磷水除去含有钢中析出铜的氧化铁皮的方法消除含铜钢表面铜脆缺陷，因此，不能从根本上解决问题。

CN 104694713 A公开了一种含铜低合金钢加热方法，板坯入炉后利用热值为2200～2300Kcal/Nm³燃气加热140～160min，控制加热一段末出口温度最高不超过1070℃。板坯进入加热二段开始快速升温，经过40～50min，控制加热二段末出口温度低于出钢目标温度25～30℃。均热段保温25～30min，板坯出炉温度范围在1220～1300℃。该发明通过加热工艺的控制，抑制了富铜层晶界的熔化，减少了铜的富集数量，因此，在板坯经过正常的粗轧工序时，容易除掉富集在铁皮下的铜，而不产生铜脆缺陷。但该方法操作复杂，工艺实现困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种解决含铜钢铜脆缺陷的方法，在不改变含铜钢现有生产工艺、不增加设备投入、不增加生产工序的前提下，解决含铜钢铜脆缺陷问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种解决含铜钢铜脆缺陷的方法，工艺路线为铁水预处理、转炉或电炉熔炼、精炼、连铸或模铸、轧制；在含铜钢的生产过程中控制脱氧及合金化工艺，在钢中产生弥散分布的含MnS的Ti氧化物夹杂以及Ti-Al复合氧化物夹杂作为Cu弥散析出的异质形核质点，铜在MnS上析出，使钢中的铜均匀、弥撒地分布在钢中，不易在晶界偏聚，消除含铜钢的铜脆缺陷；具体步骤如下：

(1)含铜钢钢水的脱氧及合金化工艺主要包括：铝预脱氧和合金化；增碳剂、硅铁、锰铁脱氧和合金化、钛铁及其它合金终脱氧和合金化；精炼前加铝进行脱氧和合金化，加增碳剂、硅铁、锰铁进行脱氧和合金化，精炼后期加钛铁及其它合金进行终脱氧和合金化；

(2)加钛铁前钢水中硫含量控制在0.010％～0.040％之间；

(3)加钛铁前钢水中氧活度控制在150ppm以上；

(4)钢水在精炼处理后连铸前需要镇静300～600s；

(5)钢水连铸或模铸时采用强冷冷却方式；

(6)根据钢种不同，钢水最终成分中的Ti、Al、Mn含量按钢种要求上限控制。

首先，在钢中添加Al进行钢水的预脱氧及合金化，使钢中产生大量的Al₂O₃夹杂物，并使大颗粒Al₂O₃夹杂物能够有充分的时间上浮排除。更重要的是钢中最后能够得到大量的、细小Al₂O₃夹杂物。

然后，加入增碳剂、硅铁、锰铁对钢液进行进一步脱氧及合金化处理。控制钢中硫含量的目的是：使钢中产生大量的、细小的MnS夹杂物。

最后，向钢液中加入钛铁及其它合金，对钢液进行终脱氧及合金化，使钢中产生大量的钛脱氧产物以及钛脱氧产物与之前形成的Al₂O₃夹杂物和硅铁、锰铁等形成的夹杂物结合，形成Ti-Al复合脱氧产物以及Ti-Al-Si等复合脱氧产物。

钢中产生的MnS夹杂物易与钛氧化物、Ti-Al复合氧化物以及Ti-Al-Si等复合氧化物结合，使钢中产生的MnS夹杂物均匀、弥撒地分布在钢中。而铜易在MnS上析出，这样可使钢中的铜均匀、弥撒地分布在钢中，不易在晶界偏聚，消除含铜钢的铜脆缺陷。

控制加钛前氧活度的目的是：保证钢种有足够的氧与所加入的钛铁发生反应，使钢中产生大量的钛脱氧产物以及Ti-Al等复合脱氧产物，为钢中MnS的大量析出提供有效形核质点。

控制连铸前镇静时间的目的是：保证钢中脱氧合金化产生的大颗粒脱氧产物及夹杂物得到充分的上浮排除，使钢中得到细小的、弥散分布的夹杂物。更重要的是MnS在钛氧化物夹杂及Ti-Al等复合氧化物夹杂上的析出和铜在MnS上的析出均需要有一定的时间。

钢水连铸或模铸时采用强冷冷却方式的目的是：控制冷却速度，使钢中产生的这些大量的易于铜析出的夹杂物能够细小、弥散分布于钢中。利用钢中产生的这些大量的、细小的、弥散分布的钛氧化物夹杂以及Ti-Al等复合氧化物夹杂，使MnS在其上析出，进而促使铜在其上析出，避免钢中铜在晶界偏聚，为钢中铜的弥散析出提供有效形核质点。

Ti、Al、Mn在本发明中均起到关键作用。本发明的关键技术为在钢中产生大量的、细小的、弥散分布的含MnS的Ti氧化物夹杂以及Ti-Al等复合氧化物夹杂作为Cu弥散析出的异质形核质点。因此本发明要求钢中要有一定的Ti、Al、Mn含量。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

本发明在含铜钢的生产过程中，通过炼钢、精炼、连铸等工序的综合控制，使钢中产生大量的利于Cu析出的细小的、弥撒均匀分布的夹杂物，在含铜钢铸坯的冷却或轧制再加热时，使钢中的铜在夹杂物上析出，避免铜在晶界偏聚，减少或消除铜脆缺陷。本方法通过对钢中夹杂物的类型、大小、分布的控制，进而控制含铜钢中铜的析出，可从根本上解决含铜钢铜脆缺陷。显著地提高了含铜钢的质量，因此利于推广应用。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明：

以下实施例对本发明进行详细描述。这些实施例仅是对本发明的最佳实施方案进行描述，并不对本发明的范围进行限制。

实施例1：

针对某厂260吨转炉和LF炉等精炼设备冶炼某耐候钢。工艺流程按正常生产耐候钢进行，采用铁水脱硫预处理→转炉冶炼→LF炉精炼→连铸→控轧控冷轧制。

原料铁水经预处理脱硫后[S]为0.0080％。然后铁水进入260吨顶底复吹转炉冶炼，工艺按正常冶炼耐候钢要求进行。转炉终点成分[S]质量百分数为0.0130％。出钢过程首先向钢包中加入铝铁进行预脱氧和合金化，然后加入硅铁和锰铁进行脱氧和合金化，同时向钢包内加入造渣材料。铝铁、锰铁加入量按钢种要求上限控制。出钢过程中对钢包进行底吹氩，压力调节以钢包液面“裸眼”直径为130～170mm为目标。LF精炼按正常生产耐候钢工艺进行。钢包到位后吹氩、造渣操作。在LF精炼结束前采用定氧探头测定钢中的氧活度为160ppm。然后加入钛铁、镍铁、铬铁进行钢水的终脱氧和合金化。精炼结束后钢包镇静300s。然后采用全保护连铸，连铸过程中在保证铸坯质量的前提下二冷水采用强冷方式。最后对生产的耐候钢铸坯进行控轧控冷轧制。

本实施例的耐候钢的最终化学成分按重量百分比为：C0.051、Si0.38、Mn1.10、S0.0150、P0.0205、Al0.058、Cu0.33、Ti0.025、Ni0.17、Cr0.41，余量为Fe。

对连铸生产后的铸坯和轧制生产后的耐候钢产品进行质量检验，均未发现铜脆缺陷，即边部、侧面裂纹和表面麻点状缺陷。

实施例2：

针对某厂260吨转炉和LF炉等精炼设备冶炼某耐候钢。工艺流程按正常生产耐候钢进行，采用铁水脱硫预处理→转炉冶炼→LF炉精炼→连铸→控轧控冷轧制。

原料铁水经预处理脱硫后[S]为0.0100％。然后铁水进入260吨顶底复吹转炉冶炼，工艺按正常冶炼耐候钢要求进行。转炉终点成分[S]质量百分数为0.0150％。出钢过程首先向钢包中加入铝铁进行预脱氧和合金化，然后加入硅铁和锰铁进行脱氧和合金化，同时向钢包内加入造渣材料。铝铁、锰铁加入量按钢种要求上限控制。出钢过程中对钢包进行底吹氩，压力调节以钢包液面“裸眼”直径为130～170mm为目标。LF精炼按正常生产耐候钢工艺进行。钢包到位后吹氩、造渣操作。在LF精炼结束前采用定氧探头测定钢中的氧活度为200ppm。然后加入钛铁、镍铁、铬铁进行钢水的终脱氧和合金化。精炼结束后钢包镇静450s。然后采用全保护连铸，连铸过程中在保证铸坯质量的前提下二冷水采用强冷方式。最后对生产的耐候钢铸坯进行控轧控冷轧制。

本实施例的耐候钢的最终化学成分按重量百分比为：C0.055、Si0.35、Mn1.00、S0.0174、P0.0180、Al0.059、Cu0.34、Ti0.018、Ni0.16、Cr0.43，余量为Fe。

对连铸生产后的铸坯和轧制生产后的耐候钢产品进行质量检验，均未发现铜脆缺陷，即边部、侧面裂纹和表面麻点状缺陷。

实施例3：

针对某厂260吨转炉和LF炉等精炼设备冶炼某耐候钢。工艺流程按正常生产耐候钢进行，采用铁水脱硫预处理→转炉冶炼→LF炉精炼→连铸→控轧控冷轧制。

原料铁水经预处理脱硫后[S]为0.0120％。然后铁水进入260吨顶底复吹转炉冶炼，工艺按正常冶炼耐候钢要求进行。转炉终点成分[S]质量百分数为0.0175％。出钢过程首先向钢包中加入铝铁进行预脱氧和合金化，然后加入硅铁和锰铁进行脱氧和合金化，同时向钢包内加入造渣材料。铝铁、锰铁加入量按钢种要求上限控制。出钢过程中对钢包进行底吹氩，压力调节以钢包液面“裸眼”直径为130～170mm为目标。LF精炼按正常生产耐候钢工艺进行。钢包到位后吹氩、造渣操作。在LF精炼结束前采用定氧探头测定钢中的氧活度为221ppm。然后加入钛铁、镍铁、铬铁进行钢水的终脱氧和合金化。精炼结束后钢包镇静600s。然后采用全保护连铸，连铸过程中在保证铸坯质量的前提下二冷水采用强冷方式。最后对生产的耐候钢铸坯进行控轧控冷轧制。

本实施例的耐候钢的最终化学成分按重量百分比为：C0.061、Si0.44、Mn0.99、S0.0218、P0.0186、Al0.064、Cu0.35、Ti0.026、Ni0.19、Cr0.40，余量为Fe。

对连铸生产后的铸坯和轧制生产后的耐候钢产品进行质量检验，均未发现铜脆缺陷，即边部、侧面裂纹和表面麻点状缺陷。

Claims (1)

1.一种解决含铜钢铜脆缺陷的方法，工艺路线为铁水预处理、转炉或电炉熔炼、精炼、连铸或模铸、轧制；其特征在于，在含铜钢的生产过程中控制脱氧及合金化工艺，在钢中产生弥散分布的含MnS的Ti氧化物夹杂以及Ti-Al复合氧化物夹杂作为Cu弥散析出的异质形核质点，铜在MnS上析出，使钢中的铜均匀、弥撒地分布在钢中，不在晶界偏聚，消除含铜钢的铜脆缺陷；具体步骤如下：

(1)含铜钢钢水的脱氧及合金化工艺主要包括：铝预脱氧和合金化；增碳剂、硅铁、锰铁脱氧和合金化、钛铁及其它合金终脱氧和合金化；精炼前加铝进行脱氧和合金化，加增碳剂、硅铁、锰铁进行脱氧和合金化，精炼后期加钛铁及其它合金进行终脱氧和合金化；

(2)加钛铁前钢水中硫含量控制在0.010％～0.040％之间；

(3)加钛铁前钢水中氧活度控制在150ppm以上；

(4)钢水在精炼处理后连铸前需要镇静300～600s；

(5)钢水连铸或模铸时采用强冷冷却方式；

(6)根据钢种不同，钢水最终成分中的Ti、Al、Mn含量按钢种要求上限控制。