一种超高锰TWIP钢的大容量冶炼与成分调控方法

一种超高锰twip钢的大容量冶炼与成分调控方法
技术领域
1.本发明涉及超高锰合金钢冶炼技术领域，尤其涉及一种超高锰twip钢(所述超高锰twip钢是指含锰量≥20wt.％的孪生诱发塑性钢)的大容量冶炼与成分调控方法。


背景技术：

2.随着能源和环境问题的日益突出，轻量化已成现代汽车及其它交通工具的发展趋势，这对交通工具用钢的强韧性水平有了更高的要求。此外，为了提高汽车的被动安全性能，汽车用钢需要有尽可能高的吸能本领，即具有高强塑积。为了实现这些目的，近年来世界各主要汽车钢生产企业及研究部门都在开发兼具高强度和高塑性的汽车车身用钢，如双相(dp)钢、相变诱发塑性(trip)钢以及孪生诱发塑性钢(twip)钢，其中以超高锰twip钢综合性能最佳。超高锰twip钢主要化学成分为：c 0.02～0.5wt.％、mn 20～30wt.％、al 3wt.％、si 3wt.％，其余为fe。超高锰twip钢主要性能特点为：断后伸长率一般≥70％，抗拉强度一般≥500mpa，强塑积一般≥35000mpa％，明显优于trip钢。此外，twip钢还具有很高的吸能本领，室温下吸能本领可达0.5j/mm3以上，是传统深冲钢的2倍以上。除了在汽车领域有重要应用外，twip钢在桥梁防护、建筑减/隔振装置、低温容器、高铁缓冲器等结构中也有广泛的应用前景。
3.目前，有关twip钢冶炼技术的研究和报道非常少，特别是在一般工业条件下大容量冶炼twip钢的技术几乎没有报道。冶炼过程是决定金属材料化学成分等冶金质量的关键过程，也是生产金属材料和产品必不可少的工艺环节。对于超高锰twip钢来说，掌握冶炼过程中主要合金元素的动态变化及其与环境的交互作用规律，从而获得控制其含量的工艺技术，是超高锰twip钢走向工程化应用亟待解决的问题。
4.一般超高锰twip钢含有高浓度的易挥发元素mn和易氧化元素al，在高温熔炼过程中mn挥发和al氧化非常严重，并且c含量非常低，因此只能在真空炉内惰性气氛保护下熔炼，不仅成本高，而且难以实现大容量规模化生产。其次，因mn和al的化学活性很强，在熔炼过程中极易与熔炼气氛及炉衬材料发生复杂的物理化学反应，产生大量的非金属夹杂物，使熔体纯净度和合金成分精确控制非常困难。另外，因al与fe有较大的密度差，在凝固过程中宏观偏析也非常严重，导致材料组织、性能的均一性较差。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的上述不足之处，本发明提供了一种超高锰twip钢的大容量冶炼与成分调控方法，实现了在一般工业生产条件(所述的一般工业生产条件是指用普通电炉(如电弧炉、感应炉)冶炼，用普通的锻造设备(如锻锤、压力机)或普通轧制设备(如轧辊)进行塑性加工)下超高锰twip钢的大容量、低成本、纯净化冶炼，一次冶炼容量可达数十吨以上，而且冶炼出的超高锰twip钢在化学成分、冶金缺陷等冶金质量方面以及力学性能方面均达到了真空炉冶炼的水平，为推广应用超高锰twip钢解决了制约性难题。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
7.一种超高锰twip钢的大容量冶炼与成分调控方法，包括：
8.(1)备料：所述超高锰twip钢的配方为：按质量百分比计，c 0.6％～0.9％，mn 20％～30％，si 0.3％～1.0％，al 0.3％～1.0％，p≤0.015％，s≤0.005％，v 0.3％～0.6％，nb 0.2％～0.5％，杂质≤0.1％，余量为fe；按照上述超高锰twip钢的配方称取钢材；
9.(2)初炼：将所述钢材加入到电弧炉内进行初炼，使之熔化成钢液，并对钢液进行脱c、脱p、脱s和除渣，直至钢液温度达到1630～1650℃时，将钢液流入炉外钢包内；
10.(3)精炼：通过电极电弧对所述钢包内的钢液进行加热，当钢液温度达到1630～1650℃时，向钢液中加入造渣料，并吹氩对钢液进行搅拌，脱氧、脱硫、脱磷，当钢液中的含硫量和含磷量满足上述超高锰twip钢的配方要求时，向钢液中加入增碳剂、钒铁、铌铁、金属锰、金属铝和金属硅，直至钢液成分满足上述超高锰twip钢的配方要求时，吹氩对钢液进行搅拌，使钢液成分和钢液温度均匀化，夹杂物上浮去除；
11.(4)真空脱气：精炼完成后，将所述钢包加盖后抽真空，进一步去除钢液中的h、n、s和o，当钢液中的气体含量不超过0.001wt.％后，向钢液中吹氩进行搅拌，使夹杂物进一步上浮去除，然后向钢液中加入夹杂物变性料，对夹杂物进行改性，准备浇注；
12.(5)浇注：真空脱气完成后，对钢液进行测温，当钢液温度为1630～1670℃时，进行浇注，钢锭采用底注式铸造，浇注时间为8～12min，钢锭冷却12h后脱模，然后装入热处理炉内进行退火处理，退火处理温度为1100℃，退火处理时间为4h；
13.(6)锻造成形：将钢锭在1000～1050℃保温4h，然后取出进行锻造，形成锻坯。
14.优选地，所述对钢液进行脱c、脱p、脱s和除渣包括：对钢液进行吹氧脱c，吹氧脱c结束后，向钢液中加入造渣料进行还原脱p、脱s、造渣，造渣过程结束后，倾转炉体，使炉渣流出。
15.优选地，所述向钢液中加入增碳剂、金属锰、金属铝和金属硅包括：在向钢液中加入金属锰的同时，向钢液中加入低碳钢或纯铁，并吹氩搅拌，使金属锰溶解，然后再向钢液中加入钒铁、铌铁、金属铝和金属硅。
16.优选地，精炼完成后，将所述钢包加盖后抽真空，当所述钢包内真空度达到15～20pa时，停止抽真空，保持10～20min，然后取样化验；当钢液中h含量降至2ppm以下、钢液中n含量降至5ppm以下后，将所述钢包上的盖打开，测温取样；当钢液中的气体含量不超过0.001wt.％后，向钢液吹氩进行搅拌，使夹杂物进一步上浮去除，然后向钢液中加入夹杂物变性料，对夹杂物进行改性，准备浇注。
17.优选地，所述钢材采用废旧钢铁。
18.优选地，所述造渣料采用石灰、电石、萤石中的至少一种。
19.优选地，所述夹杂物变性料采用硅钙线、钙铁线、稀土丝中的至少一种。
20.优选地，所述金属锰采用工业级纯锰；所述金属铝采用工业级纯铝；所述金属硅采用工业级纯硅。
21.优选地，所述超高锰twip钢的金相组织为单相奥氏体，晶粒为大小不一的多边形状，并且所述超高锰twip钢的屈服强度为400～500mpa、抗拉强度为850～1000mpa、断后伸长率为65～75％。
22.本发明对传统超高锰twip钢的化学成分进行了重新设计，获得了mn含量和al含量
明显下降、c含量明显增加的新型twip钢，为开放式冶炼奠定了材料基础。同时，本发明根据该材料成分特点，采用回收的废旧钢铁料和低纯度合金料，对开放式、大容量、规模化冶炼工艺进行了系统研究，突破了抑制mn挥发，控制c、si、al烧损，降低s、p等杂质含量的关键技术，实现了在一般工业生产条件下超高锰twip钢大容量、低成本、纯净化冶炼，材料化学成分及力学性能均达到了真空炉冶炼的水平，为推广应用超高锰twip钢解决了制约性难题。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
24.图1为同成分twip钢真空炉冶炼时的典型力学性能图。
25.图2为本发明实施例1所冶炼出的超高锰twip钢的典型力学性能图。
26.图3为同成分twip钢真空炉冶炼时的典型金相组织图，100
×
。
27.图4为本发明实施例1所冶炼出的超高锰twip钢的典型金相组织图，200
×
。
具体实施方式
28.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
29.下面对本发明所提供的超高锰twip钢的大容量冶炼与成分调控方法进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
30.一种超高锰twip钢的大容量冶炼与成分调控方法，包括以下步骤：
31.(1)备料：所述超高锰twip钢的配方为：按质量百分比计，c 0.6％～0.9％，mn 20％～30％，si 0.3％～1.0％，al 0.3％～1.0％，p≤0.015％，s≤0.005％，v 0.3％～0.6％，nb 0.2％～0.5％，杂质≤0.1％，余量为fe；按照上述超高锰twip钢的配方称取钢材。所述钢材可以采用常规钢铁产品，也可以采用一般工业废旧钢铁，例如：回炉料、机加工边角料、钢铁刨花料、回收废钢铁等。本发明中还需使用增碳剂、钒铁、铌铁、金属锰、金属铝、金属硅、造渣料和夹杂物变性料。所述金属锰可以采用工业级纯锰。所述金属铝可以采用工业级纯铝。所述金属硅可以采用工业级纯硅。所述造渣料可以采用石灰、电石、萤石等现有造渣料中的至少一种。所述夹杂物变性料可以采用硅钙线、钙铁线、稀土丝等现有夹杂物变性料中的至少一种。
32.(2)初炼：将所述钢材加入到电弧炉内进行初炼，利用电弧产生的高温使之熔化成钢液，并对钢液进行吹氧脱c；吹氧脱c结束后，分两批向钢液中加入石灰和萤石，进行还原脱p、脱s、造渣；每批造渣过程结束后，倾转炉体，使炉渣流出，实现除渣；炉渣清理完毕后，取样化验、测温；直至钢液温度达到1630～1650℃时，倾转炉体，将钢液流入炉外钢包内。
33.(3)精炼：通过三相电极产生的电弧对所述钢包内的钢液进行加热，当钢液温度达到1630～1650℃时，向钢液中加入石灰、电石等造渣料，并吹氩对钢液进行搅拌，形成白渣
脱氧、脱硫、脱磷；当钢液中的含硫量和含磷量满足上述超高锰twip钢的配方要求时，向钢液中分批加入增碳剂、钒铁、铌铁、金属锰、金属铝和金属硅进行合金化、调整成分；为了抑制mn的挥发和氧化，在向钢液中加入金属锰的同时，需向钢液中加入占所述钢液总重量5～10wt.％的低碳钢或纯铁，适当降低钢液温度，同时吹氩搅拌，加快mn的溶解，然后再向钢液中加入钒铁、铌铁、金属铝和金属硅，提高钢液温度，取样化验；直至钢液成分满足上述超高锰twip钢的配方要求时，吹氩对钢液进行搅拌，使钢液成分和钢液温度均匀化，夹杂物上浮去除，同时向钢液中补充适量金属铝，以还原回收mn。该精炼过程可以使钢液中的s含量降至0.002wt.％以下、p含量控制在0.008wt.％以下，夹杂物成近球形，达到twip钢的冶金质量要求。
34.(4)真空脱气：精炼完成后，将精炼后的钢液连同所述钢包一起转移至真空精炼工位，并对所述钢包加盖后抽真空，进一步去除钢液中的h、n、s和o；当所述钢包内真空度达到15～20pa时，停止抽真空，保持10～20min，然后取样化验；当钢液中h含量降至2ppm以下、钢液中n含量降至5ppm以下、钢液中s含量和o含量进一步下降后，将所述钢包上的盖打开，测温取样；当钢液中的气体含量不超过0.001wt.％后，向钢液吹氩8～15min，对其进行弱搅拌，使夹杂物进一步上浮去除，同时降低钢液中t[o]，然后向钢液中加入夹杂物变性料，对夹杂物进行改性，准备浇注。如果钢液中气体含量未达到要求，则继续进行抽真空除气，直至达到要求为止。
[0035]
(5)浇注：真空脱气完成后，对钢液进行测温，当钢液为1630～1670℃时，进行浇注，钢锭采用底注式铸造，500kg锭型，每组6个钢锭模，浇注时间为8～12min，钢锭自然冷却12h后脱模，然后快速装入热处理炉内进行退火处理，退火温度为1100℃，退火时间为4h。
[0036]
(6)锻造成形：将钢锭在1000～1050℃保温4h，然后取出进行锻造开坯，形成不同尺寸的锻坯。
[0037]
具体地，采用本发明所提供的超高锰twip钢的大容量冶炼与成分调控方法得到的超高锰twip钢，其金相组织为单相奥氏体，晶粒为大小不一的多边形状，并且该超高锰twip钢的典型力学性能为：屈服强度为400～500mpa、抗拉强度为850～1000mpa、断后伸长率为65～75％。
[0038]
进一步地，本发明所提供的超高锰twip钢的大容量冶炼与成分调控方法通过对电弧炉初炼、炉外精炼、包内脱气和钢锭铸造等过程的精确控制，实现了超高锰twip钢在普通冶炼条件下的工业化制备，并使其冶金质量(化学成分及冶金缺陷等)和力学性能达到了小型真空炉冶炼的水平，单炉冶炼容量达到30吨以上。
[0039]
本发明所提供的超高锰twip钢的大容量冶炼与成分调控方法先将钢材、金属钒和金属铌加入到电弧炉内进行初炼，脱c、脱p、脱s、除渣，然后通过lf炉对钢液进行合金化和精炼，使之化学成分及纯净度达到设计要求，再将精炼后的钢液进行真空除气，并对夹杂物进行改性，随后浇注成钢锭，将钢锭在1000～1050℃温度下进行锻造，形成不同规格的锻坯。该方法所用原材料为普通废旧钢铁及一般工业用纯金属，一次冶炼容量可达数十吨以上，而且所获材料性能与真空炉冶炼材料性能相当，具有很高的延性和强度组合，具有非常广泛的应用前景。
[0040]
综上可见，本发明实施例实现了在一般工业生产条件下超高锰twip钢的大容量、低成本、纯净化冶炼，一次冶炼容量可达数十吨以上，而且冶炼出的超高锰twip钢在化学成
分、冶金缺陷等冶金质量方面以及力学性能方面均达到了真空炉冶炼的水平，为推广应用超高锰twip钢解决了制约性难题。
[0041]
为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明实施例中的超高锰twip钢的大容量冶炼与成分调控方法进行详细描述。
[0042]
实施例1
[0043]
一种超高锰twip钢的大容量冶炼与成分调控方法，包括以下步骤：
[0044]
(1)备料：所述超高锰twip钢的配方为：按质量百分比计，c 0.6％～0.9％，mn 20％～30％，si 0.3％～1.0％，al 0.3％～1.0％，p≤0.015％，s≤0.005％，v 0.3％～0.6％，nb 0.2％～0.5％，杂质≤0.1％，余量为fe；本发明实施例1中配料重量为15吨。按照上述超高锰twip钢的配方称取钢材。所述钢材采用废钢锭及少量钢屑。本发明实施例1中还需要使用增碳剂、钒铁、铌铁、工业级电解锰片、工业级纯铝锭、工业级纯硅块、造渣料和夹杂物变性料。所述造渣料采用石灰、电石和萤石。所述夹杂物变性料采用硅钙线。
[0045]
(2)初炼：采用30吨碱性电弧炉进行初炼。先在30吨碱性电弧炉的炉底铺上一层石灰，重300kg，然后将所有钢材加入到所述电弧炉内，其中废钢锭放在炉膛中间，钢屑放在废钢锭四周；经过一般的通电、启弧和穿井等过程后，炉料快速熔化，对钢液进行吹氧脱c，氧气压力约0.4mpa，然后分两批向钢液中加入石灰进行还原脱p、脱s、造渣，每批加入量约150kg，使钢液表面形成一层氧化性熔渣，覆盖钢液、稳定电弧；每批造渣过程结束后，倾转炉体，使炉渣流出，实现除渣；两批炉渣清理完毕后，取样化验、测温；直至钢液温度达到1630～1650℃时，倾转炉体，将钢液流入炉外钢包内。
[0046]
(3)精炼：通过电极电弧对所述钢包内的钢液进行加热，使钢液温度保持在1630～1650℃，向钢液中加入石灰、电石等造渣料，并吹氩对钢液进行搅拌，形成白渣脱氧、脱硫、脱磷；测温取样，当钢液中的含硫量和含磷量满足上述超高锰twip钢的配方要求时，根据上述超高锰twip钢的配方向钢液中分批加入增碳剂、钒铁、铌铁、工业级电解锰片、工业级纯铝锭和工业级纯硅块，待炉内原料熔清后，取样化验，再根据化验结果逐步调整增碳剂、钒铁、铌铁、工业级电解锰片、工业级纯铝锭和工业级纯硅块的加入量，直至钢液成分满足上述超高锰twip钢的配方要求时，吹氩对钢液进行搅拌，使钢液成分和钢液温度均匀化，夹杂物上浮去除。
[0047]
(4)真空脱气：精炼完成后，将精炼后的钢液连同所述钢包一起转移至真空精炼工位，并对所述钢包加盖后抽真空，进一步去除钢液中的h、n、s和o；当所述钢包内真空度达到20pa左右时，停止抽真空，保持10～20min，然后取样化验；当钢液中h含量降至2ppm以下、钢液中n含量降至5ppm以下、钢液中s含量和o含量进一步下降后，将所述钢包上的盖打开，测温取样，否则继续抽真空；当钢液中的气体含量不超过0.001wt.％后，向钢液吹氩8～15min，对其进行弱搅拌，使夹杂物进一步上浮去除，同时降低钢液中t[o]，然后向钢液中加入硅钙线，对夹杂物进行改性，准备浇注。如果钢液中气体含量未达到要求，则继续进行抽真空，直至达到要求为止。
[0048]
(5)浇注：真空脱气完成后，对钢液进行测温，当钢液为1630～1670℃时，将钢液连同所述钢包吊向浇注工位，打开浇口进行浇注，钢锭采用底注式铸造，500kg锭型，每组6个钢锭模，浇注时间为10min，钢锭自然冷却12h后脱模，然后快速装入热处理炉内进行退火处理，退火温度为1100℃，退火时间为4h。
[0049]
(6)锻造成形：将钢锭在1000℃保温4h，然后取出进行锻造开坯，分三火锻成直径100mm左右的圆坯。
[0050]
具体地，对本发明实施例1所冶炼出的超高锰twip钢圆坯进行采样，并对五份试样进行化学成分分析、组织观察及力学性能试验：
[0051]
(1)本发明实施例1中五份试样的代表性化学成分分析结果如下表1所示：
[0052]
表1
[0053][0054]
(2)采用现有技术中真空炉冶炼的方法冶炼出与本发明实施例1同成分的twip钢，并对其试样进行力学性能试验，从而可以得到如图1所示的同成分twip钢真空炉冶炼时的典型力学性能图。本发明实施例1中五份试样的典型力学性能图可以如图2所示。将图1和图2中的拉伸力学性能进行对比，可以看出：本发明实施例1所冶炼出的化学成分满足设计要求的超高锰twip钢，其力学性能与真空炉冶炼的同成分twip钢基本一致。
[0055]
(3)采用现有技术中真空炉冶炼的方法冶炼出与本发明实施例1同成分的twip钢，并对其试样进行组织观察，从而可以得到如图3所示的同成分twip钢真空炉冶炼时的典型金相组织图。本发明实施例1中一份试样的典型金相组织图可以如图4所示。
[0056]
综上可见，本发明实施例本发明实施例实现了在一般工业生产条件下超高锰twip钢的大容量、低成本、纯净化冶炼，一次冶炼容量可达数十吨以上，而且冶炼出的超高锰twip钢在化学成分、冶金缺陷等冶金质量方面以及力学性能方面均达到了真空炉冶炼的水平，为推广应用超高锰twip钢解决了制约性难题。
[0057]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。