铌钒微合金化高强细晶非调质冷镦钢方坯及其制造方法与流程

本发明涉及钢铁冶炼
技术领域：
，更具体地说，涉及铌钒微合金化高强细晶非调质冷镦钢方坯及其制造方法。
背景技术：
：随着我国通讯、交通、电力、机械、石油化工等行业的发展，高强度紧固件螺栓、螺钉和螺柱等的应用逐渐增多。在追求材料低成本和高性能的同时，传统的高强度冷镦钢已不能适应经济发展的要求，冷作硬化非调质钢新材料的研究逐渐重要。非调质钢为在中碳钢中添加微量合金元素，通过控温轧制(锻制)、控温冷却、在铁素体和珠光体中弥散析出碳(氮)化合物为强化相，使之在轧制(锻制)后不经调质处理，即可获得碳素结构钢或合金结构钢经调质处理后所达到的力学性能的钢种。高强度非调质冷镦钢通常称之为冷作强化非调质钢，高强度螺纹紧固件一般分为8.8、9.8、10.9和12.9四个级别。采用冷作硬化非调质钢制造紧固件是冶金技术与紧固件制造技术紧密结合的过程，主要特点是材料中含有较高含量的硅、锰元素；采用先进的低温状态下的控轧控冷技术获得细晶组织的热轧线材；按设定的压缩率拉拔后直接通过冷镦成形加工紧固件；成形后的紧固件不再经过传统的调质过程，只需进行稳定化时效处理，减少拉拔和球化退火工艺，可避免螺纹的畸变和整体的弯曲变形，在节约能源、保护环境、降低成本方面效果明显。高强细晶非调质冷镦钢连铸方坯制造工艺流程为铁水预处理→转炉炼钢→氩站→lf炉精炼→连铸→方坯质量检验等，高强细晶非调质冷镦钢方坯质量好坏直接决定成品性能。gb/t3098.22-2009《紧固件机械性能细晶非调质螺栓、螺钉和螺柱》中对细晶的定义为晶粒度可用晶粒的平均面积或平均直径表示，工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。标准晶粒度共分8级，1～3级为粗晶粒(直径250μm～125μm)，4～6级为中等晶粒(直径88μm～44μm)，7～8级为细晶粒(直径31μm～22μm)。高强度细晶非调质冷镦钢材料为铁素体加珠光体型或贝氏体型钢，平均铁素体晶粒尺寸为小于等于8μm。非调质冷镦钢生产过程中，微合金化对性能影响、高强度、晶粒细化、低成本控制、环保等问题的影响是各企业生产攻关的技术难点，铸坯质量的提升及对成品冷镦性能影响仍需进一步探究。中国专利申请公布号cn109306435a的申请案公开了一种具有良好低温冲击性能的非调质冷镦钢盘条及其制备方法，该非调质冷镦钢盘条化学成分组成及其重量百分含量为c：0.13wt％～0.23wt％、si：≤0.30wt％、mn：1.00wt％～1.40wt％、p：≤0.025wt％、s：≤0.015wt％，v：≤0.10wt％、ti：0.08wt％、al：0.020wt％～0.040wt％、b：0.0010wt％～0.0035wt％、cr：≤0.20wt％，余量为fe和不可避免的杂质元素；制备方法包括冶炼、连铸、加热、轧制、冷却工序。该申请案通过成分设计、加热制度、轧制工艺和控冷工艺，得到具有高强度和低温冲击韧性非调质冷镦钢盘条。该方案采用v和ti进行微合金化，生产的非调质冷镦钢可满足客户采用冷镦工艺生产双头铆钉的要求。中国专利申请公布号cn104984995a的申请案公开了一种含硼非调质双向冷镦钢的高线轧制方法，工艺步骤包括合金元素含量控制，要求b含量控制在6～8ppm，控制al/n≥12.8，aln≥1.35×10-4；采用两相区控冷技术，完全避免发生珠光体相变，获得80％铁素体+20％马氏体最佳双向组织比率。该申请案满足8.8级螺栓性能的热轧原材料，针对10.9和12.9等更高强度的非调质冷镦钢生产，仍存在一定缺陷。中国专利申请号：2007100530972，发明创造名称为：一种冷镦用铌、钒复合微合金化低碳硼钢及其生产方法，该申请案的低碳硼钢按重量百分比计为：c：0.18-0.24，mn：0.8-1.2，ti：0.01-0.03；b：0.001-0.003，nb：0.02-0.08，v：0.02-0.08，als：0.01-0.05，si＜0.2，p＜0.03，s＜0.03，余量为fe，加工方法依次包括：转炉或电炉冶炼，lf炉精炼，连铸，加热，轧制，控冷，该申请案利用nb、v的复合微合金化作用，在强化的同时，保证低碳硼钢的综合性能，可用于10.9-12.9级高强度标准件用硼钢产品，可以替代crmo系合金钢。以上申请案均涉及对钢种的设计优化，但针对不同的适用环境，实践中仍有进一步提升的空间。技术实现要素：1.发明要解决的技术问题本发明的目的在于针对目前非调质冷镦钢的加工及性能仍有各种缺陷的现状，拟提供铌钒微合金化高强细晶非调质冷镦钢方坯及其制造方法，本发明的制造方法通过成分控制、转炉、lf炉精炼和连铸等工艺优化及nb和v微合金化等措施，可以细化非调质冷镦钢成品晶粒，提升冷镦钢的强度，改善冷镦性能，在加工使用过程中可减少淬火和回火的调质处理加工工序，达到提升性能、降本增效和环保的目的。2.技术方案为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：本发明的铌钒微合金化高强细晶非调质冷镦钢方坯，按重量百分比计包括以下成分：c：0.16wt％～0.35wt％；si：0.10wt％～0.55wt％；mn：1.25wt％～2.20wt％；p：≤0.025wt％；s：≤0.015wt％；alt：0.015wt％～0.050wt％；nb：0.015wt％～0.045wt％；v：0.015wt％～0.045wt％；其余为fe及不可避免的杂质。更进一步地，按重量百分比计包括以下成分：c：0.20wt％～0.32wt％；si：0.15wt％～0.50wt％；mn：1.30wt％～2.00wt％；p：≤0.020wt％；s：≤0.010wt％；alt：0.020wt％～0.048wt％；nb：0.020wt％～0.040wt％；v：0.020wt％～0.040wt％；其余为fe及不可避免的杂质。需要说明的是，c的含量增加，则钢的强度和硬度升高，塑性和韧性降低，本发明在保证强度的基础上，严格控制碳含量，充分改善钢的韧性和冷加工性能。本发明适当增加硅的含量，硅含量每增加0.1％时，高强细晶非调质冷镦钢抗拉强度约提高13mpa，有利于提高钢材的综合力学性能，增加钢的耐蚀性。本发明中精确控制mn的含量，有助于提高非调质钢强度，改善非调质钢韧性，且mn含量超过1.5％时，还有助于促进贝氏体的生成。本发明中严格控制p：≤0.025wt％，s：≤0.015wt％；一方面避免因p的固容强化及加工硬化作用明显，而导致出现钢中偏析严重、冷脆性提高、易受酸腐蚀、恶化冷塑性变形能力、拉拔时易使线材断裂、冷镦时易开裂等各种风险，一方面也避免大量s在冷镦时导致金属结晶颗粒彼此分离引起裂纹、钢产生热脆生锈等问题。本发明中配合添加有nb和v，有助于细化晶粒，并通过其碳氮化物质点的弥散析出及nb和v的固溶，极大地提高钢的强韧性，在制备工艺中控制一定的n含量有利于进一步提升冷镦钢强度。本发明的铌钒微合金化高强细晶非调质冷镦钢方坯的制造方法，包括铁水预处理-转炉炼钢-吹氩站-lf炉精炼-六机六流连铸工序，其中高强细晶非调质冷镦钢对铁水s含量要求较高，铁水在转入转炉前进kr脱硫站进行预处理，脱硫后的铁水目标s含量≤0.010％。更进一步地，铁水预处理工序中，采用石灰为脱硫剂，萤石为助溶剂，cao与铁水中的s、[o]和[si]发生反应如下：(cao)+[s]＝(cas)+[o]，δgθ＝109000-29.25t式中，t为铁水温度，δgθ和为标准吉布斯自由能。本发明中脱硫反应主要发生在石灰与铁水接触界面上，反应产物极易在石灰颗粒表面形成致密薄层，阻碍cao颗粒与铁水的进一步接触反应。本发明减小石灰粒度至≤0.050mm，有助于增加接触和反应面积，提高石灰的利用效率；同时添加萤石，并控制添加石灰和萤石的质量比例为(8-10)：1，在cao颗粒表面形成富caf2的cao-caf2熔融层以降低其熔点，进一步提升cao颗粒脱硫效率。更进一步地，转炉炼钢工序中，控制碳氧积≤0.0033，通过控制转炉出钢留c量≥0.11％，使转炉出钢氧位控制量≤300ppm，达到降低转炉钢水氧化性目标，调整钢水其他成分至目标范围；转炉出钢温度控制在1600℃～1660℃，转炉终渣tfe含量控制在10％～15％，降低转炉终渣氧化性，终渣碱度r控制为3.0～4.0，保持一定碱度，达到脱硫目的。更进一步地，转炉出钢过程开始底部吹氩，钢水进入吹氩站工序后测温，控制温度为≥1565℃，吹氩时间≥5min，均匀钢水温度和成分，出站前取样测钢水成分。更进一步地，lf炉精炼工序中，在钢包底部吹氩，并加铝粒造渣，根据成分设计要求添加相应合金，搅拌3-10min测温取样，快速成白渣，控制精炼终渣中含量cao：al2o3为(1.5-1.8)：1，减轻夹杂物在钢中的危害。冷镦钢中适当的酸溶铝含量即可保证钙处理效果，降低钢种夹杂物和钢中的aln，又能细化晶粒，提高冷镦性能。酸溶铝含量过高或过低均会引起夹杂物总量增加，导致连铸浇注过程水口蓄流，影响铸坯质量。更进一步地，lf炉精炼工序中，还包括对钢种夹杂物进行钙处理，钙线喂入量控制在305m/炉～400m/炉，将冷镦钢中铝脱氧产生的高熔点脆性al2o3夹杂物变性为含钙量较高的低熔点12cao·7al2o3夹杂，减轻连铸浇注过程蓄流问题，确保方坯连铸浇注过程正常，控制精炼软吹时间≥10min。更进一步地，六机六流连铸工序中，大包转运过程吹氩保护，开浇前连铸中包加ca粒6kg～12kg，迅速使中包钢液液位升至10吨以上开始浇注，浇注过程中包和水口吹氩保护，确保开浇过程顺利，减少浇铸水口结瘤比例，连铸拉速范围为1.8m/min～2.8m/min，经结晶器电磁搅拌、冷却，火切后得到定尺长度的方坯。本发明通过nb和v协同作用的微合金化，在钢水冶炼过程中形成nb和v的碳化物和氮化物(nbc和vn)，钉轧晶粒长大，达到析出、固溶和细晶强化目的，提升冷镦钢的强度。并通过脱硫过程热力学分析，达到脱硫后的铁水目标s含量≤0.010％，配合转炉、lf炉精炼和连铸吹氩保护及中包浇拉速与冷却工艺匹配等措施，实现高强细晶非调质冷镦钢方坯的批量生产，生产的非调质冷镦钢产品在后续的使用过程中可减少淬火和回火的调质处理，减少加工工序，降低用户使用成本，同时方坯质量控制满足后工序轧制和用户冷镦加工要求，达到环保目的。3.有益效果采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：(1)本发明的铌钒微合金化高强细晶非调质冷镦钢方坯，通过nb和v协同作用的微合金化，在钢水冶炼过程中形成nb和v的碳化物和氮化物(nbc和vn)，钉轧晶粒长大，达到析出、固溶和细晶强化目的，提升冷镦钢的强度。(2)本发明的铌钒微合金化高强细晶非调质冷镦钢方坯的制造方法，通过脱硫过程热力学分析，实现高强细晶非调质冷镦钢方坯的批量生产，生产的非调质冷镦钢产品在后续的使用过程中可减少淬火和回火的调质处理，减少加工工序，降低用户使用成本。附图说明图1为本发明的铌钒微合金化高强细晶非调质冷镦钢方坯方坯的形貌示意图。具体实施方式为进一步了解本发明的内容，结合附图对本发明作详细描述。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。下面结合实施例对本发明作进一步的描述。实施例1本实施例的铌钒微合金化高强细晶非调质冷镦钢方坯，按重量百分比计包括以下成分：c：0.32wt％；si：0.5wt％；mn：1.25wt％；p：0.025wt％；s：0.007wt％；alt：0.015wt％；nb：0.025wt％；v：0.02wt％；其余为fe及不可避免的杂质。本实施例的铌钒微合金化高强细晶非调质冷镦钢方坯的制造方法，包括铁水预处理-转炉炼钢-吹氩站-lf炉精炼-六机六流连铸工序，其中高铁水在转入转炉前进kr脱硫站进行预处理，脱硫后的铁水目标s含量为0.010％，脱硫处理中控制石灰粒度至≤0.050mm，并控制添加石灰和萤石的质量比例为10：1；转炉炼钢工序控制出钢温度1660℃，转炉终渣tfe含量为10％，终渣碱度r为3.2；吹氩站吹氩时间为6min；lf炉精炼工序控制精炼终渣中含量cao：al2o3为1.7：1，软吹时间12min；连铸工序连铸拉速为2.6m/min。实施例2本实施例的铌钒微合金化高强细晶非调质冷镦钢方坯，按重量百分比计包括以下成分：c：0.25wt％；si：0.1wt％；mn：1.3wt％；p：0.02wt％；s：0.008wt％；alt：0.02wt％；nb：0.02wt％；v：0.032wt％；其余为fe及不可避免的杂质。本实施例的铌钒微合金化高强细晶非调质冷镦钢方坯的制造方法，包括铁水预处理-转炉炼钢-吹氩站-lf炉精炼-六机六流连铸工序，其中高铁水在转入转炉前进kr脱硫站进行预处理，脱硫后的铁水目标s含量为0.009％，脱硫处理中添加石灰和萤石的质量比例为9：1；转炉炼钢工序控制出钢温度1645℃，转炉终渣tfe含量为15％，终渣碱度r为4；吹氩站吹氩时间为8min；lf炉精炼工序控制精炼终渣中含量cao：al2o3为1.72：1，软吹时间12min；连铸工序连铸拉速为2.4m/min。实施例3本实施例的铌钒微合金化高强细晶非调质冷镦钢方坯，按重量百分比计包括以下成分：c：0.35wt％；si：0.34wt％；mn：1.62wt％；p：0.011wt％；s：0.006wt％；alt：0.05wt％；nb：0.015wt％；v：0.015wt％；其余为fe及不可避免的杂质。本实施例的铌钒微合金化高强细晶非调质冷镦钢方坯的制造方法，包括铁水预处理-转炉炼钢-吹氩站-lf炉精炼-六机六流连铸工序，其中高铁水在转入转炉前进kr脱硫站进行预处理，脱硫后的铁水目标s含量为0.007％，脱硫处理中添加石灰和萤石的质量比例为8：1；转炉炼钢工序控制出钢温度1626℃，转炉终渣tfe含量为13％，终渣碱度r为3；吹氩站吹氩时间为5min；lf炉精炼工序控制精炼终渣中含量cao：al2o3为1.8：1，软吹时间12min；连铸工序连铸拉速为2.2m/min。实施例4本实施例的铌钒微合金化高强细晶非调质冷镦钢方坯，按重量百分比计包括以下成分：c：0.2wt％；si：0.55wt％；mn：2.0wt％；p：0.008wt％；s：0.01wt％；alt：0.032wt％；nb：0.04wt％；v：0.04wt％；其余为fe及不可避免的杂质。本实施例的铌钒微合金化高强细晶非调质冷镦钢方坯的制造方法，包括铁水预处理-转炉炼钢-吹氩站-lf炉精炼-六机六流连铸工序，其中高铁水在转入转炉前进kr脱硫站进行预处理，脱硫后的铁水目标s含量为0.008％，脱硫处理中添加石灰和萤石的质量比例为8.5：1；转炉炼钢工序控制出钢温度1614℃，转炉终渣tfe含量为12％，终渣碱度r为3.4；吹氩站吹氩时间为6min；lf炉精炼工序控制精炼终渣中含量cao：al2o3为1.74：1，软吹时间12min；连铸工序连铸拉速为1.8m/min。实施例5本实施例的铌钒微合金化高强细晶非调质冷镦钢方坯，按重量百分比计包括以下成分：c：0.16wt％；si：0.15wt％；mn：2.2wt％；p：0.005wt％；s：0.015wt％；alt：0.048wt％；nb：0.045wt％；v：0.045wt％；其余为fe及不可避免的杂质。本实施例的铌钒微合金化高强细晶非调质冷镦钢方坯的制造方法，包括铁水预处理-转炉炼钢-吹氩站-lf炉精炼-六机六流连铸工序，其中高铁水在转入转炉前进kr脱硫站进行预处理，脱硫后的铁水目标s含量为0.006％，脱硫处理中添加石灰和萤石的质量比例为10：1；转炉炼钢工序控制出钢温度1600℃，转炉终渣tfe含量为15％，终渣碱度r为4；吹氩站吹氩时间为5min；lf炉精炼工序控制精炼终渣中含量cao：al2o3为1.5：1，软吹时间10min；连铸工序连铸拉速为2.8m/min。对比例1本对比例的冷镦钢方坯，按重量百分比计包括以下成分：c：0.24wt％；si：0.28wt％；mn：1.84wt％；p：0.024wt％；s：0.018wt％；alt：0.018wt％；其余为fe及不可避免的杂质。本对比例的制造方法，基本过程类似于上述实施例，区别在于，本对比例中并不进行脱硫预处理，转炉出钢温度为1622℃，吹氩站吹氩时间为6min；lf炉精炼工序控制精炼终渣中含量cao：al2o3为1.45：1，软吹时间9min；连铸工序连铸拉速为2.5m/min。对比例2本对比例的冷镦钢方坯，按重量百分比计包括以下成分：c：0.23wt％；si：0.33wt％；mn：1.66wt％；p：0.022wt％；s：0.014wt％；alt：0.055wt％；其余为fe及不可避免的杂质。本对比例的制造方法，基本过程类似于上述实施例，区别在于，本对比例中并不进行脱硫预处理，转炉出钢温度为1595℃，吹氩站吹氩时间为6min；lf炉精炼工序控制精炼终渣中含量cao：al2o3为1.39：1，软吹时间9min；连铸工序连铸拉速为2.4m/min。对比例3本对比例的冷镦钢方坯，按重量百分比计包括以下成分：c：0.26wt％；si：0.32wt％；mn：1.60wt％；p：0.02wt％；s：0.011wt％；alt：0.045wt％；v：0.033wt％；其余为fe及不可避免的杂质。本对比例的制造方法基本过程类似于上述实施例，其中脱硫后的铁水目标s含量为0.011％，转炉出钢温度为1615℃，吹氩站吹氩时间为6min；lf炉精炼工序控制精炼终渣中含量cao：al2o3为1.42：1，软吹时间12min；连铸工序连铸拉速为2.3m/min。对比例4本对比例的冷镦钢方坯，按重量百分比计包括以下成分：c：0.28wt％；si：0.36wt％；mn：1.58wt％；p：0.018wt％；s：0.013wt％；alt：0.042wt％；nb：0.036wt％；其余为fe及不可避免的杂质。本对比例的制造方法基本过程类似于上述实施例，其中脱硫后的铁水目标s含量为0.01％，转炉出钢温度为1608℃，吹氩站吹氩时间为6min；lf炉精炼工序控制精炼终渣中含量cao：al2o3为1.38：1，软吹时间12min；连铸工序连铸拉速为2.3m/min。对比例5本对比例的冷镦钢方坯，按重量百分比计包括以下成分：c：0.14wt％；si：0.38wt％；mn：1.4wt％；p：0.015wt％；s：0.01wt％；alt：0.02wt％；nb：0.03wt％；v：0.033wt％；其余为fe及不可避免的杂质。本对比例的制造方法基本过程类似于上述实施例，其中脱硫后的铁水目标s含量为0.009％，转炉出钢温度为1600℃，吹氩站吹氩时间为6min；lf炉精炼工序控制精炼终渣中含量cao：al2o3为1.5：1，软吹时间10min；连铸工序连铸拉速为2.0m/min。上述实施例和对比例中的具体成分和工艺控制见下表1和下表2。表1高强细晶非调质lf炉精炼出站成分控制(wt％)序号csimnpsaltnbv实施例10.320.501.250.0250.0070.0150.0250.02实施例20.250.11.30.020.0080.020.020.032实施例30.350.341.620.0110.0060.050.0150.015实施例40.200.552.00.0080.010.0320.040.04实施例50.160.152.20.0050.0150.0480.0450.045对比例10.240.281.840.0240.0180.018--对比例20.230.331.660.0220.0140.055--对比例30.260.321.600.0200.0110.045-0.033对比例40.280.361.580.0180.0130.0420.036-对比例50.140.381.40.0150.010.020.030.033表2高强细晶非调质生产工艺及铸坯质量控制经实践，采用上述实施例1～5生产的高强细晶非调质冷镦钢方坯铸坯质量优，表面良好，低倍检测分析显示中心疏松均≤1.5，中心偏析≤1.0，角部裂纹≤1.5，无皮下裂纹、中间裂纹、中心裂纹和皮下气泡等质量问题。生产的高强细晶非调质冷镦钢成品，晶粒尺寸＜8μm，抗拉强度rm均＞800mpa，达到高强度和1/3冷镦性能要求，用户加工使用过程中不需要进行淬火和回火调制处理，减少使用成本，生产的的高强度紧固件螺栓、螺钉和螺柱等满足使用性能要求。采用上述对比例1～5生产的高强细晶非调质冷镦钢方坯铸坯质量良好，低倍检测分析显示存在轻微的无皮下裂纹、中间裂纹、中心裂纹和皮下气泡等质量问题。生产的高强细晶非调质冷镦钢成品，晶粒尺寸＜8μm，抗拉强度rm均＞800mpa，强度达到要求，但仅满足1/2冷镦性能要求，用户加工使用过程中需要进行淬火和回火调制处理，生产的的高强度紧固件螺栓、螺钉和螺柱等才能满足使用性能要求，综合使用成本较高。以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。当前第1页12