一种以含硼生铁为加硼剂制备含硼微合金钢的方法

摘要

一种以含硼生铁为加硼剂制备含硼微合金钢的方法，属于冶金技术领域，按以下步骤进行：（1）按设定成分准备工业纯铁、含硼生铁、钛铁合金、金属锰、铁碳合金、硅铁合金和纯铝作为原料；（2）将准备的原料中的工业纯铁和铁碳合金加入到感应炉中，将待物料熔化后依次加入硅铁合金、纯铝、钛铁合金、金属锰和含硼生铁，在真空条件下熔化，通入氩气进行精炼；（3）精炼结束后浇铸成铸锭，然后加热至1200±10℃保温0.5~2h；（4）将保温后的铸锭进行两阶段轧制；终轧完成后获得轧钢；（5）将轧钢以40~50℃/s的速度连续冷却至530~560℃，然后空冷至室温，制成含硼微合金钢。本发明的方法综合成本低，易于实现工业化，制备的产品性能优良，具有良好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种以含硼生铁为加硼剂制备含硼微合金钢的方法。

背景技术

利用高炉铁硼分离工艺流程获得的含硼生铁，具有来源方便、价格便宜、性能稳定等特点，主要作为硼的添加剂用于生产耐磨铸铁。为了更合理地利用有限的硼资源，对硼铁矿坚持以提取富硼渣为主，而剩下的含硼生铁可以利用于其它方面。

利用含硼生铁直接冶炼硼钢是一个具有实际意义、合理利用硼铁矿资源的研究课题。直接以含硼生铁作为原料冶炼的硼钢，对含硼生铁中硼的品位高低要求不高，由于含硼生铁中硅和硫含量较高，需对含硼生铁进行充分脱硅和脱硫；含硼生铁中硼含量约为0.20~1.0%，为保证所冶炼的含硼钢中硼含量在国标规定的范围内（≤0.0040%），大部分硼在冶炼过程中直接被氧化或者氮化，导致硼的实际收得率偏低；为了充分利用含硼生铁中的硼元素，对含硼生铁的再利用需要另辟蹊径。用含硼生铁取代硼铁合金作为钢中硼的添加剂制备硼钢是一个新尝试，但对比含硼生铁和硼铁合金的成分可知，含硼生铁中硼含量很低，而C、S含量却高很多，这就导致钢中的S含量相对较高，在实际利用含硼生铁时如何利用含硼生铁中的硼的积极作用来抵消杂质S的消极作用，是目前急需解决的问题。

发明内容

针对现有含硼生铁在冶炼硼钢技术中存在的上述问题，本发明提供一种以含硼生铁为加硼剂制备含硼微合金钢的方法，在碳锰钢基础上，以含硼生铁作为硼的添加剂，单独添加微量硼元素，利用两阶段控轧轧制与控制冷却工艺，开发出高强韧性的含硼微合金钢。

本发明的方法按以下步骤进行：

1、按设定成分准备工业纯铁、含硼生铁、钛铁合金、金属锰、铁碳合金、硅铁合金和纯铝作为原料；

2、将准备的原料中的工业纯铁和铁碳合金加入到感应炉中，在真空度1~10Pa条件下将全部物料熔化直至液面静止，然后通入氩气至真空度在3000~4000Pa，依次加入硅铁合金、纯铝、钛铁合金、金属锰和含硼生铁，在温度1580~1620℃条件下进行精炼，至熔体表面静止时完成精炼；

3、精炼结束后将熔体在真空度3000~4000Pa和温度1580~1600℃条件下浇铸成铸锭，然后将铸锭加热至1200±10℃并保温0.5~2h；

4、将保温后的铸锭进行两阶段轧制；第一阶段开轧温度为1000~1150℃，终轧温度为900~950℃，压下量为40~60%；第二阶段开轧温度为900~950℃，终轧温度为800~830℃，压下量为70~80%；终轧完成后获得轧制钢板；

5、将轧制钢板以40~50℃/s的速度连续冷却至530~560℃，然后空冷至室温，制成含硼微合金钢，其成分按重量百分比含C 0.08~0.12%，Si 0.3~0.4%，Mn 1.5~1.8%，Ti 0.03~0.04%，B 0.0015~0.0025%，Al 0.03~0.05%，S≤0.015%，P≤0.020%，余量为Fe。

上述的含硼微合金钢的屈服强度为700~750MPa，抗拉强度为780~800 MPa，断后伸长率为17~18%。

上述的含硼微合金钢的室温冲击功为65~70J，-40℃的冲击功为64~66J。

上述的含硼生铁的成分按重量百分比含C 3.0~3.8%、Si 2.0~3.2%、Mn  0.08~0.12%、P≤0.06%、S≤0.12%、B 0.20~1.0%，余量为Fe。

上述的钛铁合金的成分按重量百分比含C 0.25~0.30%、Si 0.40~0.50%、V 2.8~3.0%、P≤0.03%、S≤0.03%、Al 4.2~4.5%、Ti 69~71%，余量为Fe。

上述的金属锰的成分按重量百分比含C 0.07~0.08%、Si 0.30~0.4%、P≤0.03%、S≤0.03%、Fe 1.5~1.8%、余量为Mn。

上述的铁碳合金的成分按重量百分比含C 3.10~4.00%，余量为Fe及不可避免杂质。

上述的硅铁合金的成分按重量百分比含Si 74~76%、C 0.15~0.20%、P≤0.040%、S≤0.020%、Al 1.5~1.8%，余量为Fe。

上述的纯铝的重量纯度≥99%。

上述的工业纯铁的重量纯度≥99%，C的重量含量≤0.02%。

本发明的方法通过采用含硼生铁作为加硼剂，通过设置精炼和轧制条件，制成性能良好的含硼微合金钢；制备过程中不添加其它附加值较高的合金元素Cr、Mo、Ni等及Nb、V等微合金元素，少加微量铝和钛以脱氧和去氮，保证冶炼时能尽量避免硼被氧化和氮化。本发明的方法综合成本低，易于实现工业化，制备的产品性能优良，具有良好的应用前景。

具体实施方式

本发明实施例中采用的铁碳合金是由纯铁和石墨熔炼制成，采用的石墨为市购高纯石墨，含碳量99.99%。

本发明实施例中采用的工业纯铁、含硼生铁、钛铁合金、金属锰、硅铁合金和纯铝为市购产品。

本发明实施例中采用的感应炉为真空中频感应炉。

本发明实施例中在温度1200±10℃条件下保温0.5~2h采用的设备为电加热炉。

本发明实施例中以40~50℃/s的速度冷却是采用水幕冷却方式进行冷却，冷却速度通过喷头数量和水量进行控制。

本发明实施例中轧制采用的设备为在东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室（RAL）的Φ450热轧机组。

本发明实施例中对产品进行性能测试是采用GB/T 228-2002金属材料室温拉伸试验方法和国标GB/T 229-2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法进行检验；冲击样品为小试样，尺寸为55mm×10mm×5mm，V型，测得的冲击功为标准冲击功的一半。

实施例1

按设定成分准备工业纯铁、含硼生铁、钛铁合金、金属锰、铁碳合金、硅铁合金和纯铝作为原料；

其中含硼生铁的成分按重量百分比含C 3.1%、Si 2.2%、Mn 0.08 %、P 0.05%、S 0.10%、B 0.85%，余量为Fe；

钛铁合金的成分按重量百分比含C 0.25%、Si 0.43%、V 2.8%、P 0.03%、S 0.03%、Al 4.5%、Ti 69.0%，余量为Fe；

金属锰的成分按重量百分比含C 0.072%、Si 0.30%、P 0.02%、S 0.03%、Fe 1.8%、余量为Mn；

铁碳合金的成分按重量百分比含C 3.10%，余量为Fe及不可避免杂质；

硅铁合金的成分按重量百分比含Si 76%、C 0.15%、P 0.035%、S0.016%、Al 1.8%，余量为Fe；

将准备的原料中的工业纯铁和铁碳合金加入到感应炉中，在真空度1~10Pa条件下将全部物料熔化直至液面静止，，然后通入氩气至真空度在3000~4000Pa，依次加入硅铁合金、纯铝、钛铁合金、金属锰和含硼生铁，在温度1580~1620℃条件下进行精炼，至熔体表面静止时完成精炼；

精炼结束后将熔体在真空度3000~4000Pa和温度1580~1600℃条件下浇铸成铸锭，然然后将铸锭加热至1200±10℃并保温0.5h；

将保温后的铸锭进行两阶段轧制；第一阶段开轧温度为1130℃，终轧温度为940℃，压下量为60%；第二阶段开轧温度为900℃，终轧温度为800℃，压下量为70%；终轧完成后获得轧制钢板；

将轧制钢板以40~50℃/s的速度连续冷却至560℃，然后空冷至室温，制成含硼微合金钢，其成分按重量百分比含C 0.08%，Si 0.4%，Mn 1.5%， Ti 0.04%，B 0.0015%，S0.011%，P0.016%，余量为Fe；含硼微合金钢的屈服强度为700~750MPa，抗拉强度为780~800 MPa，断后伸长率为17~18%；室温冲击功为65~70J，-40℃的冲击功为64~66J。

实施例2

按设定成分准备工业纯铁、含硼生铁、钛铁合金、金属锰、铁碳合金、硅铁合金和纯铝作为原料；

其中含硼生铁的成分按重量百分比含C 3.4%、Si 2.3%、Mn 0.10%、P 0.05%、S 0.09%、B 0.72%，余量为Fe；

钛铁合金的成分按重量百分比含C 0.30%、Si 0.44%、V 2.9%、P 0.02%、S 0.02%、Al 4.4%、Ti 71.0%，余量为Fe；

金属锰的成分按重量百分比含C 0.074%、Si 0.40%、P 0.03%、S 0.03%、Fe 1.7%、余量为Mn；

铁碳合金的成分按重量百分比含C 4.00%，余量为Fe及不可避免杂质；

硅铁合金的成分按重量百分比含Si 74%、C 0.20%、P0.036%、S 0.016%、Al 1.7%，余量为Fe；

将准备的原料中的工业纯铁和铁碳合金加入到感应炉中，在真空度1~10Pa条件下将全部物料熔化直至液面静止，，然后通入氩气至真空度在3000~4000Pa，依次加入硅铁合金、纯铝、钛铁合金、金属锰和含硼生铁，在温度1580~1620℃条件下进行精炼，至熔体表面静止时完成精炼；

精炼结束后将熔体在真空度3000~4000Pa和温度1580~1600℃条件下浇铸成铸锭，然后将铸锭加热至1200±10℃并保温1h；

将保温后的铸锭进行两阶段轧制；第一阶段开轧温度为1080℃，终轧温度为920℃，压下量为40%；第二阶段开轧温度为950℃，终轧温度为830℃，压下量为80%；终轧完成后获得轧制钢板；

将轧制钢板以40~50℃/s的速度连续冷却至560℃，然后空冷至室温，制成含硼微合金钢，其成分按重量百分比含C 0.12%，Si 0.3%，Mn 1.8%， Ti 0.03%，B 0.0025%，S 0.014%，P 0.017%，余量为Fe；含硼微合金钢的屈服强度为750MPa，抗拉强度为780 MPa，断后伸长率为17%；室温冲击功为65J，-40℃的冲击功为64J。

实施例3

按设定成分准备工业纯铁、含硼生铁、钛铁合金、金属锰、铁碳合金、硅铁合金和纯铝作为原料；

其中含硼生铁的成分按重量百分比含C 3.3%、Si 2.9%、Mn 0.11%、P 0.05%、S 0.10%、B 0.20%，余量为Fe；

钛铁合金的成分按重量百分比含C 0.26%、Si 0.45%、V 3.0%、P 0.03%、S 0.02%、Al 4.3%、Ti 69.8%，余量为Fe；

金属锰的成分按重量百分比含C 0.071%、Si 0.35%、P 0.01%、S 0.02%、Fe 1.6%、余量为Mn；

铁碳合金的成分按重量百分比含C 3.62%，余量为Fe及不可避免杂质；

硅铁合金的成分按重量百分比含Si 76%、C 0.17%、P 0.032%、S 0.019%、Al 1.6%，余量为Fe；

将准备的原料中的工业纯铁和铁碳合金加入到感应炉中，在真空度1~10Pa条件下将全部物料熔化直至液面静止，，然后通入氩气至真空度在3000~4000Pa，依次加入硅铁合金、纯铝、钛铁合金、金属锰和含硼生铁，在温度1580~1620℃条件下进行精炼，至熔体表面静止时完成精炼；

精炼结束后将熔体在真空度3000~4000Pa和温度1580~1600℃条件下浇铸成铸锭，然后将铸锭加热至1200±10℃并保温1.5h；

将保温后的铸锭进行两阶段轧制；第一阶段开轧温度为1100℃，终轧温度为930℃，压下量为50%；第二阶段开轧温度为930℃，终轧温度为820℃，压下量为75%；终轧完成后获得轧制钢板；

将轧制钢板以40~50℃/s的速度连续冷却至550℃，然后空冷至室温，制成含硼微合金钢，其成分按重量百分比含C 0.11%，Si 0.32%，Mn 1.65%， Ti 0.032%，B 0.0022%，S0.013%，P0.020%，余量为Fe；含硼微合金钢的屈服强度为700MPa，抗拉强度为800 MPa，断后伸长率为18%；室温冲击功为70J，-40℃的冲击功为66J。

实施例4

按设定成分准备工业纯铁、含硼生铁、钛铁合金、金属锰、铁碳合金、硅铁合金和纯铝作为原料；

其中含硼生铁的成分按重量百分比含C 3.0%、Si 3.2%、Mn 0.08%、P 0.06%、S 0.12%、B 1.0%，余量为Fe；

钛铁合金的成分按重量百分比含C 0.28%、Si 0.40%、V 3.0%、P 0.02%、S 0.03%、Al 4.2%、Ti 70.4%，余量为Fe；

金属锰的成分按重量百分比含C 0.08%、Si 0.39%、P 0.02%、S 0.02%、Fe 1.8%、余量为Mn；

铁碳合金的成分按重量百分比含C 3.54%，余量为Fe及不可避免杂质；

硅铁合金的成分按重量百分比含Si 75%、C 0.19%、P 0.038%、S 0.017%、Al 1.8%，余量为Fe；

将准备的原料中的工业纯铁和铁碳合金加入到感应炉中，在真空度1~10Pa条件下将全部物料熔化直至液面静止，，然后通入氩气至真空度在3000~4000Pa，依次加入硅铁合金、纯铝、钛铁合金、金属锰和含硼生铁，在温度1580~1620℃条件下进行精炼，至熔体表面静止时完成精炼；

精炼结束后将熔体在真空度3000~4000Pa和温度1580~1600℃条件下浇铸成铸锭，然后将铸锭加热至1200±10℃并保温2h；

将保温后的铸锭进行两阶段轧制；第一阶段开轧温度为1150℃，终轧温度为950℃，压下量为60%；第二阶段开轧温度为940℃，终轧温度为830℃，压下量为80%；终轧完成后获得轧制钢板；

将轧制钢板以40~50℃/s的速度连续冷却至540℃，然后空冷至室温，制成含硼微合金钢，其成分按重量百分比含C 0.09%，Si 0.36%，Mn 1.71%， Ti 0.033%，B 0.0017%，S 0.011%，P 0.019%，余量为Fe；含硼微合金钢的屈服强度为720MPa，抗拉强度为790 MPa，断后伸长率为17%；室温冲击功为68J，-40℃的冲击功为65J。

实施例5

按设定成分准备工业纯铁、含硼生铁、钛铁合金、金属锰、铁碳合金、硅铁合金和纯铝作为原料；

其中含硼生铁的成分按重量百分比含C 3.8%、Si 2.0%、Mn 0.12%、P 0.04%、S 0.11%、B 0.64%，余量为Fe；

钛铁合金的成分按重量百分比含C 0.29%、Si 0.50%、V 3.0%、P0.03%、S 0.02%、Al 4.5%、Ti 70.6%，余量为Fe；

金属锰的成分按重量百分比含C 0.07%、Si 0.38%、P 0.03%、S 0.03%、Fe 1.5%、余量为Mn；

铁碳合金的成分按重量百分比含C 3.79%，余量为Fe及不可避免杂质；

硅铁合金的成分按重量百分比含Si 74%、C 0.11%、P 0.035%、S 0.018%、Al 1.5%，余量为Fe；

将准备的原料中的工业纯铁和铁碳合金加入到感应炉中，在真空度1~10Pa条件下将全部物料熔化直至液面静止，，然后通入氩气至真空度在3000~4000Pa，依次加入硅铁合金、纯铝、钛铁合金、金属锰和含硼生铁，在温度1580~1620℃条件下进行精炼，至熔体表面静止时完成精炼；

精炼结束后将熔体在真空度3000~4000Pa和温度1580~1600℃条件下浇铸成铸锭，然后将铸锭加热至1200±10℃并保温2h；

将保温后的铸锭进行两阶段轧制；第一阶段开轧温度为1000℃，终轧温度为900℃，压下量为40%；第二阶段开轧温度为910℃，终轧温度为810℃，压下量为70%；终轧完成后获得轧制钢板；

将轧制钢板以40~50℃/s的速度连续冷却至530℃，然后空冷至室温，制成含硼微合金钢，其成分按重量百分比含C 0.09%，Si 0.37%，Mn 1.54%， Ti 0.031%，B 0.0019%，S0.015%，P0.018%，余量为Fe；含硼微合金钢的屈服强度为740MPa，抗拉强度为790 MPa，断后伸长率为18%；室温冲击功为69J，-40℃的冲击功为66J。