碳钢带,特别是包装用钢带的制备方法以及所制备的带材

摘要

本发明涉及一种碳钢带,特别是包装用钢带的制备方法,其包括:直接由熔化态的金属铸造成0.7－10mm厚的薄钢带,所述钢具有适合用作包装用钢的组成;联机热轧所述带材,热轧结束于所述钢的奥氏体区;以80－400℃/S的速度强制冷却所述带材,冷却结束于所述钢的铁素体区;以至少低于85%的压下比冷轧所述带材;以及对所述带材进行退火。本发明也涉及一种钢带,特别是一种包装用钢带,其特征在于所述钢带采用上述方法获得。

说明书

本发明涉及钢铁工业。更具体地，本发明涉及用来加工成薄包装材料，例如用于饮料和防腐食品的包装材料的钢带的制备。

其后被用来加工成薄包装材料，尤其是是用于饮料和食品的包装材料的钢带的传统制备方法包括下述步骤：

—连铸碳钢坯；

—在带轧机上对钢坯进行热轧，终轧温度高于所述钢的Ar₃温度；

—冷轧所获得的热轧钢带，根据所要求的带材的最终厚度，所述冷轧可以在一个单一步骤，或者用中间存在热处理的两个步骤进行；以及

—采用箱式退火或连续退火方法，对所获得的冷轧带材进行退火。

实际上，冷轧和退火后带材的最终厚度为约0.09-0.40mm。然后，将所述带材切制成薄板和/或坯料，再对其进行拉拔形成所要求的包装材料。

该制备程序时间长且耗能大，因为其要求使用相互独立的设备，尤其是，在带轧机上进行的钢坯轧制很昂贵，这主要是因为这种钢坯必须再加热至高温。而且，带轧机是需要很大投资的设备。

这一不足之处可以通过用能够直接铸造厚度小于10mm的薄带材的设备替代包括连铸机/再加热炉/带轧机的整个系统加以克服。这一方法在专利JP09-001207中提出，该文献教导在位于两个内部冷却的相对旋转的轧辊间的铸造设备上由液态金属直接铸造带材，所述带材的组成对应于传统的包装用钢(C％≤0.15；Mn≤0.6；P≤0.025；S％≤0.025；Al％≤0.12％；N％≤0.01；O_总％≤0.007％，所有这些含量均为重量百分数)。然后，对如此铸造的带材进行酸洗、第一次冷轧、再结晶退火和第二次冷轧。在冷轧中，如果要求在拉拔耳子程度、各向异性系数r和平面各向异性Δr上获得令人满意的结果，则对带材进行的总压下比为85-95％。双辊铸造之后可以进行一次压下比为20-50％或更高的轻度热轧。以后须进行冷轧和有关处理的热轧带材的制备因而就更快捷更经济。然而，这些优点由于随后的冷轧操作需要在被一个退火处理分隔开的两个步骤进行而受到损害。

本发明的目的是提供一个比获得能够用于制备包装材料、尤其是食品包装如饮料罐的冷轧钢带的已知方法更经济的方法。

为此，本发明的目标是一种碳钢带，特别是包装用钢带的制备方法，其中：

—由液态金属将其组成适合用作包装材料的钢直接铸造成厚度为0.7-10mm的薄带材，

—对所述带材进行联机(in-line)热轧，热轧结束时，所述钢处于奥氏体区；

—对所述带材进行强制冷却，冷却速度为80-400℃/S，冷却结束时，所述钢处于铁素体区；

—以至少85％的压下比对所述带材进行冷轧；以及

—对所述带材进行退火。

本发明的目标还是一种碳钢带，尤其是一种包装用钢带，其特征在于所述钢带能够采用上述方法获得。

正如下面将了解的那样，本发明依赖于下述方法的使用，即：双辊铸造工艺，之后，进行至少一个联机热轧步骤以及带材的特定冷却。然后，对如此所获得的热轧带材仅仅进行一次单个冷轧步骤(除了传统的最终光整冷轧之外)，以使其具有适合用于制备包装用钢的性能。

从下面的描述中，将会对本发明有更清晰地了解。

根据本发明的方法一开始是将可用于包装的具有传统组成的低碳或超低碳钢半成品铸造成厚度为0.7-10mm(优选1-4mm)的薄带材，从存在的主要元素看，所述组成满足下面的主要指标(百分含量以重量百分数表示)：0％≤C％≤0.15％；0％≤Mn≤0.6％；0％≤P≤0.025％；0％≤S≤0.05％；0％≤Al≤0.12％；0％≤N≤0.04％。所述钢还含有来自于冶炼过程的杂质，以及可能存在的不会在产品成型和用作包装用钢时对产品性能产生不利影响的少量合金元素(例如，已知的在某些包装用钢中引入的含量为千分之几的硼)，余者则为铁。一般钢中并不存在的合金元素的含量可以，任选地，高达1％—这些元素尤其是Si，Cr，Ni，Mo和Cu。根据规定，当所述钢用于包装时，某些合金元素必须去掉—这些元素例如有锡、镉和砷。

由液态金属直接连铸成薄带材是一种已试用多年的碳钢、不锈钢和其它铁基合金的铸造技术。在铁基合金的薄带材铸造中使用最广泛并且正处于工业应用阶段的技术是所谓的“双辊铸造”技术，该技术中，液态金属引入至位于两个间隔很近的具有水平轴的轧辊之间，该两个轧辊旋转方向相反且受到内部冷却。铸造间隙(casting space)采用压靠在轧辊的侧表面平面的耐火板隔离而成。凝固的金属“壳”在每个轧辊上形成并且结合进入辊隙(轧辊柱体侧向表面间的距离最小并大致对应所要求的带材厚度的区域)以形成凝固的带材。本发明特别推荐该技术，因为它能够获得几个mm的带厚，而且，余下的描述中指的是该技术。然而，也可以使用其它的薄带直接铸造方法，例如，在两个运动的带之间的铸造，该铸造方法能够铸造比双辊铸造法稍厚一些的产品。然而，双辊铸造法的优点之一是，如果需要，能够获得在带材的横向上极平直的厚度分布，由于具有优异的轧辊表面凸度控制技术，结果，最先进的方法正在使用该技术(参见例如专利EP0736350)。

离开轧辊之后，所述带材优选通过一个区域，例如，一个通过喷射气体构成的惰性空间，该空间中，所述带材处于一个非氧化性环境(惰性氮气氛或氩气氛，或者甚至一种含少量氢以使其具有还原性的气氛)，以避免或者限制在其表面上形成氧化皮。也可以将去除带材氧化皮的设备置于该惰性区的下游，通过用弹丸或固体CO₂喷射带材表面，或者通过刷擦，来去除虽然已采取措施但仍可能形成的氧化皮。也可以选择不寻求用惰性气氛包围带材，而是让氧化皮自然形成，然后，再采用例如前面刚刚述及的设备来将氧化皮去除。一般地，不希望钢带上存在氧化皮，因为这存在氧化皮在随后的轧制期间在带材表面发生夹杂的危险。这种结壳会导致产品的表面光洁度很差。此外，氧化皮造成施加的轧制力增加并且使轧钢机轧辊的表面光洁度下降。

一旦带材刚刚离开惰性气氛，或者，如果有的话，离开氧化皮去除设备，则尽快进行热轧并且随后进行强制冷却，此处理的目的是获得具有下述特性的带材：

—小于3mm(典型地0.9mm)的厚度，再结合后面进行的冷轧使用的压下比，便能够获得具有所要求的厚度的最终带材；

—一种冶金结构，也是结合随后对带材进行的处理，便能够使带材具有该金属将来应用，例如作为包装用钢所要求的机械性能；以及

—比传统方法更平直的横向轮廓。

为了获得这一结果，提出了两种制备方法。

根据第一种方法，对带材实施单一的热轧步骤，热轧终止温度高于所述铸钢的Ar₃温度，换言之，处于奥氏体区。该热轧采用的最小压下比为20％。并且优选大于50％。

此热轧的目的包括两个方面：

—使带材铸造后可能在其心部存在的孔隙闭合；

—“破碎”凝固态的组织结构；以及

—通过将带材表面上可能存在的凸起处压平来改善带材的表面光洁度，所述凸起处特别是在铸造期间使用粗糙度较高的轧辊时可能会在带材表面存在，粗糙轧辊可能有利于使轧辊与凝固的硬壳之间的热传递最佳。

所述单一热轧步骤可以通过使带材通过一个单一轧机座来实施。也可以通过使带材通过两个或多个轧机座来更逐步地实施。在第一个机座上施加的压下比可以，例如仅仅足以使所述孔隙闭合，之后，在第二阶段施加的压下比实现大部分的压下量，来完成热轧的其它两个功能。基本要点在于通过该机座或者连续排列的机座来完成由该道次或者这些道次产生的总压下比，和在通过最后机座之后的带材温度均处于规定的范围或数值之内。

根据第二个方法，热轧分两个步骤进行，所述两个步骤中间隔有一个再加热步骤和，可能地，一个除氧化皮步骤。其中的第一个步骤在铸造带材的奥氏体区或者铁素体区进行，其压下比为20-70％，该第一个步骤的功能与所述第一个方法中的单一热轧步骤相同，而且可以通过使带材通过一个或多个顺序排列的轧机座来实施。优选地，当要求获得的带材最终厚度很小时，该第一个轧制步骤在铁素体区进行，因为带材处于奥氏体区时，需要较小的力就能使带材在宽度范围均匀变形。然而，当该第一个轧制步骤通过几个机座进行时，可以设想通过一个例如主要目的是闭合孔隙的较轻微轧制来在奥氏体区开始所述第一个步骤，并且，在铁素体区实施余下的厚度压下比，结束第一个步骤。在所述第一个热轧步骤之后，如果带材未处于铁素体区，则使其冷却至该区(如果需要，可借助轻微的强制冷却)，然后，对其进行再加热处理，带材重新进入奥氏体区，其温度高于Ar₃温度。这样，带材中就会发生附加相变，结果，导致金相组织的晶粒甚至变得更为细小。然后，在奥氏体区实施第二个热轧步骤，其压下比为10-30％。该第二个热轧步骤的基本作用是对第一次热轧可能引起的几何缺陷(平整度差，翘曲，等)进行校正。可以借助一个带材通过其中的感应线圈来进行中间再加热。对于一个厚0.075mm，宽850mm并且以200m/分的速度运行的带材而言，如果要求温度上升100℃，则需要1.04MW的功率。结果，如果使用的是在500KHz下工作的轴向磁通的螺旋感应线圈，其效率通常为约45％，则约2m的感应线圈长度(包括1.5m的工作区)适合用于此用途。如果带材厚度较小，则能够使用横向磁通的感应加热技术，该技术例如在文献“High fluxinduction for the fast heating of steel semi-product in line withrolling”(Proceedings of the XIII  International Congress onElectricity Applications，Birmingham，June 1996)中进行了介绍。然而，一般而言，其它更传统的技术，例如可控气氛的马弗炉，或者辐射管可以用于该再加热步骤。

因此，刚刚介绍的两种方法的共同之处在于它们对带材的轧制均在奥氏体相区结束，因此，轧制终了温度高于Ar₃温度。在上述两种情形中，根据本发明的方法继续进行的带材冷却包括一个强制冷却步骤，其冷速为80-400℃/S，优选100-300℃/S。该冷却在铸钢的铁素体区结束，而且，一般使带材温度接近其卷取温度。冷却的目的是在卷取之前以及在带材处于卷取形式期间避免晶粒尺寸的过度长大。典型地，该卷取温度低于750℃。对于铝脱氧的钢而言，可以选择卷取温度为约550℃或600℃或700℃，以便或多或少地促进铝的氮化物的析出。

为了可靠地获得所要求的带材性能，重要的是使强制冷却在带材的整个宽度范围均匀进行。在给定时刻，在带材宽度范围点与点之间的最大温差理想值为10℃。如果冷却速度高，该均匀性难于保证，这就是为什么推荐最高冷速为400℃/S的原因。然而，80℃/S的最低冷速是确保冷却具有所要求的冶金效果所必需的。这样的冷速尤其可以通过借助高压射流喷水，或者喷溅水/空气或者类似的混合物(雾化)来获得。该强制冷却可以在带材在奥氏体区轧制之后马上开始，但可取的是，仅仅在带材慢速(约10℃/S，这可以通过将带材简单地置于露天环境下获得)冷却并且在通过铁素体区，结果温度低于Ar₃之后开始进行所述强制冷却。这能够充分利用由奥氏体转为成铁素体所带来的晶粒细化，而在奥氏体区开始的快速冷却会明显损害显微组织的均匀性。然而，应该指出的是，优选开始加速冷却的温度必须不低于Ar₃-10℃。

一般而言，卷取之前采用快速冷却能够防止在带材表层中存在粗大晶粒，而粗大晶粒对于包装用材是尤其不希望存在的。这是因为包装用材在冷轧之后的最终性能必须具有极高的均匀性。

对卷取并且后来开卷的带材随后进行冷轧，其压下比至少85％，优选大于90％。该冷轧在一个单一的压下过程，即：一个单一步骤就能够非常好地完成，而不必采用带有中间退火的两个步骤，如同在专利JP09-001207中述及的情形(具有成倍压下量的冷轧)。所获得的压延性能与已知方法相当，而且，不必求助双倍压下量的冷轧，便能够获得比已知方法薄的0.09mm的带材厚度。如果不要求获得比常规情形更薄的带材，则常规的厚度在冷轧期间以更小的压下比便能够获得，这就更为经济。当然，如果要求获得甚至更小的厚度或者甚至更高的机械性能，也可以对带材进行双倍压下量的冷轧。

作为说明，表1示出了根据带材铸造后的初始厚度以及热轧步骤(依据所选用的方法采用一个或两个步骤)和冷轧中采取的压下比获得的最终厚度的实例。

         表1：根据各种铸造和轧制参量获得的带材厚度

铸造带材厚度(mm)热轧压下比(％)热轧带材的厚度(mm)冷轧压下比(％)带材的最终厚度(mm)    3    65    1.05    85至92 0.158至0.084    3    70    0.9    85至92 0.135至0.072    2    60    0.8    85至92 0.12至0.064    1.5    50    0.75    85至92 0.113至0.060

冷轧之后，对带材进行通常的(箱式或连续)退火，以使其具有要求的机械性能。所述退火之后，如通常那样，还可进行除氧化皮操作、涂覆操作和/或光整冷轧操作。

由于带材离开热轧机的速度为约250m/分或更低，则这些速度相当于实施该轧机(和因此的作为整体的铸造流程)以及对包装用钢进行的一次或多次冷轧、退火和冷处理的单个流程，而所述金属的产量与热轧机的产量一致。作为此类操作的实例，除了在退火后可能进行的去除氧化皮和光整冷轧以外，可以提及的有涂漆、上釉、例如通过共挤出、电子轰击或等离子真空沉积进行的聚合物沉积，以及通过电沉积进行的金属镀覆。如果冷轧结合铸造和热轧操作进行，则意味着可以去掉带材的卷取步骤。

虽然本发明的优选应用领域是在经轧制可形成饮料或防腐食品用的包装材料的钢带的制备方法，但显然，本发明也可以应用于在要求所生产的带材具有类似性能的其它场合使用的钢带的制备中。