一种改善含残余元素锑碳素结构钢性能的方法

摘要

本发明提供一种改善含残余元素锑碳素结构钢性能的方法，所述方法为向百分比重量成分为C？0.13~0.19%，Si？0.20~0.40%，Mn？1.20~1.60%，P≤0.01%，S≤0.01%，Al≤0.005%，Sb？0.03~0.13%，余量为Fe的钢中加入重量百分比为0.01~0.03%的S和0.02~0.04%的Ti，本发明能够降低残余元素Sb对16Mn钢热塑性和冲击性能的危害，改善含锑16Mn钢的热塑性和常（低）温冲击韧性，有效提高产品质量和生产效率，降低生产成本。

说明书

技术领域

本发明属于钢铁冶金领域，尤其涉及一种改善含残余元素锑碳素结构钢性能的方 法。

背景技术

残余元素锑被公认为钢铁中的有害元素，除少数特殊诸如含硅电工钢、易切削钢 等钢种中少量锑可以改善无取向硅钢产品的电磁性能和易切削钢的切削性能外，一般钢铁 中不允许含有锑。

随着炼钢生产中低品位铁矿和废钢利用的比例越来越大，锡、锑、砷等残余元素在 钢中不断的富集。因残余元素的氧势较铁低，进入到钢水中的残余元素在现阶段的炼钢工 艺条件下很难去除。钢铁中含有较高的锑时，对钢铁的强度和抗弯曲能力均会带来明显的 不良影响，导致钢铁产生高温脆性，降低钢铁的强度。

目前解决钢中残余元素富集及由此产生的对钢性能危害问题的方法，主要有两 种，一是加钙和加稀土反应去除钢中的残余元素；二是配优质原料降低残余元素的相对含 量。加钙反应以及添加稀土反应的方法由于存在效率低、成本高、污染环境设备、以及渣需 特殊处理等原因迄今为止无法在工业生产中大规模应用。而加优质铁水稀释法则随着优质 铁矿石资源的逐渐枯竭和废钢使用比例的增加，也将受到很大限制，因而寻求新的解决钢 中残余元素对钢性能危害的方法迫在眉睫。

16Mn钢作为一种典型的工程用高强度低合金碳素结构钢，有较高的强度、良好的 塑性和低温韧性，是我国产量最多、用量极广的建筑结构用钢。但是随着废钢循环中残余元 素水平越来越高，残余元素Sb易于在晶界偏聚降低了晶界表面能，弱化了晶粒间的结合力， 当16Mn钢中残余元素Sb含量超过0.02%(重量百分比)时会显著恶化16Mn钢的热塑性和常/ 低温的冲击韧性,并且残余元素Sb会恶化钢热塑性导致其在连铸和轧制过程中产生裂纹及 表面缺陷的问题。

如能有效解决残余元素Sb对碳素结构钢性能危害的问题，将为碳素结构钢的生产 带来很大的经济效益。

发明内容

为了改善和提高含残余元素锑碳素结构钢的高温热塑性和常（低）温冲击韧性，本 发明提供一种改善含残余元素锑碳素结构钢性能的方法，所述方法为向百分比重量成分为 C0.13~0.19%，Si0.20~0.40%，Mn1.20~1.60%，P≤0.01%，S≤0.01%，Al≤0.005%，Sb0.03 ~0.13%，余量为Fe的钢中加入重量百分比为0.01~0.03%的S和0.02~0.04%的Ti；

进一步地，所述方法具体包括：

S1：在真空环境下对钢水进行脱氧，脱氧要求氧气浓度达到100ppm以下；

S2：脱氧完成后将S1中所述钢水精炼出百分比重量成分为C0.13~0.19%，Si0.20~ 0.40%，Mn1.20~1.60%，P≤0.01%，S≤0.01%，Al≤0.005%，Sb0.03~0.13%，余量为Fe的钢；

S3：脱氧完成后在S2的16Mn钢中加入S元素和Ti元素；

进一步地，所述S3中S元素以FeS形式加入，所述Ti元素以海绵钛形式加入，加入的S元 素重量百分比为0.01~0.03%，加入的Ti元素的重量百分比为0.02~0.04%；

进一步地，所述S3中加入S元素与Ti元素保持钢水温度在1550℃-1600℃；

进一步地，所述S2中精炼的钢为16Mn钢；

本发明的有益效果如下：

加入的S与钢中的Mn反应生成MnS夹杂物，MnS夹杂物可作为残余元素锑异质析出的有 效形核核心，S的添加使生成的钢中MnS夹杂物数量变多，明显提高MnS夹杂物上锑异质形核 的形核率，降低锑在晶界的偏聚，残余元素锑在晶界偏聚的减少，净化了晶界，增强了晶界 的结合力，钢在承受冲击载荷时，晶界将吸收更多的裂纹扩展的能量，从而有利于提高钢的 冲击性能；

Ti元素可以作为MnS夹杂物的形核核心，有利于残余元素锑在MnS夹杂物上的异质析 出，另一方面，钢中的Ti能与硫形成复合夹杂，其熔点高且难溶于奥氏体，这样硫被难溶的 硫化物取代，能降低[S]高对钢材所带来的的负面影响，同时，Ti细化硫化物夹杂，有利于夹 杂物的评级，一定程度上减轻由于MnS夹杂物体系的增大对钢性能的危害；

本发明能够降低残余元素Sb对16Mn钢热塑性和冲击性能的危害，改善含锑16Mn钢的热 塑性和常（低）温冲击韧性，有效提高产品质量和生产效率，降低生产成本。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明 进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于 限定本发明。相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、 修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的 细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分 的描述也可以完全理解本发明。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。下面为 本发明的举出最佳实施例：

本发明向含锑16Mn钢中加入一定量的S和Ti，改善和提高其热塑性和常（低）温的冲击 韧性，解决由于残余元素Sb恶化钢热塑性导致其在连铸和轧制过程中产生裂纹及表面缺陷 的问题，同时还可满足用户对于钢低温韧性的需求，一种含残余元素锑碳素结构钢，具体的 说，是含Sb的16Mn钢，其主要重量百分组成为：C0.13~0.19%，Si0.20~0.40%，Mn1.20~ 1.60%，P≤0.01%，S≤0.01%，Al≤0.005%，Sb0.03~0.13%，余量为Fe，在此基础上钢中添加 重量百分比为0.01~0.03%的S和0.02~0.04%的Ti。

上述方案详述如下：

S1：在真空环境下对钢水进行脱氧，脱氧要求氧气浓度达到100ppm以下；

S2：脱氧完成后将S1中所述钢水精炼出百分比重量成分为C0.13~0.19%，Si0.20~ 0.40%，Mn1.20~1.60%，P≤0.01%，S≤0.01%，Al≤0.005%，Sb0.03~0.13%，余量为Fe的16Mn 钢；

S3：脱氧完成后在S2的16Mn钢中加入S元素和Ti元素残余元素Sb会显著恶化16Mn钢的 热塑性和常（低）温的冲击韧性，S元素以FeS形式加入，所述Ti元素以海绵钛形式加入，加入 的S元素重量百分比为0.01~0.03%，加入的Ti元素的重量百分比为0.02~0.04%，加入时保持 钢水温度在1550℃-1600℃。

本发明所涉及的Sb，S以及Ti的作用如下：残余元素Sb在晶界偏聚降低了晶界的表 面能，弱化了晶粒间的结合力，加速晶界微孔的形核与长大，且Sb的晶界偏聚锁住了晶界， 同时阻碍晶界迁移和动态再结晶，进而恶化钢的高温热塑性，另一方面，偏聚于晶界处的 Sb弱化晶界，降低晶界结合力，冲击时促使裂纹更容易沿解理面扩展，从而恶化钢的冲击韧 性；加入的S与钢中的Mn反应生成MnS夹杂物，MnS夹杂物可作为残余元素锑异质析出的有效 形核核心，S的添加使生成的钢中MnS夹杂物数量变多，明显提高MnS夹杂物上锑异质形核的 形核率，降低其在晶界的偏聚，残余元素锑在晶界偏聚的减少，净化了晶界，增强了晶界的 结合力，钢在承受冲击载荷时，晶界将吸收更多的裂纹扩展的能量，从而有利于提高钢的冲 击性能；Ti元素可以作为MnS夹杂物的形核核心，有利于残余元素锑的在MnS夹杂物上的异 质析出，另一方面，钢中的Ti能与硫形成符合夹杂，其熔点高且难溶于奥氏体，这样硫被难 溶的硫化物取代，能降低[S]高对钢材所带来的的负面影响，同时，Ti细化硫化物夹杂，有利 于夹杂物的评级，一定程度上减轻由于MnS夹杂物体系的增大对钢性能的危害。

在真空感应炉内冶炼上述组分的试验用钢，化学成分如表1所示，分别通过 Gleeble热力模拟试验机和ZBC2452-B型摆锤式冲击试验机对各试验用钢的热塑性和冲击 韧性进行研究，以试样的断面收缩率和冲击功作为热塑性和冲击韧性的评价指标。各试验 用钢在不同温度下的断面收缩率和冲击功分别如表2和表3所示。

由实施例可知，含残余元素Sb的16Mn的热塑性明显得到改善，所测温度范围内，断 面收缩率全部提高，同时脆性区变窄，塑性低谷变浅，而比较例中的热塑性明显较差，在700 ~900℃的温度范围内，热塑性均低于40%；另一方面，含残余元素Sb的16Mn的冲击韧性也得 到改善，在20℃和-20℃时冲击功分别由52.7J和21.3J提高到了163.2J和157.1J。

表1各试验钢的化学成分，wt%

C Si Mn P S Al_sN T.O Sb Ti 比较例 0.13 0.28 1.40 0.008 0.007 0.005 0.0008 0.0025 0.13 - 实施例 0.14 0.27 1.40 0.007 0.027 0.002 0.0038 0.0029 0.13 0.03

表2各试验钢不同温度下的断面收缩率，%

700℃ 750℃ 800℃ 850℃ 900℃ 950℃ 1000℃ 1100℃ 比较例 29.2 14.86 17.67 27.9 37.66 45.61 58.84 87.36 实施例 64.22 65.6 39.37 38.51 51.31 79.69 93.12 90.34

表3各试验钢不同温度下的冲击功，J

20℃ -20℃ -40℃ 比较例 52.7 21.3 13.9 实施例 163.2 157.1 41.4

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人员在 本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。