钛微合金化CM690三级船用锚链钢的开发

钛微合金化CM690三级船用锚链钢的开发*

刘丽霞，孔凡杰，王世俊，周 云，彭 军

1

2

1

1

3

（1 安徽工业大学 冶金与资源学院，安徽 马鞍山 243002；

2 南京钢铁联合有限公司，江苏 南京 210035； 3 北京科技大学 冶金与生态学院，北京 100083）

摘 要：为提高三级锚链钢的各项机械性能，改善钢的质量，将钛微合金化技术应用于CM690三级船用锚链钢的生产试验中。结果表明，在钛含量为0.020%～0.030%时，所生产的CM690三级船用锚链钢各项机械性能指标不仅达到了国家标准要求，而且其抗拉强度远高于国家标准要求。提高了钢的质量，同时开发出钛微合金化CM690三级船用锚链钢新钢种。

关键词：CM690；锚链钢；钛；微合金化；机械性能

中图分类号：TG142；TG335.6+2

文献标识码：A 文章编号：1004-4620（2007）06-0026-03

Development of Ti Microalloyed CM690 Grade Three Anchor Chain Steel for

Ship

LIU Li-xia1, KONG Fan-jie2, WANG Shi-jun1, ZHOU Yun1, PENG Jun3

（1 School of Metallurgy and Resource, Anhui University of Technology, Maanshan 243002, China;

2 Nanjing Iron and Steel Unite Co., Ltd., Nanjing 210035, China;

3 Metallurgy and Ecology School, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083,

China ）

Abstract: In order to increase the mechanical properties of grade three anchor chain steel for ship and to improve the quality of steel, the technology of Ti micro-alloying was applied in producing grade three anchor chain steel. The industrial practice shown that all mechanical properties of produced anchor chain steel, especially the tensile strength, meet the requirement of national standards when the content of Ti is between 0.020%～0.030%. So producing high quality new type Ti micro-alloying

tertiary anchor chain steel was got.

Key words: CM690; anchor chain steel; Ti; microalloy; mechanical property

1 概 述

随着海洋、河流航运及海上石油开采业的发展，对锚链钢的生产研究日益占据重要地位。工业发达国家船用锚链钢大多使用抗拉强度为690 MPa的CM690三级锚链钢，有的强度甚至达到890 MPa级的四级锚链钢[1-2]。因此，推广应用CM690三级船用锚链钢是当前我国锚链用钢技术进步的需要，也是推进船运业和钢铁工业两大产业发展的要求。

开发CM690锚链钢并提高钢质量主要有两种途径，一是通过控轧控冷工艺提高钢的强度；二是通过加入微合金元素改善钢的各项性能。本研究主要针对第二种情况。微合金化可以提高钢材强度、塑性和韧性，优化产品性能，从而可以在不降低性能前提下减少产品钢材的使用量，达到降低成本的目的；同时世界钛资源比较丰富，供应和价格比较稳定[3]。因此，钛的自身特点决定了钛微合金钢广泛应用于锚链钢生产中是可行的。

2 钛微合金化在CM690钢中的应用

利用微合金化技术生产CM690三级锚链钢，钢中有了微合金元素，可保证钢在碳当量较低的情况下，通过微合金元素的碳、氮化物质点的弥散析出、元素的固溶及细化晶粒，极大地提高钢的强度、韧性，特别是低温韧性，使钢具有良好的可焊性、使用性。在生产CM690钢时可采用的微合金元素有多种，包括铌、钒和钛等，比较几种元素，在保证生产工艺稳定性及产品质量效果的前提下，钛铁价格最低，且钛铁矿资源丰富。因此，采用钛微合金生产CM690钢是比较经济有效的手段。微合金化高强度锚链钢所采用的炼钢、轧钢生产工艺与目前低合金钢的基本相同，可在现有设备水平及工艺水平的基础上进行。

微合金元素钛在轧制阶段可抑制回复及再结晶的进行，从而细化相变晶粒。因此为了充分发挥微钛的作用，达到最佳的强韧化效果，微合金CM690钢的生产应采用控制轧制技术，其轧制工艺与普碳钢和高强度低合金钢的轧制工艺相

[4]

似。在降碳的同时选择合理的加热温度，保证全部或至少大部分钛在轧钢前固溶到奥氏体中。在轧钢过程中的一部分钛以TiC 析出，阻止再结晶和晶粒长大，得到晶粒细小的室温组织，具有较好的韧性和可弯曲性。固溶钛在随后的冷却过程中均匀析出，进一步强化室温组织。大量研究表明，在合理的工艺条件下，为保证提高CM690钢的抗拉强度、屈服强度及控制晶粒尺寸，合适的钛含量为0.01 %～0.03%[5]。

3 利用钛微合金化开发CM690钢生产实践

3.1 工艺流程

用于生产锚链钢的设备为：电弧炉、LF 炉和连铸机。冶炼工艺流程为：电炉冶炼→出钢脱氧合金化→喂Al 线→LF 炉精炼加TiFe 合金、CaSi 线、软吹→小方坯全保护浇注→棒材轧制。 3.2 生产工艺分析

电炉与LF 炉精炼配合使用，所以电炉的主要任务为脱碳和脱磷，炉内为强氧化性气氛。冶炼过程中氧枪和碳枪配合使用造好泡沫渣，实现埋弧操作，同时增大脱磷反应的界面，改善脱磷反应的动力学条件，从而及早完成脱磷任务。具体操作为：熔清后开始测温，当温度t ≥1 550 ℃时取样，电炉终点控制P 质量分数≤0.018%，其它成份符合要求时，出钢。

出钢时钢中氧含量高且渣中FeO 含量也较高，如果脱氧和合金化任务全部放到精炼阶段则精炼任务较重、处理周期长，不利于充分发挥精炼的作用，所以出钢时加入合金脱氧并预合金化。其种类及加入量为：硅锰合金8～10 kg/t，锰铁6～8 kg/t，铝铁3～4 kg/t，同时加入石灰和萤石调整渣的碱度、黏度等，减轻精炼脱氧合金化和造渣负担，其加入量为石灰500～1 000 kg/t，萤石100～300 kg/t。

钛是极易氧化的元素，合金化工艺直接影响钛的回收率和在钢中的效果, 并且在浇注过程中含钛钢水易在水口结瘤，主要是以凝固的钢为基体，富集大量含钛和铝的氧化物[6]。所以，应从合金化工艺入手，避免终点钢液过氧化，控制合理的加钛量和加入时机。

LF精炼阶段脱氧是脱硫、合金化和减少钢中夹杂的关键。LF 精炼过程除

了采用常规碳表面扩散脱氧、合金沉淀脱氧外，还喂入Al 丝深脱氧，在LF 深脱氧处理后随其他合金一起加入钛铁，加入量0.4～0.5 kg/t，钛的回收率为60％左右。具体操作为：钢包抵LF 位立即测温，根据初始温度和连铸需要钢水时间，决定供电制度。加热至t ≥1 550 ℃取试样1，并喂铝线对钢水深脱氧，保证LF 出钢前Alt 质量分数为0.02%～0.06%。再给电，根据样1分析结果造渣脱[S]，并按碳0.30%，锰1.60%，硅0.35%，铌0.020%～0.025%，钛0.020%～0.030%，进行成分质量分数调整。合金化后进行吹氩处理，有足够的镇静时间，使夹杂物上浮，降低钢中夹杂物含量。成份和温度合格后，钢包抵喂线工位，喂入CaSi 线对夹杂物改性，通过改性处理来减轻连铸水口结瘤的现象；喂线后软吹，软吹时间不小于8分钟，尽可能排除夹杂。之后吊往连铸机全保护浇铸，浇注过程过热度控制在30℃以内，之后将铸坯进行棒材轧制。 3.3 产品性能检验及分析

本次试验共生产了30炉，取生产时间比较集中、工艺控制较为严格的20炉进行分析，CM690钢成品力学性能列于表1。

表1 成品力学性能

该批产品中共有5炉轧制厚度为62 mm ，4炉为75 mm ，3炉为64 mm ，39、70、72 mm 各为2炉，43、60mm 各1炉。各规格CM690钢力学性能试验统计结果见表2，各炉化学成分统计分析结果见表3。

表2 成品力学性能统计结果

表3 试验钢化学成分 %

其中各炉铌含量为0.020%～0.025%，钛含量均为0.020%～0.030%。 试验钢化学成分、成品尺寸、重量偏差以及力学性能按GB/T18669—2002标准执行。通过生产实践表明，当钢的成分中C 、Si 、Mn 含量保持大致不变的前提下，在现有冶炼工艺条件下对于钛含量在0.03%左右的CM690钢，其屈服强度和抗拉强度可大大提高，达到GB/T18669—2002标准要求。通过用户信息反馈，所生产的钛微合金化CM690钢力学性能、几何尺寸完全符合用户使用标准。 这是因为微合金钢在加热保温以及随后的冷却过程中发生元素的碳化物和氮化物的溶解、析出反应。在热变形过程中利用强碳化物、氮化物或碳氮化物形成元素钛的碳氮化物的溶解析出规律，控制析出时机，达到细化奥氏体晶粒，进一步细化铁素体晶粒，对钢产生强韧化作用以及在铁素体相中的沉淀强化作用

[7]

。

高温析出的碳、氮化钛有抑制原始奥氏体晶粒长大的作用，可阻碍变形奥氏体再结晶；固溶钛有拖曳晶界移动的作用，抑制γ－α转变；在相变时或在

相变后析出的钛，对铁素体有强烈的沉淀强化作用。另外，钛形成的碳、氮化物固定了钢中自由氮，从而减轻了氮在钢中的危害[7]。

当微合金钛碳化物、氮化物溶解、析出过程达到平衡时，其溶解、析出量满足微合金碳化物、氮化物固溶度积公式。钛的碳、氮化物在低碳钢的析出规律符合欧文公式[4，8]：

lg(Ti)(C+12/14N)=2.26-6770/T

利用该公式可计算一定化学成分的钛微合金钢在不同温度下钛的碳、氮化物溶解及析出达到平衡时，析出碳、氮化物的质量百分数及钛微合金碳、氮化物的固溶度，从而估计细化奥氏体晶粒和沉淀强化的两个分量，以及钢中自由氮的情况，以利于CM690三级锚链钢生产工艺控制和制定，进而初步确定钢中所需钛含量。本试验证明钢中钛含量为0.020%～0.030%时，能够保证锚链钢的性能满足国家标准要求而且其抗拉强度远远高于标准，从而达到改善锚链钢质量的目的。

5 结 语

通过生产实践表明，钛微合金化CM690三级船用锚链钢的生产工艺可行，并且具有工艺简单、投资少、见效快、节约能源等特点。当Ti 含量在0.020%～0.030%时，可以很大程度地提高不同规格三级锚链钢的各项机械性能。为充分发挥钛微合金化的优势，在实际生产中采用电弧炉炼钢与LF 炉外精炼相结合，同时喂铝丝深脱氧的工艺方法。并且采用喂硅钙线对夹杂物进行改性处理，减轻连铸水口结瘤现象。采用该工艺，每吨钢水加入钛铁0.4～0.5 kg ，钛的回收率约为60％。

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