[发明专利]用于钢的晶粒细化剂的制造方法和用途

说明书

发明领域

本发明涉及用于钢的晶粒细化复合材料、制造这种用于钢的晶粒细化复合材料的方法以及用于钢的晶粒细化的方法。钢可以是铁素体钢和奥氏体钢。 

背景 

对具有最佳性能组合的更高性能的材料的需求逐渐变得更重要。对钢来说，微观结构控制所得到的机械性能且因此，期望的性能曲线(propertyprofile)要求开发被适当调整的微观结构。形成产生强度和韧性的最佳组合的细粒微观结构的传统方法是通过形变热处理。通过这种处理，可以易于获得远小于5μm的有效的铁素体晶粒度，甚至在厚的钢板中都可以获得。此外，使用用来脱氧和脱硫的先进的钢包精炼技术通过全面减少钢的氧含量和硫含量，已经带来进一步的质量改善。杂质量反映了以氧化物和硫化物形式被束缚在钢内的非金属夹杂物的量。夹杂物对钢性能的不利影响源于它们能够在运行期间作为微孔和解理裂纹的引发位点的能力。因而，从韧性的观点看，使用纯净钢通常被认为是一种优势。 

夹杂物并不总是造成钢中的问题。借助夹杂物能够作为诸如铁素体和奥氏体的不同类型的转变产物的有效的非均匀成核位点的能力，在凝固过程中和呈固态时，可以利用夹杂物对微观结构演化的催化作用。在这种情况下，关键问题是在制造阶段控制夹杂物的粒度分布，这是主要的挑战。因此，若能够将铸造钢内的夹杂物的最大直径和最小直径以及平均粒度保持在非常窄(规定)的范围内，那么成功的结果就可能出现。 

这是因为两种相互矛盾的要求。一方面，亚微米颗粒的粒度小于，比如说0.2μm至0.4μm，这意味着因弯曲界面增大了抵抗非均匀成核的相关能垒，夹杂物开始损失它们的成核能力。另一方面，如果夹杂物的粒度明显大于2μm至4μm，那么它们变得对韧性不利。同时，数量密度迅速减少，这反过来又增大了成品钢内的晶粒粒度。从转变动力学的观点看，在这种条件下，钢内潜在的晶粒细化潜能被减小到使通过夹杂物不可能进行晶粒细化的程度。 

为了通过钢内的活性夹杂物促进晶粒细化，可以遵循两种可能的路线。在过去已被广泛采用的常规路线是在炼钢过程中，通过改进所应用的脱氧和脱硫的惯常措施来在系统内形成成核夹杂物。这已经带来新的钢等级的发展，其中通过不同的转变范围进行冷却，然后，通过铁素体或奥氏体在活性夹杂物处的非均匀成核来获得晶粒细化的有效部分。遗憾的是，在凝固之前，液态钢内的夹杂物的不受控制的粗化在工业炼钢过程中仍旧是主要的问题，这意味着这些新的钢等级还不能见诸于广泛的应用中。然而，通过新的路线以及使用专门设计的含有细分布的成核颗粒的晶粒细化剂(在铸造操作前，其随后被添加到液态钢中)，在随后的钢加工过程中，可以获得用于晶粒细化的改善的条件，而不会损害韧性。这是在铸造铝合金时已充分证明的技术，此技术随后已被转用到制铁部门。倘若所得到的颗粒数量密度和体积分数是恰当的量级，那么使用这种晶粒细化剂就能够大规模地制造新的钢等级，条件是它们不会对炼钢过程本身带来负面的影响。WO 01/57280描述了用于钢的含有按重量计，0.001％至2％的氧或硫的晶粒细化合金。注意，此文中的术语合金意指总是含低量非金属元素O和S的金属基晶粒细化剂。 

然而，在钢的晶粒细化中，氧和硫是控制铸造产品内的成核夹杂物的颗粒体积分数和数量密度的关键元素。因而，为了在随后的钢加工过程中，获得期望程度的晶粒细化，WO 01/57280中描述的晶粒细化合金必须以至少超过液态钢熔体重量1％的量被添加。在连续铸造钢中，此添加量是不可接受的，在连续铸造钢中，最大极限值通常是液态钢重量的0.2％至0.3％，以避免与中间包或铸型中的晶粒细化合金的溶解和混合有关的问题。在液态钢中添加较大量(＞0.5wt％)的冷合金还会将钢冷却到在铸型的入模口(inlet die)中开始冻结的程度，由此破坏铸造操作。

因此，现有的晶粒细化技术的突破要求全面利用工业炼钢中可能的观念。 

发明概述 

本发明的目的是将此技术转用到钢的连续铸造中，对占据全世界钢产量90％以上的煅钢产品来说，钢的连续铸造是首要铸造方法。