含有大量铜与锡的普通碳钢的薄铸钢带和薄钢板及其制造方法

专利名称：含有大量铜与锡的普通碳钢的薄铸钢带和薄钢板及其制造方法
专利说明含有大量铜与锡的普通碳钢的薄 铸钢带和薄钢板及其制造方法 本发明涉及通过熔化和精炼拆卸汽车或电气设备产生的废铁或废锡片而得到含有大量铜与锡的钢水作为原料，来生产普通碳钢的薄铸钢带和薄钢板，以及它们的制造方法。
在先有技术中，为了重复利用废铁、废锡片等等，必须在精炼钢水时将适当数量的这些废金属投入钢水中。然后对含有废铁等的钢水进行精炼、制锭或连续浇注，以制备厚度不小于100mm的铸锭或扁坯，然后进行轧制以制取薄板等。
然而，特别在近几年来，在废铁中包含的铜量越来越大。当对含有废铁或废锡片的铸锭或扁坯进行热轧时，如果需要，还要进行后续的冷轧，以制取厚度在0.1-15mm范围内的薄钢板，在热轧过程中铸锭或铸带中出现热脆性，并经常产生热撕裂现象，因此难以进行热轧，以致制造上述薄钢板变得十分困难。
该热脆性发生如下。当在热轧前加热铸带等时，因为铜(Cu)和锡(Sn)不大会起氧化皮，它们富集在铸带的表面层部分上而不能作为氧化皮除去。富集的Cu和Sn形成一层低熔点液膜。同时不均匀地分布在晶界处，这使得晶界在热轧时易脆，从而出现热脆性。
此外，Cu和Sn是难以通过精炼而从钢水去除的成分。
因此，有人将含有大量Cu和Sn的废铁等分成许多份进料一点一点地进行混合以降低Cu和Sn的浓度。
然而，上述方法在长期循环使用时存在钢产品的Cu和Sn浓度逐渐增加的问题。此外，与废铁分成许多份进料一点一点地混合有关的控制和操作十分麻烦。
为了解决上述问题，如同在“Tekko To Go kin Genso”(卷1)，1967，pp.381和385中所述，在该技术中，将满足以下公式的Ni量添加到钢水中。
Ni％≥1.6(Cu％+6Sn％) 认为添加到上述钢水中的Ni共存于晶界中成为上述裂纹原因的富Cu层内，并足以提高该部分的熔点和增加Cu在基体中的可溶性，因此阻止了液膜的产生。
然而，关于含有大量Cu和Sn的钢水，例如，0.3-10wt％的Cu和0.03-0.5wt％的Sn，必需的Ni浓度占0.8-21wt％，以成本观点和不均匀表面镀层与难以去除由于内部氧化所导致的氧化皮的低劣性能等观点来看，都是一个很大的问题。
为了解决上述问题提出了本发明，本发明的目的在于，利用包含普通碳钢成分、同时添加含有大量Cu的废铁与废锡片来提供一种具有所需厚度和无表面裂纹的薄铸钢带和薄钢板。
本发明的另一个目的是有效地提供一种具有所需厚度和无表面裂纹的薄铸带和薄钢板，而无需进行把含有大量Cu的废铁或废锡片一点一点地进行混合这样麻烦的控制和操作。
本发明的第三个目的是，利用包含不含有Ni的普通碳钢成分的钢水、并添加含有大量Cu的废铁和废锡片来提供一种具有所需厚度和无表面裂纹的铸钢带和薄钢板。
本发明的第四个目的是提供普通碳钢薄铸钢带和薄钢板，它们含有大量的Cu和Sn并具有极好的机械性能与表面质量。
为了达到上述目的，本发明者对包含普通碳钢成分并添加含有Cu和Sn的废铁的铸钢带进行了各种研究，结果发现，当铸钢带的显微结构产生具有5-100μm初始枝晶空隙的精细枝晶组织时，无需添加Ni就能制取在强度和延伸率方面无显著变化和表面裂纹深度不大于30μm的铸钢带，也就是十分优良的表面外观。
以1-104℃/Sec(浇铸辊的散热速率(Q)5,000,000-15,000,000Kcal/m2/hr)的冷却速率快速冷却含有大量Cu和Sn的钢水以制取厚度为0.1-15mm的铸钢带，如果需要，传送铸钢带以使其不在1000℃或1000℃以上温度保持10秒或更长时间，这样就能够制取具有上述枝晶组织的铸钢带。
更特别地是，在钢水中投入和溶解废铁，以使元素成分(例如Cu和Sn)均匀分散，在这种状态下，将钢水快速冷却。因为铸钢带被迅速固化形成薄板，所以铸钢带中心部分的实心区内基本上没有熔融金属流动时间，以致在该铸钢带的中心部分内不产生宏观偏析。
此外，由于Cu和Sn的扩散率反比于初始枝晶空隙的二次幕，因此通过钢水快速固化而形成具有细小初始枝晶空隙的组织就能够提高Cu和Sn在初始枝晶空隙中的扩散率，从而能使枝晶之间的偏析度显著降低。从而，能够提供具有无偏析的精细枝晶组织的薄铸钢带。
此外，由于直接利用钢水生产相应于热轧材料的薄铸钢带，因此就不必要进行热轧一类的热处理，以致在铸钢带的表层上没有发生Cu和Sn的偏析，这样就能够生产无表面缺陷而具有极好表面外观的铸钢带。
在某些情况下，铸钢带的温度在铸造装置引起的事故后由于换热作用达到或超过1000℃，如果在该温度下保持10秒或更长时间，就可能产生Cu等的表面偏析。为此，为了更稳定地制造薄铸钢带，优选在传送中水冷铸钢带以将铸钢带温度降低到1000℃或1000℃以下。
所得具有0.1-15mm厚度的薄铸钢带至少在其表层部分具有5-100μm，优选5-70μm初始枝晶空隙的精细枝晶组织。在厚度为15mm的薄铸钢带的中心部分处的初始枝晶空隙约为300μm。在此情况下，在铸钢带表面部分上形成5-100μm的初始枝晶空隙，也就是在距铸钢带一侧表面约2mm深的地方，能够在固化期间或立即在固化后使Cu和Sn进入基体的扩散率充分加速，这有助于降低枝晶之间的微观偏析。所以，由于能够防止表层的偏析进入晶界，从而能够实现本发明的目的。
在本发明中，已铸造的薄铸钢带或在铸造后已进行酸洗的薄铸钢带可用作相应于热轧钢板的产品。此外，也能对该薄铸钢带进行酸洗、冷轧与随后的退火以生产冷轧钢板产品。
在此情况下，由于在800-900℃的加热温度下进行退火，所以不会发生与热脆性有关的问题。此外，由于不发生Cu、Sn等的富集，从而也不产生由于传送或冷轧所引起的表面裂纹。
附图简要说明

图1是表示距铸钢带表面的深度(mm)和初始枝晶空隙(μm)之间相互关系的曲线；图2是双辊连续铸造机的部分断面前视简图。图2中参考数说明如下 1钢水 2浇口盘 3a、3b冷却辊 4a、4b侧溢流口 5浇注槽 6接触点 7铸钢带 8a、8b传送辊 9a、9b清洁器。
现在将说明实现本发明的最好方式。
首先说明组成本发明的化学成分。
当本发明的材料被用作热轧钢板的材料时，其主要化学成分是在JIS G3131(相应于普通结构件的热轧低碳钢板ASTM A621-82)中规定的钢产品牌号“SPHC”、在JIS G3101(相应于普通结构件的热轧低碳钢板ASTM A569-72)中规定的钢产品牌号“SS41”、在JIS 3132(相应于制造钢管用的热轧碳钢带SAE 1026)和在JIS G4051(相应于机械结构件使用的碳钢材料ASTM A446-85)中规定的钢产品牌号“S48C”的普通碳钢板的成分。
另一方面，当本发明的薄铸钢带进行冷轧时，该冷轧钢板的主要化学成分是在JIS(相应于普通结构件的冷轧钢板ASTM A619-82)中规定的钢产品牌号“SPCC”的普通碳钢板的成分。
相应于热轧钢板和冷轧钢板材料的百分组成表示如下。
(相应于热轧钢板的材料) C SiMn P 0.03-0.50.01-0.3 0.1-2 0.001-0.05 S Fe 0.001-0.05Balance (相应于冷轧钢板) C SiMn P 0.03-0.05 0.005-0.015 0.1-0.20.005-0.02 S Fe 0.002-0.01Balance ). 将0.3-10％的Cu和0.03-0.5％的Sn添加到上述主要化学成分中。用普通方法，也就是连续浇铸或制锭-热轧-冷轧-酸洗-退火，无需使用本发明方法，就能生产Cu和Sn含量低于上述下限的钢材。
在多数情况下，在废铁中Cu和Sn的含量不超过上述上限。为此，在本发明中，添加的Cu和Sn的数量被限制在以上相应的范围内。
现在说明根据本发明方法制造钢材的方法。
在精炼的早期阶段，含有废铁、废锡片等投料和溶解在其中的钢水进行精炼，并浇铸成薄铸钢带，例如使用图2所示的双辊连续铸机。
在该图中，数字2是指浇口盘。它用作容纳钢水的盛钢罐，同时，通过位于浇口盘底部处的浇注口(未示出)将钢水倾入有冷却辊3a、3b和侧溢流口4a、4b的钢水浇注槽5内。冷却辊3a、3b是各自在其内部具有内冷却部分和包含有高热传输系数材料(例如铜)的辊，其条件是水平、平行和接箭头方向可旋转的，同时在相应于所需铸钢带之间留有一定的空隙。
用冷却辊3a、3b冷却被倾入浇注槽5内的钢水1，以在冷却辊3a、3b上形成固化钢板坯S。因此板坯S的的厚度随冷却辊旋转而增加，因此板坯S在接触点(Kissing point)6处彼此结合成铸钢带7。通过传送辊8a、8b将铸钢带7向下拉伸并传送到卷取机(未示出)。数字9a、9b表示用于清洁冷却辊表面的清洁器。
本发明的最重要的特征在于铸造组织的初始枝晶空隙。因此，钢水的冷却固化速率决定该空隙，也就是从液相线温度到固相线温度的平均冷却速率(铸辊的散热速率Q)。该冷却速率是钢水从其位于靠近浇注槽5表面(在该处钢水首先同冷却辊接触)的时间直到钢水达到接触点的冷却速率。在本发明中，当铸钢带的板厚在0.1-15mm范围内时，以上定义的冷却速率在1-104℃/Sec(铸辊的散热速率Q5,000,000-15,000,000Kcal/m2/hr)范围内。
也就是，板厚为15mm的铸钢带中心部分的平均冷却速率被规定为1℃/sec，而铸钢带表面的平均冷却速率被规定为102-104℃/sec。初始枝晶空隙是冷却速率的函数，同时，与钢水的化学成分(尤其是C含量)有关。在本发明预期的普通碳钢的化学组成范围内，当浇铸钢带的板厚和冷却速率在以上各自相应范围内时，该初始枝晶空隙在5-300μm范围内。然而，为了在晶界处的表层上进行无富集Cu和Sn的扩散，至少在距表层(表层部分)2mm深的初始枝晶空隙可能是5-100μm，以便在固化期间的各枝晶之间降低微观偏析。当铸钢带的板厚为15mm时，上述冷却速率将使表层部分上的初始枝晶空隙达到5-100μm，以致能够完全实现本发明的目的。
当板厚超过15mm时，不能稳定地达到上述初始枝晶空隙。
0.1mm的板厚是铸钢带能进行工业规模生产的板厚下限，当然，具有上述厚度的铸钢带能够以高冷却速率进行冷却，从而也具有约5μm的初始枝晶空隙。
由此所得厚度在0.1-15mm范围内的薄铸钢带的表层部分具有初始枝晶空隙在5-100μm范围内的精细枝晶组织，铸钢带的中心部分也无宏观偏析并具有十分均匀的质量。
因此，相应于根据本发明的热轧材料或冷轧钢板的已铸产品具有极好的机械性能，同时，具有良好的表面外观，尽管该产品包含大量的Cu和Sn。
如上所述，Ni有助于提高晶界处富Cu层的熔点或者提高Cu在基体中的溶解度。在本发明中，也可按0.02-0.7％范围的数量添加Ni。
实施例 实施例1 将具有表1〔包括用于普通结构件(相应于JIS-G3131ASTM A62-82)的热轧低碳钢板组成成分，和添加在其中的Cu和Sn〕规定成分的钢水(标记A～E)，铸成板厚为3mm和板宽为350mm的薄铸钢带，并且是用图2所示的双辊连续铸造机〔包括一个内水冷铜合金铸辊(直径400mm，宽350mm)〕在铸辊的散热速率(Q)为7,700,000Kcal/m2/hr时制得。各薄铸钢带(样品No.1-5)的平均初始枝晶空隙(pnimary dendrite spacing)为3-50μm。各薄铸钢带的质量(裂纹)和机械性能(强度、延伸率、弯曲和耐腐蚀性)列于表2中。
表1(wt.％) 表2 表中，“传统方法”意指该方法中，标记A-E的钢水通过传统的连续铸造方法铸成厚度为250mm和宽度为1800mm的扁钢坯，然后将它热轧成板厚为3mm的热轧钢板。“弯曲”表示180°紧闭接触(Close-contact)弯曲试验的结果。而“耐腐蚀性”是用耐腐蚀划痕(Scores)(腐蚀速率(mm/Y)c＞0.05，b0.01-0.05，a＜0.0”表示。“铸钢带的裂纹无”意指在铸钢带的表面层没有深度大于30μm的裂纹。
从以上各表可清楚地看出，本发明的薄铸钢带(样品No.2-5)的铸钢带质量和机械性能两者都很优良，反之，对比薄铸钢带(样品No.1)的耐腐蚀性能差，因为Cu含量低。还进一步观察到，除了样品No.1以外，用传统方法制得的所有热轧钢板其表面裂纹的厚度不少于30μm。至于样品No.1，Cu和Sn含量是如此地低，以致于即使是用传统方法制得的热轧钢板既不会产生热脆性也不会有表面裂纹。
图1示出每个实施例中距离铸钢带表面的深度(mm)和初始枝晶空隙(μm)之间的关系。在图中，本发明实施例的数据用符号□标记。
当距离铸钢带表面的深度为0.1mm时，初始枝晶空隙是13μm，当距离铸钢带表面的深度为1.5mm(中心部分)时，初始枝晶空隙是50μm。
由本发明的上述道次制得的薄铸钢带(产品相当于热轧材)经过酸洗，然后进行6道次的冷轧(串联)制成0.8mm厚度的冷轧板。然后，该冷轧板经受装箱退火，用这种方式以50℃/hr的温升率将它加热至650℃，在该温度下保持12hr，然后在48hr内冷却至室温。
继而，以1％的压下率将退火状态的钢板进行表面光轧，以制得用于普通结构件〔JIS-钢产品牌号SPCC(ASTM A619-82)〕的含Cu和Sn的冷轧钢板。
各钢板(样品No.6-10)的初始枝晶空隙与上述薄铸钢带的相同，表面裂纹和机械性能列入表3中。
表3 从上表可清楚地看出，样品No.7-10的全部钢板都具有优良的机械性能和深度不大于30μm的表面裂纹，即，作为含Cu和Sn的SPCC材料是极优良的。
实施例2 将含有表4规定成分，即用于普通结构件(相应于JISG3101符合ASTM A569-72中规定的钢产品牌号SS41)的热轧钢板组成成分，和添加在其中的Cu和S的钢水，铸成板厚为3mm和板宽为350mm的薄铸钢带，所用方法与实施例1相同，不同之处为铸辊的散热速率(Q)为8,000,000Kcal/m2/hr。各薄铸钢带(样品No.11-15)的初始枝晶空隙平均为17-55μm，在图2中用符号“t”表示。各薄铸钢带的质量(裂纹)和机械性能列于下表5中。
表4 (wt.％) 表5 表5中，各项说明与表示实施例1结果的说明相同，不同之处是“弯曲”栏。在“弯曲”这一栏中，弯曲被评价为“合格”，这种情况是指半径/钢板厚度＜1.5。
从上表可清楚地看出，薄铸钢带(样品No.12-15)的铸带质量和机械性能两者都很优良，尽管它们含有大量的Cu和Sn。
然后，将含C和Si(按与表4规定的钢水相同的相应含量)，以及添加在其中的少量Ti、Nb、B、Cr、Mo、V等的钢水〔钢水含有具有改进加工性能的高抗拉强度、低合金、热轧薄板(相应于JISG3135ASTM A715-85规定的钢产品牌号SPFC45)的组成成分，和添加在其中的Cu和Sn〕，即表6中规定的钢水，铸成板厚为3mm和板宽为350mm的薄铸钢带，所用方法与上述有关具有表4规定组成的钢相同。各薄铸钢带(样品No.16-19)的初始枝晶空隙与样品No.11-15相同，铸带的质量和机械性能也都优良，如表7中所示。
表6(wt·％，除了B用wt·ppm之外) 表7 在表7中的“弯曲”一栏中，当弯曲直径/钢板厚度值小于1时，弯曲性能被评价为“合格(1)”；当弯曲直径/钢板厚度值小于1.5时，弯曲性能被评价为“合格(2)”。表7中的其它各栏和表示实施例1结果的表2相同。
实施例3 将具有表8规定组成〔包括用于钢管(相应于JIS G3132SAE1026中规定的钢产品No.SPHT3)的热轧碳钢带材的化学组成成分，和添加在其中的Cu和Sn〕的钢水(钢D-S)，铸成板厚为3.5mm和板宽为350mm薄铸钢带，所用方法与实施例1相同，不同之处是铸辊的散热速率(Q)为6,700,000Kcal/m2/hr。各薄铸钢带(样品No.20-24)的初始枝晶空隙平均为8-60μm，在图2中用符号“◇”表示。各薄铸钢带的质量(裂纹)和机械性能列于表9中。
表8 (wt.％) 表9 在表9中的“弯曲”一栏中，当弯曲半径/钢板厚度值小于2.0时，弯曲性能被评价为“合格”。表9中的其它各栏与表示实施例1结果的表2相同。
从上表可清楚地看出，本发明的薄铸钢带(样品No.21-24)的铸带质量和机械性能都很优良，尽管它们含有大量的Cu和Sn。
实施例4 将具有表10规定组成〔包括用于机器构件(相应于JISG4051ASTM A446-85中规定的钢产品No.S48C)的碳钢材料的化学组成成分，和添加在其中的Cu和Sn〕的钢水(钢T-X)，铸成板厚为3mm和板宽为350mm薄铸钢带，所用方法与实施例1相同，不同之处是铸辊的散热速率(Q)为8,200,000Kcal/m2/hr。各薄铸钢带(样品No.25-29)的初始枝晶空隙平均为5-70μm，在图2中用符号“△”表示。
各薄铸钢带的质量(铸带裂纹)和机械性能列于表11中 表10 (wt.％) 表11 在表11的“弯曲”一栏中，当弯曲半径/钢板厚度值小于2.0时，弯曲性能被评价为“合格”。表11中的其它各栏与表示实施例1结果的表2相同。
从上表清楚地看出，薄铸钢带(样品No.26-29)的铸带质量和机械性能都很优良，尽管它们含有大量的Cu和Sn。
按照本发明，可以使用含大量Cu的废铁和废锡片，不必添加Ni就能生产出具有良好表面外观和优良机械性能的普通含碳薄铸钢带和薄钢板。因而，由于上述铸钢带和钢板能以低成本用作耐腐蚀钢板，例如，用作汽车的钢板，因此从工业观点来看，本发明是非常有价值的。
权利要求
1.一种普通碳钢的薄铸钢带，其特征在于，它含有0.15-10wt％的Cu和0.03-0.5％wt的Sn；在该铸钢带表层部分上的初始枝晶空隙在5-100μm范围内。
2.根据权利要求1的薄铸钢带，其中，表层部分是距该铸钢带表面深2mm的薄层。
3.根据权利要求1的薄铸钢带，其中，除了Cu和Sn以外，上述薄铸钢带的化学成分是选自在JIS 3131(相应于ASTMA621-82)中规定的钢产品牌号“SPHC”、在JIS G3101(相应于ASTM A569-72)中规定的钢产品牌号“SS 41”、在JIS G3132(相应于SAE 1026)中规定的钢产品牌号“SPH3”和在JIS G4051(相应于ASTM A446-85)中规定的钢产品牌号“S48C”中的至少一种普通碳钢的成分。
4.根据权利要求1的薄铸钢带，它具有0.1-15mm范围的厚度。
5.一种普通碳钢板，它包括通过对0.1-15mm厚度的薄铸带进行冷轧而生产的冷轧钢板，上述薄铸带含有0.15-10wt％的Cu和0.03-0.5wt％的Sn。并在距该铸钢带表面深2mm处的表层上具有5-100μmn的初始枝晶空隙。
6.根据权利要求5的普通碳钢板，其中，除了Cu和Sn以外，上述冷轧钢板的化学成分是在JIS(相应于ASTM A619-82)中规定的钢产品牌号“SPCC”的成分。
7.一种用于制造普通碳钢薄铸钢带的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤以1-104℃/Sec的冷却速率，对含有0.15-10wt％的Cu、0.03-0.5wt％的Sn、其余是组成普通碳钢的成分的钢水进行快速固化以浇铸薄钢带。
8.根据权利要求7的方法，其中，薄铸钢带的厚度在0.1-15mm范围内。
9.根据权利要求7的方法，其中，以这样的方式对在浇铸后传送过程中的薄铸钢带进行冷却，使上述薄铸钢带在1000℃或1000℃以上温度的保持时间不超过10秒钟。
10.根据权利要求7的方法，其中，使用具有可移动式铸模的铸造装置浇铸上述薄铸钢带。
11.根据权利要求10的方法，其中，所述铸造装置是双辊铸造装置。
12.一种用于生产普通碳钢板的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤以1-104℃/Sec的冷却速率对含有0.15-10wt％的Cu、0.03-0.5wt％的Sn、其余是普通碳钢组成成分的钢水进行快速固化，以浇铸厚度为0.1-15mm的薄铸钢带；对上述薄铸钢带进行冷轧以制取冷轧钢板。
全文摘要
本发明利用包含大量含Cu和Sn的废铁的钢水提供一种具有良好铸钢带性能和机械性能的薄铸钢带或薄钢板。该薄铸钢带或薄钢板的特征在于，普通铸钢的薄铸钢带或薄钢板含有0.15—10wt％的Cu和0.03—0.5wt％的Sn，在表层部分上的初始枝晶空隙在5—100μm范围内。
文档编号C22C38/16GK1102932SQ94190088
公开日1995年5月24日 申请日期1994年2月25日 优先权日1993年2月26日
发明者沟口利明, 上岛良之, 诸星隆, 盐纪代美 申请人:新日本制铁株式会社