本发明属于微合金钢生产技术领域，更具体地说，涉及一种高性能微合金钢的生产方法及其生产用包芯线，在微合金钢、非调质钢等板材生产领域具有广阔的应用前景。
背景技术：
现有微合金钢生产过程中通常加入具有细化晶粒和沉淀析出强化作用的v、nb、al、ti等微量元素，使钢材热轧后获得高强度、高焊接性及良好的成型性能。但其不足之处在于钢中加入的微量元素v、nb、al、ti等价格昂贵，从而导致生产成本居高不下，同时al、ti属活泼元素，易与钢中的氧反应生成高熔点氧化夹杂物，难以去除，污染钢水，影响连铸正常生产。
二十世纪初，国外开始研究非金属n在钢中的合金化作用，重点研究钢中氮化物、碳氮化物在钢中的强化作用机理，研究结果表明，n与钢中微量的v、nb、al、ti及c形成的高熔点、高强度碳化物、氮化物和碳氮化物，在二次加热冷却过程中，能弥散析出在晶界表面并钉扎在晶界间隙之间，从而能有效抑制晶粒长大，在细化晶粒和沉淀析出强化作用方面比v、nb、al、ti等微量元素作用更加明显，进而可有效地降低微量元素v、nb、al、ti的加入量，降低微合金钢的生产成本。二十世纪中后期，我国开始引入该项技术，以非金属n元素与v、nb、al、ti及c合金化作为一种高强度低合金钢最经济有效的生产方法，广泛应用于hrb400以上高强度热轧带肋钢筋的生产。
但在微合金钢板材生产中，钢中n元素是作为一种有害元素进行严格控制的，n在微合金钢中的溶解度较低，钢中氮化物作用不稳定，控制精度较低，且当微合金钢板材中n元素超过一定含量时(≧70ppm)，铸坯表面的n富集析出时，就会形成角裂和表面微裂纹，从而严重影响钢质。特别是在生产高级别板材时，钢的冶炼过程必须要严格控制n含量。为了降低钢中n含量，板材生产过程中需要严格控制高n含量原材料，并在钢水精炼、连铸过程采用严格保护措施及真空脱气、脱氮手段，从而导致非金属n的合金化作用在微合金钢板材生产中难以得到推广应用，使最终所得微合金钢板材的力学性能受到较大影响。因此，如何降低微合金钢板材的生产成本，并保证其具有高强度、高焊接性及良好成型性等优良使用性能是微合金钢板材生产中急需解决的技术难题。
中国专利申请号为201410255368.2的申请案公开了一种微合金钢和含铁合金的包芯线及其应用和钢水及其制备方法，该申请案通过向微合金钢中喂入含铁合金的包芯线，该包芯线的芯层为含有钒铁合金、氮化硅铁和铁合金的混合物，从而在一定程度上可以有效提高微合金钢中的v、n含量，但采用该申请案的技术方案对钢水中n含量的控制精度相对较差，并不适用于微合金钢板材的生产。
技术实现要素：
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有微合金钢板材的生产成本相对较高，所得产品的性能难以满足使用需求的不足，提供了一种高性能微合金钢的生产方法及其生产用包芯线和该包芯线的制作方法。采用本发明的技术方案，能够有效改善微合金钢板材的使用性能，并降低其生产成本，具有广泛推广价值。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种高性能微合金钢的生产方法，包括转炉炼钢、精炼和轧制工艺，经转炉炼钢和出钢脱氧合金化后，在精炼吹氩站或lf钢包炉，根据钢种不同，按照2.5-3.5m/t钢喂入合金包芯线，该合金包芯线的内芯包括al、ti和mn的氮化物合金粉末，并控制喂线速度为3-4m/秒，喂线过程进行吹氩搅拌5-7分钟，喂完线后进行吹氩搅拌1-2分钟，喂线后钢水中[ν]含量控制在80-90ppm，测温取样后上台浇铸；浇注所得钢坯在加热炉内加热温度为1200-1250℃，开轧温度控制在1040-1080℃，精轧终轧温度控制在830-860℃。
更进一步的，所述合金包芯线的内芯由al、ti和mn的氮化物合金粉末组成，且对应al、ti、mn元素的质量分别为三种元素总量的30-50％、30-45％和15-35％。
更进一步的，所述合金包芯线的内芯中还包含nb和/或v的氮化物合金粉末，且各元素的质量分别占al、ti、mn、nb、v元素总量的百分比如下：al30-50％、ti30-45％、mn15-35％、(nb+v)5-15％。
更进一步的，喂线过程采用正常吹氩量的60-80％进行吹氩搅拌，喂线结束后采用正常吹氩量的20-30％进行吹氩搅拌。
更进一步的，所述合金包芯线的制作方法如下：
(1)根据微合金钢中微量贵重合金的成份，将al、ti、mn合金粉末或al、ti、mn、nb和/或v合金粉末，按照内芯质量百分比要求进行混合得到混合粉末；
(2)将得到的混合粉末置于高温梭式氮化窑中，温度控制在1350-1500℃，煅烧8-12小时，制成相应的氮化物合金；
(3)采用厚度为0.34-0.45mm的低碳钢带将制备的氮化物合金包覆成直径为ф9-13mm的合金包芯线。
更进一步的，所述步骤(1)中各合金粉末的粒度均为700-1000目。
更进一步的，控制微合金钢转炉炼钢终点c≧0.06％、终点温度≧1670℃。
更进一步的，精轧二段采用20-30％量雾化水进行控冷。
本发明的一种高性能微合金钢生产用包芯线，包括外皮和内芯，该包芯线的内芯包含al、ti、mn的氮化物合金粉末，且al、ti、mn元素的质量分别为内芯中对应金属合金元素总量的30-50％、30-45％和15-35％；所述包芯线的内芯中还可包含nb和/或v的氮化物合金粉末，且nb与v的质量和为内芯中对应金属合金元素总量的5-15％。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种高性能微合金钢的生产方法，通过向精炼钢水中喂入al、ti、mn的氮化物合金包芯线，将钢水中的[ν]含量精确控制在80-90ppm，并严格控制终点出钢c、温度、喂线量、喂线速度及吹氩操作和轧制工艺，从而能够显著提高微合金钢板材的力学性能和焊接性等使用性能，并能够有效避免n含量过高时富集析出对钢质的影响，克服了现有微合金钢板材生产存在的问题，并大大减少了贵重合金元素的添加量，有效降低了生产成本。
(2)本发明的一种高性能微合金钢的生产方法，可以根据待生产微合金钢的目标成分，向合金包芯线的内芯中添加nb和/或v的氮化物合金粉末，并对内芯中各组分的质量百分比含量进行严格控制，从而可以将钢水中n含量精确控制在特定范围，在有效保证所得微合金钢板材使用性能的基础上，最大限度地降低了钢中贵重金属元素的添加量。
(3)本发明的一种高性能微合金钢的生产方法，以包芯线的形式将氮化物合金添加到钢水中，能够将线喂入钢水深部，大大减少了烧损和氧化损耗，避免了含氮材料以块状合金加入钢水中时易被钢水中氧氧化，固氮效果差，n收得率不稳定的现象。
(4)本发明的一种高性能微合金钢的生产方法，通过对包芯线制作所用合金粉末的粒度及氮化煅烧温度进行优化设计，所得氮化物合金的粒度较小，有助于提高弥散强化和细晶强化作用，避免了合金粒度较大从晶界析出时对钢材性能，尤其是对韧性的影响。此外，采用本发明的方法制备所得氮化物合金的稳定性较高，易于对其含量进行精确控制，克服了现有微合金钢板材生产时，由于n溶解度较低，析出n化物的稳定性相对较差，难以实现钢水中n含量的精确控制的不足。
(5)本发明的一种高性能微合金钢生产用包芯线，该包芯线的内芯包含al、ti、mn的氮化物合金粉末，还可根据待生产微合金钢的成分向内芯中添加nb和/或v的氮化物合金粉末，并对各组分的含量进行了优化设计，将该包芯线喂入微合金钢钢水中，可有效解决现有微合金钢板材性能受n含量限制的不足，能够将钢水中的n含量精确控制在特定范围，显著提高了微合金钢板材的力学性能和焊接性，降低了微合金元素的添加量。
具体实施方式
本发明的一种高性能微合金钢的生产方法，包括转炉炼钢、精炼和轧制工艺，经转炉炼钢和出钢脱氧合金化后，在精炼吹氩站或lf钢包炉，根据钢种不同，按照2.5-3.5m/t钢喂入氮化物合金包芯线，并控制喂线速度为3-4m/秒，喂线过程采用正常吹氩量的60-80％进行强吹氩搅拌5-7分钟，喂线结束后采用正常吹氩量的20-30％进行吹氩弱搅拌1-2分钟。值得说明的是，由于钢包大小不同，钢厂不同，其吹氩量也有所不同。本发明限定正常吹氩量如下：50-100t钢包的正常吹氩量为300l/min，100-200t钢包的正常吹氩量为400l/min，200-300t钢包的正常吹氩量为500l/min，300-400t钢包的正常吹氩量为600l/min，以此类推。控制微合金钢转炉炼钢终点c≧0.06％、终点温度≧1670℃，喂线后钢水中[ν]含量控制在80-90ppm，测温取样后上台浇铸；浇注所得钢坯在加热炉内加热温度为1200-1250℃，开轧温度控制在1040-1080℃，精轧终轧温度控制在830-860℃，精轧二段采用正常冷却水用量20-30％量的雾化水进行控冷。
本发明所用合金包芯线包括外皮和内芯，该包芯线的内芯包含al、ti、mn的氮化物合金粉末，且al、ti、mn元素的质量分别为内芯中对应金属合金元素总量的30-50％、30-45％和15-35％；根据待生产微合金钢的成分，包芯线内芯中还可包含nb和/或v的氮化物合金粉末，且nb与v的质量和为内芯中对应金属合金元素(al、ti、mn、nb、v)总量的5-15％。
上述合金包芯线的制作方法如下：
(1)根据微合金钢中微量贵重合金的成份，将al、ti、mn合金粉末或al、ti、mn、nb和/或v合金粉末，按照内芯质量百分比要求进行混合得到混合粉末，各合金粉末的粒度均为700-1000目；
(2)将得到的混合粉末置于高温梭式氮化窑中，温度控制在1350-1500℃，煅烧8-12小时，制成相应的氮化物合金；
(3)采用厚度为0.34-0.45mm的低碳钢带将制备的氮化物合金包覆成直径为ф9-13mm的合金包芯线。
现有微合金钢板材生产过程中，由于n在钢水中的溶解度较低，n化物析出不稳定，钢水中n化物含量难以进行精确控制，且当微合金钢板材中n元素含量≧70ppm时，铸坯表面的n会发生富集析出，从而影响钢质，因此现有微合金钢板材中n化物的比例通常只有1-2％，n的合金化作用难以得到有效发挥，其主要还是通过微量合金元素v、nb、al、ti的添加来保证其使用性能，合金元素使用量量高，微合金钢板材的生产成本较高。针对以上问题，本发明将n与al、ti、mn、nb、v合金粉末在高温下制成al、ti、mn、nb、v等合金的氮化物合金，严格控制游离n含量，并制成包芯线的形式在精炼吹氩站或lf精炼时以喂线方式加入钢水中，通过控制冶炼操作及轧制工艺，将钢中的n精确控制在80-90ppm，从而能有效消除n对微合金钢板材生产的有害影响，生产所得微合金钢产品中c、n化物含量可高达14-15％，使非金属n在钢中的合金化强化作用在板材生产中能够广泛推广应用，并能大大改善微合金钢板材性能，减少微合金钢中al、ti、nb、mn、v合金用量30％，降低微合金钢生产成本15-30元/t，经济效益显著。
本发明通过以包芯线的形式将氮化物合金添加到钢水中，能够将线喂入钢水深部，大大减少了烧损和氧化损耗，避免了含氮材料以块状合金加入钢水中时易被钢水中氧氧化，固氮效果差，n收得率不稳定的现象。发明人通过大量实验，对合金包芯线内芯中各组分的含量进行优化设计，从而可以将钢水中n含量精确控制在特定范围，在有效保证所得微合金钢板材使用性能的基础上，最大限度地降低了钢中贵重金属元素的添加量。
本发明还通过对包芯线制作所用合金粉末的粒度及氮化煅烧温度进行优化设计，所得氮化物合金的粒度较小，有助于提高弥散强化和细晶强化作用，避免了合金粒度较大从晶界析出时对钢材性能，尤其是对韧性的影响。此外，采用本发明的方法制备所得氮化物合金的稳定性较高，易于对其含量进行精确控制，克服了现有微合金钢板材生产时，由于n溶解度较低，析出n化物的稳定性相对较差，难以实现钢水中n含量的精确控制的不足。
为进一步了解本发明的内容，现结合具体实施例对本发明作详细描述。
实施例1
将粒度为700-1000目的al、ti、mn三种超细合金粉末，按重量百分比al占30％；mn占35％；ti占35％均匀混合在高温梭式氮化窑中，温度控制在1350℃，煅烧12小时，制成al、ti、mn等氮化物合金，采用厚度0.34mm的低碳钢带紧密包覆成直径为13mm合金包芯线。
生产微合金钢q345b钢时，在目标冶炼成份控制c0.15％、si0.23％、mn1.40％、als0.027％、ti0.009％基础上，将mn降到0.95％，取消钢中ti量，转炉终点c≧0.06％、终点温度≧1670℃，出钢脱氧合金化后，在精炼吹氩站或lf钢包炉，喂入2.8m/t钢合金包芯线，喂线速度控制在4m/秒，喂线过程采用强吹氩搅拌5分钟，喂完线后吹氩弱搅拌2分钟(本实施例钢包大小为100t，喂线过程控制吹氩量为320l/min，喂完线后吹氩量为120l/min。)，钢水中[ν]目标控制80-90ppm，测温取样后上台浇铸；钢坯在加热炉内加热温度1230℃，开轧温度控制在1050℃，精轧终轧温度控制在860℃，精轧二段适当采用正常冷却水用量的20％量的雾化水控冷。经测试，本实施例轧制成的16mm板材屈服强度410mpa、拉伸630mpa。在保证板材质量及力学性能的前提下，可降合金成本8-12.5元/t。
实施例2
将粒度为700-1000目的al、ti、mn三种超细合金粉末，按重量百分比al占40％；mn占15％；ti占45％均匀混合在高温梭式氮化窑中，温度控制在1500℃，煅烧8小时，制成al、ti、mn等氮化物合金，采用厚度0.45mm的低碳钢带紧密包覆成直径为ф11mm合金包芯线。
生产微合金钢q345b钢时，在目标冶炼成份控制c0.17％、si0.25％、mn1.45％、als0.030％、ti0.010％基础上，将mn降到1.0％，取消钢中ti量，转炉终点c≧0.06％、终点温度≧1670℃，出钢脱氧合金化后，在精炼吹氩站或lf钢包炉，喂入3.0m/t钢合金包芯线，喂线速度控制在3m/秒，喂线过程采用强吹氩搅拌7分钟，喂完线后吹氩弱搅拌2分钟(本实施例钢包大小为50t，喂线过程控制吹氩量为180l/min，喂完线后吹氩量为60l/min)，钢水中[ν]目标控制80-90ppm，测温取样后上台浇铸；钢坯在加热炉内加热温度1250℃，开轧温度控制在1080℃，精轧终轧温度控制在830℃，精轧二段适当采用30％量雾化水控冷。经测试，本实施例轧制成的30mm板材屈服强度400mpa、拉伸670mpa。在保证板材质量及力学性能的前提下，可降合金成本8-12.5元/t。
实施例3
将粒度为700-1000目的al、ti、mn三种超细合金粉末，按重量百分比al占50％；mn占20％；ti占30％均匀混合在高温梭式氮化窑中，温度控制在1400℃，煅烧10小时，制成al、ti、mn等氮化物合金，采用厚度0.40mm的低碳钢带紧密包覆成直径为ф9mm合金包芯线。
生产微合金钢q345b钢时，在目标冶炼成份控制c0.13％、si0.20％、mn1.40％、als0.025％、ti0.008％基础上，将mn降到0.97％，取消钢中ti量，转炉终点c≧0.06％、终点温度≧1670℃，出钢脱氧合金化后，在精炼吹氩站或lf钢包炉，喂入2.5m/t钢合金包芯线，喂线速度控制在4m/秒，喂线过程采用强吹氩搅拌6分钟，喂完线后吹氩弱搅拌2分钟(本实施例钢包大小为300t，喂线过程控制吹氩量为420l/min，喂完线后吹氩量为150l/min)，钢水中[ν]目标控制80-90ppm，测温取样后上台浇铸；钢坯在加热炉内加热温度1200℃，开轧温度控制在1040℃，精轧终轧温度控制在850℃，精轧二段适当采用25％量雾化水控冷。经测试，本实施例轧制成的25mm板材屈服强度400mpa、拉伸640mpa。在保证板材质量及力学性能的前提下，可降合金成本8-12.5元/t。
实施例4
将粒度700-1000目的al、ti、mn、v、nb五种超细合金粉末，按重量百分比al占30％；mn占20％；ti占45％、nb+v占5％均匀混合在高温梭式氮化窑中，温度控制在1350℃，煅烧10小时，制成al、ti、mn、nb、v等氮化物合金，采用厚度0.34mm的低碳钢带紧密包覆成直径为ф9mm合金包芯线。
生产微合金钢q345e钢时，在目标冶炼成份控制c0.15％、si0.25％、mn1.40％、als0.020％、ti0.020％、v0.03％、nb0.015％基础上，将mn降到0.95％，v降到0.015％、nb降到0.010％，取消钢中ti量，转炉终点c≧0.06％、终点温度≧1670℃，出钢脱氧合金化后，在精炼吹氩站或lf钢包炉，喂入3.0m/t钢合金包芯线，喂线速度控制在3m/秒，喂线过程采用强吹氩搅拌7分钟，喂完线后吹氩弱搅拌1分钟(本实施例钢包大小为250t，喂线过程控制吹氩量为300l/min，喂完线后吹氩量为100l/min)，钢水中[ν]目标控制80-90ppm，测温取样后上台浇铸；钢坯在加热炉内加热温度1240℃，开轧温度控制在1060℃，精轧终轧温度控制在880℃，精轧二段适当采用20％量雾化水控冷轧制成的16mm板材，常规屈服强度480mpa、拉伸630mpa，-40℃低温冲击为235j。在保证板材质量及力学性能的前提下，可降合金成本15-20元/t。
实施例5
将粒度700-1000目的al、ti、mn、v、nb五种超细合金粉末，按重量百分比al占50％；mn占15％；ti占30％、nb、v占5％均匀混合在高温梭式氮化窑中，温度控制在1500℃，煅烧8小时，制成al、ti、mn、nb、v等氮化物合金，采用厚度0.40mm的低碳钢带紧密包覆成直径为ф11mm合金包芯线。
生产微合金钢q345e钢时，在目标冶炼成份控制c0.18％、si0.45％、mn1.50％、als0.030％、ti0.010％、v0.05％、nb0.03％基础上，将mn降到0.97％，v降到0.03％、nb降到0.02％，取消钢中ti量，转炉终点c≧0.06％、终点温度≧1670℃，出钢脱氧合金化后，在精炼吹氩站或lf钢包炉，喂入3.5m/t钢合金包芯线，喂线速度控制在4m/秒，喂线过程采用强吹氩搅拌5分钟，喂完线后吹氩弱搅拌2分钟，钢水中[ν]目标控制80-90ppm，测温取样后上台浇铸；钢坯在加热炉内加热温度1230℃，开轧温度控制在1035℃，精轧终轧温度控制在880℃，精轧二段适当采用27％量雾化水控冷轧制成的30mm板材，常规屈服强度500mpa、拉伸610mpa，-40℃低温冲击为220j。
实施例6
将粒度700-1000目的al、ti、mn、v、nb五种超细合金粉末，按重量百分比al占30％；mn占35％；ti占30％、nb、v占5％均匀混合在高温梭式氮化窑中，温度控制在1450℃，煅烧12小时，制成al、ti、mn、nb、v等氮化物合金，采用厚度0.45mm的低碳钢带紧密包覆成直径为ф13mm合金包芯线。
生产微合金钢q345e钢时，在目标冶炼成份控制c0.16％、si0.30％、mn1.46％、als0.040％、ti0.008％、v0.04％、nb0.02％基础上，将mn降到0.95％，v降到0.02％、nb降到0.015％，取消钢中ti量，转炉终点c≧0.06％、终点温度≧1670℃，出钢脱氧合金化后，在精炼吹氩站或lf钢包炉，喂入3.0m/t钢合金包芯线，喂线速度控制在4m/秒，喂线过程采用强吹氩搅拌7分钟，喂完线后吹氩弱搅拌2分钟，钢水中[ν]目标控制80-90ppm，测温取样后上台浇铸；钢坯在加热炉内加热温度1250℃，开轧温度控制在1060℃，精轧终轧温度控制在830℃，精轧二段适当采用30％量雾化水控冷轧制成的20mm板材，常规屈服强度450mpa、拉伸660mpa，-40℃低温冲击为200j。
实施例7
将粒度700-1000目的al、ti、mn、v、nb五种超细合金粉末，按重量百分比al占35％；mn占15％；ti占35％、nb、v占15％均匀混合在高温梭式氮化窑中，温度控制在1350℃，煅烧12小时，制成al、ti、mn、nb、v等氮化物合金，采用厚度0.34mm的低碳钢带紧密包覆成直径为ф9mm合金包芯线。
生产微合金钢q345e钢时，在目标冶炼成份控制c0.15％、si0.45％、mn1.40％、als0.020％、ti0.020％、v0.03％、nb0.03％基础上，将mn降到1.0％，v降到0.015％、nb降到0.015％，取消钢中ti量，转炉终点c≧0.06％、终点温度≧1670℃，出钢脱氧合金化后，在精炼吹氩站或lf钢包炉，喂入3.0m/t钢合金包芯线，喂线速度控制在4m/秒，喂线过程采用强吹氩搅拌5分钟，喂完线后吹氩弱搅拌2分钟，钢水中[ν]目标控制80-90ppm，测温取样后上台浇铸；钢坯在加热炉内加热温度1200℃，开轧温度控制在1020℃，精轧终轧温度控制在845℃，精轧二段适当采用20％量雾化水控冷轧制成的25mm板材，常规屈服强度450mpa、拉伸610mpa，-40℃低温冲击为250j。
实施例8
将粒度700-800目的al、ti、mn三种超细合金粉末，按重量百分比al占30％；mn占25％；ti占45％均匀混合在高温梭式氮化窑中，温度控制在1500℃，煅烧9小时，制成al、ti、mn氮化物合金，采用厚度0.34mm的低碳钢带紧密包覆成直径为ф9mm合金包芯线。
生产微合金钢a36钢时，在目标冶炼成份控制c0.16％、si0.15％、mn1.20％、als0.045％基础上，将mn降到0.75％，als降到0.015％，转炉终点c≧0.06％、终点温度≧1670℃，出钢脱氧合金化后，在精炼吹氩站或lf钢包炉，喂入2.5m/t钢合金包芯线，喂线速度控制在4m/秒，喂线过程采用强吹氩搅拌5分钟，喂完线后吹氩弱搅拌1分钟，钢水中[ν]目标控制80-90ppm，测温取样后上台浇铸；钢坯在加热炉内加热温度1200℃，开轧温度控制在1060℃，精轧终轧温度控制在850℃，精轧二段适当采用20％量雾化水控冷轧制成的16mm板材，常规屈服强度430mpa、拉伸610mpa。在保证板材质量及力学性能的前提下，可降合金成本8-11.0元/t。
综上所述，本发明通过在微合金钢出钢脱氧合金化后，在炉后精炼吹氩站或lf钢包炉喂入一种以含n的al、ti、mn、nb、v等氮化物合金超细粉制成的直径为ф9-13mm合金包芯线，通过终点碳、出钢温度及合适的吹氩强度控制，在钢包底吹氩气的强烈搅拌作用下，芯线中的al、ti、mn、nb、v等氮化物合金与钢中的c形成稳定的al、ti、nb、mn、v、n、c的化合物，轧制过程通过控冷控制，钢中的al、ti、nb、mn、v、n、c的化合物呈固态高温陶瓷超细纳米相在钢的晶界析出起钉扎作用，可阻碍晶胞长大，细化晶粒和弥散强化明显，从而有效地改善微合金钢板材的性能，可明显改善和提高钢的屈服、抗拉和延伸率等力学性能指标25％以上，减少微合金钢中al、ti、nb、mn、v合金用量30％，降低微合金钢生产成本元15-30/t，经济效益显著。