CN107557690A - 一种耐低温和抗层状撕裂的特厚钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种耐低温和抗层状撕裂的特厚钢板及其制造方法。钢中化学成分按重量百分比为：C：0.09％～0.15％，Si：0.15％～0.45％，Mn：1.05％～1.45％，S≤0.003％，P≤0.010％，V：0.06％～0.08％，Als：0.015％～0.040％，N：0.008％～0.015％，Ni：0.25％～0.45％，钢中还含有Cr≤0.15％，Cu≤0.15％，Ti≤0.04％中的一种或一种以上元素，余量为Fe和不可避免的杂质。钢板生产工艺为：模铸→开坯轧制→成品轧制→控冷→正火处理→出炉后弱冷，生产出的180～250mm厚钢板具有优良耐低温、抗层状撕裂性，适用于焊接结构。

Description

一种耐低温和抗层状撕裂的特厚钢板及其制造方法

技术领域

本发明属于钢铁材料制备领域，特别是一种具有耐低温、抗层状撕裂36kg级、180～250mm大厚度焊接结构用钢板及其制造方法。

背景技术

近年来，随着风电、水电、核电、海洋平台、石油化工压力容器等大型装备行业的迅猛发展，市场对大厚度(厚度180mm及以上)、耐低温冲击(-40℃)、大单重的抗层状撕裂(Z35性能)钢板的需求量逐年增大。长期以来，由于缺乏必要的生产、技术设备，大厚度的抗层状撕裂钢板往往依赖于锻造、电渣重熔或从国外进口，严重制约了我国水电站、核电站、海洋平台和大型石油化工压力容器设备建设的发展，而此类型的海洋平台用钢也将成为未来几年国内钢厂企业重点研发生产的产品。

随着国内冶炼和轧钢装备的技术进步，在一定程度上缓解了我国对高品质特厚钢板的需求，但特殊厚度、特殊品种及技术要求的钢板还存在着心部力学性能差、产品性能不稳定等情况，这部分材料的进口比例高达90％。

CN201310203415.4公开了一种厚度为150mm的海洋平台用钢及其生产方法，该发明提出了一种采用连铸板坯生产最大成品厚度仅为150mm海工用钢的方法，且该发明公开的钢仅实现了36kg级钢板强度指标，并未提及其低温韧性可实现的指标，无法满足现代海洋工程用钢对耐低温、大厚度钢板的需求。

CN201110135930.X公开了一种大厚度海洋平台用钢及其生产方法，该专利采用电渣重熔铸坯为原料，产品的最大厚度为300mm，但强度级别仅为32kg，不仅工序成本高，还无法满足更高级别海洋平台用钢指标要求。

CN201510120477.8公开了大厚度海洋平台用S355G10+N钢板及其生产方法，该专利提出了S355级别、最大厚度为100～150mm厚海洋工程用钢轧制方法，无法满足海洋工程用钢对200mm及以上更大厚度尺寸的需求。

CN101987330A公开了一种超厚抗层状撕裂钢板制造方法，其低温韧性评价仅为达到0℃，无法满足低温服役环境下材料的韧性要求。

CN1033436784A公开了一种海洋平台用钢板及其制造方法，该专利采用连铸板坯，经控轧控冷+正火处理工艺，生产钢板厚度仅为60～100mm。

CN1044357755A和CN102747285A分别公开了一种适用于低温下使用的大厚度、高强度钢板和一种特厚船舶及海洋平台用钢板及其生产方法，发明钢板厚度为80～125mm，分别采用调质和正火工艺生产，也无法满足大厚度构件材料技术要求。

以上现有专利中，其发明钢的最大厚度大多低于150mm，而其中对于厚度大于150mm的钢板，其生产工艺多为钢锭+锻轧，或采用电渣重熔坯料+轧制生产，提高了钢板生产成本，且无法保证钢板1/2处性能与1/4处性能保持在同一水平。

发明内容

本发明提出一种耐低温和抗层状撕裂的特厚钢板及其制造方法，通过合理的成分设计，40吨以上扁锭冶炼+轧制+正火工艺相结合，同时适当加大正火后的冷却速率，制备出具有高强度(屈服强度≥360MPa)、耐低温(－40℃冲击功≥160J)、满足Z35性能的180～250mm特厚焊接结构用钢，其良好的组织性能均匀性、抗层状撕裂性等特点满足了高寒地区焊接结构用钢的技术要求。

本发明提出一种耐低温和抗层状撕裂的特厚钢板及其制造方法。本发明从锭型选择、合金元素筛选与配比、钢质洁净度控制、钢锭浇铸工艺、轧制工艺优化、正火处理及冷却工艺参数选择等几个方面进行了大量而系统的试验研究，最终确定了可满足本发明目的成分体系及其制造工艺，实现了钢板显微组织的强韧性匹配。

具体的技术方案是：

一种耐低温和抗层状撕裂的特厚钢板，其特征在于，该钢板的化学成分质量百分比如下：C：0.09％～0.15％；Si：0.15％～0.45％；Mn：1.05％～1.45％；S≤0.003％；P≤0.010％；V：0.06％～0.08％；Als：0.015％～0.040％；N：0.008％～0.015％；Ni：0.25％～0.45％；作为化学成分的还有Cr≤0.15％；Cu≤0.15％；Ti≤0.04％；余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明钢中各合金成分的作用机理如下：

C：对钢板的强度、韧性和焊接性有着显著的影响，随着碳含量的提高，将显著降低钢板的塑性、低温韧性和抗焊接裂纹敏感性，且容易造成成分偏析，从产品需要达到的综合力学性能考虑，本发明将C含量控制在0.09％～0.15％。

Si：是炼钢过程中主要的脱氧元素，而且是钢中铁素体强化元素，在一定程度上有利于钢板强度的提高，当含量超过0.5％时将促进马奥岛的形成，大大损害钢板的焊接性和低温韧性，因此，本发明将Si含量控制为0.15％～0.45％。

Mn：是保证钢的强度和韧性的必要元素，Mn与S结合形成MnS，避免晶界处形成FeS而导致的热裂纹，同时Mn也是良好的脱氧剂。适量的锰可以改善钢的强度和韧性，但过高则在铸锭中产生偏析，进而造成轧制后难以消除的组织带状，降低钢板横向性能和抗层状撕裂性。为了提高本发明材料的强韧性，因此本发明将Mn含量范围控制在1.05％～1.45％。

P：是对冲击值带来不利影响的元素，可以在板坯中心部位偏析以及在晶界聚集等损害低温韧性，本发明将P含量控制在不高于0.010％。

S：是对冲击值带来不利影响的元素，可以形成硫化物夹杂，成为裂纹源，本发明将S含量控制在不高于0.003％。

Al：作为本发明必须添加的脱氧和细化晶粒元素，添加含量在0.01％以上，但超过0.08％时容易产生铸坯热裂纹，同时钢的韧性降低。综合考虑，本发明将Al含量范围控制在0.015％～0.040％。

V：在钢中加入V可以细化组织晶粒，提高强度和韧性。添加量小于0.02％时效果不明显；大于0.10％时，钢的韧性与可焊接性降低。在适量的N含量基础上，V可以充分析出，使钢中颗粒尺寸和间距明显减小，能够产生沉淀强化，起到提高强度的作用，因此本发明将V含量控制在0.06％～0.08％。

N：N与Al、Ti、Nb等元素结合，形成氮化物，是使母材组织微细化的元素。为了发挥这样的效果，需要使N含有0.002％以上，然而过多的固溶N是使HAZ韧性恶化的原因，合理控制N元素的含量，能够起到细化晶粒的作用，而且氮在钢中能够改变钒的分布，从而发挥V的沉淀强化作用，大幅度提高钢的强度，通过正火工艺保证了钢板心部的强度，因此本发明将N含量范围控制在0.008％～0.015％。

Ni：Ni促使合金钢形成稳定奥氏体组织，具备使Ar3点最低和碳当量或冷裂纹敏感系数Pcm的增加最小的特性，可大幅度提高钢的强度和低温韧性，并降低钢锭或钢坯在加热和轧制过程中产生的裂纹，因此本发明将Ni含量控制在0.25％～0.45％。

Ti：作为提高钢的韧性和焊接部位韧性而添加的成分，以TiN形式存在而发挥作用，但超过0.04％时易形成大颗粒TiN而失去效果，因此本发明中，将Ti含量范围控制为Ti≤0.04％。

Cu：为奥氏体稳定化元素，适量的铜可以提高钢板的强度和耐蚀性，改善低温韧性，加入过多则易造成热脆而破坏钢板表面质量，本发明将Cu含量控制在Cu≤0.15％；

Cr：在一定含量下可以同时提高钢的强度、韧性和耐腐蚀性。对于调质处理钢来说，可以显著提高钢的淬透性，但含量过高会降低钢的韧性，增加碳当量，损害焊接性。本发明将Cr含量控制在≤0.15％；

耐低温和抗层状撕裂的特厚钢板制备工艺路线如下：

模铸→开坯轧制→成品轧制→控冷→正火处理→出炉后弱冷。其制备关键在于如下步骤：

(1)冶炼工艺：精选冶炼原料，原料应以铁水或优质返回钢为主，Cr、Mo等元素含量尽可能低，按目标值控制熔炼成分，严格控制残余元素含量，避免碳当量超过船级社规定的Ceq≤0.38范围。同时要将N元素和V元素的含量控制在合理的范围内，V对N具有很强的亲和力，能够将N从“杂质”转化成一种有效合金，两者形成氮化钒，通过形成无数的氮化钒晶核，增加析出强化的有效性，通过正火工艺发挥N、V的析出强化和细化晶粒的作用保证钢板的心部强度。

(2)模铸工艺：将钢液的过热度控制在25～35℃之间，既实现了钢液在锭模中的良好填充，又降低了由于过热度偏高可能导致的偏析、气孔和缩孔、疏松等缺陷的发生；浇铸后的扁锭需缓冷处理，带模入缓冷坑。

(3)开坯轧制工艺：扁锭加热温度1200～1250℃，在轧制的高温变形阶段，慢速、大压下，保证变形渗透至钢板心部，平均单道次压下率5％～15％，中间坯厚度不低于400mm；

(4)成品轧制工艺：开坯轧制后的钢坯采用连续炉或室式炉加热，加热温度1050～1150℃；慢速、大压下，保证变形渗透至钢板心部，总道次压下率10％～20％，轧后加速冷却，在800～500℃的冷却区间，控制钢板厚度1/4位置的平均冷速0.3～1.0℃/s，返红温度300～450℃，成品钢板厚度180～250mm。

(5)正火处理及冷却工艺：对成品钢板进行正火处理，正火温度为870～920℃，保温时间1.5～2h，总在炉时间4～7.5h，正火后出炉采用喷淋的方式弱冷，适当提高正火后的冷却速率，并将冷速控制在1.5～5℃/min，获得钢板成品。

有益效果：

(1)化学成分设计合理，具有较少的合金含量，钢板成本低，采用低P、S纯净钢冶炼，改善钢质纯净度，保证了大厚度海洋平台用钢获得优良低温塑韧性。

(2)本发明采用V+N元素相结合，两者形成的氮化钒，在正火及正火后的弱冷期间析出，从而增加V析出强化作用，充分保证了特厚钢板心部强韧性。

(3)该发明采用二火成材的扁锭直轧+正火处理+弱冷工艺，发明钢的屈服强度≥360MPa，抗拉强度：495～550MPa，－40℃心部冲击功≥160J，具有铁素体+珠光体+少量贝氏体的多相复合组织，180～250mm大厚度钢板具有良好的强度、低温冲击韧性和Z向性能，综合技术指标满足高寒环境焊接结构用钢要求。

附图说明

图1本发明钢实施例1金相组织表面位置照片；图2本发明钢实施例1金相组织1/4位置照片；图3本发明钢实施例1金相组织1/2位置照片。

具体实施方式

本发明涉及的技术问题采用下述技术方案解决：一种耐低温和抗层状撕裂的特厚钢板，其化学成分质量百分比为：C：0.09％～0.15％；Si：0.15％～0.45％；Mn：1.05％～1.45％；S≤0.003％；P≤0.010％；V：0.06％～0.08％；Als：0.015％～0.040％；N：0.008％～0.015％；Ni：0.25％～0.45％；作为化学成分的还有Cr：≤0.15％；Cu：≤0.15％；Ti：≤0.04％，其余为Fe和不可避免的杂质。工艺路线包括模铸→开坯轧制→成品轧制→控冷→正火处理→出炉后弱冷。模铸工艺中，将钢液的过热度控制在25～35℃之间。扁锭加热温度1200～1250℃，在轧制的高温变形阶段，慢速、大压下，平均单道次压下率5％～15％，中间坯厚度不低于400mm；开坯轧制后的钢坯采用连续炉或室式炉加热，加热温度1050～1150℃；钢板轧制的单道次压下率10％～20％，轧后加速冷却，800～500℃的控温区间控制1/4位置的平均冷速0.3～1.0℃/s，返红温度300～450℃，成品钢板厚度180～250mm。轧后对成品钢板进行正火处理，正火温度为870～920℃，保温时间1.5～2h，总在炉时间4～7.5h。正火后出炉采用喷淋的方式弱冷，适当提高正火后的冷却速率，并将冷速控制在1.5～5℃/min，获得钢板成品。

以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。

其中表1为各实施例钢的化学成分；表2为各实施例钢的钢锭轧制工艺；表3为各实施例钢的正火及冷却工艺；表4为各实施例钢拉伸和冲击性能。

表1本发明实施例钢化学成分

表2本发明实施例钢开坯轧制工艺

表3本发明实施例钢正火及冷却工艺

表4本发明实施例钢拉伸和冲击性能

从实施例可以看出，本发明实施例钢的屈服强度均在359MPa以上，抗拉强度均在497MPa以上，延伸率均大于24％，Z向性能在58％以上，-40℃横向冲击功在162J以上，力学性能优良。

Claims (4)

1.一种耐低温和抗层状撕裂的特厚钢板，其特征在于，钢中化学成分按重量百分比为：C：0.09％～0.15％，Si：0.15％～0.45％，Mn：1.05％～1.45％，S≤0.003％，P≤0.010％，V：0.06％～0.08％，Als：0.015％～0.040％，N：0.008％～0.015％，Ni：0.25％～0.45％，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的耐低温和抗层状撕裂的特厚钢板，其特征在于，钢中化学成分按重量百分比计，还含有Cr≤0.15％；Cu≤0.15％；Ti≤0.04％中的一种或一种以上元素。

3.如权利要求1或2所述的耐低温和抗层状撕裂的特厚钢板，其特征在于，成品钢板厚度为180～250mm。

4.一种如权利要求1或2或3所述的耐低温和抗层状撕裂的特厚钢板的制造方法，钢板的生产工艺为：模铸→开坯轧制→成品轧制→控冷→正火处理→出炉后弱冷，其特征在于，

模铸工艺中，将钢液的过热度控制在25～35℃之间；

开坯轧制工艺中，钢锭加热温度1200～1250℃，平均单道次压下率5％～15％，中间坯厚度不低于400mm；

开坯轧制后的钢坯采用连续炉或室式炉加热，加热温度1050～1150℃；轧制总道次压下率10％～20％，轧后采用加速冷却，在800～500℃的冷却区间，控制钢板厚度1/4位置的平均冷速为0.3～1.0℃/s，返红温度300～450℃；

钢板正火温度为870～920℃，保温时间1.5～2h，总在炉时间4～7.5h，正火后出炉采用喷淋的方式弱冷，冷却速度为1.5～5℃/min。