CN110923568B

CN110923568B - 大线能量焊接用海洋工程用钢及其制备方法

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Publication number: CN110923568B
Application number: CN201911008044.8A
Authority: CN
Inventors: 刘洪波; 齐建军; 田志强; 刘崇; 李超; 信瑞山; 张瑞忠; 马浩冉
Original assignee: HBIS Co Ltd
Current assignee: HBIS Co Ltd
Priority date: 2019-10-22
Filing date: 2019-10-22
Publication date: 2021-09-21
Anticipated expiration: 2039-10-22
Also published as: CN110923568A

Abstract

本发明公开了一种大线能量焊接用海洋工程用钢及其制备方法，其化学成分的质量百分含量为：C 0.04%～0.11%，Si 0.13%～0.22%，Mn 1.1%～2.1%，P≤0.012%,S≤0.015%,Nb 0.008%～0.02%，N 0.003%～0.008%，Al 0.002%～0.008%，Zr 0.001%～0.008%，Ti 0.008%～0.024%，Ca 0.0005%～0.004%，余量为Fe及其他不可避免杂质元素；所述钢中(Ca,Al,Ti,Zr)O_x‑MnS夹杂物尺寸为0.31～2.7μm，面密度为695～1404个/mm²；所述钢的焊接热影响区组织中针状铁素体含量高于60%。本钢中(Ca,Al,Ti,Zr)Ox‑MnS夹杂物可以起到钉扎奥氏体晶界和促进针状铁素体形成的作用；钢板焊接热影响区组织中针状铁素体的形成能细化焊接热影响区晶粒，微裂纹解理跨越针状铁素体时会发生偏转，裂纹扩展需要更高的能量，钢板钢焊接热影响区表现出良好的低温冲击韧性。

Description

大线能量焊接用海洋工程用钢及其制备方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金领域，尤其是一种大线能量焊接用海洋工程用钢及其制备方法。

背景技术

海洋平台是在海洋上进行作业的特殊场所，主要用于海上油气的钻探和开发。随着我国海洋开发的不断发展，对海洋平台用钢的需求量不断增加，当面海洋平台用钢每年需求总量在400万吨以上。数量如此巨大的钢板需要加工转变为有给定功能的产品，甚至是高、精、尖产品，需要有极高水平的加工技术作为支持，这就为钢板的焊接技术提出了新的要求，即要求钢板可以采用提高焊接效率的电渣焊、埋弧焊或气电立焊等大线能量焊接技术。

可大线能量焊接用钢一般是指线能量大于50kJ/cm的钢板，大线能量焊接时由于高温停留时间长，相变冷却速率慢，钢板焊接热影响区（HAZ）的奥氏体晶粒迅速长大，导致焊接HAZ的冲击韧性急剧下降。1990年，日本学者首先提出“氧化物冶金”概念，其技术原理是利用钢中生成的细小弥散的非金属夹杂物作为核心，促进钢冷却过程中针状铁素体的异质核心，并且可以钉扎晶界，从而达到抑制奥氏体晶粒长大的目的。

日本专利文献JP3378433公开了一种改善厚钢板焊接热影响区低温冲击韧性的方法，通过添加Mg生成MgO粒子，该类粒子可在焊接过程高达1400℃加热室，奥氏体晶粒的长大收到抑制，焊接热影响区韧性得到改善。专利文献CN104404369A公开了一种可大线能量焊接用厚钢板及其制造方法，向钢中添加Mg、Ca等元素，但钢板在输入线能量为200kJ/cm，-40℃时焊接热影响区的平均冲击功只有50J。专利文献CN102839320A公开了一种大线能量焊接用钢板及其制造方法，通过添加B元素，B元素易偏析至晶界，增强晶界淬透性，减少晶界膜状铁素体的形成，提高低温韧性，在200KJ/cm的大线能量焊接条件下，钢板焊接热影响区在-20℃的平均冲击功为150J，但B元素偏析会给热处理过程提出严格的要求。专利文献CN102839330A公开了800MPa级高强度大线能量焊接用厚板，通过提高钢中Ni的含量，促进下贝氏体内碳化物的析出并且使其均匀分布，从而改善韧性，但钢板中较高的Ni含量使生成成本相对较高。专利文献CN103031491A公开了一种无铬微钼高强大线能量钢板及其制造方法，通过添加Cr、Ni、Mo等提高钢板淬透性元素，有效地的强化了钢板的强度，但其适用焊接输入能量仅为50～100KJ/cm。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可承受200kJ/cm～300kJ/cm焊接线能量输入的大线能量焊接用海洋工程用钢；本发明还提供了一种大线能量焊接用海洋工程用钢的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的化学成分的质量百分含量为：C 0.04%～0.11%，Si 0.13%～0.22%，Mn 1.1%～2.1%，P≤0.012%，S≤0.015%，Nb 0.008%～0.02%，N0.003%～0.008%，Al 0.002%～0.008%，Zr 0.001%～0.008%，Ti 0.008%～0.024%，Ca0.0005%～0.004%，余量为Fe及其他不可避免杂质元素；

所述钢中(Ca,Al,Ti,Zr)O_x-MnS夹杂物尺寸为0.31～2.7μm，面密度为695～1404个/mm²；所述钢的焊接热影响区组织中针状铁素体含量高于60%。

本发明方法包括冶炼、浇铸、轧制和冷却工序；

所述冶炼工序：采用海绵Zr进行预脱氧，预脱氧后加入海绵Ti；

所述轧制工序：采用两阶段轧制；粗轧阶段开轧温度为1000～1100℃，累计压下率≥30%；精轧阶段开轧温度为850～950℃，累计压下率≥45%。

本发明方法所述浇铸工序，浇铸速率≤1kg/s。

本发明方法所述冷却工序，轧后以10～20℃/s的速率水冷至400～650℃。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明成分中Zr、Ti和Ca在冶炼和浇铸过程中会形成大量细小弥散分布的高熔点复合氧化物，与凝固过程中析出的MnS形成(Ca,Al,Ti,Zr)Ox-MnS夹杂物；该类夹杂物尺寸在0.31～2.7μm之间、面密度在695～1404个/mm²之间，可以起到钉扎奥氏体晶界和促进针状铁素体形成的作用；钢板焊接热影响区组织中针状铁素体含量高于60%，针状铁素体的形成能细化焊接热影响区晶粒，微裂纹解理跨越针状铁素体时会发生偏转，裂纹扩展需要更高的能量，钢板钢焊接热影响区表现出良好的低温冲击韧性；在输入线能量为200kJ/cm和300kJ/cm的条件下，钢板焊接热影响区-40℃下的平均夏比冲击功分别大于163J和93J。

本发明方法所得钢板在输入线能量为200kJ/cm和300kJ/cm的条件下，钢板焊接热影响区-40℃下的平均夏比冲击功分别大于163J和93J，可广泛用于海洋平台建设等海洋工程领域。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为实施例3焊接热影响区在光学显微镜100倍下观察到的组织图；

图2为实施例3焊接热影响区在光学显微镜200倍下观察到的组织图；

图3为实施例3焊接热影响区在电子显微镜下观察到的组织和对应的面扫描分析图。

具体实施方式

实施例1－9：本大线能量焊接用海洋工程用钢及其制备方法具体如下所述。

（1）本海洋工程用钢化学成分的质量百分含量为：C 0.04%～0.11%，Si 0.13%～0.22%，Mn 1.1%～2.1%，P≤0.012%，S≤0.015%，Nb 0.008%～0.02%，N 0.003%～0.008%，Al0.002%～0.008%，Zr 0.001%～0.008%，Ti 0.008%～0.024%，Ca 0.0005%～0.004%，余量为Fe及其他不可避免杂质元素。各实施例钢中具体的化学成分见表1。

表1：各实施例钢中化学成分（wt%）

所述钢中(Ca,Al,Ti,Zr)O_x-MnS夹杂物尺寸为0.31～2.7μm；当夹杂物尺寸＜0.31μm时，不能作为形核核心促进焊接热影响区针状铁素体形成；当夹杂物尺寸＞2.7μm时，较大的夹杂物会在冲击实验过程中作为裂纹的起源，明显降低钢板的低温冲击韧性。所述钢中(Ca,Al,Ti,Zr)O_x-MnS夹杂物面密度为695～1404个/mm²；当夹杂物面密度＜695个/mm²时，会导致夹杂物含量不足，不能较好的发挥钉扎奥氏体晶界和促进针状铁素体形成的作用；当夹杂物面密度＞1404个/mm²时，会导致钢板中夹杂物含量过高，钢板的冶金质量下降。所述钢的焊接热影响区组织中针状铁素体含量高于60%；通过控制焊接热影响区中针状铁素体含量高于60%，可以显著抑制组织中韧性较差的晶界铁素体、侧板条铁素体、板条贝氏体和粒状贝氏体的形成，有利于高钢板焊接热影响区的低温冲击韧性的提高。

（2）方法工艺：包括冶炼、浇铸、轧制和冷却工序；各工序工艺如下所述。

A、冶炼工序：在真空感应炉内的坩埚内放入工业纯铁，将炉内抽真空至11Pa及以下，通电升温开始熔炼；熔清后通入氩气至0.01～0.03MPa，加入海绵Zr进行预脱氧，钢中氧含量控制在0.001～0.005%；然后，加入海绵Ti；最后依次加入工业Si、电解Mn、C粉、Fe-Nb合金进行合金化操作。

上述工艺中，采用海绵Zr进行预脱氧，将钢中氧含量控制在0.001～0.005%之间，然后加入海绵Ti，Ti会与氧形成TiO_x夹杂物；当氧含量＞0.005%时，TiO_x夹杂物尺寸较大，会降低钢板纯净度，不利于冲击韧性改善；当氧含量＜0.001%时，会导致TiO_x无法在液相中析出，无法作为(Ca,Al,Ti,Zr)O_x-MnS夹杂物的形核核心。

B、浇铸工序：将Si-Ca粉平铺于锭模底部，浇铸速率≤1kg/s；浇铸速率不宜过快，否则会降低Ca在钢液中的熔化时间，使Ca的收得率严重下降。

C、轧制工序：将铸锭加热至1050～1250℃，经高压水除鳞后，进行两阶段轧制，即粗轧和精轧。粗轧阶段开轧温度为1000～1100℃，累计压下率≥30%；是为了钢板在奥氏体区发生充分的再结晶，细化奥氏体晶粒。精轧阶段开轧温度为850～950℃，是为了在低温奥氏体区获得压扁的奥氏体晶粒；累计压下率≥45%，是为了增加奥氏体的形变储能，利用所形成的位错为后续的铁素体晶粒的细化提供形核位置和能量。

D、冷却工序：轧后以10～20℃/s的速率水冷至400～650℃。

各实施例方法工艺的具体参数见表2。

表2：各实施例工艺参数

（3）产品性能：各实施例所得钢板的(Ca,Al,Ti,Zr)O_x-MnS夹杂物尺寸、(Ca,Al,Ti,Zr)O_x-MnS夹杂物面密度、焊接热影响区组织中针状铁素体含量以及焊接热影响区在-40℃下的冲击性能见表3。

表3：各实施例的产品性能

所述表3中，夹杂物为(Ca,Al,Ti,Zr)O_x-MnS夹杂物，针状铁素体含量为焊接热影响区组织中针状铁素体含量。

由表3可见，在输入线能量为200kJ/cm和300kJ/cm的条件下，钢板焊接热影响区-40℃下的平均夏比冲击功分别大于163J和93J。

图1～2分别为实施例3所得产品焊接热影响区在光学显微镜下100倍和200倍下观察到的组织图，在图中可以明显看出，实施例3所得产品焊接热影响区组织中含有大量的针状铁素体组织，针状铁素体能有效分割原奥氏体晶粒成为许多细小独立的区域，在稍低温度下形成的贝氏体被限制在这些细小区域内，从而获得了细小晶粒的针状铁素体和贝氏体的混合组织，该类混合组织的有效晶粒尺寸远小于原奥氏体晶粒尺寸，细小晶粒的产生会明显提高钢板焊接热影响区冲击韧性。

图3为实施例3所得产品焊接热影响区在电子显微镜下观察到的组织和对应的面扫描分析图，在图中可以明显看出，实施例3所得产品焊接热影响区析出的夹杂物可以诱发针状铁素体（AF）形核析出；从面扫描结果中可以看出，该类夹杂物中心为(Ca,Al,Ti,Zr)Ox，外层包括有MnS，形成(Ca,Al,Ti,Zr)Ox-MnS复合夹杂物。

Claims

1. 一种大线能量焊接用海洋工程用钢，其特征在于，其化学成分的质量百分含量为：C0.04%～0.11%，Si 0.13%～0.22%，Mn 1.1%～2.1%，P≤0.012%，S≤0.015%，Nb 0.008%～0.02%，N 0.003%～0.008%，Al 0.002%～0.008%，Zr 0.001%～0.008%，Ti 0.008%～0.024%，Ca 0.0005%～0.004%，余量为Fe及其他不可避免杂质元素；

所述钢中(Ca,Al,Ti,Zr)O_x-MnS夹杂物尺寸为0.31～2.7μm，面密度为695～1404个/mm²；所述钢的焊接热影响区组织中针状铁素体含量高于60%；

所述钢的制备方法包括冶炼、浇铸、轧制和冷却工序；

所述冶炼工序：采用真空感应炉进行冶炼，采用海绵Zr进行预脱氧，预脱氧后加入海绵Ti；

所述浇铸工序：将Si-Ca粉平铺于锭模底部，浇铸速率≤1kg/s；

2.权利要求1所述大线能量焊接用海洋工程用钢的制备方法，其特征在于：其包括冶炼、浇铸、轧制和冷却工序；

所述浇铸工序：将Si-Ca粉平铺于锭模底部，浇铸速率≤1kg/s；

3.根据权利要求2所述的大线能量焊接用海洋工程用钢的制备方法，其特征在于：所述冷却工序，轧后以10～20℃/s的速率水冷至400～650℃。