CN100434561C - 大线能量焊接水电站压力管用钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水电站压力管用钢及其制造方法。其解决目前存在的含有昂贵的合金元素Mo、V等合金元素，使制造成本高；不能承受大线能量焊接等先进的焊接工艺；钢的化学成分复杂，工艺难控制等不足。技术措施：水电站压力管用钢的化学成分重量百分比为：C：0.04～0.12，Si：0.10～1.00，Mn：1.10～2.00，Cr≤2.00，Ni：0.26～0.50，Cu≤0.50，Ti：0.01～0.04，Nb≤0.05，B：0.0005～0.003，N：0.0003～0.005，O：0.003～0.007，P≤0.02，S≤0.015，化学成分应满足以下关系式：(1)：3C+Mn≤Cr+Ni+2Cu≤3.5%；(2)：N+Nb≤3.4Ti+B；(3)：C+Mn/6+Cr/5+(Ni+Cu)/15≤0.55%。

Description

大线能量焊接水电站压力管用钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及低合金钢，尤其属于采用大线能量焊接的水电站压力管用钢及其制造方法。

背景技术

水电站压力钢管、岔管及蜗壳等钢结构处于潮湿及弱酸性环境中，易受环境中氧、水和酸性物质的化学及电化学作用而引起腐蚀。为提高结构钢耐腐蚀性能，国内外研制出各种耐腐蚀结构钢。目前我国水电站建设中压力钢管、岔管及蜗壳等钢结构多用耐腐蚀较差的钢制造。另外，水电站压力管制造中，需要大量的焊接工作，为提高焊接效率和改善现场焊接作业环境，广泛采用先进的大线能量焊接技术，为此，要求压力钢管用钢能够适应不同的焊接规范，具有良好的焊接性能。随着国民经济的快速发展，这些钢结构向高强度、大型化方向发展，因此研制生产高强度即屈服强度≥500MPa、耐腐蚀并具有优异焊接性能的水电站压力钢管用钢势在必行。

在本申请以前，中国专利99107807.1介绍了“高韧性、高耐磨蚀性浆体管线用钢的制造方法”，通过冶炼、锻造、热轧、冷却后卷取等工艺过程生产，其化学成分按重量百分比为：C：0.02～0.05，Mn：0.50～1.0，Si：0.15～0.45，Cr：0.50～0.80，Cu：0.15～0.40，Ni：0.10～0.25，Mo：0.15～0.30，Nb：0.02～0.05，Ca：0.0010～0.0080，N：0.0070～0.03，Ti：0.01～0.022，S≤0.0060，卷取温度为540±20℃。利用固溶氮及氮化物的析出获得一定的强度。其不足之处在于，因含有昂贵的合金元素Mo，提高了制造成本。另外，该钢能够适应的焊接范围较小，不能承受大线能量焊接等先进的焊接工艺，因而不能用于水电站压力钢管、岔管及蜗壳的建设。中国专利94190577.2公开了“焊接部位的疲劳强度和焊接性优良的高强度钢及其制造方法”。其化学成分按重量百分比为：C：0.03～0.20，Si：0.6～2.00，Mn：0.60～2.00，Al：0.01～0.08，B：0.002以下，以及N：0.002～0.008以下，还可添加Cu、Mo、Ni、Cr、Nb、V、Ti、Ca及REM等合金元素，采用普通轧制或控制轧制方法制造。不足在于：其一，钢的化学成分复杂，生产过程难于控制，增加了生产成本；其二，含有昂贵的合金元素Mo、V等，不是一种经济型钢；其三，因含有合金元素Al、REM等强氧化性合金元素，浇铸过程形成的氧化物容易堵浇铸水口，生产不安全。中国专利98802878.6公开了“高抗拉强度钢及其生产方法”，抗拉强度高于900MPa，其化学成分按重量百分比为：C：0.02～0.10，Si≤0.60，Mn：0.20～2.50，Ni：0.20～1.20，Nb：0.01～0.10，Ti：0.005～0.03，Al≤0.10，N：0.001～0.006，Cu：0～0.60，Cr：0～0.80，Mo：0～0.60，V：0～0.10，B：0～0.0025，Ca：0～0.006，P≤0.015，S≤0.003。  不足在于钢的化学成分很复杂，致使生产工艺难以控制，并要求钢的S含量不高于0.003，增加了生产难度；钢的抗拉强度大于900MPa，其延迟断裂强度降低，不利于在水电站潮湿弱酸性环境下使用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种能够采用大线能量焊接、耐腐蚀并具有优异焊接性能的大线能量焊接水电站压力管用钢及其生产方法。

实现上述目的的技术措施：

大线能量焊接水电站压力管用钢，其特征在于其钢种的的化学成分重量百分比为：C：0.04～0.12％，Si：0.10～1.00％，Mn：1.10～2.00％，Cr≤2.00％，Ni：0.26～0.50％，Cu≤0.50％，Ti：0.01～0.04％，Nb≤0.05％，B：0.0005～0.003％，N：0.0003～0.005％，0：0.003～0.007％，P≤0.02％，S≤0.015％，化学成分应满足以下关系式：

(1)：3C+Mn≤Cr+Ni+2Cu≤3.5％

(2)：N+Nb≤3.4Ti+B

(3)：C+Mn/6+Cr/5+(Ni+Cu)/15≤0.55％。

其在于0化学成分重量百分比为：0.003～0.005％。

其在于Ni化学成分重量百分比为：0.30～0.40％。

其在于N化学成分重量百分比为：0.0005～0.003％。

其在于N化学成分重量百分比为：0.0009～0.0015％。

其在于Mn化学成分重量百分比为：1.35～1.70％。

其在于该钢的金相组织按体积百分比为15～70％无碳化物贝氏体+20～70％针状铁素体+≤10％多边形铁素体。

生产大线能量焊接水电站压力管用钢的方法，其生产步骤：

1)、进行初轧：采用开轧温度≥1160℃；

2)、进行精轧：950℃以上轧制总压下率≥40％；

3)、进行终轧：950℃以下轧制总压下率≥60％；

4)、终轧后采用水冷却，冷却速度控制在8～20℃/秒，冷却至300℃～650℃；

5)、进行空气冷却并至室温。

本发明主要合金元素含量的设定依据以下原理。

本发明的的关键在于Ti与O结合生成Ti₂O₃，Ti₂O₃在大线能量焊接时，促使焊接接头金相组织为相互交错的针状铁素体的形成，使接头的抗拉强度及低温冲击韧性大幅提高。

加入适量的Cr、Ni及Cu等合金元素，与环境中氧的作用，钢表面可形成一层致密的复合钝化薄膜，能有效阻碍内部金属受到腐蚀。3C+Mn≤Cr+Ni+2Cu≤3.50％(重量百分比)，保证形成致密钝化薄膜且避免生产过程中形成珠光体。

C是钢中最有效、最经济的间隙强化元素之一，为了提高钢的强度，似乎只要增加钢中的碳含量即可，但是过量的C含量会使钢的焊接性能及断裂韧性显著降低，相反，如果C含量过低，则难于保障钢的强度，综合平衡钢的强度、焊接性能及断裂韧性，将C的重量百分比取值范围确定为：0.04～0.12％。

Si是一种经济的置换固溶强化元素，我国资源很丰富，加入钢中可显著提高钢的强度，且对钢的焊接性能没有明显的负面影响，但如果过多地加入Si，如其重量百分比含量超过1.00，会使钢的韧性，尤其使低温韧性明显降低，综合钢的强度及韧性两方面的考虑，将Si的成分重量百分比范围确定为：0.10～1.00％。

Mn不仅可以增加钢的强度，还可以降低钢的相变温度，通过控制轧制过程，细化晶粒，在提高钢的强度同时提高其断裂韧性，但当Mn含量超过2.00，会增加钢的淬硬性，在钢的组织中形成较多的马氏体组织，降低韧性及焊接性能，故将Mn的重量百分比设定为：1.10～2.00。

Cu、Ni、Cr可提高钢的淬透性及抗腐蚀性能，Ni可显著提高钢母材及焊接接头的低温韧性，但Ni属贵重金属，我国Ni资源匮乏，结构钢中不宜多加，Cr虽可提高钢的耐腐蚀性能，但过多的Cr含量对钢的焊接性能不利，过多的Cu含量易使钢产生热裂纹，降低钢的韧性，综合权衡各合金元素的利弊，将Cu、Ni及Cr的重量百分比分别设定为Cu≤0.50％、Ni0.26～0.50％和Cr≤2.00％。

钢中加入微量的Nb，主要目的在于提高钢的再结晶温度，使轧制可在较高温度完成，减小轧制机械设备的轧制抗力，延长使用寿命，微量的Nb还具有细化晶粒提高强度和韧性的作用，但过量的Nb含量不利于钢的焊接性能，因此将Nb的重量百分比控制在≤0.050％。

Ti与N结合形成高温稳定的TiN相，可有效细化焊接接头的晶粒，进一步提高焊接接头的机械性能。但过量的Ti、N含量会使钢的韧性显著降低，因此将钢中Ti、N的重量百分比分别限定在0.01～0.04％及0.0003～0.005％范围。

B是提高钢的淬透性最强烈的元素，加入微量的B，通过采用本发明所述生产方法，可以获得所需要的组织，即按体积百分比为约15～70％无碳化物贝氏体+20～70％针状铁素体+≤10％多边形铁素体，使钢的屈服强度高于500MPa，过高的B含量易导致硼脆，降低钢的韧性，故将钢的B重量百分比限定在0.0005～0.003％。

P、S是钢中有害的杂质元素，降低钢的韧性及焊接性能，含量越低越好，但若将其含量限定得过低，会增加生产难度，提高生产成本，因此在不影响韧性及焊接性能的前提下，将钢得P、S重量百分比分别限定在≤0.02％及≤0.015％常规范围。

钢的化学成分须满足关系式：N+Nb≤3.4Ti+B，目的在于通过化学成分设计拓宽钢的焊接范围，不仅可以采用普通焊接工艺如手弧焊等，还可以采用先进的大线能量焊接技术如气电立焊等。

本发明钢的化学成分须满足关系式：C+Mn/6+Cr/5+(Ni+Cu)/15≤0.55％，目的在于通过化学成分设计在保证钢具有屈服强度高于500MPa及良好的耐腐蚀性能的前提下，使钢具有尽可能低的碳当量和优异的焊接性能，采用大线能量焊接本发明钢不会产生焊接裂纹。

本发明能够获得单一的同类型铁素体组织，抑制珠光体组织及其它碳化物的形成，从而避免了不同组织、不同相之间较高的电位差，获得优异的耐腐蚀性能。

以下简述生产方法所依据的原理。

将开轧温度设定为高于1160℃，一般在1160℃～1230℃开始粗轧，因为将设定过低，会有一些第二相沉淀析出，在轧制过程中产生裂纹，造成废品。另一方面，若开轧温度过低必将导致精轧温度降低，过低的终轧温度易形成部分特别粗大的晶粒，使得钢的机械性能降低。实际生产中，为节约能源及设备加热能力所限，一般不会将铸坯温度加热到高于1300℃，因此只要设定开轧温度下限即可。

由于添加了适量的合金元素Nb，将钢的非再结晶温度提高到950℃，950℃以上的轧制为粗轧，950℃以下的轧制为精轧，粗轧过程为再结晶轧制，压下率要求高于40％目的在于破碎粗大的晶粒，消除铸态组织，使晶粒均匀，为精轧作准备。精轧压下率要求高于60％，目的在于通过大压下量，尽可能细化晶粒，并得到无碳化物贝氏体及针状铁素体组织。终轧后水冷至300℃～650℃，可保持终轧时的细小晶粒，抑制晶粒长大，获得优良的综合机械性能、焊接性能及耐腐蚀性能。

本发明钢具有如下优点：

1、化学成分相对简单，生产工艺过程容易操作；

2、由于没有添加价格较昂贵的Mo、V、Zr等合金元素，故生产成本较低，适宜规模生产。

3、具有比目前使用的压力钢管、岔管及蜗壳更优地耐腐蚀性能，延长钢结构的使用寿命。

4、适用于大线能量焊接，提高焊接效率，改善操作人员的工作环境。

5、屈服强度大于500MPa、焊接性能优良、不会产生焊接裂纹。

Claims (8)

1、大线能量焊接水电站压力管用钢，其特征在于该钢种的化学成分重量百分比为：C：0.04～0.12％，Si：0.10～1.00％，Mn：1.10～2.00％，Cr≤2.00％，Ni：0.26～0.50％，Cu≤0.50％，Ti：0.01～0.04％，Nb≤0.05％，B：0.0005～0.003％，N：0.0003～0.005％，O：0.003～0.007％，P≤0.02％，S≤0.015％，化学成分应满足以下关系式：

(1)：3C+Mn≤Cr+Ni+2Cu≤3.5％

(2)：N+Nb≤3.4Ti+B

(3)：C+Mn/6+Cr/5+(Ni+Cu)/15≤0.55％。

2、根据权利要求1所述的大线能量焊接水电站压力管用钢，其特征在于O化学成分重量百分比为：0.003～0.005％。

3、根据权利要求1所述的大线能量焊接水电站压力管用钢，其特征在于Ni化学成分重量百分比为：0.30～0.40％。

4、根据权利要求1所述的大线能量焊接水电站压力管用钢，其特征在于N化学成分重量百分比为：0.0005～0.003％。

5、根据权利要求1所述的大线能量焊接水电站压力管用钢，其特征在于N化学成分重量百分比为：0.0009～0.0015％。

6、根据权利要求1所述的大线能量焊接水电站压力管用钢，其特征在于Mn化学成分重量百分比为：1.35～1.70％。

7、根据权利要求1所述的大线能量焊接水电站压力管用钢，其特征在于该钢的金相组织按体积百分比为15～70％无碳化物贝氏体+20～70％针状铁素体+≤10％多边形铁素体。

8、生产权利要求1所述的大线能量焊接水电站压力管用钢的方法，其生产步骤：

1)、进行初轧：采用开轧温度≥1160℃；

2)、进行精轧：950℃以上轧制总压下率≥40％；

3)、进行终轧：950℃以下轧制总压下率≥60％；

4)、终轧后采用水冷却，冷却速度控制在8～20℃/秒，冷却至300℃～650℃；

5)、进行空气冷却并至室温。