CN101215624B - 一种高强韧厚钢板的在线淬火生产工艺方法 - Google Patents
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Abstract
一种高强韧厚钢板的在线淬火生产工艺方法,属于低合金钢生产工艺领域,它是将钢坯加热至1100℃~1250℃;分奥氏体再结晶区和未再结晶区两阶段轧制成钢板,终轧温度为860℃~950℃;采用气雾及水幕两阶段冷却方式实现钢板在线淬火,冷却区平均冷却速度为25~45℃/s,温度降至150℃~300℃的淬火终止;对淬火后的钢板高温下回火。此发明工艺克服了常规调质处理方式生产周期长、成本高及TMCP工艺生产高强韧钢板性能稳定性差的缺点,可以生产性能稳定的20mm~50mm高强高韧钢板。生产流程短、能耗低,可广泛用于制造冶金、石化、水电及船舶等行业所需钢板。
Description
技术领域
本发明属于低合金钢生产工艺领域,涉及到高强韧厚钢板的在线淬火制造方法。
背景技术
近年来随着世界能源危机的加剧,冶金行业作为能耗大户,产能扩充与能源匮乏之间产生了严重的矛盾,节能降耗高效的生产工艺成为冶金企业的主要研究方向。
目前高强高韧厚钢板生产主要采用离线再加热淬火+回火的调质处理生产方式,生产周期较长,能耗大。也有研究采用非调质工艺生产高强度钢板,如2001年的中国专利(ZL 01128316.5)“大线能量焊接非调质高韧性低温钢及其生产方法”,采用正火+回火方式。此专利的不足之处在于正火+回火生产工艺仍然不能摆脱生产周期长,能耗大的缺点。又如2006年的中国专利申请(申请号为200610092574.1)“具有高屈服强度的非调质钢板”,及2005年的中国专利申请(申请号为200510047195.6)“大线能量低焊接裂纹敏感型厚钢板及其生产方法”。此两个专利的不足之处在于,钢板采用TMCP方式生产,对生产过程中各工艺参数,如加热温度、各阶段轧制温度、压下率及轧后冷却参数等均有较严格的要求,工艺控制困难,钢板性能不稳定,焊接性能差,不能保证工程结构施工的高效率与高安全性,特别是不能作为冶金、能源、石化、化工、水电等行业对安全性能要求较高的承压部件材料。
随着高强度钢板市场需求越来越大,且冶金行业节能降耗呼声越来越高,高强高韧厚钢板的生产急需一种低成本、低能耗、快节奏且能保证钢板性能稳定性的工艺。
发明内容
本发明的目的是提供一种高强韧厚钢板的在线淬火生产工艺方法,该方法能够克服传统调质工艺、正火+回火工艺及TMCP工艺等生产方式之不足,具有低成本、低能耗、快节奏的特点,配合合适的化学成分设计,使其既能保证高强度、高韧性和良好的焊接性能等要求,提高工程结构的施工效率和安全可靠性,又能简化生产工艺、缩短生产流程、降低生产能耗,适合大生产操作。
为达到上述目的,本发明设计了在线淬火工艺生产高强韧厚钢板。在线淬火工艺采用的成分设计是:利用极少量的Nb、V、Ti复合微合金化,添加少量Mo、B等提高厚钢板的淬透性,配合后期的控制轧制,充分利用轧制后钢板的余热,利用气雾及水幕两阶段冷却实现钢板≥25℃/s的快速冷却,使钢板在线淬火,节省了同类钢板下线再加热淬火的工序,提高了生产效率,节约了能源。
本发明的技术方案是:该种高强韧厚钢板的在线淬火生产工艺方法,其特征在于,将钢坯加热至1100℃~1250℃;分奥氏体再结晶区和未再结晶区两阶段轧制成钢板,终轧温度为860℃~950℃;采用气雾及水幕两阶段冷却方式实现钢板在线淬火,冷却区平均冷却速度为25~45℃/s,温度降至150℃~300℃的淬火终止;对淬火后的钢板在580℃~650℃高温下回火。
前述方法中,所述的钢板成分按重量百分比为:C:0.05~0.15%,Si:0.15~0.35%,Mn:1.40~2.00%,P≤0.010%,S≤0.005%,Nb≤0.06%,V≤0.06%,Ti≤0.040%,及Ni≤0.40%,Mo≤0.20%,Cu≤0.70%,Cr≤0.50%,B:0.0005~0.0020%中的两种或两种以上,其余为Fe及不可避免的杂质。
前述方法中,所述的钢板厚度为20mm~50mm。
基于前述方法,本发明工艺采用气雾冷却+水幕冷却两阶段冷却方式实现在线淬火,有其独到的效果。
通常气雾冷却主要是利用高压风机产生一定压力、流量、流速的风与供水管中一定压力和流量的水(水温<35℃),在同时经过喷嘴时,利用射流原理使水和风完全混合,喷射出均匀、弥散、细密的气雾,在被冷却的轧件表面进行快速的热交换,带走轧件表面热量,从而缩短轧件的降温时间,使其在一定的可控时间范围内达到工艺要求的温度。
一般的冷却方式都力图使水穿透因汽化而形成的水膜,使水直接与轧件接触或使热轧件浸泡在冷却水中,带走热量,提高冷却效果。而气雾冷却在本发明中则是利用气流把水分散成液滴,形成气流膜层并带到整个轧件表面。它不是力图克服气流膜层,而恰恰是利用不断更新的气流膜层使轧件均匀快速地冷却。
气雾冷却在本发明中主要有以下优点:
(1)冷却均匀。用加压的空气使水流成雾状,对轧件进行“面”式的连续冷却,相对于“点”式和“线”式冷却方式具有较高的冷却均匀性;通过喷射角度的调节,可以实现水流冲击区的位置控制,实现轧件不同位置的不同冷速控制;压缩空气除了能够使水雾化外,还能排除槽内的滞留水,使轧件的冷却不均进一步得到改善。
(2)冷却强度大,冷却水的利用率高。在相同比水量条件下,气雾冷却由于水被压缩空气雾化,蒸发量大,水粒小,单位体积带走的热量大,以核沸腾传热为主,使换热系数提高,冷却速度快。
(3)冷却能力调整范围宽,可实现单独风冷、弱水冷和强水冷。
但是,为了实现在线淬火,提高生产效率,仅靠气雾冷却还不够,本发明提出了气雾及水幕两阶段冷却方式。
水幕冷却出水口沿轧件宽度方向为连续的整体板片状水流,为层流状态,水流没有相邻水柱在冲击钢板时形成的干扰,冷却能力强,冷却区短,冷却效率高,对水质要求不严。
水幕冷却在本发明中主要有以下优点:
(1)水幕为板状层流水流落到钢板表面上,沿宽向无干扰,冷却能力强,能充分发挥冷却水的冷却效率,从而缩短了冷却区长度,减少了喷头数量,节约水资源,而且其设备少、投资小。
(2)水幕冷却出水口沿钢板宽度方向为连续的整体板片状水流,因此钢板的横向冷却基本均匀。通过调整上、下水幕的流量比例,可使钢板上、下表面,纵、横向冷却都均匀,从而提高产品质量与合格率。
(3)可根据产品工艺要求改变每个水幕的水流幅度和流量,控制灵活。
(4)由于水幕间距较大,形成的冷却系统为间歇冷却,使钢板在冷却区反复淬火-回火,这有利于晶粒的细化和性能强化,可进一步挖掘钢材的内在潜力,提高经济效益。
采用气雾冷却+水幕冷却两阶段冷却方式,可以实现钢板在线淬火。这种组合冷却方式并不是简单的选择,而是有其内在的联系。气雾冷却在前,用加压的空气使水流成雾状,对轧件进行“面”式的连续冷却,这种均匀地速冷方式有利于保证钢板质量。水幕冷却在后,一方面水幕为板状层流水流落到钢板表面上,沿宽向无干扰,冷却能力强,能充分发挥冷却水的冷却效率,从而缩短了冷却区长度;另一方面,由于水幕间距较大,形成的冷却系统为间歇冷却,使钢板在冷却区反复淬火-回火,这有利于晶粒的细化和性能强化。
本发明的有益效果在于:
(1)在线淬火工艺生产高强高韧厚钢板,主要通过合理设计轧制、冷却及回火工艺实现钢板性能,对化学成分要求不严,可在较少合金含量的情况下实现钢板高强度、高韧性。
(2)采用轧后直接在线淬火工艺。以不低于25℃/s的冷却速率在线淬火,获得与常规调质钢同类型的高强高韧性组织,节省了同类钢板下线再加热淬火的工序,生产周期短、成本低,提高了生产效率,节约了能源。
(3)采用气雾、水幕两种冷却方式的合理配合,能够达到较高的冷却速度及较低的终冷温度,实现在线淬火,相对于TMCP工艺,冷却过程更容易控制,冷却更加均匀,获得的钢板性能更加稳定。
(4)轧后在线淬火工艺的采用,能够保留低温大压下终轧时钢板组织内部的高密度位错,为相变增加形核点,晶粒更细化。同时位错的保留也为回火时粒子的析出提供了条件。
具体实施方式
本发明采用在线淬火工艺生产高强韧厚钢板。其整体工艺流程为:优质铁水-KR铁水预处理-120吨顶底复吹转炉-CAS站吹氩处理-LF炉精炼-VD真空脱气处理-板坯浇铸-步进式加热炉-高压水除鳞-轧机粗轧-轧机精轧-在线淬火-强力矫直-精整-喷号标识-探伤-回火-取样检验-入库-发货。
生产钢板所需主要成分按重量百分比为:C:0.05~0.15%,Si:0.15~0.35%,Mn:1.40~2.00%,P≤0.010%,S≤0.005%,Nb≤0.06%,V≤0.06%,Ti≤0.040%,以及含有Ni≤0.40%,Mo≤0.20%,Cu≤0.70%,Cr≤0.50%,B:0.0005~0.0020%中的两种或两种以上,其余为Fe及不可避免的杂质。实施时,可按技术要求选择。
将钢坯加热至1100℃~1250℃,钢板通过粗轧机、精轧机轧制后,奥氏体晶粒充分细化。在钢板轧后高温状态下迅速进入ACC进行在线淬火。通过精准的计算机控制,实现工艺所要求的冷却速度、终冷温度等,使钢板达到淬火的效果。期间要控制好钢板的终轧温度,实现轧制与冷却的最佳配合。淬火后的钢板进行适当的回火处理,完全达到调质处理的效果。
轧制工艺:采用双机架控制轧制,粗轧机进行980℃以上完全再结晶区轧制,减少中间坯等待时间,防止再结晶奥氏体过分长大。精轧机进行未再结晶控轧,轧制温度控制在930℃~(Ar3+100℃),累积变形量≥60%,末道次之前道次变形率25%~30%。一般终轧温度为860℃~950℃。
在线淬火工艺:厚度为20mm~50mm的钢板出精轧机后尽快进入冷却区域,防止精轧后变形奥氏体过分长大及先共析铁素体的析出,保证淬火效果。冷却区域分一区气雾冷却阶段和二区水幕冷却阶段,利用一区气雾冷却的超快冷却速度实现钢板淬火,在二区水幕冷却阶段,通过钢板反复淬火+自回火过程,实现组织细化及厚度方向的均匀冷却。冷却区平均冷速25~45℃/s,终冷温度控制在150℃~300℃。
回火工艺:会同合金元素设计、控轧控冷工艺共同体现出钢板最后高强度和良好的塑性、韧性性能。回火工艺的控制保证组织有一定的内部位错,位错处析出细小的碳化物。部分碳化物从晶粒内部弥散析出,起到沉淀强化的作用,但是不能聚集长大。钢板回火温度580℃~650℃。
对按照本发明工艺要求所生产32mm高强高韧钢板做均匀性试验,在钢板长度方向头部、中部、尾部,宽度的两个边部、两个1/4处及1/2处,厚度方向1/4处和1/2处取样进行强度及低温韧性检验。检验结果见表1、表2。
表1 32mm钢板1/4厚度处力学性能
取样部位 | 钢板头部 | 钢板中部 | 钢板尾部 | ||||||||||||
Rp0.2MPa | RmMPa | A% | -20℃AKVJ | FA% | Rp0.2MPa | RmMPa | A% | -20℃AKVJ | FA% | Rp0.2MPa | RmMPa | A% | -20℃AKVJ | FA% | |
宽度边部 | 560 | 635 | 22 | 246 | 100 | 545 | 625 | 22 | 240 | 100 | 540 | 620 | 21 | 252 | 100 |
555 | 645 | 21.5 | 248 | 100 | 540 | 620 | 21.5 | 246 | 95 | 545 | 615 | 21 | 248 | 100 | |
1/4宽度 | 565 | 630 | 21 | 247 | 100 | 545 | 625 | 22 | 234 | 100 | 545 | 615 | 22 | 261 | 100 |
560 | 635 | 20.5 | 242 | 95 | 540 | 615 | 21 | 231 | 100 | 540 | 620 | 21 | 239 | 95 | |
1/2宽度 | 565 | 630 | 22 | 237 | 100 | 540 | 630 | 21 | 239 | 100 | 545 | 620 | 21 | 249 | 100 |
565 | 635 | 21 | 226 | 100 | 550 | 625 | 21 | 244 | 100 | 540 | 615 | 22 | 231 | 100 | |
3/4宽度 | 560 | 630 | 22 | 252 | 100 | 545 | 620 | 22 | 228 | 100 | 545 | 620 | 22 | 251 | 100 |
560 | 635 | 22 | 244 | 100 | 540 | 620 | 21 | 236 | 100 | 245 | 620 | 21 | 247 | 100 | |
宽度边部 | 560 | 640 | 21 | 240 | 100 | 535 | 620 | 22 | 247 | 100 | 540 | 615 | 22 | 251 | 100 |
565 | 630 | 22 | 237 | 100 | 545 | 625 | 21.5 | 244 | 100 | 540 | 620 | 21 | 247 | 100 |
注:冲击功是平均值。
表2 32mm钢板1/2厚度处力学性能
取样部位 | 钢板头部 | 钢板中部 | 钢板尾部 | ||||||||||||
Rp0.2MPa | RmMPa | A% | -20℃AKVJ | FA% | Rp0.2MPa | RmMPa | A% | -20℃AKVJ | FA% | Rp0.2MPa | RmMPa | A% | -20℃AKVJ | FA% | |
宽度边部 | 550 | 630 | 23 | 246 | 100 | 535 | 625 | 22 | 240 | 100 | 535 | 620 | 23 | 252 | 100 |
555 | 630 | 23 | 248 | 100 | 530 | 630 | 23 | 246 | 100 | 530 | 615 | 23.5 | 248 | 100 | |
1/4宽度 | 545 | 625 | 23 | 247 | 100 | 525 | 620 | 23 | 234 | 95 | 530 | 615 | 23 | 261 | 100 |
540 | 625 | 22.5 | 242 | 100 | 530 | 620 | 22.5 | 231 | 100 | 525 | 620 | 23 | 239 | 100 | |
1/2宽度 | 555 | 635 | 23.5 | 237 | 100 | 535 | 625 | 23.5 | 239 | 100 | 530 | 625 | 23 | 249 | 100 |
550 | 635 | 23 | 226 | 100 | 530 | 620 | 23 | 244 | 100 | 525 | 620 | 23 | 231 | 100 | |
3/4宽度 | 550 | 630 | 22.5 | 252 | 100 | 540 | 625 | 22.5 | 228 | 100 | 530 | 620 | 22 | 251 | 100 |
545 | 635 | 22 | 244 | 95 | 535 | 620 | 23 | 236 | 100 | 525 | 615 | 23 | 247 | 95 | |
宽度边部 | 550 | 630 | 23 | 240 | 100 | 530 | 630 | 22 | 247 | 100 | 525 | 620 | 22 | 251 | 100 |
545 | 635 | 23 | 237 | 100 | 530 | 630 | 23 | 244 | 100 | 535 | 625 | 23 | 247 | 100 |
注:冲击功是平均值。
试验结果表明,此发明工艺生产钢板具有高强度、高韧性,且钢板各部位及厚度方向性能均匀。
此发明工艺克服了常规离线再加热淬火+回火的调质处理生产方式及正火+回火工艺生产周期长、成本高的缺点,可以生产性能稳定的高强高韧厚钢板,弥补了TMCP工艺钢板性能稳定性方面的不足。此发明工艺成分要求不高、工艺操作简单,生产流程短、能耗低,便于在大生产中推广,可广泛应用于冶金、能源、城建、石化、化工、交通、机械、水电及船舶等行业所需高强高韧厚钢板的制造。
Claims (1)
1.一种高强韧厚钢板的在线淬火生产工艺方法,其特征在于,将钢坯加热至1100℃~1250℃;分奥氏体再结晶区和未再结晶区两阶段轧制成钢板,粗轧机进行980℃以上完全再结晶区轧制;精轧机进行未再结晶控轧,轧制温度控制在930℃~Ar3+100℃,累积变形量≥60%,末道次之前道次变形率25%~30%;终轧温度为860℃~950℃;采用气雾及水幕两阶段冷却方式实现钢板在线淬火,冷却区平均冷却速度为25~45℃/s,温度降至150℃~300℃淬火终止;对淬火后的钢板在580℃~650℃高温下回火;
所述的钢板成分按重量百分比为:C:0.05~0.15%,Si:0.15~0.35%,Mn:1.40~2.00%,P≤0.010%,S≤0.005%,Nb≤0.06%,V≤0.06%,Ti≤0.040%,以及Ni≤0.40%、Mo≤0.20%、Cu≤0.70%、Cr≤0.50%、B:0.0005~0.0020%中的两种以上,其余为Fe及不可避免的杂质。
2. 根据权利要求1所述的生产工艺方法,其特征在于:所述钢板厚度为20mm~50mm。
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