CN101397626A - 高强度高韧性热轧钢板及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高强度高韧性热轧钢板，其化学成份及各成份的重量百分比为：碳：0.03～0.09％；硅：0.15～0.35％；锰：1.40～2.0％；铝：0.02～0.05％；铌：0.05～0.13％；钛：0.010～0.025％；铜：≤0.30％；铬：≤0.30％；磷：≤0.012％；硫：≤0.004％；氮：≤0.004％；其余均为铁；且碳当量Ceq应不大于0.44，裂纹敏感指数Pcm应不大于0.23，其生产步骤为：铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、RH(VD)处理、板坯连铸、板坯再加热、温度控制轧制、控制冷却、热矫直、冷床冷却、堆冷；其优点是：可省略钼、节约镍，降低合金成本；钢板焊接性量好；轧制效率高；生产控制精确。

Description

高强度高韧性热轧钢板及其生产方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，涉及一种微合金化高强度低合金控轧控冷钢的技术领域，尤其涉及到一种高强度、高韧性和可焊性的热轧钢板，如大口径X70以上管线钢、压力容器用钢板、海洋结构用钢板、高强度桥梁板和工程机械用钢等生产方法。

背景技术

近年来，在钢板应用领域随着结构件日益大型化、压力容器日益高能率化、石油天然气输气管大口径和高输气压力化，以及应用环境低温化发展趋势，要求在提高钢板强度、降低钢结构重量的同时，要求钢板具有更高的韧性指标，特别是其低温韧性，以保证钢板使用过程的安全性。此外，对一些焊接钢板还要求有良好的焊接性能，以降低钢结构和管线等的制造成本。以中国即将开工年输气量达300亿立方米的“西气东输二线”为例，该管线全长7000多公里，干线长4000公多公里，输气压力12MPa、输气管直径1219mm、钢级X80，壁厚18.4mm以上，其中2类地区以上会采用壁厚22mm以上直缝焊管。采用大口径输气管和高输送压力主要是为了提高管线运行的经济效率，但这要求采用大壁厚和大宽度钢板，并有高强度、高韧性和可焊性的性能保证。在大口径管线工程中，25％～40％的工程成本与材料有关，因此，降低材料成本对工程成本有举足轻重的影响。

通过微合金化结合控轧控冷工艺生产高强韧性钢是近20年来的一大主流技术。采用纯洁净钢炼钢技术，以及铌、钒、钛等元素微合金化和控轧控冷技术，生产的具有高性能的新型低合金高强韧性工程结构用钢具有以下属性：(1)含碳量低，具有良好的冷热成型性和焊接性；(2)钢中添加少量的碳、氮化合物形成元素铌、钒、钛、铝等，采用了晶粒细化和析出强化提高钢的强韧化性；(3)钢的屈服强度大于345MPa；(4)采用热轧状态交货，而无需其它热处理过程进行调质处理，从而减少工序和能耗，达到降低制造成本。该钢种由于高效、节约合金元素和能源及在生产过程中向大气释放二氧化碳量少，是一种环境友好型的钢铁材料，已广泛地应用于桥梁、建筑、船舶、车辆、压力容器、采油平台、输油管道等各种工程结构。由于上述用途钢材的需求量一般占社会对钢材总需求量的60％左右，所以微合金钢的应用前景广阔，是现代钢铁工业中的主力产品。但现有技术中，这种高强度、高韧性、可焊性好的热轧钢板中所含的钼、钒和镍等微量金属元素，其价格大多比较昂贵，因此使得该产品的成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用低成本微合金元素配方，即采用低碳、高锰、高铌、无钼、无钒、无镍或低镍配方生产成本的高强度高韧性热轧钢板。

本发明的另一目的在提供一种采用低成本微合金元素配方，并通过控轧控冷等工艺生产高强度低合金的高控轧控冷钢，

为实现本发明的目的，一种高强度高韧性热轧钢板，其化学成份及各成份的重量百分比为：碳：0.03～0.09％，硅：0.15～0.35％，锰：1.40～2.0％，铝：0.02～0.05％，铌：0.05～0.13％，钛：0.010～0.025％，铜：≤0.30％，铬：≤0.30％，磷：≤0.012％，硫：≤0.004％，氮：≤0.004％，其余均为铁，且碳当量Ceq应不大于0.44，裂纹敏感指数Pcm应不大于0.23；镍：≤0.25％；钒：≤0.06％。

为实现本发明的另一目的，一种高强度高韧性热轧钢板的生产方法包括步骤为：设计成份进行配比备料，然后铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、RH(VD)处理、板坯连铸、板坯再加热、温度控制轧制、控制冷却、热矫直、冷床冷却、堆冷，在温度轧制及冷却控制中，轧制过程中坯料的平均温度最有价值，利用表面测量温度受厚度的影响，以下温度控制皆为平均温度；板坯再加热温度控制在：1180-1260℃；粗轧结束温度1100-1220℃；精轧开始温度840-1000℃，精轧阶段总的压缩比≥65％，其结束温度800-930℃；终冷温度500-600℃，冷却速率8-25℃/s。

本发明的优点是：

1、由于采用高Nb低C，充分利用Nb的析出强化及对钢的相变的影响，获得细小的具有高密度位错的针状铁素体+贝氏体+第二相组织，从而代替Mo对相变的影响，达到不加入Mo的效果，大大降低了合金成本；

2、由于本发明中的Ni元素可加可不加，因此，Ni的加入量对强度的影响不大，加入的Ni主要是减少因Cu导致的铸坯及钢板表面热脆倾向，但本发明中Cu的含量亦不是很高，因而可以考虑不加，达到降低成本的效果；

3、由于采用了低碳、高铌和微钛处理的简单合金化设计，降低了钢板的冷裂纹的敏感性，在一定程度上简化了焊接工艺，减小了焊接加工的制造成本；钢中氮化钛以及钛铌氮碳化物的高温稳定性将起到钉扎晶界、阻止晶粒长大的作用，能够使钢板承受的焊接线能量大大提高；

4、由于利用Nb对奥氏体再结晶的抑制作用，提高再结晶终止温度，使得轧制可以在较高的温度进行，降低轧制力及轧制能量消耗，提高了轧机的效率，保证了良好的板形；

5、由于采用了钢板的平均温度作为轧制过程温度的控制点，避免因表面温度存在测量误差，以及表面温度控制受制于轧制过程中钢板的厚度变化，很难对轧制的各个阶段的轧制温度进行精确把握；采用平均温度则避免了以上不确定因素，实现了本发明钢制造工艺的精确控制；

6、由于通过终止冷却温度控制，充分利用了Nb对相变的影响及析出作用，达到控制组织类型、细化组织及析出强化效果，提高强度和韧性作用；同时这一因素决定本发明的终冷温度与以往的高强度、高韧性钢板制造工艺中有了很大的提高，这样可以保证钢板在冷却之后进行热矫的温度，降低热矫直机的负荷和矫直能耗。

具体实施方式

本发明的高强度高韧性可焊性热轧钢板是一种新型的低成本微合金化高强度低合金控轧控冷钢，采用低碳、高锰、高铌无钼、无钒(或加入少量钒)和无镍(或加入少量镍)的低成本合金化设计。钢中主要元素的设计依据如下：

碳(C)：碳是影响管线钢强度、韧性、硬度及焊接性能的主要元素，碳含量的增加，对提高钢的强度有明显作用。但碳含量的增加会对钢的延性、韧性及焊接性能有负面影响。所以，本发明选择的碳含量为0.03-0.09％，一方面主要是考虑过低的碳会使得钢板的屈强比增高，另一方面主要是考虑钢板的韧性及优良的焊接性能。

锰(Mn)：固溶强化元素，既可以提高钢的强度也能够改善钢的韧性。适度提高钢的淬透性，扩大γ相区，降低钢的γ→α相变温度，有助于获得细小的相变产物。此外，锰还能提高微合金元素铌(Nb)在钢中的溶解度，抑制碳氮化铌的析出。因此，本发明钢采用的锰含量为1.4～2.0％。

铌(Nb)：铌是有效的晶粒细化元素，能够明显的抑制奥氏体晶粒长大，延迟γ→α转变，从而获得更加细小的组织。在热轧过程中，析出的碳氮化铌可以延迟再结晶及晶粒的长大过程，碳氮化铌通过钉扎位错，使得基体中可以保留更多的位错密度，提高钢的强度和韧性。固溶状态的铌可以延迟γ→α转变，细化铁素体晶粒，提高钢的韧性，在冷却过程中固溶的铌可以继续以Nb(CN)析出，进一步提高钢的强度。本发明中，采用0.05-0.13％的高铌设计，体现了以上的分析精神，达到替代Mo的细化组织、沉淀强化的作用，降低钢的成本。

钛(Ti)：钛是强的固氮元素，可以与氮形成TiN颗粒，从而可以在坯料加热过程中抑制奥氏体晶粒的粗化，起到细化晶粒的作用，提高钢的低温韧性；同样，TiN颗粒对焊接热影响区晶粒的长大能够起到很好的抑制作用，改善焊接性能。此外，钛可以与铌复合析出，提高(TiNb)(CN)的热稳定性，对加热过程中坯料奥氏体晶粒的长大及焊接热影响区晶粒的粗化起到很好的抑制作用，改善钢板的韧性，提高钢板的焊接性能。钛的加入量一般不低于氮的3.4倍，本发明中钛的加入量为0.01-0.025％。

铜(Cu)：铜能够提高钢板及焊接热影响区的强度，铜的沉淀作用还可以提高钢的抗疲劳性能；此外，铜的另一个作用是提高钢板的耐腐蚀性能，近加入0.1％的铜就可以显著提高钢的耐大气腐蚀性。但过量的铜对焊接热影响区及焊接区的韧性是不利的，本发明钢采用了不大于0.3％的加入量。

铬(Cr)：铬同样是碳化物形成元素，能够提高钢板硬度，起到沉淀强化的作用；铬作为铁素体形成元素，在高Nb钢中可以得到更多的针状铁素体组织；铬还能够提高钢的抗腐蚀及耐氢致开裂性能。然而，过量的铬将降低钢板的延伸性能，促进晶粒的长大而影响韧性，导致焊接区域的冷裂纹的产生。因此，本发明中只采用了相对较安全的加入量，本发明钢采用了不大于0.3％的加入量。

镍(Ni)：镍通过固溶强化提高钢的强度，和Mo相比，加入的镍倾向于形成更少的硬化相，从而对低温韧性有利；同时，镍还有助于改善钢中加铜引起的热脆性。本发明钢采用了不大于0.25％的加入量，也可不加入镍。

钒(V)：析出强化及细化晶粒元素，能够与C、N元素形成VC和VN析出相，提高钢的强度，本发明中V为辅助添加元素，本发明钢采用了不大于0.06％的加入量，或干脆不加入钒元素。

本方明的特点之一采用了低成本的合金化设计，不添加钼，不添加或少量添加钒和镍这些成本昂贵的元素，采用了低碳、高铌的基本成分设计思路，辅以锰、铜、铬等元素及微钛处理，结合精确的轧制冷却工艺控制，实现性能稳定的高强度高强韧性和可焊性热轧钢板的生产。其化学成分重量百分比为：碳：0.03～0.09％；硅：0.15～0.35％；锰：1.40～2.0％；铝：0.02～0.05％；铌：0.05～0.13％；钛：0.010～0.025％；铜：≤0.30％；镍：≤0.25％；铬：≤0.30％；磷：≤0.012％；硫：≤0.004％；氮：≤0.004％；钒：≤0.06％，其余均为铁。

本发明的微合金化高强度低合金控轧控冷钢钢板主要应用于输送管线、海洋平台、锅炉和压力容器、桥梁和工程机械等重要场合，因此具有良好的焊接性能，包括广泛的焊接工艺适应性，高抗裂纹性，适用于大线能量焊接。钢板焊接裂纹敏感性与焊接后自淬性有关，碳当量Ceq和裂纹敏感指数Pcm决定了钢板的淬硬倾向。由于微合金化高强度低合金控轧控冷钢成分设计简单，合金总量减少，特别是碳含量低，为提高该钢种的抗冷裂性提供了保证。为提高焊接效率，埋弧自动焊、气电焊(单丝、多丝、熔嘴)、电渣焊(KES、SES)广泛应用，随焊接线能量的增加对焊接热影响区韧性的损伤越来越明显。这就要求新型微合金钢能有效阻止HAZ晶粒粗化的技术。钢中氮化钛和其它的钛铌碳氮化物具有高温稳定性，对钉扎晶界、阻止晶粒长大的作用，能够使钢板承受的焊接线能量大大提高。

本发明的特点之二是采用了较低的碳当量Ceq和裂纹敏感指数Pcm，发明钢中的碳当量Ceq[＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15]不大于0.45，裂纹敏感指数Pcm[＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B]不大于0.23。由于降低了冷裂纹的敏感性，在一定程度上简化了焊接工艺，减小了焊接加工的制造成本。同时微合金化也提高了焊接热影响区的综合性能，焊接线能量得以提高，可实现高效焊接。

本发明的高强度高韧性钢的热轧钢板的制造方法，轧制及冷却过程中的温度控制，采用坯料的平均温度作为最终的参考依据，坯料表面温度为参考量。钢板制造工艺设计中，利用流变应力随温度的变化，来精确把握再结晶区、非再结晶区及混晶区，从而得到比较精确的温度控制，达到温度控制轧制的目的。以往的工艺规定的钢板粗轧结束温度、精轧结束温度基本上都是表面温度控制，其温度控制往往受制于轧制过程中钢板的厚度变化，这样使得轧制的各个阶段比较难于把握；本发明则克服以上的缺点，采用钢板的平均温度作为控制轧制各阶段的起点和终点，消除厚度的影响，达到精确控制的目的。

在钢板轧后冷却方面，本发明的终止冷却温度控制范围在500-600℃，充分利用高Nb对γ→α相变的延迟来获得更多的针状铁素体组织，以及这一终冷温度下仍能使固溶Nb继续析出而提高强度的特点，达到提高钢的强度和韧性的目的。这使得本发明既保证了钢板强度和韧性，又避免钢板冷却之后进行热矫所需的温度，降低热矫直机的负荷和矫直能耗。

高强度高韧性热轧钢板的具体制造方法，工艺步骤包括：按照权利要求1的成分进行配比备料、铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、RH(VD)处理、板坯连铸、板坯再加热、温度控制轧制、控制冷却、热矫直、冷床冷却、堆冷，温度轧制及冷却控制中，轧制过程中坯料的平均温度最有价值，利用表面测量温度受厚度的影响，以下温度控制皆为平均温度；板坯再加热温度控制在：1180-1260℃；粗轧结束温度1100-1220℃；精轧开始温度840-1000℃，精轧阶段总的压缩比≥65％，其结束温度800-930℃；终冷温度500-600℃，冷却速率8-25℃/s。

采用以上合金成分和生产工艺生产的高强度高韧性可焊性的热轧钢板的宽度最大达4400mm，厚度达42mm。

以上所述高强度高韧性热轧钢板屈服强度大于500MPa，抗拉强度大于630MPa，屈强比小于0.90，延伸率大于23％(采用直径12.7mm圆棒试验，标距50.8mm)；—20℃的V型缺口夏比冲击试验吸收功大于250J，剪切面积大于90％；—20℃落锤撕裂试验(DWTT)的剪切面积大于90％。

具体实施例

表1给出了本发明的高强度高韧性可焊性热轧钢板化学成分的8个实例

表1 高强度高韧性可焊性热轧钢板的化学成分(wt％)

 

序号	碳C	硅Si	锰Mn	磷P	硫S	铌Nb	钛Ti	铝Al	铜Cu	铬Cr	镍Ni	钒V	氮N	Ceq	Pcm
																1	0.080	0.25	1.50	0.012	0.004	0.054	0.016	0.036	0.17	-	-	-	0.003	0.34	0.17
2	0.056	0.26	1.66	0.010	0.003	0.067	0.017	0.035	-	-	-	0.046	0.004	0.34	0.15
																3	0.050	0.25	1.76	0.008	0.003	0.095	0.015	0.034	0.22	0.22	-	-	0.003	0.40	0.17
4	0.049	0.22	1.80	0.008	0.002	0.122	0.015	0.043	0.24	0.21	-	-	0.003	0.41	0.17
																5	0.065	0.20	1.76	0.010	0.003	0.094	0.012	0.025	0.26	0.24	-	-	0.003	0.42	0.18
6	0.062	0.21	1.71	0.010	0.003	0.090	0.014	0.037	0.24	0.25	-	-	0.004	0.41	0.18
																7	0.030	0.35	2.00	0.008	0.002	0.130	0.025	0.050	0.25	0.25	0.15	-	0.004	0.44	0.17
8	0.090	0.15	1.40	0.006	0.004	0.050	0.010	0.020	0.30	0.30	0.25	0.06	0.004	0.43	0.21

表2 给出了表1中所列8个不同成分钢板的主要控制控冷工艺轧制工艺参数。

 

序号	钢板尺寸，mm(厚度×宽度)	均热段温度，℃	粗轧温度区间，℃	精轧温度区间，℃	精轧累计变形量，％	终冷温度，℃	冷却速率，℃/s
								1	19×3400	1180-1210	1160-1100	950-840	65	600	13
2	19×4400	1200-1220	1170-1110	960-860	70	570	16
								3	22×3950	1210-1230	1180-1120	970-840	65	530	18
4	22×3950	1230-1250	1190-1130	980-870	70	550	18
								5	26.4×3950	1230-1250	1220-1170	980-880	74	550	18
6	42×3800	1210-1230	1180-1130	960-880	65	510	16
								7	20×3200	1240-1260	1180-1120	1000-930	65	500	25
8	20×3200	1180-1200	1160-1100	940-840	65	600	8

在上述实施例中，这种热轧钢板的焊接工艺采用4丝埋弧焊，电流在450～1000A，电压在20～30之间，热输入45KJ/cm，焊丝移动速度1.7m/min，一道填充。

表3给出了本发明强度高韧性钢板的焊缝及热影响区的力学性能测试结果

表3 上述两种热轧钢板的焊缝及热影响区的拉伸断口及夏比冲击韧性值

硬度试验：在焊接横截面上进行硬度试验，硬度测试点焊接的接缝处。

表4 为上述热轧钢板中的两种在焊接区域硬度值

Claims (4)

1、一种高强度高韧性热轧钢板，其化学成份及各成份的重量百分比为：碳：0.03～0.09％；硅：0.15～0.35％；锰：1.40～2.0％；铝：0.02～0.05％；铌：0.05～0.13％；钛：0.010～0.025％；铜：≤0.30％；铬：≤0.30％；磷：≤0.012％；硫：≤0.004％；氮：≤0.004％；其余均为铁，且碳当量Ceq应不大于0.44，裂纹敏感指数Pcm应不大于0.23。

2、根据权利要求1所述的一种高强度高韧性热轧钢板，其特征在于：所述的化学成份中还含有镍，镍的重量百分比为：≤0.25％。即为进一步降低成本，可不用镍，也可使用少量的镍。

3、根据权利要求1或2所述的一种高强度高韧性热轧钢板，其特征在于：所述的化学成份中还含有钒，钒的重量百分比为：≤0.046％。

4、一种高强度高韧性热轧钢板的生产方法包括步骤为：设计成份进行配比备料，然后铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、RH(VD)处理、板坯连铸、板坯再加热、温度控制轧制、控制冷却、热矫直、冷床冷却、堆冷。其特征在于：在温度轧制及冷却控制中，轧制过程中坯料的平均温度最有价值，利用表面测量温度受厚度的影响，以下温度控制皆为平均温度；板坯再加热温度控制在：1180-1260℃；粗轧结束温度1100-1220℃；精轧开始温度840-1000℃，精轧阶段总的压缩比≥65％，其结束温度800-930℃；终冷温度500-600℃，冷却速率8-25℃/s。