CN101812639A - 一种高强度大线能量焊接船体用钢及其生产方法 - Google Patents

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朱涛
刘玉兰
赵勇
陶承岗
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Abstract

本发明公开了一种高强度大线能量焊接船体用钢板，其成分质量百分比为：C0.06-0.10％、Si0.10～0.25％、Mn0.9-1.15％、Nb0.01～0.03％、Ti0.010-0.020％，Al0.015～0.030％，其余为Fe和不可避免的杂质元素，其制造方法包括将坯料或经过一定变形的热轧板在1150～860℃之间进行变形，至少变形4道，单道次压下率8～30％，累积压下率50～75％；轧制后，适当控制冷却，580℃以前，以10～20℃/S速度冷却，之后任意冷却至室温，本发明的高强度大线能量焊接船体用钢板化学成分简单，生产方法易于控制，所得产品在不预热情况下经过50～100KJ/cm的线能量下焊接后焊缝和焊接热影响区在综合力学性能不低于母材。

Description

一种高强度大线能量焊接船体用钢及其生产方法
技术领域
本发明属于钢材制造技术领域，尤其涉及一种高强度大线能量焊接船体用钢及其生产方法。
背景技术
随着世界造船业的迅猛发展，生产高强度具有优良焊接性能(大线能量焊接)的船用钢已呈趋势，大线能量焊接是指线能量大于50KJ/cm的焊接，与传统的小线能量船体焊接相比，大线能量焊接具有焊接速度快、焊接施工道次少等优点，显著提高了焊接施工效率，节省了焊接建造成本。目前国内的高强度船体用钢普遍只能使用低于50KJ/cm线能量焊接，武钢和舞阳钢铁公司进行了大线能量钢的研究，武钢开发的大线能量钢通过降低C含量加入合金Ni，改善HAZ的韧性，但焊接时仍需要进行预热处理，舞阳钢铁公司采用JFE EWEL技术，通过氧化物冶金和低Ceq成分设计开发了大线能量焊接钢，国外主要是日本在大线能量船板方面的研究较多，日本开发的大线能量钢YP390，已在日本造船行业广泛应用，主要采用HTUFF(Super High HAZ Toughness Technologywith Fine Microstructure Imparted by Fine Particles)技术，其核心是利用高熔点氧化物质点细化HAZ组织。由此可知，目前国内及日本生产大线能量钢需要较高的生产控制技术，生产成本较高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种不依靠添加更高含量的碳和合金元素，尤其不需要采用较难控制和实现的氧化物冶金技术，具有细晶粒组织和优异综合力学性能——高强度、良好低温韧性、经过50～100KJ/cm的线能量下焊接后焊接热影响区仍具有优良性能的低碳低合金高强度大线能量焊接船体用钢板，本发明的另一目的是提供该钢板的生产方法。
本发明通过以下方式实现：
一种高强度大线能量焊接船体用钢板，其成分质量百分比为：C0.06-0.10％、Si0.10～0.25％、Mn0.9-1.15％、Nb0.01～0.03％、Ti0.010-0.020％，Al0.015～0.030％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
该高强度大线能量焊接船体用钢板的化学成分限制少，降低碳含量以保证钢板具有良好的焊接性，Mn推迟珠光体转变，可提高淬透性，起到固溶强化和细化铁素体晶粒的作用，Nb推迟奥氏体再结晶温度，起到沉淀强化和细化晶粒作用，Ti形成的高熔点TiN能够细化铸态组织，同时抑制HAZ晶粒粗化，保证大线能量焊接条件下HAZ优良强度和韧性的获得。
一种制造高强度大线能量焊接船体用钢板的方法，包括将坯料或经过一定变形的热轧板在1150～860℃之间进行变形，至少变形4道，单道次压下率8～30％，累积压下率50％以上；轧制后，适当控制冷却，580℃以前，以10～20℃/S速度冷却，之后任意冷却至室温。
本发明只需按以上成分控制，在具有通用炼钢精练设备即可实现；仅需在奥氏体未再结晶区变形控制，在较宽的连续冷速范围，即可获得在具有控冷能力的通用轧钢生产设备上生产出高强度、良好低温韧性、经过50～100KJ/cm的线能量下焊接后焊接热影响区仍具有优良性能的高强度大线能量焊接船体用钢板，生产方法相对简单，易于控制，提高下游生产效率。按上述成分比和该生产方法生产的钢板其屈服强度大于355MPa，抗拉强度大于490MPa，，-20℃低温冲击功大于34J，在不预热情况下经过50～100KJ/cm的线能量下焊接后焊缝和焊接热影响区在综合力学性能不低于母材。
终上所述，本发明具有如下特点：
1.多边形铁素体与粒状贝氏体的均匀组合，是本发明所提供钢板的组织特征，表现为对应的高强度与良好塑性及其综合性能。
2.不采用氧化物冶金控制方法，而是采用化学成分与轧制冷却联合控制，制造工艺简单。
3.化学成分控制限制少，采用少量合金元素Si、Mn、Nb、Ti，利于降低制造成本，改善焊接性。
4.轧制过程进行控制，较易操作，产品性能稳定。
附图说明
图1为本发明焊接热循环工艺曲线图；
图2为本发明焊接粗晶区冲击韧性曲线图。
具体实施方式
实施例1
高强度大线能量焊接船体用钢的生产方法：
1.冶炼，大线能量钢的冶炼工艺流程为铁水预脱硫-转炉冶炼-合金微调站-LF精炼，具体工艺控制点如下：
1.1铁水预脱硫
铁水进入KR脱硫站后，首先使用扒渣机进行前扒渣处理，将铁水罐中铁水渣扒至亮面大于85％，根据铁水终点硫的要求，加入16kg/吨钢的脱硫剂，下十字型耐火材料质的搅拌头进行搅拌脱硫处理。脱硫剂采用低廉的石灰即可。
铁水中硫含量至0.005％以下时，结束搅拌脱硫处理，进行后扒渣处理，将铁水罐中铁水渣扒至亮面大于90％。
1.2转炉冶炼
转炉冶炼采用顶底复吹，底吹采用全程底吹氩模式，以保证转炉终点钢水的氮含量。
主吹温度1592℃；钢水成分[C]：0.28％；[P]：0.015％；[S]：0.010％。
转炉终点温度控制为1645℃，钢水至合金微调站氩前温度为1575℃。转炉终点钢水成分[C]：0.08％；[P]：0.010％；[S]：0.009％。
1.3合金微调站
出钢时合金微调站开启钢包双底吹氩，根据取样成分，加入铝粒及其他合金，出站氩后温度1555℃，成分：C 0.10％、Si 0.21％、Mn 1.10％、Al0.035％。
1.4LF精炼
钢水在LF炉内，加铝粒、FeMn及FeCa，先强搅后弱搅，LF炉LF炉出站温度为：连浇1558℃；LF炉精炼出站成分：C 0.08％、Si 0.16％、Mn 1.05％、Nb 0.014％、Ti 0.015％、Al 0.022％、S0.006％、P0.018％。
1.5连铸
连铸工艺要求采用弱冷工艺，中包温度1530℃，过热度小于20℃。
2.轧制
铸坯在连轧生产线上轧制，加热温度1200℃，保温2.5小时以上，确保铸坯加热均匀，经粗轧、精轧至要求成品厚度后，采取适当层流水冷却，工艺控制要点：铸坯出炉温度1200℃，粗轧开轧温度：1150℃，变形8道，各道压下量及压下率见表1，精轧开轧温度1050℃，终轧温度860℃，变形7道，各道压下量及压下率分配见表2，轧后进行层流冷却，580℃以前采用均匀冷却，冷却水管稀疏分布，平均冷却速度13℃/s，580℃后，冷却水关闭，空气中自然冷却。
表1粗轧压下率分配
  机架   轧制道次   压下量mm   出口厚度mm   压下率％
  R1   1   25.965   204.035   11.29
  R1   2   27.331   176.704   13.40
  R1   3   26.511   150.193   15.00
  R2   4   21.865   128.328   14.56
  R2   5   20.498   107.830   15.97
  R2   6   17.765   90.064   16.48
  R2   7   16.399   73.666   18.21
  R2   8   13.666   60.000   18.55
表2精轧压下率分配
  机架   轧制道次   压下量mm   出口厚度mm   压下率％
  F1   1   7.68   52.32   12.80
  F2   2   10.25   42.07   19.59
  机架   轧制道次   压下量mm   出口厚度mm   压下率％
  F3   3   7.73   34.35   18.36
  F4   4   5.68   28.67   16.53
  F5   5   3.94   24.73   13.75
  F6   6   2.91   21.81   11.77
  F7   7   1.81   20.00   8.30
3.性能指标
3.1成品机械性能及系列冲击性能
表3高强度大线能量焊接船体用钢板拉伸性能
Figure GSA00000081653100051
表4高强度大线能量焊接船体用钢板系列冲击性能
3.3实际焊接性能
利用双丝埋弧焊对20mm大线能量钢板进行不同线能量的焊接试验，检测其焊接接头综合性能。
埋弧焊焊接试板采用平焊对接的形式，钢板采用60°坡口，5mm钝边。为便于试验记录，将钢板做以下标记：钢板的头部用1表示；中部用2表示。不同的热输入由X、Y、Z来表示，X代表热输入大约在60KJ/cm，Y代表热输入大约在120KJ/cm，Z代表热输入为160KJ/cm。如表5所示：
表5焊接编号规则
1)焊接接头拉伸性能
焊接接头拉伸试样按GB2649-89的规定，在各对接试板上截取全板厚接头拉伸试样两个，用机械方法去除焊缝余高，使与母材原始表面齐平。按GB2651-89进行接头拉伸试验。试验结果如表6。
表6焊接接头拉伸试验结果
Figure GSA00000081653100062
表6所列数据可以看到，不论断裂位置在焊缝还是在焊缝热影响区软化区，接头的强度都能够满足DH36钢的指标要求。
2)焊接接头冷弯性能试验
焊接接头冷弯试样按GB2653-89的规定进行。
在各对接试板上截取正弯、反弯试样各2件。
在各对接试板上截取试样厚度等于试板厚度的侧弯试样2件。按GB2653进行弯曲试验。采用压头直径为试样厚度3倍(D＝3a)。并以试样弯至120°不裂、180°不断作为合格判据进行评定。试验结果列于表7。
表7焊接接头冷弯试验结果
Figure GSA00000081653100071
焊接接头弯曲评定焊接接头的塑性和致密性。试验结果为：正弯、反弯、侧弯全部合格，表明大线能量钢板焊接接头塑性良好，焊接熔合良好。
3)焊接接头的低温冲击试验
冲击试样按国标2650-89的有关规定，取自板面下约2mm处。试样缺口位置分别取于焊缝中心、熔合线、熔合线外1mm，2mm，5mm，7mm，10mmmm。
根据DH36钢冲击功的指标要求，在-20℃温度下进行试验。试验结果见表8。
表8焊接接头冲击试验结果(Akv-20℃，J)
Figure GSA00000081653100072
对于20mm钢板，一次焊接成型最大只需要120KJ/cm线能量，试验中60KJ/cm线能量焊接时需要两道次焊接成型，160KJ/cm线能量主要作为对比使用。冲击韧性试验结果表明，60KJ/cm、120KJ/cm焊接时焊接热影响区具有良好的低温韧性。
实施例2
高强度大线能量焊接钢板的生产方法：
1.冶炼钢经1000kg中频炉冶炼，其工艺过程：废钢熔清(加氧化铁皮脱P)——加CaO/CaF2系渣——定氧、取样——加SiFe、加金属Mn脱氧合金化——净搅3min——加TiFe(或NbFe)——净搅3min——出钢。模铸成8时锭，，经热锻成150×150方坯轧制。
2.轧制：坯料加热1200℃，保温2小时，经粗轧：粗轧区变形开轧温度1150℃，终轧温度980℃，累积压下率76.7％，精轧区开轧温度950℃，终轧温度860℃，累积压下率71.4％，轧后采用层流冷却，平均冷速11℃/s，冷却至580℃，之后在空气中自然冷却至室温。
表9轧制道次及压下率分配
Figure GSA00000081653100081
3.性能指标
3.1机械性能及系列冲击性能
表10轧制的12mm厚度的大线能量钢板拉伸性能
Figure GSA00000081653100092
表11大线能量钢板系列冲击性能
3.2焊接性能试验
A)焊接热循环试验方案
利用焊接热模拟的方法对试验钢进行不同t8/5(不同线能量)下的焊接热循环试验。热循环峰值温度分别为1350℃、1250℃，t8/5分别为10s、30s、60s、100s、150s，热循环后进行-20℃冲击试验。具体热循环参数见表12，热循环工艺曲线图见图1。
表12焊接热循环工艺参数
Figure GSA00000081653100094
Figure GSA00000081653100101
B)模拟焊接热影响区的性能
焊接热模拟的结果见图1，焊接粗晶区-20℃冲击功随着t8/5的增大而降低，当t8/5较小(t8/5＝10s、30s)时，-20℃冲击功高达200J以上。当60s＜t8/5＜100s时，粗晶区的韧性下降幅度不大，约为200J。当t8/5＝150s，即焊接线能量为100KJ/cm时，-20℃冲击功仍然高达100J以上，表现出良好的焊接粗晶区低温韧性。此外，如图2焊接粗晶区冲击韧性曲线图所示，峰值温度也对低温韧性存在显著影响，峰值温度从1350℃降低到1250℃，-20℃冲击功提高约40J。

Claims (2)

1.一种高强度大线能量焊接船体用钢板，其成分质量百分比为：C0.06-0.10％、Si0.10～0.25％、Mn0.9-1.15％、Nb0.01～0.03％、Ti0.010-0.020％，Al0.015～0.030％，其余为Fe和不可避免的杂质元素。
2.一种制造如权利要求1所述钢板的方法，其特征在于：将坯料或经过一定变形的热轧板在1150～860℃之间进行变形，至少变形4道，单道次压下率8～30％，累积压下率50～75％；轧制后，适当控制冷却，580℃以前，以10～20℃/S速度冷却，之后任意冷却至室温。
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