CN102021477A

CN102021477A - 一种适应高热输入焊接的船体结构钢及其冶炼方法

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Publication number: CN102021477A
Application number: CN2009101876267A
Authority: CN
Inventors: 付魁军; 马玉璞; 敖列哥; 王佳骥; 及玉梅; 韩鹏; 徐向阳; 吕冬; 刘芳芳
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2009-09-23
Filing date: 2009-09-23
Publication date: 2011-04-20

Abstract

本发明公开一种适应高热输入焊接的船体结构钢，化学成分为，质量百分比，C：0.06％～0.14％、Si：0.10％～0.50％、Mn；0.80％～1.80％、P：≤0.015％、S：≤0.008％、Nb：0.020％～0.050％、Ti：0.006％～0.030％、N：0.0030％～0.0100％，Al：0.015％～0.045％，V：0.03～0.10％，余量为Fe及不可避免的杂质。它的工艺特点是，Ti以钢带包裹合金粉末形成钢丝的方式送入，并且其加入与浇铸过程同时进行。使合金化更均匀，生成的TiN质点更细小弥散，阻碍晶粒长大的能力更强，其生产工艺简便，适合批量生产操作。本发明生产的钢板在50kJ/cm以上高热输入焊接时，焊接热影响区韧性良好。

Description

一种适应高热输入焊接的船体结构钢及其冶炼方法

技术领域

本发明属于低合金钢制造领域，涉及一种船体结构钢，尤其是一种适应高热输入焊接的船体结构钢及其冶炼方法。

背景技术

在本发明前，已经有一些高热输入焊接用钢的公开报道。如川崎制铁株式会社申请的专利“热量输入500kJ/cm以上的大热量输入焊接用钢及其制造方法”(申请号96105716.8)和武汉钢铁公司申报的专利“高热输入焊接非调质高韧性低温钢及其制造方法”(申请号01128316.5)。这些技术的共同特点是加入B，利用BN和Ca或Re的氧化物抑制焊接热影响区晶粒长大，提高热影响区性能。但是B的加入经常产生副作用，B很容易在晶界偏聚，造成母材韧性的严重下降。目前尚无良好的控制B的措施。

日本神钢公司申请的专利“High tensile strength steel product for high heat input welding，having excellent toughness in heat-affected zone”(EP1052303A2，申请号11019810.2)通过优化钢中夹杂物成分，利用Ti的氧化物的高温稳定性阻止奥氏体晶粒长大，改善热影响区韧性。但是，Ti的氧化物形成温度高于钢水的凝固温度，析出的氧化物粒子生长不受阻碍，大颗粒夹杂不仅起不到抑制晶粒长大的作用，还会破坏母材和热影响区的韧性。因此，这种方法在生产中很难起到良好效果。

韩国浦项公司申请的专利“用于焊接结构的具有TiN+ZrN析出相的钢板及其制造方法和使用该钢板的焊接结构”(申请号01804513.8)通过提高N的含量来获得较多的TiN以阻止热影响的晶粒长大，由于N提高后对钢的连铸性能影响很坏，铸坯裂纹很难避免，不得不增加了一道渗N工序，致使生产工艺及其复杂，生产效率低下。

宝钢公司申请的专利“可高热输入焊接的超高强度钢板及其制造方法”通过异步轧制、应变弛豫和直接淬火相结合来获得钢板的高强度和高韧性，对轧机的能力要求很高。更重要的是，从生产方法到应用实例均不包含高热输入焊接的内容。

发明内容

提供一种适于高热输入焊接的低合金高强钢板的制造方法，目的在于解决第二相粒子颗粒较大，降低母材韧性、不适应高热输入要求问题。

本发明的技术方案包括：

本发明的化学成分为(质量百分比)，含有C：0.06％～0.14％、Si：0.10％～0.50％、Mn：0.80％～1.80％、P：≤0.015％、S：≤0.008％、Nb：0.020％～0.050％、Ti：0.006％～0.030％、N：0.0030％～0.0100％，Al：0.015％～0.045％，V：0.03～0.10％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明钢的成分还包括(质量百分比)Mo：0.08％～0.40％、Ni：0.15％～0.60％、Cu：0.10％～0.80％中的一种或多种。且需满足Mo+Ni+Cu≤1.2％。

本发明碳当量为(质量百分比)：

Ceq＝C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14≤0.42％

为了实现本发明目的，本发明的工艺特点是Ti以钢带包裹合金粉末形成管状钢丝的方式送入，并且与浇铸过程同时进行，其钢丝直径为φ2.0mm～6.0mm；其送丝速度为10m/min～40m/min。

以下对本发明进行详细说明：

C是决定钢材强度的主要元素，也是决定焊接热影响区组织的主要元素。当C低于0.06％时，难以得到所需要的强度；当C高于0.14％时，焊接热影响区中易出现的淬硬组织，使韧性恶化，而且高C时容易产生焊接裂纹。本发明C控制在0.06％～0.14％。

Si是脱氧元素，同时也是一种强化元素。Si低于0.10％时，脱氧效果差，钢板表面易起麻点和红绣；但当Si大于0.50％时，促进组织粗化，而且焊接冷、热裂纹敏感性均增加。本发明Si控制在0.10％～0.50％。

Mn的原子半径与Fe相近，容易形成置换固溶体，是应用最多的保证钢板强度的元素，也是影响淬硬倾向的重要元素。当Mn含量低于0.80％时，强度降低，而且硫化物的有害作用增强；当Mn含量高于1.80％时，热影响区韧性变坏。本发明Mn控制在0.80％～1.80％。

P是杂质元素，增加钢材的脆性，应尽可能降低。但冶金脱P成本很高，限制在0.015％以下可以保证性能要求。

S是影响钢材韧性的主要元素。较高的S含量引起长条状硫化物夹杂，损失钢材韧性。S还严重恶化钢材的Z向性能，在焊接过程中引起层状撕裂。此外，当S含量高时，硫化物会依附TiN长大，使TiN粒子尺寸增大，钉扎奥氏体晶界的能力严重削弱。良好的脱硫不仅有助于提高钢板的塑韧性，还有助于控制TiN的尺寸以抑制热影响区晶粒的长大。因此，为满足大线能量焊接要求必须良好脱硫。本发明要求S≤0.008％。

Ti是本发明着力研究的元素。Ti与N结合成TiN，阻止奥氏体晶粒长大，Ti与O结合成Ti₂O₃，能够增加晶内铁素体形核，可以有效地提高热影响区的韧性。Ti的添加，还可以减少N的固溶含量，改善钢的时效性能。当Ti量低于0.006％时，形成的有益氮化物数量少，抑制晶粒长大的作用弱；当Ti量超过0.030％时，钢中固溶Ti量过多，剩余Ti以固溶的形式存在于晶内，降低了母材和热影响区的性能。本发明Ti控制在0.006％～0.030％。

N是本发明另一重要元素。N有两种存在方式，一种是固溶，对母材性能不利，另一种是形成弥散分布的细颗粒N化物，对焊接热影响区韧性有改善作用。N量低则氮化物数量不足，不适合大线能量焊接。N量高则固溶N增多，母材韧性和时效性能不好，连铸坯容易产生裂纹。本发明N控制在0.003％～0.010％。

Nb不仅能提高轧制过程的再结晶温度，促进细晶强化效果，还能与Ti形成复合氮化物，降低Ti/N比，改善热影响区性能。在本发明中，为了通过热机械轧制提高钢板的强度和韧性，必须添加一定含量的Nb。Nb量过低，不易发挥控轧作用；Nb量过高时，在焊接过程中促进侧板条铁素体形成，对韧性也不利。本发明Nb控制在0.020％～0.050％。

V可以与N结合生成VN。VN具有促进针状铁素体形成的作用，可以改善热影响区组织，显著提高热影响区韧性。当V含量低于0.03％，形成针状铁素体的能力弱；当V含量高于0.1％，钢板的淬硬性增强，钢板和热影响区的韧性均下降。本发明V控制在0.03～0.1％之间。

Al是主要脱氧元素。当Al含量低时，脱氧能力不足，Ti被氧化而不能生成有益的TiN粒子；Al含量过高，容易形成大颗粒夹杂。本发明Al控制在0.015％～0.050％。

根据钢种强度和韧性要求，可以加入Cu、Mo、Ni中的一种或多种。但这三种元素均显著提高碳当量，导致淬硬性增加，因此含量必须限制。本发明要求控制Mo：0.08％～0.40％、Ni：0.15％～0.60％、Cu：0.10％～0.80％。且需满足Mo+Ni+Cu≤1.2％。

为了获得理想的焊接热影响区性能，应保证焊接热影响区组织以铁素体为主。碳当量是评价获得铁素体能力的重要指标。碳当量低，容易获得铁素体。在本发明中，除上述合金成分控制外，还应使碳当量满足Ceq＝C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14≤0.42％。

在适应大线能量焊接的钢板生产中，Ti的添加起着重要的作用。而Ti添加方式直接影响着Ti的作用效果。在传统的生产工艺中，Ti可以直接添加在钢包或转炉中，也可以添加在精炼炉，如LF、RH中。但实质都是一样，都处于钢水的熔融阶段。

在该阶段，钢水的温度高。Ti加入后，虽然能形成Ti的氮化物TiN。但TiN有充足的时间生长而不受限制，因此凝固后TiN的颗粒可以长大到1μm以上，成为大颗粒的夹杂物。这种大颗粒夹杂已经失去了阻碍晶粒长大的作用。另外，由于钢水包容量很大，添加Ti合金相对量很少，Ti合金加入只在一个较小区域与钢水混合，生成的TiN不容易达到均匀、弥散的效果。

为了降低Ti加入时钢水的温度和缩短加入后在钢水中的停留时间，本发明采用了在钢水的浇铸过程中加入Ti的方式。

具体方法是，首先将要添加的Ti合金制成金属粉末。粉末的粒度在160目～40目之间为佳。粉末过细在钢水中容易上浮；粉末过粗则不利于成型。用低碳钢带将合金粉末包裹，并在成型机上卷成圆筒型，形成管状含Ti合金钢丝。将合金丝绕制在圆盘上，将圆盘安装在送丝机上。

在浇铸过程中，钢水均匀流入锭模(模铸)或结晶器(连铸)。同时，起动送丝机，使包裹着Ti合金的钢丝均匀送入，在铸流中与钢水混合、熔化并通过化学反应生成TiN。在高温钢水中生成的TiN颗粒尺寸在200nm以上，不利于细晶。而在凝固后析出的TiN尺寸在100nm以下，控制晶粒长大的作用更强。同时温度每降低10℃，TiN的数量可提高10％～15％。为了尽量缩短高温停留时间，对钢水的浇铸温度要进行控制。过热度控制最好不超过20℃。

为了保证需要的Ti合金加入量，需要根据钢水的质量调整合金的加入速度。调整的方式有两种，一种是调整钢丝直径，在φ2.0mm～6.0mm之间；另一种是调整送丝速度，在10m/min～40m/min，钢水较少时用慢速，钢水多时用快速。

由于合金钢丝按比例与钢水同时浇铸，在与钢水混合后以很快的冷速凝固，TiN的析出主要在固态完成，TiN粒子受到周围固态金属的限制而不能自由长大。粒子的尺寸很小也更弥散化。这些TiN粒子在固态相变过程中可以起到费自发形核形核的专用，降低新相生成的形核功，使形核率大大增加。另一方面，在晶粒长大过程中，分布在晶界的TiN粒子又起到晶界钉扎作用，阻碍晶粒的互相吞并和晶界的扩张。这两种作用均随TiN尺寸的减小而提高。

本发明的优点及效果在于：

1.按本发明生产的钢板在50kJ/cm以上高热输入焊接时，焊接热影响区韧性良好。

2.采用浇铸过程同时添加Ti的方式，使合金化更均匀，生成的TiN质点更细小弥散，阻碍晶粒长大的能力更强。

3.本发明生产工艺简便，适合批量生产操作。

具体实施方式

本发明设计钢的化学成分为(质量百分比)：C：0.06％～0.14％、Si：0.10％～0.50％、Mn：0.80％～1.8％、P：≤0.015％、S：≤0.008％、Nb：0.020％～0.050％、Ti：0.006％～0.030％、N：0.0030％～0.0100％，Al：0.015％～0.050％。此外还可以加入Mo：0.08％～0.40％、V：0.02％～0.05％、Cu：0.10％～0.80％的一种或多种，且需满足Mo+Ni+Cu≤1.2％，余量为Fe及不可避免的杂质。碳当量Ceq＝C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14≤0.42％。

为了降低Ti加入时钢水的温度和缩小加入后在钢水中的停留时间，本发明采用了在钢水的浇铸过程中加入Ti的方式，并采取将Ti合金粉末包裹在钢带中形成的管状钢丝的方式送入，Ti微合金化与浇铸过程同时进行。

为了保证需要的Ti合金加入量，需要根据钢水的质量调整合金的加入速度。调整的方式有两种，一种是钢丝直径，另一种是送丝速度。其钢丝直径为φ2.0mm～6.0mm；其送丝速度为10m/min～40m/min。

下面结合具体的实施例通过与对比例的比较来描述本发明。

表1为实施例和比较例中各钢种的化学成分。

表2为实施例和比较例中各钢种的冶炼条件。

表3为实施例和比较例中各钢种的常规力学性能。

表4为实施例和比较例中各钢种的焊接性能。

表1，实施例和比较例中各钢种的化学成分(Wt，％)

Ceq＝C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14

表2实施例和比较例中各钢种的冶炼条件

钢种	冶炼设备	精炼设备	合金化地点	Ti加入地点
					实施例A	真空炉	--	钢包	锭模
实施例B	真空炉	--	钢包	锭模
					实施例C	转炉	LF	LF	结晶器
实施例D	转炉	RH	RH	结晶器
					比较例E	真空炉	--	钢包	钢包
比较例F	真空炉	--	钢包	钢包
					比较例G	转炉	LF	LF	LF
比较例H	转炉	RH	RH	RH

表3，实施例和比较例中各钢种的常规力学性能

表4，实施例和比较例中各钢种的焊接接头力学性能

由表1～表4可见，钢A和钢E成分和力学性能相近，但由于钢E不含Ti，因此不具备大线能量焊接的能力。钢B和钢F成分和力学性能相近，但钢F的碳含量和碳当量都较高，超过本发明成分范围，焊后性能有较大幅度降低。钢C和钢G、钢D与钢H成分和力学性能相近，但由于Ti的加入方式不同，焊后性能也有明显差异。由1～4表可见，在同样的强度水平上，利用本发明生产的钢板在大线能量焊接条件下热影响区韧性明显高于对比钢板。

Claims

1.一种适应高热输入焊接的船体结构钢，其特征在于，化学成分为，质量百分比，C：0.06％～0.14％、Si：0.10％～0.50％、Mn：0.80％～1.80％、P：≤0.015％、S：≤0.008％、Nb：0.020％～0.050％、Ti：0.006％～0.030％、N：0.0030％～0.0100％，Al：0.015％～0.045％，V：0.03～0.10％，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种适应高热输入焊接的船体结构钢，其特征在于，其化学成分还包括，质量百分比，Mo：0.08％～0.40％、Ni：0.15％～0.60％、Cu：0.10％～0.80％中的一种或多种，且需满足Mo+Ni+Cu≤1.2％。

3.根据权利要求1所述的一种适应高热输入焊接的船体结构钢，其特征在于，碳当量为，质量百分比：

Ceq＝C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14≤0.42％。

4.如权利要求1-3任一所述的一种适应高热输入焊接的船体结构钢板的冶炼方法，其特征在于，Ti以钢带包裹合金粉末形成钢丝的方式送入，并且其加入与浇铸过程同时进行。

5.如权利要求4所述的一种适应高热输入焊接的船体结构钢板的冶炼方法，其特征在于，其钢丝直径为φ2.0mm～φ6.0mm；其送丝速度为10m/min～40m/min。