CN102676945B - 一种水电工程用易焊接调质高强韧性钢板及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水电工程用易焊接调质高强韧性钢板，同时，还涉及一种该钢板的生产方法。本发明的水电工程用易焊接调质高强韧性钢板，由以下重量百分含量的化学成分组成：C：0.11%~0.14%，Si：0.15%~0.25%，Mn：1.05%~1.45%，P≤0.010%，S≤0.005%，Ni：0.40%~0.50%，Cr：0.40%~0.50%，Mo：0.35%~0.40%，Nb：0.02%~0.04%，V：0.030%~0.050%，Ti：0.015%~0.025%，Al：0.020%~0.040%，余量为Fe和微量不可避免的杂质。该钢板的生产方法包括：电炉冶炼→LF/VD精炼→连铸→钢坯加热→轧制→热堆垛→热处理→成品。本发明的水电工程用易焊接调质高强韧性钢板最大厚度可达到120mm，具有成本低、强度高、低温冲击韧性优良、延伸、冷弯及焊接性良好的特点。

Description

一种水电工程用易焊接调质高强韧性钢板及其生产方法

技术领域

本发明属于钢冶炼技术领域，具体涉及一种水电工程用易焊接调质高强韧性钢板及其生产方法。

背景技术

随着中国现代化水平的提高和社会经济的不断发展，人民生活水平的不断提高，清洁化、绿色化水电工程发展前景广阔。目前水电开发程度仍然较低，开发率不足17%，市场开发有着巨大的潜力。与此同时将带动国内装备制造、材料、冶金等行业实现长远发展。水电工程环境由于服役环境比较复杂，其对用钢的各项技术指标要求极高，不仅要有高的强韧性能，而且还要有高的低温冲击韧性、良好的延展性、易焊接等性能。从目前的情况看，屈服强度620MPa级以下的水电工程用钢基本实现了国产化，并且占据了水电工程用钢量的75%以上，而690MPa级以上钢板的推广是将来的发展趋势，该厚度、强度级别钢板的成功研制，对于该级别钢板的国产化及进一步应用都具有重要意义。

专利号为CN 101451212B公开了一种高强度钢板及其制备方法，通过对合金成分的合理设计，加上对制备工艺的控制，制得的钢板具有较高的强度和较好的焊接性能。但是这种钢板的低温韧性相对较差，不能满足水电工程复杂环境的使用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种水电工程用易焊接调质高强韧性钢板及其生产方法，通过优化钢板的成分和制备工艺，以得到强度高、低温韧性好、塑性及焊接性优良，具备良好工艺性能的水电工程建设用钢板。

为了实现上述目的，本发明的技术方案采用了一种水电工程用易焊接调质高强韧性钢板，由以下重量百分含量的化学成分组成：C：0.11%~0.14%，Si：0.15%~0.25%，Mn：1.05%~1.45%，P≤0.010%，S≤0.005%，Ni：0.40%~0.50%，Cr：0.40%~0.50%，Mo：0.35%~0.40%，Nb：0.02%~0.04%，V：0.030%~0.050%，Ti：0.015%~0.025%，Al：0.020%~0.040%，余量为Fe和微量不可避免的杂质。

本发明的水电工程用易焊接调质高强韧性钢板的最大厚度为120mm。

同时，本发明的技术方案还采用了一种水电工程用易焊接调质高强韧性钢板的生产方法，包括如下步骤：

(1)   冶炼：将含有以下重量百分比C：0.11%~0.14%，Si：0.15%~0.25%，Mn：1.05%~1.45%，P≤0.010%，S≤0.005%，Ni：0.40%~0.50%，Cr：0.40%~0.50%，Mo：0.35%~0.40%，Nb：0.02%~0.04%，V：0.030%~0.050%，Ti：0.015%~0.025%，Al：0.020%~0.040%组分的钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，当钢水的温度达到或超过1650±10℃时，转入VD炉真空脱气处理；

(2)   连铸：采用250~330mm断面连铸坯生产，浇注温度为1535~1545℃，连铸避风堆垛缓冷，缓冷时间24h～48h；

(3)   加热：钢坯最高加热温度为1220~1240℃，均热温度为1200~1220℃，保温5~6小时；

(4)   轧制：采用再结晶区+未再结晶区两个阶段轧制工艺进行轧制，第一阶段轧制温度为950~1000℃，此阶段单道次压下率为15~25%，累计压下率为35~45%；第二阶段轧制温度为860~900℃，累计压下率为35~50%，得到钢板粗品；

(5)   热堆垛：堆垛温度600~720℃，堆垛时间为48h；

(6)   热处理：对钢板粗品进行910±10℃加热，保温时间15~25min，淬火机在线淬火；回火温度620~650℃，保温时间4.0min/mm回火，得到调质组织为回火索氏体+少量铁素体+少量贝氏体的复合组织成品钢板。

步骤(1)所述的精炼时喂入Al线，真空脱气处理前加入CaSi块≥100kg/炉，真空度不大于66Pa，真空保持时间15~25min，并保证全程吹氩气良好。

步骤(6)所述的淬火机辊速2.0m/min，淬火介质为水，上下集成管水量比0.78。

本发明钢板采用的化学成分设计，C、Mn固溶强化；加入少量的Nb、V、Ti、Al细化晶粒；加入适量Cr、Mo控制少量组织形成；通过后续合理的热处理工艺，得到复合组织，使钢板具有良好的力学性能。

钢板各化学成分在本发明中的作用是：

C：碳对钢的屈服、抗拉强度、焊接性能产生显著影响。碳通过间隙固溶能显著提高钢板强度，但碳含量过高，又会影响钢的焊接性能及韧性。

Si：在炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂，同时Si也能起到固溶强化作用，但硅含量过高时，会造成钢的韧性下降，降低钢的焊接性能。

Mn：锰成本低廉，能增加钢的韧性、强度和硬度，提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能；锰量过高，对于大厚度钢板易出现中心偏析。

P、S：在一般情况下，磷和硫都是钢中有害元素，增加钢的脆性。磷使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏；硫降低钢的延展性和韧性，在轧制时造成裂纹；因此应尽量减少磷和硫在钢中的含量。

Al：铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，过高则影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。

Nb：铌的加入是为了促进钢轧制显微组织的晶粒细化，可同时提高强度和韧性，铌可在控轧过程中通过抑制奥氏体再结晶，有效的细化显微组织，并通过析出强化基体，降低钢的过热敏感性及回火脆性。焊接过程中，铌、硼原子的偏聚及析出可以阻碍加热时奥氏体晶粒的粗化，并保证焊接后得到比较细小的热影响区组织，改善焊接性能。

V：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。

Ti： 钛是良好的脱氧剂。钢种加Ti可与C、N元素形成Ti的碳化物、氮化物或碳氮化物，这些化合物具有好的晶粒细化效果。

Ni：镍溶于奥氏体，抑制奥氏体再结晶，细化奥氏体晶粒，提高钢板低温韧性。

Cr、Mo：是中强碳化物形成元素，增加固溶体原子间结合力，降低铁的自扩散激活能，从而增加过冷奥氏体的稳定性，抑制大量的先共析铁素体析出，得到合适的少量铁素体。同时，降低贝氏体转变点，有利于少量贝氏体形成。

本发明通过合理的设计合金成分含量和制备工艺，采用淬火+回火的热处理工艺，得到组织为回火索氏体+少量铁素体+少量贝氏体的复合组织成品钢板。

本发明具有以下优点：①本发明钢板中的碳及贵重合金含量较低，具有低碳当量和低成本；②本发明采用淬火+回火的热处理工艺，得到调质组织为回火索氏体+少量铁素体+少量贝氏体的优化复合组织；③本发明钢板的生产方法采用两个阶段控轧工艺，解决了轧机轧制压力不足而造成的晶粒粗大不均匀的问题；④良好的焊接性，无冷弯裂纹；⑤高强韧性级别：屈服强度在665MPa以上，抗拉强度在760MPa-930MPa之间；-40℃横向冲击功大于80焦耳，0℃时效横向冲击功大于100焦耳；钢板延伸率大于17%，180度冷弯d=3a完好；⑥钢板最大厚度可达到120mm。

具体实施方式

实施例1

本实施例的水电工程用易焊接调质高强韧性钢板，厚度为112mm，由以下重量百分比的组分熔炼而成：C：0.14%，Si：0.25%，Mn：1.29%，P：0.009%，S：0.001%，Al：0.040%，Nb：0.023%，V：0.039%，Ni：0.50%，Cr：0.43%，Mo：0.40%，Ti：0.020%，余量为Fe和微量不可避免的杂质。

本实施例的水电工程用易焊接调质高强韧性钢板的生产方法，步骤如下：

(1) 冶炼：将含有以下重量百分比C：0.14%，Si：0.25%，Mn：1.29%，P：0.009%，S：0.001%，Al：0.040%，Nb：0.023%，V：0.039%，Ni：0.50%，Cr：0.43%，Mo：0.40%，Ti：0.020%组分的钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，钢水温度达到或超过1650℃时转入VD炉真空脱气处理，真空度为66Pa，真空保持时间25min，真空前加入CaSi块≥100kg/炉，排出钢水中的非金属夹杂物、有害元素，保证钢水的纯净，并喂Al线调整Al含量，且要保证全程吹氩气良好；

(2) 连铸：采用330mm断面连铸坯生产，浇注温度为1540℃，连铸避风堆垛缓冷，缓冷时间28小时；

(3) 加热：钢坯加热温度最高1240℃，均热温度1220℃，保温6小时；

(4) 轧制：采用再结晶区+未再结晶区两阶段轧制工艺进行轧制，第一阶段轧制温度为980℃，此阶段单道次压下率为18%，累计压下率为37％；第二阶段轧制温度为885℃，累计压下率为38%，得到钢板粗品；

(5) 热堆垛：堆垛温度620℃，堆垛48小时；

(6) 热处理：对钢板粗品进行910℃加热，保温时间25min，淬火机在线淬火，辊速2.0m/min，淬火介质为水，上下集成管水量比0.78；回火温度640℃，保温时间4.0min/mm回火，得到调质组织为回火索氏体+少量铁素体+少量贝氏体的复合组织成品钢板。

本实例的钢板的力学性能：屈服强度688MPa，抗拉强度788MPa，-40℃横向冲击功大于80焦，0℃横向时效冲击功大于100焦，延伸性能为20%，180度冷弯d=3a完好。

实施例2

本实施例的水电工程用易焊接调质高强韧性钢板，厚度为88.9mm，由以下重量百分比的组分熔炼而成：C：0.14%，Si：0.21%，Mn：1.19%，P：0.005%，S：0.001%，Al：0.035%，Nb：0.023%，V：0.043%，Ni：0.46%，Cr：0.47%，Mo：0.37%，Ti：0.022%，余量为Fe和微量不可避免的杂质。

本实施例的水电工程用易焊接调质高强韧性钢板的生产方法，步骤如下：

(1) 冶炼：将含有以下重量百分比C：0.14%，Si：0.21%，Mn：1.19%，P：0.005%，S：0.001%，Al：0.035%，Nb：0.023%，V：0.043%，Ni：0.46%，Cr：0.47%，Mo：0.37%，Ti：0.022%组分的钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，钢水温度达到或超过1640℃时转入VD炉真空脱气处理，真空度为66Pa，真空保持时间20min，真空前喂入Al线并调整Al含量，且要保证全程吹氩气良好；

(2) 连铸：采用300mm断面连铸坯生产，浇注温度为1540℃，连铸避风堆垛缓冷，缓冷时间28小时；

(3) 加热：钢坯加热温度最高1240℃，均热温度1220℃，保温5.5小时；

(4) 轧制：采用再结晶区+未再结晶区两阶段轧制工艺进行轧制，第一阶段轧制温度为950℃，此阶段单道次压下率为15%，累计压下率为38％；第二阶段轧制温度为900℃，累计压下率为35%，得到钢板粗品；

(5) 热堆垛：堆垛温度650℃，堆垛48小时；

(6) 热处理：对钢板粗品进行900℃、保温时间20min加热，淬火机在线淬火，淬火机辊速2.0m/min，淬火介质为水，上下集成管水量比0.78；回火炉620℃，保温时间4.0min/mm回火，得到调质组织为回火索氏体+少量铁素体+少量贝氏体的复合组织成品钢板。

本实例的钢板的力学性能：屈服强度741MPa，抗拉强度815MPa，-40℃横向冲击功大于90焦，0℃横向时效冲击功大于120焦，延伸性能为19.7%，180度冷弯d=3a完好。

实施例3

本实施例的水电工程用易焊接调质高强韧性钢板，厚度为66mm，由以下重量百分比的组分熔炼而成：C：0.13%，Si：0.25%，Mn：1.10%，P：0.008%，S：0.002%，Al：0.040%，Nb：0.021%，V：0.042%，Ni：0.48%，Cr：0.46%，Mo：0.36%，Ti：0.022%，余量为Fe和微量不可避免的杂质。

本实施例的水电工程用易焊接调质高强韧性钢板的生产方法，步骤如下：

(1) 冶炼：将含有以下重量百分比C：0.13%，Si：0.25%，Mn：1.10%，P：0.008%，S：0.002%，Al：0.040%，Nb：0.021%，V：0.042%，Ni：0.48%，Cr：0.46%，Mo：0.36%，Ti：0.022%组分的钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，钢水温度达到或超过1645℃时转入VD炉真空脱气处理，真空度为66Pa，真空保持时间15min，保证全程吹氩气良好；

(2) 连铸：采用250mm断面连铸坯生产，浇注温度为1545℃，连铸避风堆垛缓冷，缓冷时间48小时；

(3) 加热：钢坯加热温度最高1240℃，均热温度1220℃，保温5小时；

(4) 轧制：采用再结晶区+未再结晶区两阶段轧制工艺进行轧制，第一阶段轧制温度为970℃，此阶段单道次压下率为21%，累计压下率为38％；第二阶段轧制温度为870℃，累计压下率为35%，得到钢板粗品；

(5) 热堆垛：堆垛温度680℃，堆垛48小时；

(6) 热处理：对钢板粗品进行910℃加热，保温时间15min，淬火机在线淬火，淬火机辊速2.0m/min，淬火介质为水，上下集成管水量比0.78；回火炉650℃，保温时间4.0min/mm回火，得到调质组织为回火索氏体+少量铁素体+少量贝氏体的复合组织成品钢板。

本实例的钢板的力学性能：屈服强度760MPa，抗拉强度810MPa，-40℃横向冲击功最小值大于150焦，0℃横向时效冲击功最小值大于164焦，延伸性能为17.3%，180度冷弯d=3a完好。

Claims (4)

1.一种水电工程用易焊接调质高强韧性钢板，其特征在于，由以下重量百分含量的化学成分组成：C：0.11%～0.14%，Si：0.15%～0.25%，Mn：1.05%～1.45%，P≤0.010%，S≤0.005%，Ni：0.40%～0.50%，Cr：0.40%～0.50%，Mo：0.35%～0.40%，Nb：0.02%～0.04%，V：0.030%～0.050%，Ti：0.015%～0.025%，Al：0.020%～0.040%，余量为Fe和微量不可避免的杂质，所述钢板的厚度为66-120mm。

2.一种如权利要求1所述的水电工程用易焊接调质高强韧性钢板的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)冶炼：将含有以下重量百分比C：0.11%～0.14%，Si：0.15%～0.25%，Mn：1.05%～1.45%，P≤0.010%，S≤0.005%，Ni：0.40%～0.50%，Cr：0.40%～0.50%，Mo：0.35%～0.40%，Nb：0.02%～0.04%，V：0.030%～0.050%，Ti：0.015%～0.025%，Al：0.020%～0.040%组分的钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，当钢水的温度达到或超过1650±10℃时，转入VD炉真空脱气处理；

(2)连铸：采用250～330mm断面连铸坯生产，浇注温度为1535～1545℃，连铸避风堆垛缓冷，缓冷时间24h～48h；

(3)加热：钢坯最高加热温度为1220～1240℃，均热温度为1200～1220℃，保温5～6小时；

(4)轧制：采用再结晶区+未再结晶区两个阶段轧制工艺进行轧制，第一阶段轧制温度为950～1000℃，此阶段单道次压下率为15～25%，累计压下率为35～45%；第二阶段轧制温度为860～900℃，累计压下率为35～50%，得到钢板粗品；

(5)热堆垛：堆垛温度600～720℃，堆垛时间为48h；

(6)热处理：对钢板粗品进行910±10℃加热，保温时间15～25min，淬火机在线淬火；回火温度620～650℃，保温时间4.0min/mm回火，得到调质组织为回火索氏体+少量铁素体+少量贝氏体的复合组织成品钢板。

3.根据权利要求2所述的水电工程用易焊接调质高强韧性钢板的生产方法，其特征在于，步骤(1)所述的精炼时喂入Al线，真空脱气处理前加入CaSi块≥100kg/炉，真空度≤66Pa，真空保持时间15～25min。

4.根据权利要求2所述的水电工程用易焊接调质高强韧性钢板的生产方法，其特征在于，步骤(6)所述的淬火机辊速为2.0m/min，淬火介质为水，上下集成管水量比为0.78。