CN102719744A - 低温结构用钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

低温结构用钢及其制造方法，采用中C－高Mn－低N－微(V+Nb)合金化－微Ti处理低合金钢的成分体系，适当提高钢中酸溶Als含量，Mn/C≥10、Ni当量≥0.35%、Ceq≤0.43%，[(%Cu)+(%Ni)]×[(%V)+(%Nb)]≥0.012、[(%Mn)+(%Cu)+(%Ni)]×[(%C)]≥0.135、Cu/Ni≤0.50，Nb/Ti在1.0～3.0之间、Ca处理，且Ca/S比控制在1.0～3.0之间及(%Ca)×(%S)^0.28≤2.5×10^-3，优化控轧及后续热处理工艺。本发明充分挖掘成分设计与正火热处理匹配的潜力，获得优良的超低温韧性、强韧性匹配及焊接性，特别适宜于用做制造海洋风塔结构、船用浮吊结构、极地区域桥梁结构及冰海区域海洋平台，并且能够实现低成本稳定批量工业化生产。

Description

低温结构用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及低碳高强度低合金钢，具体涉及低温结构用钢及其制造方法，该低温结构用钢的屈服强度≥355MPa、抗拉强度≥490MPa、－50℃的Charpy横向冲击功(单个值)≥47J、焊接性优良，主要用于海洋风塔结构、船用浮吊结构、极地区域桥梁结构及冰海区域海洋平台的制造用材。

背景技术

众所周知，低碳(高强度)低合金钢是最重要工程结构材料之一，广泛应用于石油天然气管线、海洋平台、船舶制造、桥梁结构、锅炉压力容器、建筑结构、汽车工业、铁路运输及机械制造之中。低碳(高强度)低合金钢性能取决于其化学成分、制造过程的工艺制度，其中强度、韧性和焊接性是低碳(高强度)低合金钢最重要的性能，它最终决定于成品钢材的显微组织状态。随着科技不断地向前发展，人们对钢的强韧性、焊接性提出更高的要求，即在维持较低制造成本的同时大幅度地提高钢板的综合机械性能和使用性能，以减少钢材的用量而节约成本，减轻钢构件自身重量、稳定性和安全性。

目前世界范围内掀起了发展新一代高性能钢铁材料的研究高潮，通过合金组合设计、革新控轧/TMCP技术及热处理工艺获得更好的显微组织匹配，从而使钢板得到更高的强度韧性匹配、抗HIC及SCC性能、更优良的焊接性；本发明钢板正是采用上述技术，低成本地开发出综合力学性能优异的低温结构用钢。

现有技术制造－50℃的低温横向冲击韧性(单个值)≥100J的厚钢板时，一般要在钢中添加一定量的贵重合金元素Cu、Ni(Cu、Ni≥0.30%)，且采用TMCP工艺，以确保母材钢板具有优异的低温韧性。

大量现有专利文献只是说明如何实现母材钢板的低温韧性，对于如何在焊接条件下，获得优良的热影响区(HAZ)低温韧性说明得较少，尤其采用大线能量焊接时如何保证热影响区(HAZ)的低温韧性少之又少。如日本专利昭63－93845、昭63－79921等、美国专利US Patent4855106、USPatent5183198、US Patent4137104等。

发明内容

低碳当量正火型高强度低温钢板是厚板产品中难度很大的品种，其原因是在正火条件下，低碳当量与高屈服强度/抗拉强度之间的矛盾、高屈服强度/抗拉强度与优良的超低韧性之间的矛盾、低成本制造与优良的超低温韧性、焊接性之间的矛盾。

为解决上述矛盾，本发明的目的在于提供一种低温结构用钢及其制造方法，充分挖掘成分设计与正火热处理匹配的潜力，获得优良的超低温韧性、强韧性匹配及焊接性，特别适宜于用做制造海洋风塔结构、船用浮吊结构、极地区域桥梁结构及冰海区域海洋平台，并且能够实现低成本稳定批量工业化生产。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

本发明合金组合设计入手，采用了中C－高Mn－低N－微(V+Nb)合金化－微Ti处理低合金钢的成分体系作为基础，适当提高钢中酸溶Als含量并控制其范围、Mn/C≥10、Ni当量≥0.35%、Ceq≤0.43%、[(%Cu)+(%Ni)]×[(%V)+(%Nb)]≥0.012、[(%Mn)+(%Cu)+(%Ni)]×[(%C)]≥0.135、Cu/Ni≤0.50，控制Nb/Ti在1.0～3.0之间、Ca处理且Ca/S比控制在1.0～3.0之间及(%Ca)×(%S)^0.28≤2.5×10^-3，优化控轧及后续热处理工艺。

具体地，本发明的低温结构用钢，其成分重量百分比为：

C：0.10%～0.14%

Si：≤0.30%

Mn：1.20%～1.60%

P：≤0.013%

S：≤0.003%

Cu：0.05%～0.30%

Ni：0.05%～0.30%

Nb：0.010%～0.030%

V：0.035%～0.075%

Ti：0.008%～0.014%

Als：0.040%～0.070%

N：≤0.0050%

Ca：0.001%～0.003%

其余为Fe和不可避免的夹杂；

且上述元素含量必须同时满足如下关系：

Mn/C≥10，以保证钢板晶粒均匀细小且在－55℃下钢板断裂模式为韧性断裂，夏比冲击试样断口纤维率至少高于50%；

Ni当量≥0.35%，Ni当量=Ni+0.20Mn+0.35Cu，降低低温下铁素体位错1/2<111>(110)运动的P-N力，以确保－50℃下铁素体1/2<111>(110)位错具有较高的可动性，改善钢板的低温韧性；

Ceq≤0.43%，以确保钢板具有优良的焊接性，焊接HAZ低温韧性优良；

[(%Cu)+(%Ni)]×[(%V)+(%Nb)]≥0.012，保证低碳当量条件下，钢板具有高的屈服强度与抗拉强度，尤其确保钢板具有高的屈服强度；其为本发明成分设计的关键创新之一；

[(%Mn)+(%Cu)+(%Ni)]×[(%C)]≥0.135，保证低碳当量条件下，钢板具有高的抗拉强度；其为本发明成分设计的创新之一；

Cu/Ni≤0.50，防止Cu脆发生的同时，实现Cu、Ni复合强韧化；

Nb/Ti在1.0～3.0，保证Ti(C,N)+Nb(C,N)复合粒子以细小弥散地状态分布在钢中，控制奥氏体晶粒在热轧、焊接热循环过程中过分长大，改善钢板低温韧性与焊接HAZ的低温韧性；

Ca/S在1.0～3.0之间且(%Ca)×(%S)^0.28≤1.0×10^-3；钢中夹杂物含量少且均匀细小地弥散在钢中；改善钢板的低温韧性、均匀延伸率及焊接性，尤其大幅度改善焊接HAZ韧性。

在本发明成分设计中：

众所周知，C对钢板低温冲击韧性及焊接性影响很大，从改善钢板的低温冲击韧性及焊接性角度，希望钢中C含量比较低为宜；但从钢板的抗拉强度，更重要的从热轧过程和正火过程的显微组织控制角度，C含量不宜过低，过低C含量导致奥氏体晶界迁移率高，这给热轧和正火的均匀细化组织带来较大问题，易形成混晶组织，同时过低C含量还造成晶界结合力降低，导致钢板低温冲击韧性低下、焊接热影响区低温冲击韧性劣化；综合以上的因素，C的含量控制在0.10%～0.14%之间。

Si促进钢水脱氧并能够提高钢板强度，但是采用Al脱氧的钢水，Si的脱氧作用不大，Si虽然能够提高钢板的强度，但是Si严重损害钢板的低温韧性和焊接性，尤其在较大热输入焊接或多层多道次条件下，Si不仅促进M－A岛形成，而且形成的M－A岛尺寸大、分布不均匀，严重损害焊接热影响区(HAZ)的低温韧性，因此钢中的Si含量应尽可能控制得低，考虑到炼钢过程的经济性和可操作性，Si含量控制在≤0.30%。

Mn作为合金元素在钢板中除提高强度和改善韧性外，还具有扩大奥氏体相区，降低Ac₁、Ac₃、Ar₁、Ar₃点温度，细化铁素体晶粒之作用；加入过多Mn会增加钢板内部偏析程度，降低钢板力学性能的均匀性和低温韧性；并且提高钢板的淬硬性，影响钢板较大热输入焊接性。而较小热输入焊接时，焊接热影响区易形成脆硬组织如马氏体、上贝氏体，综合考虑上述因素，Mn含量控制在1.20%～1.60%之间。

P作为钢中有害夹杂对钢板的低温冲击韧性和焊接性具有巨大的损害作用；理论上要求越低越好，但考虑到炼钢条件、炼钢成本和炼钢厂的物流顺畅，要求P含量控制在≤0.013%。

S作为钢中有害夹杂对钢板的低温韧性(尤其横向低温韧性)损害作用很大，更重要的是S在钢中与Mn结合，形成MnS夹杂物，在热轧过程中，MnS的可塑性使MnS沿轧向延伸，形成沿轧向MnS夹杂物带，严重损害钢板的横向低温冲击韧性、Z向性能和焊接性，同时S还是热轧过程中产生热脆性的主要元素；理论上要求越低越好，但考虑到炼钢条件、炼钢成本和炼钢厂的物流顺畅原则，要求S含量控制在≤0.003%。

作为奥氏体稳定化元素，加入少量的Cu可以同时提高钢板强度，改善低温韧性而不损害其焊接性；但加入过多的Cu尤其Cu含量高于0.45%时，不仅提高制造成本，而且在热轧和正火处理过程中，将发生细小弥散的ε-Cu沉淀(Cu在铁素体中固溶度约0.45%左右)，损害钢板的低温韧性，同时还可能造成铜脆；但如果加入Cu含量过少，对提高强度、韧性改善效果较小，综合考虑上述因素，Cu含量控制在0.05%～0.30%之间。

Ni是钢板获得优良超低温韧性不可缺少的合金元素；同时钢中加Ni还可以降低铜脆发生，减轻热轧过程的开裂。因此从理论上讲，钢中Ni含量在一定范围内越高越好，但是Ni是一种很贵的合金元素，从低成本批量生产角度，适宜的加入量为0.05%～0.30%，远低于传统的低温用钢的Ni含量，以超低Ni含量成分设计，生产低温钢板，也是本发明采用低Ni含量生产低温用钢的技术特色。

N的控制范围与Ti的控制范围相对应，对于较大热输入钢板，Ti/N在2.0～3.0之间最佳。N含量过低，生成TiN粒子数量少、尺寸大，不能起到改善钢的焊接性的作用，反而对焊接性有害；但是N含量过高时，钢中自由[N]增加，尤其较大热输入条件下热影响区(HAZ)自由[N]含量急剧增加，严重损害HAZ低温韧性，恶化钢的焊接性。因此N含量控制在≤0.0050%。

钢中加入微量的Ti目的是与钢中N结合，生成稳定性很高的TiN粒子，抑制焊接HAZ区奥氏体晶粒长大和改变二次相变产物，改善较大热输入HAZ的低温韧性。钢中添加的Ti含量要与钢中的N含量匹配，匹配的原则是TiN不能在液态钢水中析出而必须在固相中析出；因此TiN的析出温度必须确保低于1400℃，根据log[Ti][N]＝－16192/T＋4.72可以确定Ti的加入量。当加入Ti含量过少，形成TiN粒子数量不足，不足以抑制HAZ的奥氏体晶粒长大和改变二次相变产物而改善较大热输入HAZ的低温韧性；加入Ti含量过多时，TiN析出温度超过1400℃，部分TiN颗粒在钢液凝固过程中析出大尺寸的TiN粒子，而且促进粗大的(Ti,Nb)(C,N)、(Ti,V)(C,N)复合粒子生成，这种大尺寸TiN、(Ti,Nb)(C,N)、(Ti,V)(C,N)粒子不但不能抑制热轧及焊接热循环过程的奥氏体晶粒长大，反而成为裂纹萌生的起始点；因此Ti含量的最佳控制范围为0.008%～0.014%。

钢板中的Als能够固定钢中的自由[N]，降低焊接热影响区(HAZ)自由[N]，改善较大热输入焊接HAZ的低温冲击韧性作用；但钢中加入过量的Als不但会在钢中形成大量弥散的针状Al₂O₃夹杂物，损害钢板低温冲击韧性和焊接性，根据钢板成分体系分析，最佳Als含量控制在0.040%～0.070%之间。

钢中添加微量的Nb元素目的是进行未再结晶控制轧制，当Nb添加量低于0.010%时，不能有效发挥的未再结晶控轧作用；当Nb添加量超过0.030%时，较大热输入焊接条件下诱发上贝氏体(Bu)形成和Nb(C,N)二次析出脆化作用，严重损害大线能量焊接热影响区(HAZ)的低温韧性，因此Nb含量控制在0.010%～0.030%之间，获得最佳的控轧效果及均匀细小的显微组织的同时，又不损害大线能量焊接HAZ的韧性。

V含量在0.035%～0.075%之间，并随着钢板厚度的增加，V含量可适当取上限值。添加V目的是通过V(C,N)在铁素体相中析出，提高钢板的屈服强度、抗拉强度。V添加过少，低于0.040%，析出的V(C,N)量不足以提高低碳当量成分体系钢板的屈服强度与抗拉强度；V添加量过多，高于0.075%，损害钢板低温韧性与焊接性。

对钢进行Ca处理，一方面可以纯净钢液，另一方面对钢中硫化物进行变性处理，使之变成不可变形的、稳定细小的球状硫化物，抑制S的热脆性、提高钢板冲击韧性和Z向性能、改善钢板冲击韧性的各向异性。Ca加入量的多少，取决于钢中S含量的高低，Ca加入量过低，处理效果不大；Ca加入量过高，形成Ca(O,S)尺寸过大,脆性也增大，可成为断裂裂纹起始点，降低钢的低温韧性，同时还降低钢质纯净度、污染钢液。一般控制Ca含量按ACR＝(wt%Ca)[1-1.24(wt%O)]/1.25(wt%S)，其中ACR为硫化物夹杂形状控制指数，因此Ca含量的控制范围为0.001%～0.003%。

本发明的低温结构用钢的制造方法，其包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按上述成分冶炼，铸造采用连铸工艺，连铸采用凝固末端轻压下技术，连铸轻压下率控制在3%～7%之间，中间包浇注温度在1530℃～1560℃之间；

2)板坯加热

加热温度1100℃～1180℃，板坯出炉后采用高压水除鳞，除鳞不尽可反复除鳞；

3)轧制

第一阶段为再结晶轧制，板坯除磷结束后输送到粗轧机架，以粗轧机最大能力进行连续不间断轧制，道次压下率≥8%，累计压下率≥50%，终轧温度≥980℃，确保形变金属发生动态/静态再结晶，细化奥氏体晶粒；

第二阶段采用未再结晶控制轧制，控轧开轧温度780℃～860℃，轧制道次压下率≥7%，未再结晶区累计压下率≥50%，终轧温度760℃～800℃；

4)冷却

钢板轧制后采用缓冷工艺，缓冷工艺为钢板表面温度大于300℃的条件下至少保温36小时，保证钢板脱氢充分，防止产生氢致裂纹；

5)正火，

钢板正火温度控制在880～920℃之间，正火时间为：(1.0～1.5)min/t，t为钢板厚度，mm；钢板正火出炉后自然空冷到室温，获得具有－50℃及以下极其优良超低温冲击韧性的钢板，钢板组织为均匀细小的等轴铁素体＋弥散分布的珠光体。

进一步，钢板轧制后板厚≥40mm。

在本发明制造方法中

铸造工艺推荐采用连铸工艺，连铸工艺采用凝固末端轻压下技术，以减轻连铸坯中心偏析，连铸工艺重点控制中间包浇铸温度，中间包浇注温度在1530℃～1560℃之间。

加热温度1100℃～1180℃，保证Nb充分固溶条件及板坯晶粒不发生反常变大。

轧制采用两阶段轧制，第一阶段为再结晶轧制，板坯除磷结束后，快速输送到粗轧机架，以粗轧机最大能力进行连续不间断轧制，道次压下率≥8%，累计压下率≥50%，终轧温度≥980℃，确保形变金属发生动态/静态再结晶，细化奥氏体晶粒。

第二阶段采用未再结晶控制轧制，控轧开轧温度780℃～860℃，轧制道次压下率≥7%，未再结晶区累计压下率≥50%，终轧温度760℃～800℃。

钢板轧制后采用缓冷工艺，缓冷工艺为钢板温度表面大于300℃的条件下至少保温36小时，保证钢板脱氢充分，防止产生氢致裂纹。

正火工艺重点控制钢板正火温度、正火时间及正火后冷却速度。钢板正火温度控制在880～920℃之间，完全奥氏体化的同时奥氏体晶粒不发生过分变大；正火时间按炉内装料量而定，一般正火时间取(1.0～1.5)min/mm×t(钢板厚度)，钢板正火出炉后，自然空冷到室温。

本发明的有益效果

本发明综合了在正火条件下低碳当量与高屈服强度/抗拉强度之间的矛盾、高屈服强度/抗拉强度与优良的超低韧性之间的矛盾、低成本制造与优良的超低温韧性、焊接性之间的矛盾等影响因素，创造性地采用了中C－高Mn－低N－微(V+Nb)合金化－微Ti处理低合金钢的成分体系作为基础，适当提高钢中酸溶Als含量并控制其范围、Mn/C≥10、Ni当量≥0.35%、Ceq≤0.43%、[(%Cu)+(%Ni)]×[(%V)+(%Nb)]≥0.012、[(%Mn)+(%Cu)+(%Ni)]×[(%C)]≥0.135、Cu/Ni≤0.50，控制Nb/Ti在1.0～3.0之间、Ca处理且Ca/S比控制在1.0～3.0之间及(%Ca)×(%S)^0.28≤2.5×10^-3，优化控轧及后续热处理工艺，获得优良的超低温韧性、强韧性匹配及焊接性，特别适宜于用做制造海洋风塔结构、船用浮吊结构、极地区域桥梁结构及冰海区域海洋平台，并且能够实现低成本稳定批量工业化生产。

本发明采用超低Ni含量生产低温用钢，这不仅降低贵重资源消耗，降低制造成本，缩短了制造周期，实现了制造过程的绿色环保，提升了企业的核心竞争力。

附图说明

图1为本发明实施例3的钢板显微组织照片。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

表1为本发明实施例钢的成分，表2、表3为本发明实施例钢的制造工艺。表4为本发明实施例钢的性能。

实施例1

TDS铁水深度脱硫→转炉冶炼→LF→RH(喂Si－Ca丝)→连铸(采用轻压下工艺)→板坯下线精整→板坯定尺火切→加热→控制轧制(TMR)→钢板缓冷→AUT/MUT→钢板切边、切头尾→粗抛丸去钢板表面氧化皮→正火热处理(N)→取样与性能验测→切定尺钢板→表面质量和外观尺寸、标识及检测→出厂。

参见图1，其为本发明实施例3的钢板显微组织照片，由图可知，通过成分、控轧及后续热处理工艺结合，得到钢板的显微组织为均匀细小的铁素体＋珠光体，平均晶粒尺寸在15μm以下。

表1    单位：重量百分比

表2

表3

表4

根据本发明钢板技术特点，新发明钢板通过合理的合金元素的组合设计与未再结晶控轧、热处理工艺相结合，钢板即可获得优异的低温韧性，而且钢板具有优良的焊接性；因而节约了用户构件制造的成本，缩短了用户构件制造的时间，为用户创造了很大的价值，因而此类钢板是高附加值、绿色环保性的产品；由于本发明钢板生产过程中不需要添加任何设备，制造工艺简洁、生产过程控制容易，合金设计简单、贵重合金元素添加量少，因此制造成本低廉，具有很高性价比和市场竞争力；且技术适应性强，可以向所有具有热处理设备的中厚板生产厂家推广，具有很强的商业推广性，具有较高的技术贸易价值。

随着我国经济持续发展，对能源需求量越来越大，而发展清洁能源作为国家战略提出，清洁能源工程建设及相关装备制造用关键材料(如海洋风电结构用钢、海洋平台结构用钢、水轮发电机组用钢等)——高焊接性、正火型低温钢板，具有广阔的市场前景。应用本发明已成功采批量、低成本生产出性能及焊接性优良的正火型低温钢板，用于制造海洋风电结构，而且已出口欧洲。

Claims (3)

1.低温结构用钢，其成分重量百分比为：

C：0.10%～0.14%

Si：≤0.30%

Mn：1.20%～1.60%

P：≤0.013%

S：≤0.003%

Cu：0.05%～0.30%

Ni：0.05%～0.30%

Nb：0.010%～0.030%

V：0.035%～0.075%

Ti：0.008%～0.014%

Als：0.040%～0.070%

N：≤0.0050%

Ca：0.001%～0.003%

其余为Fe和不可避免的夹杂；

且上述元素含量必须同时满足如下关系：

Mn/C≥10；

Ni当量≥0.35%，Ni当量=Ni+0.20Mn+0.35Cu；

Ceq≤0.43%；

[(%Cu)+(%Ni)]×[(%V)+(%Nb)]≥0.012；

[(%Mn)+(%Cu)+(%Ni)]×[(%C)]≥0.135；

Cu/Ni≤0.50；

Nb/Ti在1.0～3.0；

Ca/S在1.0～3.0之间，且(%Ca)×(%S)^0.28≤1.0×10^-3。

2.如权利要求1所述的低温结构用钢的制造方法，其包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按上述成分冶炼，铸造采用连铸工艺，连铸采用凝固末端轻压下技术，连铸轻压下率控制在3%～7%之间，中间包浇注温度在1530℃～1560℃之间； 

2)板坯加热

加热温度1100℃～1180℃，板坯出炉后采用高压水除鳞，除鳞不尽可反复除鳞；

3)轧制

第一阶段为再结晶轧制，板坯除磷结束后输送到粗轧机架，以粗轧机最大能力进行连续不间断轧制，道次压下率≥8%，累计压下率≥50%，终轧温度≥980℃，确保形变金属发生动态/静态再结晶，细化奥氏体晶粒；

第二阶段采用未再结晶控制轧制，控轧开轧温度780℃～860℃，轧制道次压下率≥7%，未再结晶区累计压下率≥50%，终轧温度760℃～800℃；

4)冷却

钢板轧制后采用缓冷工艺，缓冷工艺为钢板表面温度大于300℃的条件下至少保温36小时，保证钢板脱氢充分，防止产生氢致裂纹；

5)正火，

钢板正火温度控制在880～920℃之间，正火时间为：(1.0～1.5)min/t，t为钢板厚度，mm；钢板正火出炉后自然空冷到室温，获得具有－50℃及以下极其优良超低温冲击韧性的钢板，钢板组织为均匀细小的等轴铁素体＋弥散分布的珠光体。

3.如权利要求2所述的低温结构用钢的制造方法，其特征是，钢板轧制后板厚≥40mm。 

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