CN103103451B

CN103103451B - 屈强比≤0.85的大线能量焊接低温用钢及其生产方法

Info

Publication number: CN103103451B
Application number: CN201310035471.1A
Authority: CN
Inventors: 李明; 丁庆丰; 邹德辉
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2013-01-30
Filing date: 2013-01-30
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2033-01-30
Also published as: CN103103451A

Abstract

屈强比≤0.85的大线能量焊接低温用钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.04%～0.07%，Si≤0.20%，Mn：0.8%～1.2%，P：≤0.013%，S：≤0.003%，Ni：0.35%～0.85%，Cr：0.10%～0.30%，Ti：0.008%～0.02%，Nb：0.01%～0.02%，N：≤0.005%；并满足：Pcm=C+Si/30+(Mn+Cr+Cu)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.18%，Nb≤0.358C，Ti/N在2.5～3.5；生产步骤：经脱硫冶炼后连铸成坯；铸坯加热；高压水除鳞；分段轧制；弛豫30～90秒；冷却；空冷至室温；回火处理；再次空冷至室温。本发明的屈强比≤0.85，-80℃KV₂≥60J，-80℃（HAZ）≥27J，具有良好的低温韧性和焊接性。

Description

屈强比≤0.85的大线能量焊接低温用钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种低温用钢及其生产方法，具体地属于一种屈强比≤0.85的大线能量焊接低温用钢及其生产方法。

背景技术

随着现代科技的不断发展，各种钢结构的大型化，人们对钢的强韧性、强塑性匹配及焊接性提出了更高的要求，即在保证制造低成本的同时，大幅度提高钢板综合机械性能和使用性能。在保证抗拉强度的前提下，降低屈强比，即增加TS与YS之前的差值，才能提高钢材使用过程中的稳定性和安全性，提高钢结构的安全稳定性和冷热加工性；同时在优化成分的前提下，必须优化TMCP及热处理工艺，充分发挥合金元素各种强韧化机理作用，精细控制显微组织转变，降低钢板韧脆转变温度Tc，才能不断提高优异的低温冲击韧性，并获得优异的焊接性。

现有相关专利只是说明如何实现母材低温韧性，改善大线能量焊接性，关于大线能量焊接低温用钢专利很少，更没有涉及如何进一步降低钢板屈强比，提高安全使用性能；中国专利CN 101545077A、CN 102108467A、CN 100519809C等文献，虽确保了母材具有一定的低温冲击韧性，但是存在以下方面不足：

1）合金元素添加较多，Cu、Cr、Nb等成分偏高，Pcm值较高，同时添加B等元素，按说明虽可保证优良冲击韧性，但屈服强度较高，难以保证屈强比≤0.86，即钢板在使用过程中存在潜在的不稳定性和不安全性；

2）工艺较复杂，需正火或调质处理，增加制造成本；

3）未详细说明如何在保证抗拉强度前提下，降低屈服强度，即降低屈强比（US专利4855106 US专利4137104）；

4）没有给出C、Nb、Ti、N等之间的定量关系，造成钢板低温韧性及HAZ区性能不稳定，影响钢板正常使用寿命及安全性。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术存在的不足，提供一种屈强比≤0.85，-80℃冲击功KV₂≥60J，-80℃（HAZ）≥27J，具有良好的低温韧性和焊接性的屈强比≤0.85的大线能量焊接低温用钢及其生产方法。

实现上述目的的措施：

屈强比≤0.85的大线能量焊接低温用钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.04%～0.07%，Si≤0.20%，Mn：0.8%～1.2%，P：≤0.013%，S：≤0.003%，Ni：0.35%～0.85%，Cr：0.10%～0.30%，Ti：0.008%～0.02%，Nb：0.01%～0.02%，N：≤0.005%，其余为Fe及不可避免的杂质；并满足：Pcm= C+ Si/30+( Mn+ Cr+Cu)/20+ Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.18%，Nb≤0.358 C，Ti/ N在2.5～3.5力学性能：屈强比≤0.85，-80℃冲击功KV₂≥60J，-80℃（HAZ）≥27J。

生产屈强比≤0.85的大线能量焊接低温用钢的方法，其步骤为：

1）经脱硫冶炼后连铸成坯；

2）将铸坯加热到1100～1220℃；

3）铸坯表面采用高压水除鳞至干净；

4）分段进行轧制：粗轧按照常规进行；精轧开轧温度控制在850～900℃，每道次压下率控制在不低于8%，累计压下率控制在不低于55%，终轧温度控制在760～810℃；

5）进行弛豫，控制弛豫时间在30～90秒；

6）进行冷却，冷却速度为5～20℃/秒下冷却至460～510℃；

7）空冷至室温；

8）进行回火处理，回火温度控制在600～650℃，回火时间按照不低于（1.0～1.3）Х板厚度（毫米），时间单位为：分钟；

9）再次空冷至室温。

本发明的化学成分具有如下特征：

C：C对TMCP+回火工艺钢板强度、低温韧性、延伸率及焊接性能影响很大，从改善钢板低温韧性及焊接性角度考虑，一般控制钢种C含量达到较低水平，但从钢板强度、显微组织控制及制造成本角度考虑，C含量也不易过低，否则会造成A_c1 A_c3 A_r1 A_r3 点温度升高，奥氏体和铁素体晶粒长大速度增加，组织不易控制，若形成混晶组织会严重影响低温韧性及焊接性能；C含量如果偏高，对焊接热影响区HAZ会有很大影响，容易促成魏氏组织、上贝氏体等等影响焊接性的不良组织，同时对钢种第二相的强化机理尤其Nb、Ti等有明显影响，本发明综合考虑以上分析原因，设计C含量0.04%–0.07%，同时满足上述C、Nb关系式；

Mn：Mn钢中是重要的合金元素，不仅可以提高钢板强度，还可以扩大奥氏体相区，降低A_r3点温度，细化铁素体晶粒，改善钢板低温韧性，但是Mn在钢水凝固过程中容易发生偏析，高含量的Mn容易与P 、S等杂质发生共轭偏析，对连铸造成困难，并在后续轧制生产过程中容易产生M/A岛等影响低温韧性和焊接性的不良组织，同时影响钢板屈强比，钢中MnS第二相夹杂对母材性能及HAZ区均有严重不良影响；此外，Mn还会提高钢的脆硬性，导致Pcm值增高，容易形成硬脆相，本发明设计Mn含量0.8%–1.2%，在保证钢板屈强比的同时，不仅避免钢中硬脆相如M/A的产生，而且控制钢中硫化物在高温下聚集长大，使其细小球化，防止大线能量焊接过程中热裂纹产生；

Si：Si促进钢水脱氧并能够提高钢板强度，但是Si的固溶强化损害钢板的低温冲击韧性及焊接性，同时促进M/A形成并长大，对屈强比影响也很明显，提高抗拉强度同时也提高屈服强度，不能有效降低屈强比，设计时考虑到须一定程度提高强度但是不损害其他方面性能，Si含量应≤0.20%；

P：P作为钢中有害夹杂对钢的低温韧性和焊接性有很大损害作用，理论上要求越低越好，但考虑到炼钢可操作性和炼钢成本，对于要求可大线能量焊接-80℃冲击韧性的钢板，P含量要求控制在≤0.013%；

S：S作为钢中有害夹杂对钢的低温韧性和焊接性同样有很大损害作用，更重要的是S在钢中与Mn结合形成MnS夹杂物，在轧制过程中易形成长条状夹杂区，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，但考虑到炼钢可操作性和炼钢成本，对于要求可大线能量焊接-80℃冲击韧性的钢板，S含量要求控制在≤0.003%；

Cr：Cr是弱碳化物形成元素，添加少量的Cr可以增大裂纹穿过晶界的阻力，在提高强度的同时提高钢板的冲击韧性，本发明添加Cr含量范围0.10%–0.30%；

Ni：Ni不仅可以提高铁素体相中位错可动性，促进位错交滑移，而且可以降低A_r3点温度，提高钢板强度、延伸率和低温冲击韧性，降低钢板屈强比，同时Ni还可以降低含铜钢的铜脆现象，减轻轧制过程中晶间开裂，提高钢板耐大气腐蚀性；从理论上讲，钢中Ni含量在一定范围内越高越好，但是Ni是一种贵重金属，本发明对于要求可大线能量焊接-80℃冲击韧性的钢板设计Ni含量0.35%–0.85%；

Nb：Nb主要是进行未再结晶控制和促进低温相变组织形成，钢中Nb含量低于0.01%时不能有效发挥作用，含量高于0.03%时，大线能量焊接条件下诱发上贝氏体形成，严重损害大线能量HAZ区低温韧性，本发明Nb含量控制0.01%–0.02%范围内同时满足C Nb关系式，以在TMCP+回火工艺下可获得最佳NbC沉淀析出，其尺寸可控制在（20–50）nm，可最大限度发挥第二相强化效果；

Ti：Ti可以与钢中N结合生成稳定性很高的TiN粒子，抑制HAZ区奥氏体晶粒长大和改变二次相变产物，改善HAZ区焊接性和低温韧性，同时微量Ti在适当工艺下可以提高抗拉强度保持屈服强度基本不变，即可增加屈强比；本发明Ti含量最佳范围0.008%–0.020%。

本发明与现有技术相比，本发明采用了低C、中Mn、Nb、Ti等微合金成分体系作为基础，控制冷裂纹敏感指数≤0.18%，Cr、Nb合金化且Nb<0.358C，控制Ti/N在2.5～3.5之间等冶金手段，优化TMCP工艺，使成品钢板的显微组织为少量细小铁素体和回火贝氏体，同时控制钢中第二相析出尺寸为（20~50）nm；

本发明通过合金元素设计与优化TMCP及回火工艺，在获得优异的低温韧性、高抗拉强度、低屈强比同时，大线能量焊接时热影响区HAZ的低温韧性也同样优异，低的屈强比，节约了成本，减轻了钢结构的自身重量，提高稳定性和安全性，可大线能量焊接性节约了用户构件制造的成本，缩短了用户构件制造的时间，为用户创造了巨大的价值。

本发明此类钢板是具有高附加值，绿色环保型的产品，能够成功应用于低温储气罐、海洋采油平台、石油天然气管线等低温环境，并且能够实现批量生产。

附图说明

附图为本发明的金相组织图（1/4厚度区域，放大倍数500X）。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例及对比例的取值列表；

表2为本发明各实施例及对比例的主要轧制工艺取值列表；

表3为本发明各实施例及对比例的回火工艺取值列表；

表4 为本发明各实施例及对比例力学性能检验结果。

本发明各实施例按照以下步骤生产：

其步骤为：

1）经脱硫冶炼后连铸成坯；

2）将铸坯加热到1100～1220℃；

3）铸坯表面采用高压水除鳞至干净；

5）进行弛豫，控制弛豫时间在30～90秒；

6）进行冷却，冷却速度为5～20℃/秒下冷却至460～510℃；

7）空冷至室温；

9）再次空冷至室温。

表1 本发明各实施例及对比例钢的化学成分（wt%）及Pcm

表2 本发明各实施例及对比例的主要轧制工艺取值列表

表3本发明各实施例及对比例的回火工艺取值列表

表4 本发明各实施例及对比例力学性能列表

从表4本发明各实施例与对比例性能结果可以看出，本发明的钢板屈强比明显低于对比例，延伸率和冲击功显著高于对比例。说明本发明所生产的钢板力学性能优良，完全满足市场的需要。

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。

Claims

1.屈强比≤0.85的大线能量焊接低温用钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.04%～0.07%，Si≤0.20%，Mn：0.8%～1.1%，P：≤0.013%，S：≤0.003%，Ni：0.35%～0.85%，Cr：0.10%～0.30%，Ti：0.008%～0.02%，Nb：0.01%～0.019%，N：≤0.005%，其余为Fe及不可避免的杂质；并满足：Pcm= C+ Si/30+( Mn+ Cr+Cu)/20+ Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.18%，Nb≤0.358 C，Ti/ N在2.5～3.5力学性能：屈强比≤0.85，-80℃冲击功KV₂≥60J，-80℃（HAZ）≥27J。

2.生产权利要求1所述的屈强比≤0.85的大线能量焊接低温用钢的方法，其步骤为：

1）经脱硫冶炼后连铸成坯；

2）将铸坯加热到1145～1220℃；

3）铸坯表面采用高压水除鳞至干净；

5）进行弛豫，控制弛豫时间在75～90秒；

6）进行冷却，冷却速度为5～20℃/秒下冷却至460～510℃；

7）空冷至室温；

8）进行回火处理，回火温度控制在635～650℃，回火时间按照不低于（1.0～1.3）Х板厚度（毫米），时间单位为：分钟；

9）再次空冷至室温。