CN103361551A - 一种基于v-n微合金化高强韧船板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于V-N微合金化高强韧船板，C 0.05％～0.18％，Si 0.05％～0.3％，Mn 0.9％～1.5％，Nb 0.01％～0.03％，V 0.01％～0.03％，Ti 0.005％～0.015％，N 0.01％～0.015％，P≤0.01％，S≤0.01％，AlS 0.02％～0.035％，其余为Fe及不可避免杂质。在精炼结束后，开始向真空熔炼炉内吹入氮气，氮气的压力控制在540-550Pa；将铸坯加热至1100-1200℃，保温0.5-3h；铸坯开轧温度为1000℃-1140℃，终轧温度为850-900℃；开冷温度为800-900℃，冷却速度为10-20℃/s，返红温度为500-750℃。
Description
技术领域
本发明属于高强韧钢板生产技术领域，具体涉及一种基于V-N微合金化技术的高强韧船板及其制造方法。
背景技术
随着国内造船业的发展，造船的技术水平也取得了长足进步，造船工业向大型化、轻型化发展，对造船用钢板的要求越来越高；同时，随着世界经济的发展和贸易的增长，人们对低成本的船舶运输方式的需求持续增长。而为了满足船舶在各种条件下的服役性能，人们对船板钢性能的要求也愈加苛刻。一般而言，各家船级社大多要求船板钢具有强度σs和σb的匹配及稳定性、韧性和塑性的储备足以经受船体在正常航行或突发事故中裂纹扩展和抗脆性断裂，且要求船板具有良好的低温韧性、焊接性能和耐海水腐蚀性能，以保证船舶在建造和行驶中的可靠性与安全性。为此，各大船板钢生产商纷纷致力于高强度船板钢的开发和应用，掀起了对高级别船板钢成分设计和生产工艺的研究热潮。可以预见未来船板钢的发展趋势为：高强韧钢的需求量将大幅度增加；规格及尺寸精度将更高；质量将进一步提高；品种将进一步增多。
目前，在船板钢的生产中广泛应用了控轧控冷技术。通过合理设计合金元素含量和控轧控冷参数等实现相变强化、细晶强化和亚晶强化等强化机制，来提高强度和韧性。但是由于控轧控冷生产流程繁多，生产工艺复杂，对钢板的控制要求严格，尤其是轧制变形以及喷水冷却过程中需要进行精确控制，所以会造成产品合格品率低，产品质量波动大，生产效率不高等问题。
近年来，在船板钢的制备方面取得了一定成果，并产生了一些相关专利。
吴天育等公开了“一种低温高韧性船板钢及其生产方法”，公开号：CN101876033A，该专利所公开的船板钢，化学成分含有铜、铬、钼、镍等贵重合金元素，使其成本较高；具有良好的低温冲击韧性，-60℃纵向冲击功可达250J以上，但是其屈服强度较低，约为350MPa，远不能满足现代大型船舶的需求。
尹雨群等公开了“一种厚规格高强高韧船板钢及其生产方法”，公开号：CN101701326A，该专利所公开的船板钢，其化学成分也含有铬、钼、镍等贵重合金元素，使其成本较高；且其屈服强度约为355MPa，同样具有屈服强度偏低的特点。
刘东升等公开了“屈服强度355MPa合金减量型船板钢及其制备工艺”，公开号：CN102199724A，该专利公开的船板钢，采用控制轧制、控制冷却工艺，实现Nb-Ti微合金的减量化；但其屈服强度只有355MPa，且其低温冲击韧性偏低，-20℃夏氏冲击功只有约34J。不能满足现代大型船舶的需求。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明所要解决的技术问题是提供一种利用V-N微合金化技术来生产同时具有较高强度与韧性的高强度级别船板。
V-N微合金化利用高温轧制过程中析出VN粒子诱发形成细小晶内铁素体(IGF)的技术来细化组织，并与高温控轧工艺相结合。该技术通过充分利用廉价的氮元素，优化了钒的析出，从而更好的发挥细晶强化和沉淀强化的作用，可以生产出具有高附加值的热轧产品。
本发明的主要技术方案为：
1、本发明制备的高强韧船板钢的化学成分，按照重量百分比为：C 0.05％～0.18％，Si 0.05％～0.3％，Mn 0.9％～1.5％，Nb0.01％～0.03％，V 0.01％～0.03％，Ti 0.005％～0.015％，N0.01％～0.015％，P≤0.01％，S≤0.01％，AlS 0.02％～0.035％，其余为Fe及不可避免杂质。
本发明所以选择以上各元素含量范围理由：
C：是微合金钢中主要强化元素，是提高钢板淬透性的主要元素；其含量偏低时会使碳化物等的生成量降低，影响控制轧制时的细化晶粒的效果。当含量偏高时，除了不利于低温韧性外，还会增加碳当量，降低焊接性能。因此综合考虑成本、性能等因素，本发明控制C的范围为0.05～0.18(wt％)。
Si：Si能够促进钢水脱氧并能够提高钢板强度，在钢中固溶能力较强，可以起到一定的强化作用，但含量过高会严重损害钢板的低温韧性和焊接性能。因此本发明控制Si含量在0.05～0.3％(wt％)，其作用还在于在炼钢的过程促进钢水纯净化。
Mn：适当的Mn可以延缓钢种铁素体和珠光体转变，大幅增加钢种淬透性，降低钢材脆性转变温度，改善冲击韧性。本发明控制Mn的范围为0.9～1.5(wt％)。
Ti：Ti能产生强烈的沉淀强化作用，使钢的强度提高，还能阻止奥氏体再结晶；同时，能够产生晶粒细化的作用，提高钢材的屈服强度。Ti对焊接热影响区的硬度也具有积极的影响。本发明控制Ti的范围为0.005％～0.015％(wt)。
Nb：同Ti一样均为强碳化物形成元素，但形成温度较Ti要低。可抑制轧制过程晶粒长大，细化晶粒，提高钢板的强度。本发明控制Nb的范围为0.01％～0.03％(wt)。
V：同Nb、Ti一样均为强碳化物形成元素。对奥氏体再结晶影响较小，低温时V的碳、氮化物大量析出可以起到细化、强化晶粒的作用，进而提高钢板的强度。本发明控制V的范围为0.01％～0.03％(wt％)。
N：是本发明的主要强韧化元素，N主要以游离态和化合物两种状态存在于钢中，前者的存在对钢板的韧性不利，后者的存在则对钢板的综合性能有好的影响作用。对于含钒的钢中，钢中缺氮的情况下，大部分的V没有充分发挥其析出强化作用。另外，含氮钢不仅消除了炼钢过程中因脱气和精炼去氮引起的成本增加，而且钢中增氮更能充分发挥微合金元素的作用，节约合金化元素的用量，从而大大降低生产成本。本发明控制N的范围为0.01％～0.015％(wt)。
Al：铝是强脱氧元素，大部分钢均采用铝或含铝的复合脱氧剂脱氧。随着AlS的提高，一方面可以使溶解氧迅速的降低到较低水平，细化钢的晶粒；另一方面，浇注时较高的AlS会增加钢液的二次氧化，产生滞留在钢中的Al2O3夹杂，且生成AlN在铸坯凝固时晶界析出易导致裂纹。本发明控制AlS的范围为0.02％～0.035％(wt)。
2、本发明具体工艺方法为：包括冶炼、连铸、加热炉加热和轧制，其特征在于：
(1)将上述成分的钢进行冶炼，冶炼过程中，在精炼结束后，开始向真空熔炼炉内吹入氮气，氮气的压力控制在540-550Pa。然后通过连铸制得所需铸坯。
(2)将铸坯加热至1100-1200℃，保温0.5-3h。
(3)将铸坯在轧机上经多道次轧制得到热轧钢板，开轧温度为1000℃-1140℃，终轧温度为850-900℃。
(4)采用控制冷却方式对所得钢板进行冷却，开冷温度为800-900℃，冷却速度为10-20℃/s，返红温度为500-750℃。
本发明主要利用V-N微合金化技术制备高强度船板钢，充分利用钒、氮微合金的作用。V-N微合金化技术的应用可以改变钢中沉淀相的组成，有效降低钢中碳含量；提高钢的焊接性能；改变钢中V的强化形式，提高V的效用，降低钢材成本。另外，钒氮微合金化技术通过充分利用廉价的氮元素，优化了钒的析出，从而更好的发挥细晶强化和沉淀强化的作用，显著提高了钢的强度及韧性。采用钒氮微合金化技术生产高强韧船板通过对合金元素存在形态、强化方式的全新控制，可实现低温加热、高温轧制、大幅度降低Nb、V的含量，有利于提高生产效率，大幅度降低原材料成本及生产成本。
附图说明
图1实施例1钢板的金相组织图；
图2实施例2钢板的金相组织图；
图3实施例3钢板的金相组织图；
图4实施例4钢板的金相组织图；
图5实施例5钢板的金相组织图。
具体实施方式
以下实施例仅为本发明的一些最优实施方式，并不对前述发明范围和技术手段有任何限制。
实施例1：在200kg真空感应熔炼炉内熔炼所设计成分的高强度船板钢，其化学成分按照重量百分比为：C 0.05％、Si 0.21％、Mn 1.5％、Nb 0.01、V 0.03％、Ti 0.015％、N 0.015％、P 0.005％、S 0.001％、AlS 0.03％，冶炼过程中，在精炼结束后，开始向真空熔炼炉内通入氮气，压力为550Pa，将钢水浇铸成80Kg铸锭。将铸锭置于加热炉内，加热至1100℃，保温0.5h，在实验轧机上经多道次轧制为厚度为15mm的钢板，开轧温度为1000℃，终轧温度为880℃。而后对其进行控制冷却，开冷温度为850℃，冷却速度为20℃/S，返红温度为570℃。钢板的金相组织为铁素体和珠光体，如图1所示。
将所得钢板进行力学检测，其力学性能如表1所示。
表1 钢板力学性能
实施例2：在200kg真空感应熔炼炉内熔炼所设计成分的高强度船板钢，其化学成分按照重量百分比为：C 0.12％、Si 0.3％、Mn 1.2％、Nb 0.02、V 0.023％、Ti 0.013％、N 0.01％、P 0.007％、S 0.0009％、AlS 0.035％，冶炼过程中，在精炼结束后，开始向真空熔炼炉内通入氮气，压力为540Pa。将钢水浇铸成80Kg铸锭。将铸锭置于加热炉内，加热至1200℃，保温3h，在实验轧机上经多道次轧制为厚度为20mm的钢板，开轧温度为1140℃，终轧温度为890℃。而后对其进行控制冷却，开冷温度为900℃，冷却速度为12℃/S，返红温度为710℃。钢板的金相组织为铁素体和珠光体，如图2所示。
将所得钢板进行力学检测，其力学性能如表2所示。
表2 钢板力学性能
实施例3：在200kg真空感应熔炼炉内熔炼所设计成分的高强度船板钢，其化学成分按照重量百分比为：C 0.1％、Si 0.25％、Mn 1.4％、Nb 0.015、V 0.026％、Ti 0.01％、N 0.012％、P 0.006％、S 0.001％、AlS 0.02％，冶炼过程中，在精炼结束后，开始向真空熔炼炉内通入氮气，压力为546Pa。将钢水浇铸成80Kg铸锭。将铸锭置于加热炉内，加热至1200℃，保温3h，在实验轧机上经多道次轧制为厚度为30mm的钢板，开轧温度为1065℃，终轧温度为850℃。而后对其进行控制冷却，开冷温度为865℃，冷却速度为15℃/S，返红温度为700℃。钢板的金相组织为铁素体和珠光体，如图3所示。
将所得钢板进行力学检测，其力学性能如表3所示。
表3 钢板力学性能
实施例4：在200kg真空感应熔炼炉内熔炼所设计成分的高强度船板钢，其化学成分按照重量百分比为：C 0.1％、Si 0.26％、Mn 1.3％、Nb 0.014、V 0.024％、Ti 0.008％、N 0.014％、P 0.007％、S 0.0012％、AlS 0.02％，冶炼过程中，在精炼结束后，开始向真空熔炼炉内通入氮气，氮气压力为548Pa。将钢水浇铸成80Kg铸锭。将铸锭置于加热炉内，加热至1150℃，保温1h，在实验轧机上经多道次轧制为厚度为20mm的钢板，开轧温度为1080℃，终轧温度为860℃。而后对其进行控制冷却，开冷温度为800℃，冷却速度为17℃/S，返红温度为580℃。钢板的金相组织为铁素体和珠光体，如图4所示。
将所得钢板进行力学检测，其力学性能如表4所示。
表4 钢板力学性能
实施例5：在200kg真空感应熔炼炉内熔炼所设计成分的高强度船板钢，其化学成分按照重量百分比为：C 0.11％、Si 0.26％、Mn 1.2％、Nb 0.015、V 0.03％、Ti 0.005％、N 0.012％、P 0.006％、S 0.0011％、AlS 0.02％，冶炼过程中，在精炼结束后，开始向真空熔炼炉内通入氮气，压力为546Pa。将钢水浇铸成80Kg铸锭。将铸锭置于加热炉内，加热至1200℃，保温2h，在实验轧机上经多道次轧制为厚度为20mm的钢板，开轧温度为1100℃，终轧温度为895℃。而后对其进行控制冷却，开冷温度为870℃，冷却速度为20℃/S，返红温度为580℃。钢板的金相组织为铁素体和珠光体，如图5所示。
将所得钢板进行力学检测，其力学性能如表5所示。
表5 钢板力学性能
Claims (2)
1.一种基于V-N微合金化高强韧船板，其特征在于化学成分按照重量百分比为：C 0.05％～0.18％，Si 0.05％～0.3％，Mn0.9％～1.5％，Nb 0.01％～0.03％，V 0.01％～0.03％，Ti0.005％～0.015％，N 0.01％～0.015％，P≤0.01％，S≤0.01％，AlS0.02％～0.035％，其余为Fe及不可避免杂质。
2.一种根据权利要求1所述的基于V-N微合金化高强韧船板的制造方法，包括将上述成分的钢进行冶炼、连铸、加热炉加热和轧制，其特征在于：冶炼过程中，在精炼结束后，开始向真空熔炼炉内吹入氮气，氮气的压力控制在540-550Pa；将铸坯加热至1100-1200℃，保温0.5-3h；将铸坯在轧机上经多道次轧制得到热轧钢板，开轧温度为1000℃-1140℃，终轧温度为850-900℃；采用控制冷却方式对所得钢板进行冷却，开冷温度为800-900℃，冷却速度为10-20℃/s，返红温度为500-750℃。
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