CN103695803A

CN103695803A - 低碳当量低温使用的大厚度齿条钢及其制造方法

Info

Publication number: CN103695803A
Application number: CN201310697652.0A
Authority: CN
Inventors: 苗丕峰; 李国忠; 吴小林; 李经涛; 刘观猷; 孙宪进; 赵孚
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2033-12-19
Also published as: CN103695803B

Abstract

本发明涉及一种低碳当量低温使用的大厚度齿条钢及其制造方法。该齿条钢包含的化学成分为：C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo、Ni、Cu、Al、V、N、B，余量为Fe及杂质元素，其碳当量CEV￡0.65。制造方法包括依次进行的KR铁水预处理、转炉冶炼、LF和RH精炼、连铸、连铸坯加热、轧制及调质处理等工序。本发明制造的齿条钢板厚度可达152.4mm，屈服强度在690MPa以上，抗拉强度在790~930MPa的范围，延伸率319%，-60°C下的夏比冲击功>100J。综合力学性能优良，生产工艺简便，成本低廉。

Description

低碳当量低温使用的大厚度齿条钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种低碳当量低温使用的大厚度齿条钢及其制造方法。

背景技术

齿条是自升式海洋平台中的一个关键部件，要求在大厚度的情况下具有高的强度、高的低温韧性，同时，还具有低的碳当量以满足海洋平台制造过程中易焊接的要求。通常，要求齿条钢的屈服强度 3690MPa，抗拉强度在790 ~ 930MPa的范围，延伸率 314%，在钢板1/4厚度处-40°C（或37°C）下的夏比冲击功 3 69J，钢板1/2厚度处-27°C下的夏比冲击功 369J。然而，随着海洋油气勘探和开采向寒冷海域发展，对齿条钢除上述拉伸性能和低碳当量要求外，对其在低温下的冲击韧性提出了更高的要求，要求在-60°C下夏比冲击功 369J。目前，低碳当量可在-60°C下使用的大厚度(厚度达152.4mm)齿条钢板在国内还未见有商业化制造的报道。

授权公告号为CN101984119B的中国发明专利提出了一种屈服强度为690MPa的可在-60°C下使用的超高强度钢板的制备方法，但用该方法制造的最大钢板厚度仅为50mm，远远不能满足海洋平台对大厚度齿条钢板的要求。

专利公开号为103014541A的发明专利披露了一种690MPa级厚规格海洋工程用钢及其制造方法，由此制造的最厚钢板(120mm)的冲击韧性基本达到了-60°C下夏比冲击功 369J的要求。但是，该技术仅能够制造最大厚度为120mm的钢板，不能制造厚度为127mm到152.4mm的需求量很大的大厚度海洋平台用齿条钢板。此外，103014541A披露的海洋工程用钢板碳当量高，即使对厚度仅为120mm的钢板，它的碳当量CEV ( = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Cu + Ni)/15) 都约为 0.73，使得焊接难度显著增加不能满足易焊接的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种可在-60°C下使用，碳当量CEV ￡0.65的低碳当量低温使用的大厚度齿条钢及其制造方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种低碳当量低温使用的大厚度齿条钢，所述钢板以Fe为基础元素，且包含如下化学成分(质量百分比)：C：0.10 ~ 0.16%，Si：0.15 ~ 0.35%，Mn：0.95 ~ 1.25%，P：￡0.010%，S：￡0.005%，Cr：0.45 ~ 0.65%，Mo：0.4 ~ 0.7%， Ni：1.2 ~ 1.6%， Cu：0.2 ~ 0.4%，Alt：0.06 ~ 0.09%， V：0.03 ~ 0.06%，N：￡ 0.007%，B：0.001 ~ 0.002%，余量为Fe 及杂质元素。碳当量CEV ￡0.65。

与专利公开号为103014541A的发明专利相比较，本发明不加入Ti和Nb，但加入的Al显著更高，与此相应，加入的B也相对更高。另外，与103014541A制造的最厚钢板(120mm)的Cr含量相比较，尽管本发明制造的钢板更厚(127 – 152.4mm)，但Cr加入量反而显著更低(见表1所示)。不加Ti是为了防止在钢水的凝固过程中大块TiN的形成从而降低齿条钢板在低温下的冲击韧性，不加Nb是为了降低Nb对焊接性能的不利影响，加入显著更多的Al是为了充分固N和脱氧，加入相对更多的B是为了增加大厚度齿条钢的淬透性，加入显著量少的Cr是为了提高齿条钢板的焊接性能和它的加工工艺性能。

进一步地讲：所述齿条钢板的的碳当量CEV ￡0.65，厚度￡152.4mm，采用连铸坯制造。

以下对本发明中所含组分的作用及用量选择作具体说明：

C：是确保钢板强度所必须的元素，提高钢中的碳含量将会增加钢的马氏体转变能力，从而提高钢的强度。但过高的C 含量对钢的延性、韧性不利并显著增加材料的碳当量从而不利于钢板的焊接性能。本发明控制碳含量为0.10 ~ 0.16%。

Si：是钢中的脱氧元素，并以固溶强化形式提高钢的强度。Si 含量低于0.10%时，脱氧效果较差，Si 含量较高时会造成韧性及焊接性能下降。本发明Si 含量控制为0.15 ~ 0.35%。

Mn：是提高钢淬透性的元素，并起固溶强化作用以弥补钢中因C 含量降低而引起的强度损失。当钢中Mn含量低于0.8%时，无法充分发挥强度确保的作用，但当Mn 含量过高时则会增加其碳当量从而损坏焊接性能。另外，Mn易在钢板中心产生偏析，降低钢板中心部位的冲击韧性。因此，本发明Mn 含量控制为0.95 ~ 1.25%。

Ni：是提高钢的淬透性并可以显著改善低温韧性的元素，对冲击韧性和韧脆转变温度具有良好的影响。但Ni 含量太高时，板坯表面易生成黏性较高的氧化铁皮，难以去除，影响钢板的表面质量。同时，太高的Ni 含量将显著增加材料的碳当量不利于钢板的焊接性能。另外，Ni 也是贵重金属，含量过高会增加成本。因此，本发明将其含量控制在1.2 ~ 1.6%，有利于达到最优的性价比。

Cr：是提高钢的淬透性而有助于强度提高的元素。在C 含量较低的情况下，添加适量的Cr，可以保证钢板达到所需的强度，但若添加过量，则将降低材料的韧性并且显著增加碳当量从而降低钢板的焊接性能，因此，本发明将其含量控制在0.45 ~ 0.65%。

Mo：可以显著提高钢的淬透性和强度。在低合金钢中添加少量的Mo 还能起到克服热处理过程中的回火脆性以改善热处理性能，但添加过多会显著提高材料的碳当量从而不利于钢板的焊接性能。另外，Mo也是贵重金属，含量过高会增加成本。本发明中Mo 的含量控制在0.4 ~ 0.7%。

Cu：可提高钢板的淬透性和耐大气腐蚀和耐海水腐蚀性能，降低钢的氢致裂纹敏感性。但过高的Cu 含量不利于钢板的焊接性能，而且也易产生铜脆现象，恶化钢板的表面性能。因此本发明控制Cu 含量为0.2 ~ 0.4%。

V：是使V(C，N) 析出的元素，能以弥散析出的形式显著提高钢的强度。但若添加量过高，则将降低钢板的韧性和焊接性能。因此，本发明控制其含量在0.03 ~ 0.06%。

Al：主要是起固氮和脱氧作用。Al与N 接合形成的AlN可以有效地细化晶粒，但含量过高会损害钢的韧性。因此，本发明控制其含量(Alt)在0.06 ~ 0.09%。

B：是提高钢板的淬透性最为显著的元素。含量过低或过高均对淬透性不利，而且，过高的B将增大焊接裂纹敏感性从而使钢板的焊接性能降低。因此，本发明控制其含量在0.0010 ~ 0.0020%。

S、P：为钢中的有害杂质元素，易形成偏析、夹杂等缺陷。作为杂质元素会给钢板的韧性(特别是心部的韧性)和焊接热影响区的韧性带来不利的影响，应尽量地减少其含量。本发明控制P ￡0.010%、S ￡0.005%，且须通过Ca 处理技术使夹杂物形态球化和均匀分布，减少其对韧性的影响并保证钢板的Z 向性能。

如上所述的低碳当量可在-60°C下使用的大厚度齿条钢用连铸坯制造是这样实现的：

按所述化学组成配制冶炼原料，依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH精炼和连铸，生产出高纯净度钢水并使用优化的连铸工艺（低的浇铸过热度、低的拉坯速度、合理的轻压下参数）生产出具有低的中心偏析和疏松且厚度 3370mm的连铸板坯。连铸完成后将连铸坯加罩缓冷进行扩H处理从而进一步提高连铸坯的心部质量以确保钢板的心部性能。缓冷完成后对连铸坯表面进行带温清理。

将经过上述处理的连铸板坯加热至1180 ~ 1280°C保温2-3小时，使钢中的合金元素充分固溶以保证最终产品的成份及性能的均匀。出炉后经高压水除鳞，然后进行两阶段轧制。第一阶段轧制(粗轧)的开轧温度在1050 ~ 1150°C，总压缩率 340%，采用强压下进行轧制，即要求单道次压下率 315%，以保证连铸坯的心部缺陷充分弥合从而使得大厚度齿条钢板在心部的性能得到保证。第二阶段轧制(精轧)开轧温度在870 ~ 930°C, 总压缩率 330%。轧制完成之后实施空冷和矫直。

对矫直后的钢板进行堆缓冷(348小时)或进行控制条件下的缓慢冷却(在550 ~ 650°C下保温24 ~ 72小时后缓冷)以进一步降低其中的H含量从而进一步提高钢板的心部质量以确保钢板的心部性能。

将缓冷后的钢板进行调质处理即获得成品齿条钢板。调质阶段的淬火加热使用连续炉进行以精确控制淬火加热温度和时间。

淬火加热温度：900 ~ 930°C，在炉时间：1.8 ~ 2.0min/mm，使用淬火机水淬。

淬火之后的回火处理也须使用连续炉来进行以对其进行精确控制。

回火温度：600 ~ 660°C，在炉时间：2.8 ~ 4.0min/mm，出炉后空冷至室温。

本发明针对目前海洋装备制造业对低碳当量且可在-60°C下使用的大厚度齿条钢板的需求，使用低碳当量的化学成分设计、高的钢水纯净度、优化的连铸工艺生产的具有低的中心偏析和疏松的连铸板坯作为坯料，在制造的各个阶段严格控制其H含量并采取控制轧制加上调质热处理的方法制造出碳当量低、厚度大且具有高的强度、良好的塑性并在-60°C的低温下具有高韧性的齿条钢板。本发明制造的齿条钢板的最大厚度达152.4mm。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1) 本发明采用低碳当量的成分设计，其碳当量CEV ￡0.65，有利于大厚度齿条钢板的焊接。

(2) 按照本发明生产的钢板不仅拉伸性能优良(屈服强度 3690MPa，抗拉强度790 ~ 930MPa，延伸率 319%)，而且在-60°C的低温下不管是在钢板1/4还是1/2厚度处其夏比冲击功均 3100J。

(3) 本发明制造的低碳当量可在-60°C下使用的大厚度齿条钢板直接使用连铸坯来制造，省去了使用模铸钢锭作为坯料在轧制过程中的开坯过程，即省去了开坯加热、开坯轧制和中间坯切割与清理工序，同时，较之使用模铸钢锭来制造其成材率显著提高。另外，与使用复合坯来制造也省去了板坯的复合加工过程，简化了生产工艺。这些都使得大厚度齿条钢板的制造成本显著降低，在工业化批量生产时具有明显的成本优势。

具体实施方式

以下结合本发明的较佳实施例对本发明的技术方案作更详细的描述。但该等实施例仅仅是对本发明较佳实施方式的描述，而不能对本发明的范围产生任何限制。

实施例1 - 3

实施例1 - 3涉及的齿条钢板厚度为152.4mm。

这些大厚度齿条钢板的生产工艺如下：

按上述齿条钢板的化学组成配置冶炼原料依次进行KR铁水预处理 - 转炉冶炼 - LF精炼 - RH精炼 - 连铸(连铸坯厚度：370mm) - 连铸坯加罩缓冷 – 连铸坯清理 - 加热(保温处理) - 高压水除鳞 - 控轧 - 矫直 – 堆缓冷或控制条件下的缓冷 – 调质。

进一步的讲，上述加热、控轧、冷却阶段的具体工艺为：将连铸坯加热至1250°C保温2.5小时（实施例1和2）或1200°C保温3小时（实施例3），出炉后经高压水除鳞，然后进行两阶段轧制。第一阶段轧制(即粗轧)开轧温度为1070°C（实施例1和2）或1060°C（实施例3），中间坯厚220mm；第二阶段轧制(即精轧)开轧温度为890°C，最终板厚152.4mm。轧后矫直，然后堆缓冷（实施例1和2）或控制条件下的缓冷（实施例3，将轧制后从冷床下线的钢板加热至580°C保温72小时后随炉冷却至室温）。

缓冷完成后的钢板进入连续炉进行淬火加热。

对实施例1：加热温度910°C，在炉时间1.8min/mm，使用淬火机水淬；

对实施例2：加热温度900°C，在炉时间1.8min/mm，使用淬火机水淬；

对实施例3：加热温度920°C，在炉时间1.8min/mm，使用淬火机水淬。

经淬火的钢板使用连续炉来进行回火处理。

对实施例1：回火加热温度630°C，在炉时间2.8min/mm，出炉后空冷；

对实施例2：回火加热温度615°C，在炉时间3.5min/mm，出炉后空冷。

对实施例3：回火加热温度620°C，在炉时间3.7min/mm，出炉后空冷。

经由上述制造工艺形成的成品钢板具有低的碳当量、高的强度、良好的塑性、高的低温韧性和高的Z向性能，综合性能优异，详情见表1和表2所示。

实施例4、5

实施例4和5涉及的齿条钢板厚度为127mm。

按上述齿条钢板的化学组成配置冶炼原料依次进行KR铁水预处理 - 转炉冶炼 - LF精炼 - RH精炼 - 连铸(连铸坯厚度：370mm) - 连铸坯加罩缓冷 – 连铸坯清理 - 加热(保温处理) - 高压水除鳞 - 控轧 - 矫直 – 控制条件下的缓冷或堆缓冷 – 调质。

加热、轧制和冷却的具体工艺为：将连铸坯加热至1220°C保温2.5小时（实施例4）或1270°C保温2小时（实施例5），出炉后经高压水除鳞，然后进行两阶段轧制。第一阶段轧制(即粗轧)开轧温度为1060°C(实施例4)或1080°C(实施例5)，中间坯厚190mm；第二阶段轧制(即精轧)开轧温度为910°C(实施例4)或920°C(实施例5)，最终板厚127mm。轧后矫直，然后进行控制条件下的缓慢冷确（实施例4，将轧制后从冷床下线的钢板加热至650°C保温24小时后随炉冷却至室温）或堆缓冷（实施例5）。

缓冷完成的钢板进入连续炉淬火加热，加热温度910°C，在炉时间1.9min/mm，使用淬火机水淬。淬火完成的钢板使用连续炉来进行回火处理。

对实施例4：回火温度640°C，在炉时间3.5min/mm，出炉后空冷；

对实施例5：回火温度650°C，在炉时间3.8min/mm，出炉后空冷。

表1 实施例与对比例的化学成分（质量%）

Figure 2013106976520100002DEST_PATH_IMAGE001

¹实施例1-5中的微量Nb和Ti不是有意加入，为残余元素含量。

² CEV = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Cu + Ni)/15。

³数据来自于专利公开号为103014541A的发明专利公布的厚度为120mm钢板的实例。

表 2 实施例生产的低碳当量大厚度海洋平台用齿条钢板的力学性能

Claims

1.一种低碳当量低温使用的大厚度齿条钢，其特征在于：所述钢板以Fe为基础元素，且包含如下化学成分(质量百分比)：C：0.10 ~ 0.16%，Si：0.15 ~ 0.35%，Mn：0.95 ~ 1.25%，P：￡0.010%，S：￡0.005%，Cr：0.45 ~ 0.65%，Mo：0.4 ~ 0.7%， Ni：1.2 ~ 1.6%， Cu：0.2 ~ 0.4%，Alt：0.06 ~ 0.09%， V：0.03 ~ 0.06%，N：￡ 0.007%，B：0.001 ~ 0.002%，余量为Fe 及杂质元素；碳当量CEV ￡0.65。

2.根据权利要求1 所述的低碳当量低温使用的大厚度齿条钢，其特征在于：所述齿条钢板的厚度为127 ~ 152.4mm，其屈服强度在690MPa以上，抗拉强度在790 ~ 930MPa的范围，延伸率 319%，钢板的Z向断面收缩率335%，-60°C下钢板在1/4厚度和1/2厚度处的夏比冲击功均 >100J，可在-60°C下使用。

3.制造权利要求1或2 所述的低碳当量低温使用的大厚度齿条钢的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

①冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH精炼和连铸工艺处理，形成厚度在370mm或以上的连铸坯，连铸完成之后对连铸坯实施加罩缓冷，缓冷完成之后对每块连铸坯表面进行带温清理；

②将连铸坯加热至1180 ~ 1280°C，保温2 ~ 3小时，连铸坯出炉后使用高压水除鳞，然后进行两阶段轧制，第一阶段轧制为粗轧，开轧温度在1050 ~ 1150°C，总压缩率 340%；第二阶段轧制为精轧，开轧温度在870 ~ 930°C, 总压缩率 330%；粗轧阶段采用强压下轧制，即要求单道次压下率 315%，轧制完成之后空冷，然后矫直；

③矫直后的钢板在冷床下线后进行堆缓冷，堆缓冷时间348小时，或在550 ~ 650°C下保温24 ~ 72小时后缓冷；

④对轧制完成的钢板进行淬火 + 回火处理，淬火在连续炉中进行，加热温度为900 ~ 930°C，在炉时间1.8 ~ 2.0min/mm；回火处理也在连续炉中进行，回火温度为600 ~ 660°C，在炉时间2.8 ~ 4.0min/mm，出炉后空冷。