CN104073731B - 一种采用直接淬火工艺的超高强船板的生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种采用直接淬火工艺的超高强船板及其生产方法,其钢板化学成分重量百分比为:C:0.05%~0.15%,Si:0.15%~0.50%,Mn:0.60%~1.4%,P:0.005%~0.015%,S≤0.005%,Als:0.03%~0.08%,N≤0.005%,Cu:0.15%~0.40%,Ni:0.20%~0.50%,Cr:0.08%~0.40%,Mo:0.08%~0.45%;还含有V、Nb、Ti、B、Ca元素中至少一种元素,V:0.02%~0.08%,Nb:0.005%~0.04%,Ti:0.005%~0.03%,B:0.0005~0.005%,Ca:0.002%~0.006%,其余为Fe和不可避免的杂质,同时保证Cr+Mo+Ni+Cu≤1.5%。方法:钢板经冶炼、连铸、轧制后进行直接淬火,钢板进入在线快速冷却装置,淬火后回火空冷。通过采用在线直接淬火工艺,有效缩短了工艺流程、减少设备投资和生产成本。

Description

一种采用直接淬火工艺的超高强船板的生产方法
技术领域
[0001] 本发明属于结构用钢制造领域,尤其涉及利用直接淬火工艺生产超高强度船板及 其生产方法。
背景技术
[0002] 随着陆上油气资源的不断枯竭,海洋油气开发特别是深海油气开发已成为世界能 源开发的主要领域。而目前近海海域油气资源的开采也已殆尽,油气开发正在向深水海域 扩展。海洋平台是在海洋上进行作业的特殊场所,主要用于海上油气的钻探和开发。海洋平 台的服役期比船舶类高50%,服役条件非常严苛,不仅长期浸泡在海水环境中,还必须经受 风暴、海浪、潮流、冰川等各种恶劣海况条件的考验,因此,普通强度级别的钢板已经无法满 足载荷要求。同时为了提高船体上浮后拖航时的稳定性,平台结构设计必须做到轻量化,使 得海洋平台用钢正在朝着超高强度方向发展。在所有海洋装备工程用钢中,对海洋平台用 钢的要求最高,不仅要具有高强度、高的低温韧性、抗疲劳性、抗层状撕裂性,还要具有良好 的焊接性及耐海水腐蚀性。
[0003] -直以来,国内外大多采用将微合金化成分设计与控乳控冷相结合的方式生产超 高强度海洋工程用钢,其特点是利用Nb、Ti、V等微合金化元素在控乳控冷工艺下产生的细 晶强化、析出强化和固溶强化等强化方式综合作用来获得高强韧性的匹配。但对于具有一 定厚度及焊接性要求的超高强度钢来说,尤其是FH550以上级别超高强度钢板,仅仅依靠 微合金化和控乳控冷工艺难以获得稳定的综合力学性能,主要表现为强度不足和低温冲击 韧性的波动,并且部分微合金化元素的加入会显著降低焊接性。而为了获得良好的低温韧 性,则必须要添加大量的Ni、Mo、Cr等贵重金属元素,如《一种Ti、Zr复合脱氧的超高强度船 体结构用钢及其生产工艺》(CN201110121919.2)中Ni+Mo+Cr+Cu的元素含量达到2.0%。
[0004] 《一种超高强船板钢的生产方法》(CN201010266527.0)该发明采用控乳控冷技术+ 后续热处理工序(TMCP+QT),所生产的钢板仅为ΪΉ550级别。
[0005] 〇呢01110151612.7、〇呢01110359475.6、〇呢0091025932.2、〇吧01010560401.4和 CN201110121919.2等专利所公开的超高强度船板钢均采用热乳后离线淬火+回火工艺生 产,离线调质处理方式需要将热乳后的钢板下线堆冷,堆冷后的钢板进入热处理炉进行奥 氏体化,再进行淬火,这种方式延长了了钢板生产周期,而重新奥氏体化及淬火工序,也提 高了钢板的生产成本。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种采用直接淬火工艺的超高强 船板及其生产方法,通过采用在线直接淬火工艺,有效缩短了工艺流程、减少设备投资和 生产成本。
[0007] 本发明是这样实现的:
[0008] -种采用直接淬火工艺的超高强船板,该钢板的成分按重量百分比计如下C: Ο·05%~Ο·15%,Si :Ο·15%~Ο·50%,Mn:Ο·60%~1·4%,P:Ο·005%~Ο·015%,S彡Ο·005%,Als:Ο·03% ~Ο·08%,Ν彡Ο·005%,Cu:Ο·15%~Ο·40%,Ni:Ο·20%~Ο·50%,Cr:Ο·08%~0·40%,Mo:Ο·08%~ 0.45%;还含有¥、恥、11、8、〇3元素中至少一种元素,¥:0.02%~0.08%,恥:0.005%~0.04%,11 : Ο · 005%~Ο · 03%,Β: Ο · 0005 ~Ο · 005%,Ca: Ο · 002%~0 · 006%,其余为Fe 和不可避免的杂质,同时 保证 Cr+Mo+Ni+Cu彡 1 · 5%。
[0009] 本发明超高强度船板所采用的组分作用如下:
[0010] C:是有效提高钢板强度的廉价元素,但随着碳含量的提高,则显著降低钢板的塑 性、低温韧性、抗应变时效性和焊接性,因此本发明C含量控制在0.05%~0.15%。
[0011] Si:在炼钢过程中可以作为脱氧剂和还原剂,适当提高Si含量以弥补因 C含量降低 引起的钢板强度下降,但当含量超过0.5%时将促进MA岛的形成,降低钢的焊接性和低温韧 性,因此本发明Si含量控制在0.15%~0.50%。
[0012] Μη:适量的锰可以改善钢的强度和韧性,但过高则在铸坯中产生偏析,进而造成乳 制后难以消除的组织带状,降低钢板横向性能和抗层状撕裂性,本发明Μη含量控制在0.60% ~1.4%〇
[0013] Α1:作为钢中常用的脱氧剂,适量的铝可以细化晶粒、提高冲击韧性,当铝与Ν结合 时,防止Ν在钢中固溶而产生应变时效;铝过高则使夹杂物含量增多,降低焊接性,本发明 Α1含量控制在0.03%~0.08%。
[0014] Cu:为奥氏体稳定化元素,适量的铜可以提高钢板的强度和耐蚀性,改善低温韧 性,加入过多则易造成热脆而破坏钢板表面质量,本发明Cu含量控制在0.08%~0.40%。
[0015] Ni:是有效改善低温韧性的元素,在含铜钢中加入适量的镍,可以抑制热乳过程中 产生的热脆,本发明Ni含量控制在0.20%~0.50%。
[0016] Cr:在一定含量下可以同时提高钢的强度、韧性和耐腐蚀性。对于调质处理钢来 说,可以显著提高钢的淬透性,但含量过高会降低钢的韧性,增加碳当量,损害焊接性,本发 明Cr含量控制在0.08%~0.40%。
[0017] Mo:在钢种处于固溶态或存在于碳化物中,有固溶强化和析出强化的作用,提高钢 的淬透性,过多的钼会损害焊接热影响区的韧性,降低钢的可焊性,本发明Mo含量控制在 0.08%~0.45%〇
[0018] V:与自由N结合,有效降低钢中自由N含量,提高钢的抗应变时效性。同时,V在较高 温度下的部分析出,提高了钢的奥氏体未再结晶区温度,细化晶粒,而固溶和析出的V不仅 可以提高钢的强度,对塑性的提高也有益,本发明V含量控制在0.02%~0.08%。
[0019] Ti:微量钛与钢中C、N结合,形成细小稳定的C、N化物颗粒,在板坯加热过程中可以 有效阻止奥氏体晶粒粗化,焊接时可以抑制焊接热影响晶粒粗化,改善基体组织和焊缝热 影响区的低温韧性,本发明Ti含量控制在0.005%~0.03%。
[0020] Nb:产生细晶强化的关键元素之一,细化作用表现在两方面,其一对奥氏体再结晶 具有显著地延迟作用,提高再结晶温度,防止再结晶奥氏体长大;其二是随着乳制温度的降 低,Nb的C、N化物在奥氏体向铁素体转变前弥散析出,成为铁素体形核质点,使铁素体在小 过冷度下形成,不易长大,细化铁素体晶粒尺寸。作为非再结晶温度区间扩大的Nb元素,可 通过晶粒细化增加高角晶界,进而改善止裂韧性,本发明Nb含量控制在0.005%~0.04%。
[0021 ] B :当B以原子态存在于钢中时,可以提高钢的淬透性,本发明Nb含量控制在 0.0005%~0.005%。
[0022] Ca:通过钙处理实现对Al2〇3夹杂物变性,CaO与Al2〇3夹杂物结合形成铝酸钙上浮 进入渣中,同时Ca与S结合形成的球状夹杂物,可以提高钢板横向性能,本发明Ca含量控制 在0·002%~0·006%。
[0023]通过优化钢板的化学成分以及控制直接淬火前的乳制条件,将变形和热处理工艺 有机结合起来,可有效改善钢板的综合性能,获得传统再加热淬火工艺所得不到的强韧性 能匹配的超高强度海洋工程用钢。
[0024]本发明一种采用直接淬火工艺的超高强船板生产方法,包括冶炼、连铸、乳制、直 接淬火、回火,
[0025] 1)冶炼、连铸:经铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、板坯连铸成铸坯,其中铁水预 处理后S含量小于0.005%,转炉冶炼控制渣碱度,挡渣出钢,钢渣厚度彡100mm,精炼喂硅钙 线不少于500m,中包钢水过热度<30°C,全程保护浇铸;
[0026] 2)乳制:铸坯下线堆冷彡72h后进行乳制;板坯加热温度1130~1230°C,均热时间30 ~200min,板坯出炉后采用高压水除鳞;开乳温度1150~1100°C ;二阶段精乳温度960~900 °C,精乳阶段的累积变形量多60%,精乳终乳温度多900°C ;乳制后钢板厚度为12~60mm,乳 后钢板为40mm的钢板进入预矫直机矫直后再进行直接淬火及回火处理,出预矫直机温度 860~900。。。
[0027] 3)直接淬火:预矫后或乳制后的钢板迅速进入在线快速冷却装置,冷却时辊速调 整范围0.2~5 m/s,冷却速率10~40 °C/s,由于热乳后已经细化了的奥氏体晶粒,增加了奥 氏体变形带,这种加工后的奥氏体组织在快速冷却条件下发生马氏体相变,因大的过冷度 增加了马氏体的形核点,得到细化的马氏体组织,并且冷却后获得的马氏体组织继承了奥 氏体加工过程中产生的位错,使强度提高、低温韧性良好;冷却水流量3000~5000 m3/h,上 下水比1:1.25~1:1.60,冷却水压力0.2~0.5 MPa,冷却后钢板表面温度彡180°C,调节快冷 设备的总水量及快冷区域的上下水比等措施,保证了板形的良好,避免了冷却后钢板宽度 和厚度方向上产生的温度不均匀及组织相变的不均,获得组织性能均匀的成品钢板;
[0028] 4)回火:淬火后的钢板进入热处理炉回火处理,回火温度550~660°C,辊速0.3~ 2.0m/min,在炉时间50~300min,出炉后空冷。
[0029]本发明专利通过合理的超高强度钢种成分设计,结合控制乳制与在线淬火技术, 即利用钢板乳后余热,由布置在乳制线内、精乳机后的冷却设施对其进行大于临界冷却速 度的急剧冷却,从而获得马氏体和/或贝氏体组织的工艺技术,与传统的离线淬火工艺相 比,乳后直接淬火省去了钢板的再加热过程,简化工艺流程缩短生产周期,降低了生产成 本,提高热处理设备的利用率。此外,通过优化钢板的化学成分以及控制直接淬火前的乳制 条件,将变形和热处理工艺有机结合起来,可有效改善钢板的综合性能,获得传统再加热淬 火工艺所得不到的强韧性能组合,并且对于小于40mm厚钢板采用热乳后先矫直后冷却方 式,调节快冷设备的总水量及快冷区域的上下水比等措施,保证了板形的良好,避免了冷 却后钢板宽度和厚度方向上产生的温度不均匀及组织相变的不均,获得组织性能均匀的成 品钢板。
附图说明
[0030]图1为实施例3显微组织形态。
[0031]图2为实施例5显微组织形态。
具体实施方式
[0032] 下面通过实施例对本发明作进一步的说明。
[0033] 本发明实施例根据技术方案的组分配比,进行冶炼与乳制,连铸板坯厚度230~ 300mm,经5~15的压缩比,乳制成不同厚度规格的成品钢板,直接淬火钢板的返红温度彡 180°C,淬火后的钢板进入热处理炉进行回火,回火后钢板出炉空冷至室温。本发明实施例 钢的冶炼成分见表1,本发明实施例钢的主要工艺参数见表2,本发明实施例钢的力学性能 见表3。
[0034]表1实施例钢的冶炼成分,Wt%
Figure CN104073731BD00061
[0037]表2实施例钢的主要工艺参数 [0038]表3实施例钢的力学性能
Figure CN104073731BD00071
[0040]在本发明实施例中,优化了合金成分体系,仅添加了少量的Ni、Cr、Mo等贵重金属 元素,降低了合金成本。通过实施控制乳制和直接淬火工艺,使发明钢获得具有超高强度的 优良的综合力学性能,特别是低碳当量、低焊接裂纹敏感性,充分保证了超高强船用钢对低 温韧性和良好焊接性的要求。

Claims (3)

1. 一种采用直接淬火工艺的超高强船板的生产方法,包括冶炼、连铸、乳制、直接淬火、 回火,其特征在于: 1) 乳制:铸坯下线堆冷彡72h后进行乳制;板坯加热温度1130~1230°C,均热时间30~ 200min,板坯出炉后采用高压水除鳞;开乳温度1150~1100°C ;二阶段精乳温度960~900 °C,精乳阶段的累积变形量多60%,精乳终乳温度多900°C ; 2) 直接淬火:乳制后的钢板迅速进入在线快速冷却装置,冷却时辊速调整范围0.2~ 5111/8,冷却速率10~40°(:/8,冷却水流量3000~5000111 3/11,上下水比1:1.25~1:1.60,冷却 水压力0 · 2~0 · 5MPa,冷却后钢板表面温度彡180 °C ; 3) 回火:淬火后的钢板进入热处理炉回火处理,回火温度550~660°C,辊速0.3~2.0m/ min,在炉时间50~300min,出炉后空冷; 所述船板的成分按重量百分比计如下:C: 0.05 %~0.15 %,Si :0.15 %~0.50 %,Mn: 0.60%~1.4%,P:0.005%~0.015%,S<0.005%,Als:0.03%~0.08%,N<0.005%,Cu: 0.15%~0.40%,附:0.20%~0.50%,0:0.08%~0.40%,]«〇:0.08%~0.45% ;还含有¥、 恥、11、8、〇&元素中至少一种元素,¥:0.02%~0.08%,他:0.005%~0.04%,11 :0.005%~ 0.03%,B:0.0005~0.005%,Ca:0.002%~0.006%,其余为Fe和不可避免的杂质,同时保 证 Cr+Mo+Ni+Cu彡 1.5%〇
2. 根据权利要求1所述采用直接淬火工艺的超高强船板的生产方法,其特征在于,冶 炼、连铸:经铁水预处理、转炉冶炼、炉外精炼、板坯连铸成铸坯,其中铁水预处理后S含量小 于0.005%,转炉冶炼控制渣碱度,挡渣出钢,钢渣厚度彡100mm,精炼喂硅钙线不少于500m, 中包钢水过热度<30 °C,全程保护浇铸。
3. 根据权利要求1所述采用直接淬火工艺的超高强船板的生产方法,其特征在于,乳制 后钢板厚度为12~60mm,乳后钢板厚度小于40mm的钢板先进入预矫直机矫直后再进行直接 淬火及回火处理,出预矫直机温度860~900°C。
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