CN104264047B - 一种集装箱船用特厚钢板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集装箱船用特厚钢板，按重量百分比包括以下组分：C：0.04～0.12%，Si：0.25～0.50%，Mn：1.00～1.65%，P：≤0.010%，S：≤0.0020%，Ni:0.20～1.0，Nb：0.020～0.040%，V：0.020～0.060%，Ti：0.015～0.025%，Alt：0.020～0.050%，其余为Fe及不可避免的杂质。其生产流程为：铁水预处理-BOF炼钢-LF精炼-RH真空处理-连铸-TMCP，所获得的集装箱船用特厚钢板组织为针状铁素体+粒状贝氏体+少量珠光体，组织均匀细小。本发明生产工艺简单、成本低，具有良好的抗层状撕裂性能、抗脆性裂纹止裂性能以及高强高韧性能。

Description

一种集装箱船用特厚钢板及其制备方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，涉及一种高性能船用结构钢及其制备方法，尤其是一种集装箱船用特厚钢板及其制备方法。
背景技术
近年来，随着船舶的大型化，造船用钢板也向厚板化的方向发展。特别是集装箱船，由于其船体结构的要求，在舱口围板、上甲板等部位已经使用厚度达到60～80mm的厚板作为高强度部件。舱口部件的组合已经采用大线能量焊接技术，但是，伴随着钢板的厚板化，要求钢板进一步适应更大的线能量焊接。
另一方面，从保证船舶安全性，防止脆性断裂的角度，要求船舶用钢具有某种级别以上的断裂韧性值。在预计会产生裂纹的部位和有可能发生大规模断裂的重要部位，都采用E级钢这类韧性优良的钢材，并且在造船时，严格管理加工和焊接作业。因此，可以说产生脆性裂纹的可能性是非常小的。但是一旦发生脆性裂纹，也要有能力使裂纹的传播停止。
专利号为CN101341269A所公开的“止裂性优良的高强度厚钢板”，以贝氏体为母相的铁素体或/和珠光体组织，其中所述的高强度厚钢板需通过回火热处理来实现。贝氏体组织的低温韧性较差，脆性裂纹发生特性显著劣化。
发明内容
本发明的目的是提供一种集装箱船用特厚钢板及其制备方法，该钢板以针状铁素体为母相组织，由于针状铁素体的交错互锁结构特征，能有效阻碍裂纹传播，具有高强、高韧及良好的止裂性能。满足了大型集装箱船用钢向大厚度、高强度、低温韧性、抗层状撕裂性能以及抗脆性裂纹止裂性能、全焊节点、高安全性的方向发展。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种集装箱船用特厚钢板，按重量百分比包括以下组分：C：0.04～0.12％，Si：0.25～0.50％，Mn：1.00～1.65％，P：≤0.010％，S：≤0.0020％，Ni:0.20～1.0，Nb：0.020～0.040％，V：0.020～0.060％，Ti：0.015～0.025％，Alt：0.020～0.050％，其余为Fe及不可避免的杂质。
本发明中，所述杂质元素的重量百分比为O≤0.0015％，N≤0.0050％，H≤0.0003％，As≤0.010％，Pb≤0.010％，Sn≤0.010％，Sb≤0.010％。
本发明中，钢板厚度为50mm～100mm之间。钢板屈服强度为460MPa级别。
由于钢的化学成分是影响集装箱船用特厚钢性能的关键因素之一，本发明为了使所述钢获得优异的综合性能，对所述钢的化学成分进行了限制，原因在于：
C：碳是影响高强度钢力学性能的主要元素之一，通过间隙固溶提高钢的强度，当碳含量小于0.04时强度低；含量过高时，韧性和可焊性将变差，本发明碳含量控制在0.04～0.12％。
Si：硅是炼钢必要的脱氧元素，具有一定的固溶强化作用；硅含量过高，不利于钢板表面质量及低温韧性，本发明硅含量控制在0.25～0.50％。
Mn：锰具有细化组织、提高强度及低温韧性的作用，而且成本低廉。锰含量过高时，易造成连铸坯偏析。本发明锰含量控制在1.00～1.65％。
Ni：镍能提高钢的强度、韧性及耐腐蚀性能，抑制碳从奥氏体中脱溶，降低晶界碳化物析出倾向，显著减少晶间碳化物数量。但随着镍含量增多，生产成本会显著增加，本发明镍含量控制在0.20～1.00％。
Nb：微量铌对奥氏体晶界具有钉扎作用，抑制形变奥氏体的再结晶，并在冷却或回火时形成析出物，提高强度和韧性。铌添加量小于0.020％时效果不明显，大于0.040％时韧性降低，并引起连铸坯表面裂纹产生，此外对焊接性能也有恶化作用。本发明铌含量控制在0.020～0.040％。
V：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加入钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。添加量小于0.02％时效果不明显，大于0.06％时，钢的韧性与可焊接性降低。因此，钒含量应控制在0.02～0.06％的范围内。
Ti:钛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。它能产生晶粒细化作用，提高钢材屈服强度。Ti对焊接热影响区处的硬度也有好的影响作用。作为一种重要的微合金元素，钛可形成细小的钛的碳、氮化物颗粒，在板坯再加热过程中可通过阻止奥氏体晶粒的粗化从而得到较为细小的奥氏体显微组织。另外，钛的氮化物颗粒的存在可抑制焊接热影响区的晶粒粗化。
Al：铝是一种重要的脱氧元素，钢水中加入微量的铝，可以有效减少钢中的夹杂物含量，并细化晶粒。但过多的铝，会促进连铸坯产生表面裂纹降低板坯质量，全铝含量应控制在0.020～0.050％。
一种集装箱船用特厚钢板的制备方法，包括以下工序：
铁水脱硫预处理→转炉冶炼→LF精炼→RH真空处理→连铸→铸坯检验、判定→铸坯验收→钢坯加热→除鳞→轧制→冷却→切割、取样→探伤→喷印标识→入库。
其中，铁水脱硫预处理→转炉冶炼→LF精炼→RH真空处理→连铸为冶炼连铸工序，采用转炉冶炼，通过顶底复吹，充分脱碳、脱磷；采用LF精炼以及RH精炼，降低有害元素O、N、H、S、P含量，并进行合金化，然后上板坯连铸，铸坯的化学成分按重量百分比计符合，C：0.04～0.12％，Si：0.25～0.50％，Mn：1.00～1.65％，P：≤0.010％，S：≤0.0020％，Ni:0.20～1.0，Nb：0.020～0.040％，V：0.020～0.060％，Ti：0.015～0.025％，Alt：0.020～0.050％，其余为Fe及不可避免的杂质。
轧制工序中，采用控轧控冷技术，连铸坯加热温度为1200℃～1240℃，奥氏体再结晶区和未再结晶区轧制，粗轧道次大压下量(压下率大于15％)破碎奥氏体晶粒，粗轧终轧温度控制在1050～1100℃，精轧开轧温度为≤860℃；轧后控制冷却，返红温度为450～650℃，随后空冷。
本发明通过优化成分设计，转炉冶炼，LF及RH精炼，钢水浇注，对控轧控冷工艺进行合理设定及优化。本发明钢板性能良好，抗拉强度为570-720MPa，屈服强度为≥460MPa，延伸率为≥17％，-40℃低温纵向冲击≥75J，-10℃的断裂韧性CTOD值≥0.15mm，Kca(脆性裂纹传播止裂韧性)指标为≥6000N/mm1.5，具有高强度、高韧性、优良的抗撕裂性能和抗止裂性能，装备生产工艺稳定，可操作性强。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过合理的成分设计，低磷硫冶炼工艺，配合其他微量合金元素，增强了大厚度钢板的止裂性能和强韧性能。采用控轧控冷技术，保证钢板组织及性能均匀，获得止裂性能优异的大厚度集装箱船用钢。
2、本发明采用转炉冶炼、连铸等生产集装箱船用钢，适应众多钢企实施。本发明采用TMCP工艺生产大厚度集装箱船用钢，降低了生产成本。
附图说明
图1为70mm大厚度集装箱船用钢TMCP态试样组织形貌图。
具体实施方式
实施例1
本实施例的70mm大厚度集装箱船用钢的各组分比例如下：
C:0.080％,Si：0.35％，Mn：1.55％，P：0.0080％，S：0.0011％，Ni：0.45％，Nb：0.025％，V：0.045％，Ti：0.020％，Alt：0.035％，其余为Fe及不可避免的杂质。
其中，杂质的含量控制在O≤0.0015％，N≤0.0050％，H≤0.0003％，As≤0.010％，Pb≤0.010％，Sn≤0.010％，Sb≤0.010％。
制备时，采用低磷硫冶炼工艺，配合其他微量合金元素，有效地增强钢的抗层状撕裂性能、脆性裂纹止裂性能。利用控轧控冷技术，保证钢板组织及性能均匀，获得撕裂性能和止裂性能优异的大厚度集装箱船用钢。主要的工艺路线为：铁水脱硫预处理→转炉冶炼→LF精炼→RH真空处理→连铸→铸坯检验、判定→铸坯验收→钢坯加热→除鳞→轧制→冷却→切割、取样→探伤→喷印标识→入库。
采用奥氏体再结晶区和奥氏体未再结晶区两阶段控制轧制技术，粗轧单道次压下率大于15％破碎奥氏体晶粒，粗轧终轧温度控制在1063℃；精轧控制开轧温度为≤860℃；轧后控制冷却，返红温度为503℃，随后空冷。轧制冷却工艺参数详见表2。
按照本发明轧态钢板拉伸性能如表3所示，低温韧性如表4所示，抗止裂性能、断裂韧性、Z向性能如表5所示。本发明实施例的钢板性能结果良好，抗拉强度在680MPa，屈服强度为496MPa，延伸率为21％，-40℃低温纵向冲击功≥221J，Z向断面收缩率为69％，-10℃的断裂韧性CTOD值为1.20mm，止裂性能Kca指标6289N/mm1.5，具有高强度高韧性、并具有良好的抗层状撕裂性能和抗脆性裂纹止裂性能，生产工艺稳定，可操作性强。
实施例2
本实施例的大厚度集装箱船用钢的各组分比例如下：
C:0.056％,Si：0.45％，Mn：1.64％，P：0.0078％，S：0.0013％，Ni：0.55％，Nb：0.045％，V：0.038％，Ti：0.019％，Alt：0.033％，其余为Fe及不可避免的杂质。
其中，杂质的含量控制在O≤0.0015％，N≤0.0050％，H≤0.0003％，As≤0.010％，Pb≤0.010％，Sn≤0.010％，Sb≤0.010％。
制备时，采用低磷硫冶炼工艺，配合其他微量合金元素，有效地增强钢的抗层状撕裂性能、脆性裂纹止裂性能。利用控轧控冷技术，保证钢板组织及性能均匀，获得撕裂性能和止裂性能优异的大厚度集装箱船用钢。主要的工艺路线为：铁水脱硫预处理→转炉冶炼→LF精炼→RH精炼→连铸→铸坯检验、判定→铸坯验收→钢坯加热→除鳞→轧制→冷却→切割、取样→探伤→喷印标识→入库。
采用奥氏体再结晶区和奥氏体未再结晶区两阶段控制轧制技术，粗轧单道次压下率大于15％破碎奥氏体晶粒，粗轧终轧温度控制在1072℃；精轧控制开轧温度为≤860℃；轧后控制冷却，返红温度为463℃，随后空冷。轧制冷却工艺参数详见表2。
按照本发明轧态钢板拉伸性能如表3所示，低温韧性如表4所示，抗止裂性能、断裂韧性、Z向性能如表5所示。本发明实施例的钢板性能结果良好，抗拉强度在676MPa，屈服强度为486MPa，延伸率为22％，-40℃低温纵向冲击功237J，Z向断面收缩率为66％，-10℃的断裂韧性CTOD值为1.15mm，止裂性能Kca指标6401N/mm1.5，具有高强度高韧性、并具有良好的抗层状撕裂性能和抗脆性裂纹止裂性能，生产工艺稳定，可操作性强。图1为70mm大厚度集装箱船用钢TMCP态试样组织形貌图。图中组织为针状铁素体+粒状贝氏体+少量珠光体。
实施例3
本实施例的大厚度集装箱船用钢的各组分比例如下：
C:0.096％,Si：0.34％，Mn：1.48％，P：0.0068％，S：0.0012％，Ni：0.48％，Nb：0.034％，V：0.040％，Ti：0.022％，Alt：0.035％，其余为Fe及不可避免的杂质。
其中，杂质的含量控制在O≤0.0015％，N≤0.0050％，H≤0.0003％，As≤0.010％，Pb≤0.010％，Sn≤0.010％，Sb≤0.010％。
制备时，采用低磷硫冶炼工艺，配合其他微量合金元素，有效地增强钢的抗层状撕裂性能、脆性裂纹止裂性能。利用控轧控冷技术，保证钢板组织及性能均匀，获得撕裂性能和止裂性能优异的大厚度集装箱船用钢。主要的工艺路线为：铁水脱硫预处理→转炉冶炼→LF精炼→RH精炼→连铸→铸坯检验、判定→铸坯验收→钢坯加热→除鳞→轧制→冷却→切割、取样→探伤→喷印标识→入库。
采用奥氏体再结晶区和奥氏体未再结晶区两阶段控制轧制技术，粗轧单道次压下率大于15％破碎奥氏体晶粒，粗轧终轧温度控制在1085℃；精轧控制开轧温度为≤860℃；轧后控制冷却，返红温度为609℃，随后空冷。轧制冷却工艺参数详见表2。
按照本发明轧态钢板拉伸性能如表3所示，低温韧性如表4所示，抗止裂性能、断裂韧性、Z向性能如表5所示。本发明实施例的钢板性能结果良好，抗拉强度在688MPa，屈服强度为501MPa，延伸率为22％，-40℃低温纵向冲击240J，Z向断面收缩率为66％，-10℃的断裂韧性CTOD值为1.10mm，止裂性能Kca指标6325N/mm1.5，具有高强度、高韧性、并具有良好的抗层状撕裂性能和抗脆性裂纹止裂性能，生产工艺稳定，可操作性强。
表1本发明实施例的主要化学成分(wt％)
实施例 C Si Mn P S Ni Ti Nb V Alt
实施例1 0.080 0.35 1.55 0.0080 0.0011 0.45 0.20 0.025 0.045 0.035
实施例2 0.056 0.33 1.64 0.0078 0.0013 0.55 0.19 0.045 0.038 0.033
实施例3 0.096 0.34 1.48 0.0068 0.0012 0.48 0.22 0.034 0.040 0.035
表2轧制冷却工艺参数
实施例 厚度mm 粗轧终轧温度℃ 精轧开轧温度℃ 终轧温度℃ 返红温度℃
实施例1 70 1063 860 843 503
实施例2 50 1072 860 850 463
实施例3 100 1085 860 846 609
表3本发明实施例的钢板拉伸性能
实施例 厚度/mm 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 延伸率/％
实施例1 70 496 680 21
实施例2 50 486 676 22
实施例3 100 501 688 22
表4本发明实施例的钢板低温韧性
表5本发明实施例的Z向性能、断裂韧性和抗止裂性能
生产该强度级别特厚钢板，省去调质热处理工艺，吨钢节省约450元。

Claims (4)

1.一种集装箱船用特厚钢板的制备方法，其特征在于：该钢板按重量百分比包括以下组分：C：0.04～0.12%，Si：0.25～0.50%，Mn：1.00～1.65%，P：≤0.010%，S：≤0.0020%，Ni:0.20～1.0，Nb：0.020～0.040%，V：0.020～0.060%，Ti：0.015～0.025%，Alt：0.020～0.050%，其余为Fe及不可避免的杂质；包括以下工序：
1）铁水脱硫预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空处理、连铸，得到连铸坯；其中，铁水脱硫处理后硫含量控制在S≤0.002%，转炉控制P含量≤0.010%，LF进行脱硫脱氧及合金成分调整，RH抽真空处理控制气体H含量≤0.0003%，连铸控制中包温度在液相线+10～20℃；
2）连铸坯加热、除鳞、轧制、冷却、探伤，合格产品入库；其中，轧制采用控轧控冷技术，连铸坯加热温度为1200℃～1240℃，奥氏体再结晶区和未再结晶区轧制，粗轧道次大压下量破碎奥氏体晶粒，粗轧终轧温度控制在1050～1100℃，精轧开轧温度为≤860℃；轧后控制冷却，返红温度为450～650℃，随后空冷。
2.根据权利要求1所述的集装箱船用特厚钢板的制备方法，其特征在于：所述杂质元素的重量百分比为O≤0.0015%，N≤0.0050%，H≤0.0003%，As≤0.010%，Pb≤0.010%，Sn≤0.010%，Sb≤0.010%。
3.根据权利要求1所述的集装箱船用特厚钢板的制备方法，其特征在于：钢板厚度为50mm～100mm之间。
4.根据权利要求1所述的集装箱船用特厚钢板的制备方法，其特征在于：钢板屈服强度为460MPa级别。
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