CN104357755A

CN104357755A - 一种适于低温下使用的大厚度、高强度钢板及其制造方法

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Publication number: CN104357755A
Application number: CN201410551585.6A
Authority: CN
Inventors: 苗丕峰; 刘观猷; 李国忠; 吴小林; 李经涛; 赵孚
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2014-10-17
Filing date: 2014-10-17
Publication date: 2015-02-18

Abstract

本发明公开了一种适于低温下使用的大厚度、高强度钢板，该钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.08～0.15%，Si：0.15～0.35%，Mn：0.95～1.25%，P：≤0.01%，S：≤0.005%，Cr：0.35～0.55%，Mo：0.35～0.55%，Ni：0.8～1.5%，Cu：0.20～0.40%，Al：0.02～0.08%，V：0.03～0.05%，Nb：0.02～0.04%，Ti：≤0.02%，N：≤0.006%，B：0.0008～0.002%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。所述钢板的制造工艺流程为冶炼、连铸→加罩缓冷→带温清理→加热→轧制→空冷和矫直→缓冷→调质处理，所得钢板的厚度为80～125mm并具有高的强度、良好的塑性、高的低温韧性，能够适应-60℃低温环境和高的Z向性能要求，综合性能优异。

Description

一种适于低温下使用的大厚度、高强度钢板及其制造方法

技术领域

本发明属于大厚度、高强度钢板制造领域，具体涉及一种屈服强度为550MPa级、厚度在80～125mm的钢板及其制造方法，该钢板能够在-60℃低温环境下使用且其抗层状撕裂性能≥35%。

背景技术

陆地和浅海油气资源的日渐枯竭使得海洋油气资源开采逐渐向深水海域发展。深水油气钻采要求海洋工程装备大型化、轻量化、长寿命、可移动，这就要求制造海洋工程装备所使用的钢板应具有高的强度、高的韧性、大的厚度以满足在波浪、海潮、风暴及寒冷流冰等严峻的深水海洋环境中这些大型装备能长期、安全、可靠、稳定地工作。由于海洋工程装备为大型焊接结构，因此要求海洋工程用钢具有高的抗层状撕裂性能（Z向性能）。另外，在工程机械领域，工程机械逐渐向大型化发展，随着这类工程机械的作业范围越来越广，作业环境越来越恶劣，这就要求所使用的钢板除具有高的强度（≥550MPa），高的韧性、高的抗层状撕裂性能（≥35%）外同时具有大的厚度（≥80mm）以适应恶劣作用环境的要求。要制造同时满足前述各要求的钢板一直是摆在本领域技术人员的一道难题。

专利公开号CN101781742A的发明专利采用控轧控冷技术，提出了一种屈服强度≥550MPa可在-60°C下使用的中厚船板钢及其制造方法，但据此发明制造的最大钢板厚度仅为40mm，该厚度值不适用于大型海洋工程装备的要求。

专利公开号CN101906591A的发明专利申请采用控轧控冷 + 回火处理的技术，披露了一种屈服强度≥550MPa可在-60°C下使用的超高强度钢板及其生产方法。但是，据此制造的最大钢板厚度仅为60mm。

专利公开号CN103741079A 和CN102337460A的发明专利申请采用控轧控冷 + 调质处理的技术，各披露了一种屈服强度≥550MPa可在-60°C下使用的超高强度海洋工程用钢板及其生产方法。据此发明制造的最大钢板厚度分别为70mm和80mm，但其Z向性能能否满足钢板应用于海洋工程的要求CN103741079A并未见披露。

专利公开号CN103540850A的发明专利可制造最大厚度为80mm钢板，但其仅能满足-20°C下冲击韧性的要求；专利公开号CN102691000A的发明申请可制造最大厚度为100mm的钢板，但其冲击韧性仅能满足-40°C下的使用要求。

基于上述海洋工程用钢板的制造现状，制造出同时满足高强度、良好的塑性、高的抗层状撕裂性能，且能够适应深海低温环境（-60°C）的大厚度钢板是本领域技术人员需要进一步探索的课题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种特别用于海洋工程建设的能够适用于-60℃低温环境、厚度为80～125mm的钢板，同时该钢板具有高的强度、良好的塑性、高的低温韧性和高的Z向性能。

本发明所要解决的另一技术问题是针对上述现有技术现状提供一种制造上述适于低温下使用的大厚度、高强度钢板的制造方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为，一种适于低温下使用的大厚度、高强度钢板，该钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.08～0.15%，Si：0.15～0.35%，Mn：0.95～1.25%，P：≤0.01%，S：≤0.005%，Cr：0.35～0.55%，Mo：0.35～0.55%，Ni：0.8～1.5%，Cu：0.20～0.40%，Al：0.02～0.08%，V：0.03～0.05%，Nb：0.02～0.04%，Ti：≤0.02%，N：≤ 0.006%，B：0.0008～0.002%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素；所述钢板的厚度为80～125mm，屈服强度≥550MPa，抗拉强度为670～835MPa，延伸率≥16%，钢板的抗层状撕裂性能335%，-60°C下钢板在1/4和1/2厚度处的夏比冲击功均>100J。

优选地，所述钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.08～0.12%，Si：0.17～0.25%，Mn：0.96～1.1%，P：≤0.01%，S：≤0.005%，Cr：0.38～0.52%，Mo：0.37～0.49%，Ni：0.98～1.4%，Cu：0.22～0.24%，Al：0.032～0.072%，V：0.037～0.042%，Nb：0.024～0.025%，Ti：≤0.013%，N：≤ 0.006%，B：0.001～0.0018%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素；所述钢板的厚度为80～125mm，屈服强度>550MPa，抗拉强度在670～835MPa的范围，延伸率≥20%，钢板的抗层状撕裂性能>50%，-60°C下钢板在1/4和1/2厚度处的夏比冲击功均>100J。

更优选地，所述钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.12%，Si：0.17%，Mn：0.96%，P：0.005%，S：0.002%，Cr：0.42%，Mo：0.44%，Ni：1.4%，Cu：0.22%，Al：0.072%，V：0.042%，Nb：0.024%，Ti：0.0038%，N：0.0055%，B：0.0011%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素；所述钢板的厚度为125mm，钢板在1/4和1/2厚度处的屈服强度均> 550MPa，抗拉强度均在670～835MPa的范围，延伸率均≥20%，钢板的抗层状撕裂性能>50%，-60°C下钢板在1/4和1/2厚度处的夏比冲击功均>100J。

本发明适于低温下使用的大厚度、高强度钢板的化学成分是这样确定的:

C：是确保钢板强度所必须的元素，提高钢中的碳含量将增加钢的非平衡组织转变能力，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，不利于钢板的焊接性能。本发明控制碳含量为0.08～0.15%。

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。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其低温韧性的元素，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0.8～1.5%，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，本发明将其含量控制在0.35～0.55%。

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0.35～0.55%。

Cu：可提高钢板的淬透性和耐大气腐蚀和耐海水腐蚀性能，降低钢板的氢致裂纹敏感性。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，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，则将降低钢的韧性和焊接性能。本发明控制其含量在0.03～0.05%。

Nb：是一种在轧制过程中对晶粒细化起显著作用的元素。在再结晶区轧制阶段，Nb通过应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复、再结晶从而细化晶粒，这就为大厚度的钢板在调质处理后仍然具有细小的组织提供了基础，有利于提高其韧性。但受C 含量的限制及加热温度的影响，过高的Nb 无法固溶，同样发挥不了作用而且增加成本，此外，过高的Nb对焊接性能有不利的影响。本发明控制其含量0.02～0.04%。

Ti、Al：主要作用是固氮和脱氧。Ti 除了析出强化作用外还稳定再次加热的组织，但含量过高会使钢的韧性下降，本发明控制其含量≤0.02%。当钢中不含Ti时，须增加Al含量以固定钢中的氮。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，本发明控制其含量在0.02～0.08%。

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0.0008～0.0020%。

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。

本发明解决另一技术问题的技术方案为，一种制造适于低温下使用的大厚度、高强度钢板的方法，工艺步骤如下：首先将冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF 精炼、RH 精炼和连铸，生产出厚度为370mm或以上的连铸板坯；对连铸坯加罩缓冷，加罩缓冷后对每块连铸坯表面进行带温清理；然后将连铸坯加热至1180～1280℃，保温2～3小时，出炉；经高压水除鳞后进行两阶段轧制：第一阶段轧制（粗轧），开轧温度为1050～1150℃，总压缩率≥45%，最大单道次压下率≥15%；第二阶段轧制（精轧），开轧温度为880～930℃，总压缩率≥30%；轧制完成后对所得钢板进行空冷和矫直，对矫直后的钢板进行堆缓冷或加罩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，缓冷时间≥48小时；最后对钢板进行淬火和回火处理，淬火加热温度为890～920℃，钢板在炉时间为1.7～2.0min/mm，回火加热温度为630～690℃，钢板在炉时间为3.0～7.0min/mm，出炉后空冷至室温即获得钢板成品。

优选地，所述精轧的开轧温度为900～920℃。

作为改进，在连铸坯的制造过程中，控制低的浇铸过热度、低的拉坯速度、合理的轻压下参数有利于形成具有低中心偏析（C类0.5级）和疏松（0.5级）的连铸板坯。

本发明针对目前海洋装备制造和工程机械制造业对屈服强度≥550MPa可在-60°C低温环境下使用的大厚度抗层状撕裂高强钢板的需求，使用优化的成分设计、高的钢水纯净度、优化的连铸工艺生产的具有低中心偏析（C类0.5级）和疏松（0.5级）的连铸板坯作为坯料。并且在轧制和调质处理前分别设置加罩缓冷或堆缓冷以严格控制其H含量，另采取控制轧制加调质热处理的方法制造出强度高、塑性好、抗层状撕裂性能优异且在-60°C下具有优良低温韧性的大厚度钢板，并且本发明制造的钢板最大厚度可达125mm。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1) 按照本发明生产的大厚度高强度钢板不仅强度、塑性性能优良>屈服强度 3550MPa，抗拉强度670～835MPa，延伸率 320%)，抗层状撕裂性能好（Z向性能335%），而且具有很好的低温韧性（-60°C下钢板的1/4与1/2厚度处其夏比冲击功均 3100J），以及钢板的厚度能够制造到80mm～125mm，使之能够完全满足海洋工程用钢的各项要求。

(2) 本发明制造的大厚度高强度钢板直接使用连铸坯来制造，而不是采用模铸钢锭来制造，这省去了用模铸钢锭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。较之使用模铸钢锭来制造大厚度钢板，用连铸坯来制造其成材率显著提高。另外，与用复合坯制造大厚度钢板相比较，用连铸坯制造也省去了板坯的复合加工过程，简化了生产工艺，提高了生产效率。使得大厚度高强度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

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

本实施例涉及的适于低温下使用的大厚度、高强度钢板的厚度为125mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.12%，Si：0.17%，Mn：0.96%，P：0.005%，S：0.002%，Cr：0.42%，Mo：0.44%，Ni：1.4%，Cu：0.22%，Al：0.072%，V：0.042%，Nb：0.024%，Ti：0.0038%，N：0.0055%，B：0.0011%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。

该125mm厚的适于低温下使用的大厚度、高强度钢板的制造工艺为，按上述钢板成品的化学组分配置冶炼原料并依次进行KR铁水预处理、转炉冶炼、 LF 精炼、RH 真空脱气以获得纯净度高的钢水，之后由连铸机连铸出板厚在370mm的连铸板坯。连铸坯满足中心偏析：C类0.5级、中心疏松：0.5级；对连铸坯加罩缓冷，缓冷后对连铸坯表面带温清理以确保连铸坯的表面质量。将连铸坯加热至1260℃并保温2.5小时；出炉后经20MPa高压水除鳞，然后进行两阶段轧制：第一阶段为粗轧，开轧温度为1080℃，中间坯厚190mm，总压缩率为48.6%，最大单道次压下率为15.5%；第二阶段为精轧，开轧温度为920℃，最终板厚125mm，总压缩率为34.2%。对轧制后的钢板空冷和矫直，接着加罩缓冷72小时，然后，将钢板送入连续炉中进行淬火和回火处理。淬火加热温度900℃，钢板在炉时间1.75min/mm，使用淬火机水淬；回火加热温度为660℃，钢板在炉时间为3.5min/mm，出炉后空冷至室温即获得125mm厚钢板成品。

经由上述制造工艺制得的125mm厚的钢板具有高的强度、良好的塑性、高的低温韧性和高的Z向性能，综合性能优异，其机械性能详见表1。

实施例2

本实施例涉及的适于低温下使用的大厚度、高强度钢板的厚度为100mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.14%，Si：0.25%，Mn：1.10%，P：0.007%，S：0.0009%，Cr：0.52%，Mo：0.49%，Ni：0.98%，Cu：0.22%，Al：0.038%，V：0.04%，Nb：0.024%，Ti：0.013%，N：0.0035%，B：0.0018%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。

该100mm厚的适于低温下使用的大厚度、高强度钢板的制造工艺为，按上述化学组分配置冶炼原料并依次进行KR铁水预处理、转炉冶炼、LF 精炼、RH真空脱气以获得纯净度高的钢水，之后由连铸机连铸出板厚在370mm的连铸板坯。连铸坯满足中心偏析：C类0.5级、中心疏松：0.5级；对连铸坯加罩缓冷，缓冷后对连铸坯表面带温清理以确保连铸坯的表面质量。将连铸坯加热至1220℃并保温2.8小时；出炉后经20MPa高压水除鳞，然后进行两阶段轧制：第一阶段为粗轧，开轧温度为1070℃，中间坯厚185mm，总压缩率为50%，最大单道次压下率为16.5%；第二阶段为精轧，开轧温度为900℃，最终板厚100mm，总压缩率为45.9%。对轧制后的钢板空冷和矫直，接着加罩缓冷72小时，然后，将钢板送入连续炉中进行淬火和回火处理。淬火加热温度910℃，钢板在炉时间1.8min/mm，使用淬火机水淬；回火加热温度为680℃，钢板在炉时间为5min/mm，出炉后空冷至室温即获得100mm厚钢板成品。

经由上述制造工艺制得的100mm厚的钢板具有高的强度、良好的塑性、高的低温韧性和高的Z向性能，综合性能优异，其机械性能详见表1。

实施例3

本实施例涉及的适于低温下使用的大厚度、高强度钢板的厚度为80mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.08%，Si：0.19%，Mn：1.09%，P：0.009%，S：0.0014%，Cr：0.38%，Mo：0.37%，Ni：1.13%，Cu：0.24%，Al：0.032%，V：0.037%，Nb：0.025%，Ti：0.011%，N：0.0032%，B：0.0010%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。

该80mm厚的适于低温下使用的大厚度、高强度钢板的制造工艺为，按上述化学组分配置冶炼原料并依次进行KR铁水预处理、转炉冶炼、 LF 精炼、RH 真空脱气以获得纯净度高的钢水，之后由连铸机连铸出板厚在370mm的连铸板坯。连铸坯满足中心偏析：C类0.5级、中心疏松：0.5级；对连铸坯加罩缓冷，缓冷后对连铸坯表面带温清理以确保连铸坯的表面质量。将连铸坯加热至1210℃并保温2.4小时；出炉后经20MPa高压水除鳞，然后进行两阶段轧制：第一阶段为粗轧，开轧温度为1070℃，中间坯厚170mm，总压缩率为54%，最大单道次压下率为17.7%；第二阶段为精轧，开轧温度为910℃，最终板厚80mm，总压缩率为52.9%。对轧制后的钢板空冷和矫直，接着堆缓冷48小时，然后，将钢板送入连续炉中进行淬火和回火处理。淬火加热温度900℃，钢板在炉时间1.9min/mm，使用淬火机水淬；回火加热温度为640℃，钢板在炉时间为6.5min/mm，出炉后空冷至室温即获得80mm厚钢板成品。

经由上述制造工艺制得的80mm厚的钢板具有高的强度、良好的塑性、高的低温韧性和高的Z向性能，综合性能优异，其机械性能详见表1。

表1 各实施例所生产的大厚度钢板的力学性能

Claims

1.一种适于低温下使用的大厚度、高强度钢板，其特征在于：该钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.08～0.15%，Si：0.15～0.35%，Mn：0.95～1.25%，P：≤0.01%，S：≤0.005%，Cr：0.35～0.55%，Mo：0.35～0.55%，Ni：0.8～1.5%，Cu：0.20～0.40%，Al：0.02～0.08%，V：0.03～0.05%，Nb：0.02～0.04%，Ti：≤0.02%，N：≤ 0.006%，B：0.0008～0.002%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素；所述钢板的厚度为80～125mm，屈服强度≥550MPa，抗拉强度为670～835MPa，延伸率≥16%，钢板的抗层状撕裂性能335%，-60°C下钢板在1/4和1/2厚度处的夏比冲击功均>100J。

2.根据权利要求1所述的适于低温下使用的大厚度、高强度钢板，其特征在于：所述钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.08～0.12%，Si：0.17～0.25%，Mn：0.96～1.1%，P：≤0.01%，S：≤0.005%，Cr：0.38～0.52%，Mo：0.37～0.49%，Ni：0.98～1.4%，Cu：0.22～0.24%，Al：0.032～0.072%，V：0.037～0.042%，Nb：0.024～0.025%，Ti：≤0.013%，N：≤ 0.006%，B：0.001～0.0018%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素；所述钢板的厚度为80～125mm，屈服强度>550MPa，抗拉强度在670～835MPa的范围，延伸率≥20%，钢板的抗层状撕裂性能>50%，-60°C下钢板在1/4和1/2厚度处的夏比冲击功均>100J。

3.根据权利要求1所述的适于低温下使用的大厚度、高强度钢板，其特征在于：所述钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.12%，Si：0.17%，Mn：0.96%，P：0.005%，S：0.002%，Cr：0.42%，Mo：0.44%，Ni：1.4%，Cu：0.22%，Al：0.072%，V：0.042%，Nb：0.024%，Ti：0.0038%，N：0.0055%，B：0.0011%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素；所述钢板的厚度为125mm，钢板在1/4和1/2厚度处的屈服强度均> 550MPa，抗拉强度均在670～835MPa的范围，延伸率均≥20%，钢板的抗层状撕裂性能>50%，-60°C下钢板在1/4和1/2厚度处的夏比冲击功均>100J。

4.一种制造如权利要求1～3任一权利要求所述的适于低温下使用的大厚度、高强度钢板的方法，其特征在于：工艺步骤如下：首先将冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF 精炼、RH 精炼和连铸，制造出满足化学成分要求、厚度为370mm或以上的连铸板坯；对连铸坯加罩缓冷，加罩缓冷后对每块连铸坯表面进行带温清理；然后将连铸坯加热至1180～1280℃，保温2～3小时，出炉；经高压水除鳞后进行两阶段轧制：第一阶段为粗轧，开轧温度为1050～1150℃，总压缩率≥45%，最大单道次压下率≥15%；第二阶段为精轧，开轧温度为880～930℃，总压缩率≥30%；轧制完成后对所得钢板进行空冷和矫直，对矫直后的钢板进行堆缓冷或加罩缓冷，缓冷时间≥48小时；最后对钢板进行淬火和回火处理，淬火加热温度为890～920℃，钢板在炉时间为1.7～2.0min/mm；回火加热温度为630～690℃，钢板在炉时间为3.0～7.0min/mm，出炉后空冷至室温即获得钢板成品。

5.根据权利要求4所述的适于低温下使用的大厚度、高强度钢板的制造方法，其特征在于：所述连铸工艺连铸出的连铸坯满足中心偏析：C 类0.5 级，中心疏松：0.5 级。

6.根据权利要求4所述的适于低温下使用的大厚度、高强度钢板的制造方法，其特征在于：所述精轧的开轧温度为900～920℃。