CN105296731A - 提升厚规格高强钢板冲击韧性的生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提升厚规格高强钢板冲击韧性的生产方法，步骤包括冶炼、连铸、板坯再加热、除鳞、粗轧、精轧、加速冷却系统ACC冷却、热矫直、剪切和调质。本发明通过严格控制钢水纯净度和采用新型的热处理回火工艺，大大提升了厚规格高强钢板的低温冲击韧性；经实际生产并检验，其力学性能优异，各实施例的钢板的低温冲击韧性优良，-20℃低温冲击功大于100J，-40℃低温冲击韧性大于80J。

Description

提升厚规格高强钢板冲击韧性的生产方法

技术领域

本发明涉及一种中厚板技术，具体说，涉及一种提升厚规格高强钢板冲击韧性的生产方法。

背景技术

低合金高强度钢广泛应用于各类工程机械，随着工程机械设备向着大型化发展，厚规格高性能高强度工程机械用钢大量应用于工程机械制造。工程机械用钢需要具有较高的强度、良好的低温韧性、良好的抗疲劳性能、良好的冷成型性能、良好的焊接性能等。特别是随着技术的发展，厚规格高强钢生产难度大，特别是低温冲击韧性极不稳定，给用户的使用带来困扰。

专利申请号为201210078314.4的名称为80公斤级超高韧性、极厚钢板及其制造方法，公开了一种厚规格80公斤级高强钢，但不是基于连铸坯，而是采用模铸钢锭，且热处理工艺需要两次淬火，不适合于连铸生产线。

2012年4月出版的第40卷第2期《钢铁研究》公开了一种110mm厚高强度结构钢Q690D-Z35的研发，介绍了一种厚规格Q690D，但同样采用模铸钢锭生产，不适合于以连铸板坯为原料的生产线。

专利申请号为201010227961.8，名称为强韧性、强塑性优良的100公斤级调质钢板及其制造方法公开了一种厚规格Q690D钢板，但合金元素含量高，Cr、Mo含量下限为0.45％，Ni含量下限1.3％，且限制了钢板压缩比不小于3.5，对于厚规格钢板要求板坯厚度尺寸较厚，超过常规连铸线的生产能力。

发明内容

本发明公开了一种提升厚规格高强钢板冲击韧性的生产方法，通过采用合理的成分设计，适度添加提高淬透性元素，提升钢质洁净度，创新热处理调质工艺，提升了厚规格高强钢板的低温韧性。

技术方案如下：

一种提升厚规格高强钢板冲击韧性的生产方法，步骤包括冶炼、连铸、板坯再加热、除鳞、粗轧、精轧、加速冷却系统ACC冷却、热矫直、剪切和调质，板坯再加热的加热温度为1180-1250℃，加热时间250-350分钟，均热时间30-60分钟；粗轧的开轧温度为1160-1230℃，粗轧高温延伸阶段有效轧制道次数不超过8道次，至少有2道次压下率大于20％，中间坯的厚度为成品板坯的厚度的1.3-2.0倍；精轧开轧温度为890-930℃，终轧温度为840-860℃，要求精轧阶段有效轧制道次数不超过7道次；ACC冷却的终冷温度为600-640℃，冷却速度为15-25℃/s；调质淬火和回火，淬火温度为860-930℃，淬火保温时间为15-25分钟，回火温度为550-650℃，回火保温时间为25-40分钟，回火钢板出炉后进行控制冷却，冷却方式为水冷或者气雾冷却，冷却速度为3.0℃/s-10℃/s，冷却终止温度不高于300℃。

进一步：板坯再加热过程包括加热段和均热段，板坯移动速度为10-20分钟/厘米，均热段时间为30-60分钟。

进一步：ACC冷却过程中，采用头部遮蔽、尾部遮蔽遮蔽和边部遮挡，头部遮蔽0-2.0m，尾部遮蔽0-2.5m，边部遮挡0-2.0m，控制钢板返红后整体温度差≤50℃。

进一步：连铸过程中，控制钢水过热度15-50℃，采用的连铸机为直弧形连铸机，使用低碳高锰合金钢保护渣，中包使用碱性空心颗粒无碳覆盖剂；保持恒速浇注，浇注速度为0.8-1.2m/min；铸坯低倍检验结果满足C类中心偏析≥3.0级，中间裂纹≤1.5级，中心疏松≤1.0级。

进一步：冶炼过程中，铁水经过预处理进行深脱硫，然后进行转炉冶炼，铁水和废钢总装入量为230±15吨/炉，其中废钢加入量为30～60吨，铁水温度为1250～1350℃，采用单渣工艺冶炼，采用硅铝铁、低碳锰铁和硅铁脱氧合金化，转炉出钢温度控制在1620-1660℃，出钢过程钢包进行底吹氩操作；钢水经转炉冶炼后进行LF炉外精炼，对钢水配Si、Mn、Nb、Ti、Cr、Mo合金；RH精炼进行真空脱气，真空脱气的真空度为0.20～0.30KPa，深真空时间＞15min，钢水中各类夹杂物不高于1.0级，总夹杂物不高于3.0级。

进一步：板坯化学成分按照重量百分比计，包括：C0.10-0.19％、Si0.25-0.45％、Mn1.00-1.80％、P≤0.015％，S≤0.005％、Als0.020-0.035％、Nb0.030-0.050％、Ti0.010-0.020％、Cr0.15-0.50％、Mo0.10-0.50％，余量为Fe和不可避免的杂质。

进一步：成品钢板厚度规格为50mm-100mm。

与现有技术相比，本发明技术效果包括：

1、通过采用合理的成分设计，适度添加提高淬透性元素，提升钢质洁净度，创新热处理调质工艺，提升了厚规格高强钢板的低温韧性。

本发明的突出优点是通过严格控制钢水纯净度和采用新型的热处理回火工艺，大大提升了厚规格高强钢板的低温冲击韧性。经实际生产并检验，其力学性能优异，各实施例的钢板的低温冲击韧性优良，-20℃低温冲击功大于100J，-40℃低温冲击韧性大于80J。

2、本发明成品钢板厚度为50mm-100mm，钢种为Q690D和Q890D；钢板采用低合金设计，节省制造成本，并可以保证钢板具有良好的焊接性能。

3、通过控制钢中有害元素和夹杂物，钢质纯净，进而提升钢板的综合性能。

4、钢板回火后进行控制冷却，通过控制钢板的冷速和终冷温度有效抑制了钢板的第二类回火脆性，提升钢板韧性。

附图说明

图1是本发明中Q690D钢板的金相组织图；

图2是本发明中Q890D钢板的金相组织图。

具体实施方式

下面参考具体实施例，对本发明技术方案作详细说明。

提升厚规格高强钢板冲击韧性的生产方法，包括：冶炼→连铸→板坯再加热→除鳞→粗轧→精轧→冷却→热矫直→剪切→调质(淬火+回火)→取样、检验→成品入库。

步骤1：冶炼；

铁水需经过预处理进行深脱硫，然后进行转炉冶炼。铁水和废钢总装入量为230±15吨/炉，其中废钢加入量为30～60吨，铁水温度为1250～1350℃。

采用单渣工艺冶炼，采用硅铝铁、低碳锰铁和硅铁脱氧合金化，锰回收率按95％计算，铝线收得率按55～70％计算，出钢挡渣，保证一次拉碳成功，转炉出钢温度控制在1620-1660℃。出钢过程钢包要进行底吹氩操作。

钢水经转炉冶炼后进行LF炉(钢包精炼炉)外精炼，本工序要求转炉出钢后，钢包内钢水温度大于1500℃，该阶段对钢水配Si、Mn、Nb、Ti、Cr、Mo等合金，确保合金命中目标，金属锰铁收得率按99％计算，铌铁收得率按100％计算，硅增加0.01％硅铁加入量不小于25kg，铬增加0.01％铬铁加入量不小于30kg，钼增加0.01％钼铁加入量不小于40kg；钛铁收得率较低，且极易氧化，在处理后期加入，根据钢水量、钛铁品位来调整合金加入量。

RH精炼(全称为RH真空循环脱气精炼法)工序主要进行真空脱气，在保证钢水温度稳定的前提下大幅降低氢、氧、氮等气体含量，减小有害气体对钢水纯净度的不利影响，RH处理阶段原则上不加或少加合金。真空脱气的真空度为0.20～0.30KPa，深真空时间＞15min。要求钢中各类夹杂物不高于1.0级，总夹杂物不高于3.0级。

步骤2：连铸；

冶炼成功的钢水送到铸机进行连铸，控制钢水过热度15-50℃。

连铸机为直弧形连铸机，详细工艺及参数控制如下：使用低碳高锰合金钢保护渣，保护渣要保持干燥；中包使用碱性空心颗粒无碳覆盖剂；保持恒速浇注，浇注速度控制在0.8-1.2m/min；做好保护浇注，谨防钢水二次氧化和吸气增氮；铸坯低倍检验结果应满足C类中心偏析≥3.0级、中间裂纹≤1.5级、中心疏松≤1.0级。

板坯为250mm厚Q690D和Q890D连铸板坯，其化学成分及含量(重量百分比)应符合：C0.10-0.19％、Si0.25-0.45％、Mn1.00-1.80％、P≤0.015％，S≤0.005％、Als0.020-0.035％、Nb0.030-0.050％、Ti0.010-0.020％、Cr0.15-0.50％、Mo0.10-0.50％，余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明主要合金元素作用和范围说明如下：

C：C作为间隙固溶体元素可以显著提高钢材的强度，但对韧性、塑性、冷成型性及焊接性能带来极大不利。本发明采用低碳设计，规定C的质量百分含量为0.10-0.19％。

Si：Si对过冷奥氏体影响不大，主要作为固溶强化元素而起作用，但Si含量较多时会造成基体塑性下降，影响冷成型性能。本发明的Si的质量百分含量为0.25-0.45％。

Mn：Mn可以提高贝氏体钢淬透性，同时降低贝氏体转变温度促进组织细化，同时增大贝氏体基体中C含量，提高强度。本发明的Mn的质量百分含量为1.00-1.80％。

P和S：P、S作为有害元素会富集在晶界上，破坏钢板低温冲击韧性，因此要尽量低。本发明规定P的质量百分含量不大于0.015％，S的质量百分含量不大于0.005％.

Al：Al一方面作为脱氧元素加入钢中，另一方面Al与N结合形成AlN，细化晶粒。本发明的酸溶Al的质量百分含量为0.020-0.035％。

Nb：Nb可以显著抑制奥氏体再结晶，为实施奥氏体未再结晶区轧制提供了较宽的温度窗口，为细化晶粒创造了条件。本发明的Nb的质量百分含量为0.030-0.050％。

Ti：Ti的化合物在高达1400℃条件下不溶解，在板坯加热过程中Ti的化合物可以钉扎晶粒避免原始奥氏体晶粒过分长大。在钢板焊接过程中，热影响区中Ti的化合物TiN和Ti(CN)以第二相质点的形式存在，对热影响区晶粒长大有阻碍作用。本发明的Ti的质量百分含量为0.010-0.020％。

Cr：Cr可以促进珠光体和贝氏体转变曲线的分离，在中、低碳条件下能显著右移先共析铁素体和珠光体开始转变线，可代替部分Mn和Mo的作用。同时Cr与Mn配合可提高钢板的淬透性，提高钢板的力学性能。出于降低成本考虑，本发明的Cr的质量百分含量为0.15-0.50％。

Mo：Mo促进珠光体和贝氏体转变线分离，显著的右移先共析铁素体和珠光体开始转变线，对贝氏体的开始转变线影响不大，有利于贝氏体组织的获得，提高贝氏体的淬透性。加入Mo，可以细化组织，提高韧性，促进钢的强韧性匹配。出于降低成本考虑，本发明的Mo的质量百分含量为0.10-0.50％。

步骤3：板坯再加热；

钢水连铸成坯时温度从1500℃左右冷却到1200℃左右，再冷却到室温，板坯再加热是指板坯从室温升高到1200℃左右，温度再次升高的加热过程。

板坯再加热过程在推钢式加热炉或步进式加热炉中进行。再加热温度的制定主要依赖于合金元素的溶解度。加热过程要求合适的温度和合理的时间，促进合金元素的充分溶解和成分、组织均匀。一般情况下，合金元素碳(氮)化物的溶解温度约为1150℃-1200℃。

本发明中，加热温度为1180-1250℃，加热时间250-350分钟，均热时间30-60分钟。为了促进合金元素碳(或者氮)化物的充分溶解，并考虑现场的实际生产条件，本发明的再加热温度为1180-1250℃，再加热过程包括加热段和均热段，由于加热段板坯内外温差很大，需要最后进行均热以保证板坯温度均匀。板坯再加热的总再加热时间为250-350分钟，加热时板坯移动速度按10-20分钟/厘米控制，其中均热段时间为30-60分钟。

步骤4：除磷；

板坯在再加热过程中表面会严重生成氧化铁皮，因此，板坯出炉后需要进行除鳞以消除其表面氧化铁皮。板坯采用高压水除鳞，要求除鳞压力不小于18MPa。一般情况下除鳞压力在25MPa以内即可。

步骤5：粗轧；

板坯经除鳞后送到粗轧机进行粗轧。粗轧分为三个阶段：整形阶段、展宽阶段和高温延伸阶段。整形阶段消除板坯表面的凹凸不平等缺陷，并促进板坯厚度均匀。展宽阶段主要是将板坯宽度增加到成品宽度。一般认为，整形阶段和展宽阶段不会对钢板性能产生明显影响。高温延伸阶段要充分发挥轧机能力，实现强力大压下，以最少道次数将板坯轧到中间坯厚度，促进奥氏体晶粒反复再结晶以细化晶粒。粗轧阶段开轧第一道次、转钢后第一道次必须采取机架除鳞设备进行除鳞，高温延伸阶段视钢板表面情况灵活进行除鳞，保证钢板表面质量。

本发明中，粗轧的开轧温度为1160-1230℃，粗轧高温延伸阶段有效轧制道次数不超过8道次，至少有2道次压下率大于20％，中间坯的厚度为成品板坯的厚度的1.3-2.0倍。

步骤5：精轧；

精轧阶段从中间坯温度降到奥氏体未再结晶区后开始。板坯经粗轧阶段轧制成中间坯后在粗轧机和精轧机之间的辊道上进行摆动待温，中间坯温度降低到精轧阶段开轧温度范围后输送到精轧机进行精轧阶段轧制。精轧阶段开轧第一道次必须采取机架除鳞设备进行除鳞，精轧轧制过程中视钢板表面情况灵活进行除鳞，保证钢板表面质量。精轧阶段在奥氏体未再结晶区进行，该阶段变形逐渐累积，一方面促进奥氏体晶粒“扁平化”，另一方面在奥氏体经理内形成大量位错，增加铁素体晶粒形核位置，细化晶粒。Nb元素的作用显著抑制了奥氏体晶粒再结晶，提高了奥氏体未再结晶区温度。

同时考虑到成品的钢板较厚，为了避免终轧后钢板温度过高。本发明中，精轧开轧温度890-930℃，终轧温度840-860℃，要求精轧阶段有效轧制道次数不超过7道次。

步骤6：冷却；

本发明采用加速冷却系统(ACC)对钢板冷却过程进行控制。钢板经控制轧制后，奥氏体晶粒被拉长呈“扁平化”，晶粒内部累积有大量位错和胞状亚结构，在较大冷速作用下变形奥氏体“过冷”，较大的相变驱动力作用下促进新相在变形奥氏体内和晶界处形核，形成细小均匀的贝氏体组织。

本发明中，冷却的终冷温度600-640℃，冷却速度15-25℃/s。在钢板进行加速冷却过程中，为了确保钢板整体头部、尾部、边部及板身温度均匀，需要采用头尾遮蔽和边部遮挡，一般头部遮蔽0-2.0m，尾部遮蔽0-2.5m，边部遮挡0-2.0m，控制钢板返红后整体温度差≤50℃。

步骤7：热矫直；

钢板从ACC出来后需要进行热矫直处理，以使钢板具有良好板形，综合考虑钢板矫直难度和热矫直机能力，要求钢板矫直温度为400-1000℃。若钢板一道次不能矫平，可以采用多道次矫直，但原则上不超过3道次，钢板不平度达到≤6mm/2m。热矫直后的钢板通过剪切后加工成要求的规格。

矫直温度大于1000℃，温度太高，矫直机无法工作，因为矫直机自身冷却能力有限，会把矫直机烫坏，而且温度很高矫直后钢板还会变形，失去了矫直的意义。温度低于400℃钢板太硬，热矫直机也能力有限“矫不动”。矫直温度主要由钢板终冷温度决定，钢板出ACC后约1分钟左右后就开始矫直，一般矫直温度比终冷返红温度低20-30℃。

步骤8：热处理；

热处理工艺为调质工艺。调质工艺包含淬火和回火，可以使钢板具有良好的强韧性匹配，提升钢板的综合性能。

本发明的热处理工艺为淬火温度为860-930℃，淬火保温时间为15-25分钟；回火温度为550-650℃，回火保温时间为25-40分钟；回火钢板出炉后立刻进行控制冷却，冷却方式为水冷或者气雾冷却，冷却速度为3.0℃/s-10℃/s，冷却终止温度不高于300℃。

步骤9：对热处理后的钢板取样、检验。检验合格的成品入库、发货。

成品钢板厚度规格为50mm-100mm。

以下结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

将冶炼、连铸后的250mm厚Q690D或Q890D板坯放入加热炉，加热时间为259分钟，均热时间为44分钟。板坯的化学成分的质量百分含量为：C0.10％、Si0.44％、Mn1.80％、P0.009％、S0.002％、Als0.024％、Nb0.050％、Ti0.017％、Cr0.50％，Mo0.10％，余量为Fe和不可避免的杂质。轧制成厚度为50mm的钢板，详细的轧制及热处理工艺见表1，其力学性能见表2。

实施例2

将冶炼、连铸后的250mm厚Q690D或Q890D板坯放入加热炉，加热时间为250分钟，均热时间为30分钟。板坯的化学成分的质量百分含量为：C0.14％、Si0.34％、Mn1.80％、P0.014％、S0.005％、Als0.027％、Nb0.030％、Ti0.020％、Cr0.37％，Mo0.50％，余量为Fe和不可避免的杂质。轧制成厚度为60mm的钢板，详细的轧制及热处理工艺见表1，其力学性能见表2。

实施例3

将冶炼、连铸后的250mm厚Q690D或Q890D板坯放入加热炉，加热时间289分钟，均热时间为47分钟。板坯的化学成分的质量百分含量为：C0.16％、Si0.30％、Mn1.00％、P0.0015％、S0.003％、Als0.030％、Nb0.030％、Ti0.014％、Cr0.15％、Mo0.41％，余量为Fe和不可避免的杂质。轧制成厚度为70mm的钢板，详细的轧制及热处理工艺见表1，其力学性能见表2。

如图1所示，是本发明中Q690D钢板的金相组织图；如图2所示，是本发明中Q890D钢板的金相组织图。

由图可以看出，钢板组织为回火索氏体，晶粒均匀、细小，保证钢板具有良好的低温冲击韧性。

实施例4

将冶炼、连铸后的250mm厚Q690D或Q890D板坯入加热炉，加热时间300分钟，均热时间为45分钟。板坯的化学成分的质量百分含量为：C0.18％、Si0.33％、Mn1.30％、P0.008％、S0.005％、Als0.035％、Nb0.036％、Ti0.010％、Cr0.20％、Mo0.37％，余量为Fe和不可避免的杂质。轧制成厚度为80mm的钢板，详细的轧制及热处理工艺见表1，其力学性能见表2。

实施例5

将冶炼、连铸后的250mm厚Q690D或Q890D板坯放入加热炉，加热时间340分钟，均热时间为55分钟，板坯的化学成分的质量百分含量为：C0.19％、Si0.25％、Mn1.70％、P0.005％、S0.005％、Als0.033％、Nb0.037％、Ti0.014％、Cr0.25％、Mo0.38％，余量为Fe和不可避免的杂质。轧制成厚度为90mm的钢板，详细的轧制及热处理工艺见表1，其力学性能见表2。

实施例6

将冶炼、连铸后的250mm厚Q690D或Q890D板坯放入加热炉，加热时间350分钟，均热时间为60分钟，板坯的化学成分的质量百分含量为：C0.13％、Si0.37％、Mn1.48％、P0.014％、S0.001％、Als0.020％、Nb0.045％、Ti0.010％、Cr0.33％、Mo0.22％，余量为Fe和不可避免的杂质。轧制成厚度为100mm的钢板，详细的轧制及热处理工艺见表1，其力学性能见表2。

表1实施例1～6的工艺参数

表2实施例1～6的力学性能

Claims (7)

1.一种提升厚规格高强钢板冲击韧性的生产方法，步骤包括冶炼、连铸、板坯再加热、除鳞、粗轧、精轧、加速冷却系统ACC冷却、热矫直、剪切和调质，其特征在于：板坯再加热的加热温度为1180-1250℃，加热时间250-350分钟，均热时间30-60分钟；粗轧的开轧温度为1160-1230℃，粗轧高温延伸阶段有效轧制道次数不超过8道次，至少有2道次压下率大于20％，中间坯的厚度为成品板坯的厚度的1.3-2.0倍；精轧开轧温度为890-930℃，终轧温度为840-860℃，要求精轧阶段有效轧制道次数不超过7道次；ACC冷却的终冷温度为600-640℃，冷却速度为15-25℃/s；调质淬火和回火，淬火温度为860-930℃，淬火保温时间为15-25分钟，回火温度为550-650℃，回火保温时间为25-40分钟，回火钢板出炉后进行控制冷却，冷却方式为水冷或者气雾冷却，冷却速度为3.0℃/s-10℃/s，冷却终止温度不高于300℃。

2.如权利要求1所述提升厚规格高强钢板冲击韧性的生产方法，其特征在于：板坯再加热过程包括加热段和均热段，板坯移动速度为10-20分钟/厘米，均热段时间为30-60分钟。

3.如权利要求1所述提升厚规格高强钢板冲击韧性的生产方法，其特征在于：ACC冷却过程中，采用头部遮蔽、尾部遮蔽和边部遮挡，头部遮蔽0-2.0m，尾部遮蔽0-2.5m，边部遮挡0-2.0m，控制钢板返红后整体温度差≤50℃。

4.如权利要求1所述提升厚规格高强钢板冲击韧性的生产方法，其特征在于：连铸过程中，控制钢水过热度15-50℃，采用的连铸机为直弧形连铸机，使用低碳高锰合金钢保护渣，中包使用碱性空心颗粒无碳覆盖剂；保持恒速浇注，浇注速度为0.8-1.2m/min；铸坯低倍检验结果满足C类中心偏析≥3.0级，中间裂纹≤1.5级，中心疏松≤1.0级。

5.如权利要求1所述提升厚规格高强钢板冲击韧性的生产方法，其特征在于：冶炼过程中，铁水经过预处理进行深脱硫，然后进行转炉冶炼，铁水和废钢总装入量为230±15吨/炉，其中废钢加入量为30～60吨，铁水温度为1250～1350℃，采用单渣工艺冶炼，采用硅铝铁、低碳锰铁和硅铁脱氧合金化，转炉出钢温度控制在1620-1660℃，出钢过程钢包进行底吹氩操作；钢水经转炉冶炼后进行LF炉外精炼，对钢水配Si、Mn、Nb、Ti、Cr、Mo合金；RH精炼进行真空脱气，真空脱气的真空度为0.20～0.30KPa，深真空时间＞15min，钢水中各类夹杂物不高于1.0级，总夹杂物不高于3.0级。

6.如权利要求1至5任一项所述提升厚规格高强钢板冲击韧性的生产方法，其特征在于：板坯化学成分按照重量百分比计，包括：C0.10-0.19％、Si0.25-0.45％、Mn1.00-1.80％、P≤0.015％，S≤0.005％、Als0.020-0.035％、Nb0.030-0.050％、Ti0.010-0.020％、Cr0.15-0.50％、Mo0.10-0.50％，余量为Fe和不可避免的杂质。

7.如权利要求1至5任一项所述提升厚规格高强钢板冲击韧性的生产方法，其特征在于：成品钢板厚度规格为50mm-100mm。