CN107619996A - 大厚度易焊接高强韧性齿条钢板及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大厚度易焊接高强韧性齿条钢板及其生产方法，其成分的重量百分含量为：C 0.09%～0.11%，Si 0.15%～0.35%，Mn 1.00%～1.10%，P≤0.008%，S≤0.003%，Ni 3.0%～3.2%，Cr 0.80%～0.86%，Mo 0.63%～0.68%，Nb 0.02%～0.03%，V 0.04%～0.05%，Cu 0.20%～0.25%，Al 0.05%～0.07%，B 0.0008%～0.0018%；余量为Fe和微量不可避免的杂质。本钢板的化学成分设计采用低镍设计，降低了成本，且加入了Cu，增加了钢板的耐腐蚀性；本钢板中碳及贵重合金含量较低，具有低碳当量、低裂纹敏感型指数；焊接后高强韧性级别：屈服强度在690MPa以上，抗拉强度在790MPa～895MPa之间；无塑性转变温度NDT为‑90℃；硬度HB≥260；钢板最大厚度可达到210mm。

Description

大厚度易焊接高强韧性齿条钢板及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种海洋工程用钢，尤其是一种大厚度易焊接高强韧性齿条钢板及其生产方法。

背景技术

随着中国经济的持续发展，人民生活水平的不断提高，对石油等需求也在不断增加。虽然近几年国内造船行业不景气，但是未来潜在市场的开发也刻不容缓。海洋工程装备由于服役环境比较复杂，对用钢的各项技术指标要求极高，不仅要求母材有较高的强韧性能、低温冲击韧性、良好的延展性，更要求焊接后有同样的性能。从目前情况看，屈服强度690MPa，规格177.8mm以下的海洋工程用钢基本实现了国产化，并且占据了海洋工程用钢量的95%以上，而690MPa级，规格177.8mm以上钢板的还被国外垄断。210mm海洋工程用齿条钢焊接后性能达到了木材同样的性能，其推广是将来发展趋势。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高性能的大厚度易焊接高强韧性齿条钢板；本发明还提供了一种大厚度易焊接高强韧性齿条钢板的生产方法。

为解决上述技术问题，本发明成分的重量百分含量为：C 0.09%～0.11%，Si 0.15%～0.35%，Mn 1.00%～1.10%，P≤0.008%，S≤0.003%，Ni 3.0%～3.2%，Cr 0.80%～0.86%，Mo0.63%～0.68%，Nb 0.02%～0.03%，V 0.04%～0.05%，Cu 0.20%～0.25%，Al 0.05%～0.07%，B0.0008%～0.0018%；余量为Fe和微量不可避免的杂质。

本发明所述钢板最大厚度为210mm。

本发明化学成分的设计合理，其中部分元素在本发明中的作用如下所述：

Si、Al：在炼钢过程中作为脱氧剂，合理的Si、Al配比有利于钢的综合力学性能。较高含量的Si会造成钢的焊接性能和韧性下降，将Si控制在0.15%～0.35%，以Al脱氧为主，这样既能达到脱氧效果，也能降低Si的副作用，后期进行Ca处理，球化Al的夹杂物形态，降低Al的副作用。Al还可以可细化晶粒，提高冲击韧性。

P、S：在一般情况下，磷和硫都是钢中有害元素，增加钢的脆性。磷使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏；硫降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹；因此应尽量减少磷和硫在钢中的含量。

Cu：提高钢的耐腐蚀性。

本发明方法包括加热、轧制、缓冷和热处理工序；所述钢板成分的重量百分含量如上所述。

本发明方法所述加热工序：最高加热温度≤1220℃，均热温度1190℃～1210℃，保温9.5h～10.5h。所述加热工序：升温过程中，在290℃～310℃焖钢不少于4h，再以≤40℃/h升温到470℃～490℃保温7.5h～8.5h，然后以40℃/h～60℃/h的速度升温到810℃～830℃保温3.5～4.5小时，最后以60℃/h～80℃/h的速度升温到均热温度。

本发明所述缓冷工序：轧后钢板先升温到640℃～660℃，然后降到230℃～250℃保温3.5h～4.5h，最后升温到620℃～640℃保温59h～61h。

本发明所述热处理工序：钢板在Ac3+30℃～Ac3+60℃保温，保温时间PLC+70min～PLC+90min；回火温度630℃～660℃，保温时间3.5±0.5min/mm。

本发明所述轧制工序：采用两阶段轧制工艺；第一阶段轧制温度为1100℃～1130℃，此阶段单道次压下量为7%～10%，累计压下率为30～40%；第二阶段轧制温度为860～880℃，累计压下率为35%～50%。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明的化学成分设计采用低镍设计，降低了成本，且加入了Cu，增加了钢板的耐腐蚀性；本发明中碳及贵重合金含量较低，具有低碳当量、低裂纹敏感型指数；焊接后高强韧性级别：屈服强度在690MPa以上，抗拉强度在790MPa～895MPa之间；无塑性转变温度TNDT为-90℃；硬度HB≥260；钢板最大厚度可达到210mm。

本钢板通过低成本的成分设计，优化加热缓冷及热处理工序，配套更合理的焊接工艺，使钢板焊接后可达到和母材同样的力学性能要求。采用普通控制轧制工艺，对轧机轧制压力要求更低；采用淬火进行调质，组织更均匀细小，性能更优良。本发明方法生产的钢板具有低的碳当量和裂纹敏感型指数、高强韧性、低温冲击韧性、延伸性能及焊接性良好等特点。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本大厚度易焊接高强韧性齿条钢板的生产方法包括冶炼、模铸、加热、轧制、缓冷和热处理工序，各工序工艺如下所述：

（1）冶炼工序：将优质组分的钢水先经电炉冶炼，真空脱氧，送入LF精炼炉精炼，钢水温度达到或超过1570℃转入VD炉真空脱气处理；真空度≤66Pa，真空保持时间20～30分钟，真空前加入CaSi块排出钢水中的非金属夹杂物、有害元素，保证钢水的纯净。出钢钢水各元素重量百分比：C 0.09%～0.11%，Si 0.15%～0.35%，Mn 1.00%～1.10%，P≤0.008%，S≤0.003%，Ni 3.0%～3.2%，Cr 0.80%～0.86%，Mo 0.63%～0.68%，Nb 0.02%～0.03%，V 0.04%～0.05%，Cu 0.20%～0.25%，Al 0.05%～0.07%，B 0.0008%～0.0018%；余量为Fe和微量不可避免的杂质。

（2）模铸工序：模铸生产，钢锭避风堆垛缓冷，缓冷时间27～29小时，带温清理。

（3）加热工序：进行不同温度段的升温保温；290℃～310℃焖钢时间不少于4h，焖钢后以≤40℃/h的升温速度升温到470℃～490℃保温7.5h～8.5h，然后40℃/h～60℃/h的升温速度升温到按810℃～830℃保温3.5～4.5小时，以60℃/h～80℃/h的升温速度升到1190℃～1210℃保温9.5h～10.5h；最高加热温度≤1220℃。

（4）轧制：采用再结晶区+未再结晶区两阶段轧制工艺进行轧制，第一阶段轧制温度为1100℃～1130℃，此阶段单道次压下量为7%～10%，累计压下率为30～40%；第二阶段轧制温度为860℃～880℃，累计压下率为35%～50%，得到钢板粗品。

（5）缓冷工序：钢板在上述轧制前提前做好车底炉准备，车底炉温度≥500℃保温半小时及以上。钢板装钢后升温到640℃～660℃，随炉降温到230℃～250℃保温3.5h～4.5h，最后升温到620℃～640℃保温59h～61h（升温速度不限）。

（6）热处理工序：对钢板粗品在Ac3+(30℃～60℃)保温，保温时间PLC+(70～90)min淬火炉淬火；回火炉回火温度630℃～660℃，保温时间3.5±0.5min/mm，得到调质组织为回火索氏体。热处理后即可得到所述的大厚度易焊接高强韧性齿条钢板。

实施例1：本大厚度易焊接高强韧性齿条钢板的具体生产工艺如下所述。

（1）冶炼工序：将优质组分的钢水先经电炉冶炼，电炉冶炼完毕后出钢后座VD/VOD，加C粉12袋进行真空碳脱氧，真空度达66Pa保持3分钟后解除，送入LF精炼炉精炼，钢水温度达到1570℃转入VD炉真空脱气处理；真空度为66Pa，真空保持时间25分钟，真空前加入CaSi块。出钢钢水各元素重量百分比：C 0.10%，Si 0.19%，Mn 1.03%，P 0.005%，S 0.002%，Ni 3.09%，Cr 0.82%，Mo 0.66%，Nb 0.023%，V 0.043%，Cu 0.23%，Al 0.06%，B 0.0014%；余量为Fe和微量不可避免的杂质。

（2）模铸：模铸后避风堆垛缓冷28小时，带温≥120℃清理。

（3）加热：300℃焖钢4h，再以35℃/h的速度升温到480℃保温8h，然后60℃/h的速度升温到820℃保温4小时，以70℃/h的速度升温到均热温度1200℃保温10h，最高加热温度1220℃。

（4）轧制：第一阶段轧制温度为1100℃，此阶段单道次压下量为7～10%，累计压下率为35%；第二阶段轧制温度为860℃，累计压下率为46%。

（5）缓冷：车底炉温度520℃保温40min；钢板装钢后升温到650℃，然后降到250℃保温4h，最后升温到630℃保温60h。

（6）热处理：对钢板粗品在Ac3+60℃，保温时间PLC+80min淬火炉淬火；温度643℃、保温时间3.6min/mm回火炉回火。

本实施例所得177.8mm厚度钢板的力学性能为：屈服强度765MPa，抗拉强度855MPa，-40℃横向冲击功大于69焦，硬度HB269。

焊接试验：本实施例所得钢板进行不同热输入量的焊接实验，分别为：（1）15kJ/cm：工艺参数为电流440±10A、电压29±10V、焊接速度50±2cm/min、预热温度100℃、道见温度100～150℃；（2）25kJ/cm：工艺参数为电流520±10A、电压32±10V、焊接速度40±2cm/min、预热温度100℃、道见温度100～150℃。焊接后对接接头硬度：热输入15kJ/cm，硬度264HB～296HB，热输入25kJ/cm，硬度269HB～302HB；焊接后对接接头进行拉伸试验，结果见表1；对接接头进行冲击试验，结果见表2。

表1：焊接后对接接头拉伸试验性能

表2：焊接后对接接头冲击试验性能

实施例2：本大厚度易焊接高强韧性齿条钢板的具体生产工艺如下所述。

（1）冶炼工序：将优质组分的钢水先经电炉冶炼，电炉冶炼完毕后出钢后座VD/VOD，加C粉15袋进行真空碳脱氧，真空度达66Pa保持3分钟后解除，送入LF精炼炉精炼，钢水温度达到1570℃转入VD炉真空脱气处理；真空度为66Pa，真空保持时间20分钟，真空前加入CaSi块。出钢钢水各元素重量百分比：C 0.11%，Si 0.27%，Mn 1.10%，P 0.006%，S 0.002%，Ni 3.0%，Cr 0.85%，Mo 0.68%，Nb 0.025%，V 0.050%，Cu 0.22%，Al 0.05%，B 0.0011%；余量为Fe和微量不可避免的杂质。

（2）模铸：模铸后避风堆垛缓冷27小时，带温≥120℃清理。

（3）加热：290℃焖钢4h，再以35℃/h的速度升温到470℃保温8h，然后40℃/h的速度升温到820℃保温3.5小时，以65℃/h的速度升温到均热温度1200℃保温10.5h，最高加热温度1220℃。

（4）轧制：第一阶段轧制温度为1130℃，此阶段单道次压下量为7～10%，累计压下率为35%；第二阶段轧制温度为860℃，累计压下率为46%。

（5）缓冷：车底炉温度600℃保温30min；钢板装钢后升温到640℃，然后降到230℃保温3.5h，最后升温到620℃保温60h。

（6）热处理：对钢板粗品进行Ac3+60℃，保温时间PLC+70min淬火炉淬火；温度635℃、保温时间3.5min/mm回火炉回火。

本实施例所得210mm厚度钢板的力学性能为：屈服强度775MPa，抗拉强度865MPa，-40℃横向冲击功大于69焦，硬度HB271。

焊接试验：本实施例所得钢板进行不同热输入量的焊接实验，分别为：（1）15kJ/cm：工艺参数为电流440±10A、电压29±10V、焊接速度50±2cm/min、预热温度100℃、道见温度100～150℃；（2）25kJ/cm：工艺参数为电流520±10A、电压32±10V、焊接速度40±2cm/min、预热温度100℃、道见温度100～150℃。焊接后对接接头硬度：热输入15kJ/cm，硬度264HB～296HB，热输入25kJ/cm，硬度269HB～302HB；焊接后对接接头进行拉伸试验，结果见表3；对接接头进行冲击试验，结果见表4。

表3：焊接后对接接头拉伸试验性能

表4：焊接后对接接头冲击试验性能

实施例3：本大厚度易焊接高强韧性齿条钢板的具体生产工艺如下所述。

（1）冶炼工序：将优质组分的钢水先经电炉冶炼，电炉冶炼完毕后出钢后座VD/VOD，加C粉10袋进行真空碳脱氧，真空度达66Pa保持3分钟后解除，送入LF精炼炉精炼，钢水温度达到1570℃转入VD炉真空脱气处理；真空度为66Pa，真空保持时间30分钟，真空前加入CaSi块。出钢钢水各元素重量百分比：C 0.09%，Si 0.24%，Mn 1.06%，P 0.008%，S 0.003%，Ni 3.14%，Cr 0.80%，Mo 0.65%，Nb 0.03%，V 0.040%，Cu 0.23%，Al 0.06%，B 0.0018%；余量为Fe和微量不可避免的杂质。

（2）模铸：模铸后避风堆垛缓冷29小时，带温≥120℃清理。

（3）加热：300℃焖钢4h，再以40℃/h的速度升温到490℃保温8h，然后50℃/h的速度升温到830℃保温4小时，以80℃/h的速度升温到均热温度1200℃保温10.5h，最高加热温度1220℃。

（4）轧制：第一阶段轧制温度为1130℃，此阶段单道次压下量为7～10%，累计压下率为35%；第二阶段轧制温度为880℃，累计压下率为46%。

（5）缓冷：车底炉温度500℃保温45min；钢板装钢后升温到660℃，然后降到250℃保温4.5h，最后升温到640℃保温61h。

（6）热处理：对钢板粗品在Ac3+50℃，保温时间PLC+90min淬火炉淬火；温度650℃、保温时间3.4min/mm回火炉回火。

本实施例所得177.8mm厚度钢板的力学性能为：屈服强度755MPa，抗拉强度852MPa，-40℃横向冲击功大于69焦，硬度HB268。

焊接试验：本实施例所得钢板进行不同热输入量的焊接实验，分别为：（1）15kJ/cm：工艺参数为电流440±10A、电压29±10V、焊接速度50±2cm/min、预热温度100℃、道见温度100～150℃；（2）25kJ/cm：工艺参数为电流520±10A、电压32±10V、焊接速度40±2cm/min、预热温度100℃、道见温度100～150℃。焊接后对接接头硬度：热输入15kJ/cm，硬度269HB～286HB，热输入25kJ/cm，硬度270HB～293HB；焊接后对接接头进行拉伸试验，结果见表5；对接接头进行冲击试验，结果见表6。

表5：焊接后对接接头拉伸试验性能

表6：焊接后对接接头冲击试验性能

实施例4：本大厚度易焊接高强韧性齿条钢板的具体生产工艺如下所述。

（1）冶炼工序：冶炼工序：将优质组分的钢水先经电炉冶炼，真空脱氧，送入LF精炼炉精炼，钢水温度1575℃转入VD炉真空脱气处理；真空度60Pa，真空保持时间25分钟，真空前加入CaSi块。出钢钢水各元素重量百分比：C 0.10%，Si 0.15%，Mn 1.08%，P 0.006%，S0.003%，Ni 3.2%，Cr 0.84%，Mo 0.63%，Nb 0.02%，V 0.047%，Cu 0.25%，Al 0.06%，B0.0008%；余量为Fe和微量不可避免的杂质。

（2）模铸：模铸后避风堆垛缓冷28小时，带温≥120℃清理。

（3）加热：310℃焖钢4.2h，再以35℃/h的速度升温到480℃保温8.5h，然后45℃/h的速度升温到810℃保温4小时，以60℃/h的速度升温到均热温度1190℃保温10h，最高加热温度1210℃。

（4）轧制：第一阶段轧制温度为1110℃，此阶段单道次压下量为7～10%，累计压下率为30%；第二阶段轧制温度为870℃，累计压下率为35%。

（5）缓冷：车底炉温度550℃保温35min；钢板装钢后升温到640℃，然后降到240℃保温4h，最后升温到630℃保温59h。

（6）热处理：对钢板粗品在Ac3+30℃，保温时间PLC+75min淬火炉淬火；温度660℃、保温时间3.0min/mm回火炉回火。

本实施例所得190mm厚度钢板的力学性能为：屈服强度765MPa，抗拉强度865MPa，-40℃横向冲击功大于69焦，硬度HB269；焊接性能良好。

焊接试验：本实施例所得钢板进行不同热输入量的焊接实验，分别为：（1）15kJ/cm：工艺参数为电流440±10A、电压29±10V、焊接速度50±2cm/min、预热温度100℃、道见温度100～150℃；（2）25kJ/cm：工艺参数为电流520±10A、电压32±10V、焊接速度40±2cm/min、预热温度100℃、道见温度100～150℃。焊接后对接接头硬度：热输入15kJ/cm，硬度264HB～296HB，热输入25kJ/cm，硬度269HB～302HB；焊接后对接接头进行拉伸试验，结果见表7；对接接头进行冲击试验，结果见表8。

表7：焊接后对接接头拉伸试验性能

表8：焊接后对接接头冲击试验性能

实施例5：本大厚度易焊接高强韧性齿条钢板的具体生产工艺如下所述。

（1）冶炼工序：冶炼工序：将优质组分的钢水先经电炉冶炼，真空脱氧，送入LF精炼炉精炼，钢水温度1580℃转入VD炉真空脱气处理；真空度64Pa，真空保持时间25分钟，真空前加入CaSi块。出钢钢水各元素重量百分比：C 0.10%，Si 0.35%，Mn 1.0%，P 0.007%，S0.002%，Ni 3.06%，Cr 0.86%，Mo 0.64%，Nb 0.027%，V 0.044%，Cu 0.20%，Al 0.07%，B0.0015%；余量为Fe和微量不可避免的杂质。

（2）模铸：模铸后避风堆垛缓冷28小时，带温≥120℃清理。

（3）加热：300℃焖钢4.5h，再以32℃/h的速度升温到480℃保温7.5h，然后55℃/h的速度升温到820℃保温4.5小时，以75℃/h的速度升温到均热温度1210℃保温9.5h，最高加热温度1215℃。

（4）轧制：第一阶段轧制温度为1120℃，此阶段单道次压下量为7～10%，累计压下率为40%；第二阶段轧制温度为870℃，累计压下率为50%。

（5）缓冷：车底炉温度500℃保温30min；钢板装钢后升温到660℃，然后降到240℃保温4h，最后升温到630℃保温60h。

（6）热处理：对钢板粗品在Ac3+40℃，保温时间PLC+85min淬火炉淬火；温度630℃、保温时间4.0min/mm回火炉回火。

本实施例所得160mm厚度钢板的力学性能为：屈服强度763MPa，抗拉强度850MPa，-40℃横向冲击功大于69焦，硬度HB270；焊接性能良好。

焊接试验：本实施例所得钢板进行不同热输入量的焊接实验，分别为：（1）15kJ/cm：工艺参数为电流440±10A、电压29±10V、焊接速度50±2cm/min、预热温度100℃、道见温度100～150℃；（2）25kJ/cm：工艺参数为电流520±10A、电压32±10V、焊接速度40±2cm/min、预热温度100℃、道见温度100～150℃。焊接后对接接头硬度：热输入15kJ/cm，硬度269HB～286HB，热输入25kJ/cm，硬度270HB～293HB；焊接后对接接头进行拉伸试验，结果见表9；对接接头进行冲击试验，结果见表10。

表9：焊接后对接接头拉伸试验性能

表10：焊接后对接接头冲击试验性能

Claims (8)

1.一种大厚度易焊接高强韧性齿条钢板，其特征在于，其成分的重量百分含量为：C0.09%～0.11%，Si 0.15%～0.35%，Mn 1.00%～1.10%，P≤0.008%，S≤0.003%，Ni 3.0%～3.2%，Cr 0.80%～0.86%，Mo 0.63%～0.68%，Nb 0.02%～0.03%，V 0.04%～0.05%，Cu 0.20%～0.25%，Al 0.05%～0.07%，B 0.0008%～0.0018%；余量为Fe和微量不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的大厚度易焊接高强韧性齿条钢板，其特征在于：所述钢板最大厚度为210mm。

3.一种大厚度易焊接高强韧性齿条钢板的生产方法，其特征在于：其包括加热、轧制、缓冷和热处理工序；所述钢板成分的重量百分含量为：C 0.09%～0.11%，Si 0.15%～0.35%，Mn 1.00%～1.10%，P≤0.008%，S≤0.003%，Ni 3.0%～3.2%，Cr 0.80%～0.86%，Mo 0.63%～0.68%，Nb 0.02%～0.03%，V 0.04%～0.05%，Cu 0.20%～0.25%，Al 0.05%～0.07%，B0.0008%～0.0018%；余量为Fe和微量不可避免的杂质。

4.根据权利要求3所述的大厚度易焊接高强韧性齿条钢板的生产方法，其特征在于，所述加热工序：最高加热温度≤1220℃，均热温度1190℃～1210℃，保温9.5h～10.5h。

5.根据权利要求4所述的大厚度易焊接高强韧性齿条钢板的生产方法，其特征在于，所述加热工序：升温过程中，在290℃～310℃焖钢不少于4h，再以≤40℃/h升温到470℃～490℃保温7.5h～8.5h，然后以40℃/h～60℃/h的速度升温到810℃～830℃保温3.5～4.5小时，最后以60℃/h～80℃/h的速度升温到均热温度。

6.根据权利要求3所述的大厚度易焊接高强韧性齿条钢板的生产方法，其特征在于，所述缓冷工序：轧后钢板先升温到640℃～660℃，然后降到230℃～250℃保温3.5h～4.5h，最后升温到620℃～640℃保温59h～61h。

7.根据权利要求3所述的大厚度易焊接高强韧性齿条钢板的生产方法，其特征在于，所述热处理工序：钢板在Ac3+30℃～Ac3+60℃保温，保温时间PLC+70min～PLC+90min；回火温度630℃～660℃，保温时间3.5±0.5min/mm。

8.根据权利要求3－7任意一项所述的大厚度易焊接高强韧性齿条钢板的生产方法，其特征在于，所述轧制工序：采用两阶段轧制工艺；第一阶段轧制温度为1100℃～1130℃，此阶段单道次压下量为7%～10%，累计压下率为30～40%；第二阶段轧制温度为860～880℃，累计压下率为35%～50%。