CN107747043B - 一种屈服强度650MPa及以上级别耐候热轧H型钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种屈服强度650MPa及以上级别高强度热轧H型钢，所述热轧H型钢的化学成分组成按重量百分比为：C：0.08～0.20；Si：≤0.5；Mn：1.2～1.6；V：0.06～0.15；Ti：0.015～0.05；Ni：0.2～0.5；P≤0.02；S≤0.01；N≤0.015；Mo：0.20～0.5，Cu：0.20～0.35，Cr：0.20～0.50，Al：0.02～0.05；O≤0.004；其余为铁Fe和不可避免杂质。本发明还公开了上述热轧H型钢的制备方法。本发明涉及的海工用H型钢产品其力学性能良好，屈服强度大于650MPa，抗拉强度大于750MPa，尤其是‑20℃纵向冲击功大于34J，适合极端气候条件地区使用。

Description

一种屈服强度650MPa及以上级别耐候热轧H型钢及其制造 方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种海洋工程用屈服强度650MPa及以上耐候热轧H型钢及其制造方法。

背景技术

随着石油和天然气需求的日益增大，油气开采已呈现出陆海并进的局面，海洋工程装备前景广阔，发展势头强劲。耐候H型钢可以减重、延长使用寿命、提速、增加货运量和降低物流成本等方面都起着重要的作用。特别是随着海洋工程向更深更寒区域的快速发展，迫切需要高耐候性、高强度、高韧性的热轧H型钢。目前全球有100多个国家正在进行海上石油勘探。由于海洋平台服役期比船舶类的服役期长50％，采用的钢材必须具有高强度、高韧性、抗疲劳、抗层状撕裂、良好的焊接性和耐海水腐蚀等性能。

由于高耐候性H型钢在要求高的耐候性的同时，还要求高的强度、优良的低温冲击韧性和焊接性能，以及良好的表面质量，因此对冶金工艺过程和设备控制水平要求很高。

目前我国的H型钢生产企业已开发出屈服强度345MPa、420MPa等级别的耐候H型钢，为保证钢的强度等指标达到标准要求，都是采用添加较高含量合金元素Nb、V、Mn的热轧方法生产。随着海洋工程的制备水平升级，更高强度级别的H钢需求逐渐增加。不同企业根据装备水平制备出不同级别和不同综合性能的产品。

申请号为CN103243272A的中国专利公开了一种屈服强度500MPa级含钒耐候热轧H型钢的轧制工艺，该含钒耐候热轧H型钢，按质量百分比计，成分配比为：C：0.09～0.12，Si：0.43～0.55，Mn：1.39～1.49，P：0.013～0.017，S：0.011～0.016，Cu：0.27～0.36，Cr：0.32～0.38，Ni：0.25～0.32，V：0.098～0.110，A1s：0.014～0.023，其余为铁和残余的微量杂质；经轧制及轧后两段式快速冷却处理，该种H型钢达到屈服强度500MPa高耐候性性能要求。

申请号CN 102644032B专利涉及本发明公开了一种屈服强度550MPa级高耐候性热轧H型钢轧后冷却方法，屈服强度550MPa级高耐候性热轧H型钢，成分(wt％)为：C：0.06～0.12，Si：0.30～0.60，Mn：1.25～1.50，P：0.010～0.030，S：0.001～0.015，Cu：0.20～0.35，Cr：0.20～0.40，Ni：0.15～0.30，V：0.10～0.12，N：0.008～0.014，Als：0.003～0.030，其余为铁和残余的微量杂质；该H型钢轧后采用两段式快速冷却；本发明通过在H型钢热轧后采用两段式快速冷却方法，利用细晶强化、析出强化和相变强化机制，得到以贝氏体为主的复相组织。

上述两种高强钢及制备技术均采用微合金化配合在线冷却的方式，实现强度提高。但是，钢材的强度级别不能实现更高水平的突破并且组织分布不均匀。

发明内容

为了满足极寒，深海等复杂环境下海洋工程用钢的需求，本发明提供一种屈服强度650MPa及以上级别热轧H型钢及其制造方法。

本发明提供了一种屈服强度650MPa及以上级别高强度热轧H型钢，其化学成分组成按重量百分比为：C：0.08～0.20；Si：≤0.5；Mn：1.2～1.6；V：0.06～0.15；Ti：0.015～0.05；Ni：0.2～0.5；P≤0.02；S≤0.01；N≤0.015；Mo：0.20～0.5，Cu：0.20～0.35，Cr：0.20～0.50，Al：0.02～0.05；O≤0.004；其余为铁Fe和不可避免杂质。

优选的，所述钢材的屈服强度大于650MPa，-20摄氏度冲击功大于34J。

作为上述热轧H型钢一种更好的选择，所述H型钢的强化相为V、Ti等元素形成的碳氮化物和马氏体。

在本发明中主要合金元素的作用如下：

C：与V,Ti等强碳化合物元素相结合，形成细小弥散的碳氮化物，起到抑制晶粒长大和析出强化的作用，是最有效的强化元素之一。过低的C含量使得形成马氏体的量不足不能提高强度，过高的C对于钢的低温韧性不利，因此C控制在0.06％～0.20％；

Mn：能够降低奥氏体向铁素体转变的相变温度，而奥氏体向铁素体转变的相变温度的降低对于热轧态或正火态钢材的铁素体晶粒尺寸有细化作用，因此，Mn作为高强度微合金钢中的主要合金元素而被广泛应用。Mn过高将增加裂纹敏感性显著增加，影响焊接性能，增加偏析程度，过低则固溶强化效果不明显，从而影响强度。故Mn的取值范围确定在1.2％～1.6％。

Si：固溶于铁素体和奥氏体中，提高钢的强度、硬度、弹性和耐磨性。当钢中Si含量较高时，钢的焊接性能会恶化。Si含量高于0.5％以上将损害钢的韧性和塑性；同时含量过高使得氧化铁皮不易去除从而影响钢的表面质量。

V：钒在该钢中有沉淀强化、细晶强化和晶界强化作用。V既是强碳化物形成元素，同时也是强氮化物形成元素。在800-1000℃时，V与C生成VC，这些VC颗粒以细小质点形式存在将阻止奥氏体晶粒长大起到细晶强化的作用。另外，在冷却过程中，这些V的碳化物以弥散形式析出，对钢起到沉淀强化作用，故V含量应控制在0.06～0.15％。

Ti：重要的沉淀强化元素，高温时析出TiN，有效阻止奥氏体晶粒粗化起到细晶强化作用。在600℃以下，从钢中沉淀析出为纳米TIC或(V，Ti)C粒子，有效钉扎位错，从而提高屈服强度。同时Ti可以抑制焊接过程中热影响区的奥氏体晶粒长大，起到均匀组织作用。选择其控制范围0.015％～0.5％。

Ni：镍在钢中强化铁素体并细化珠光体，可以提高钢的强度。镍在提高钢强度的同时，对钢的韧性、塑性以及其他工艺的性能的损害较其他合金元素的影响小。低碳钢中加入一定的镍能使钢的韧性和塑性有所提高。镍可以提高钢对疲劳的抗力和减小钢对缺口的敏感性。镍降低钢的低温脆性转变温度，这对低温用钢有极重要的意义。考虑到成本等因素，Ni含量应控制在0.2％～0.5％。

Cr：铬可提高钢的强度和硬度以及耐磨性和耐大气腐蚀性能。铬加入钢中能显著改善钢的高温抗氧化性(不起皮)，显著提高钢的淬透性，改善钢的抗回火稳定性。另一方面，铬也能促进钢的回火脆性倾向。Cr含量低于0.2％时，提高硬度效果不明显；高于0.5％时，对钢的淬透性、延迟断裂性不利。该钢中Cr的有效范围为0.2～0.5％。

Cu：与Cr一起可以提高钢的耐大气腐蚀性能，但是需要配合Ni元素使用防止钢材表面出现裂纹缺陷。当Cu含量变高时，则焊接高温裂缝敏感性变高，预热等焊接施工变得复杂，出现热脆性。因此Cu的含量0.2～0.35％。

Mo：具有提高钢材淬透性的作用，提高HAZ热影响区的韧性。本发明中主要起到冷却过程中淬硬性的作用，提高转变马氏体的含量。但是过高则恶化HAZ的性能。因此Mo的含量0.2～0.5％。

P：是钢中的有害元素，由于其偏析倾向严重，容易在晶界聚集恶化钢的基体组织，恶化钢的力学性能，因此本发明将磷含量控制到0.02％以下。

S：是有害元素，容易使钢具有偏析倾向，易引起钢材低温沿晶断裂，并能导致钢材具有各向异性韧性低等缺点，本发明将硫含量控制在0.01％以下。

Al：脱氧剂，同时可以与钢中的N形成AlN，细化铁素体晶粒，起到细晶强化的作用，同时改善钢的韧性。过多的Al不利于组织的纯净度，因此控制含量在0.02％～0.05％。

本发明还提供了一种屈服强度650MPa级高强度热轧H型钢的制造方法，包括转炉冶炼，LF精炼，连铸，热轧成型和在线/离线热处理，所述热轧及在线淬火工艺为在轧制过程中，控制加热炉的均热温度为1200～1260℃，铸坯在炉时间为100～200min；开轧温度为1100～1160℃，精轧在万能连轧机上进行，机架间水冷全部开启，终轧温度为780～900℃；轧后采用超快速冷却实现在线淬火，冷却速度为30～100℃/s；终冷温度小于500℃；

所述离线回火热处理工艺为经过在线淬火处理的H型钢在型钢专用离线热处理设备上进行回火及矫直处理。回火温度控制在400-650℃，保温时间25-60min。

作为上述方法一种更好的选择，所述转炉冶炼工序中转炉入炉铁水As，Sn含量均小于100ppm，渣料于终点前3分钟加完，全程化好化透渣，且终渣碱度控制在2.5～3.3范围内；采用双挡渣出钢工艺，放钢时间不小于2min，控制转炉下渣量＜80mm；采用铝锰铁脱氧，铝锰铁加入量1.5-4.0kg/t钢，炉前视情况补加；采用金属锰、钒氮，钛铁进行合金化，合金成分按中限控制。

作为上述方法一种更好的选择，所述LF精炼工序中精炼全程底吹氩气搅拌，保证夹杂物上浮和精炼软吹氩大于10分钟。

在本发明的实施例内，其使用的具体制备方法包括转炉冶炼，LF精炼，连铸和热轧成型，具体步骤如下：

1)铁水预脱硫：

脱硫后保证铁水中的硫含量为≤0.02wt％；

2)冶炼：

转炉入炉铁水As，Sn含量均小于100ppm，要求铁水计量准确，装入量误差<0.45吨；渣料必须于终点前3分钟加完，全程渣子化好、化透。终渣碱度控制在2.5～3.3范围内。采用双挡渣出钢工艺，放钢时间不小于2min，控制转炉下渣量＜80mm。采用铝锰铁脱氧，铝锰铁加入量1.5-4.0kg/t钢，炉前可视情况补加；采用金属锰、钒氮，钛铁进行合金化，合金成分按中限控制。

精炼全程底吹氩气搅拌，保证夹杂物上浮，保证精炼软吹氩大于10分钟。为保证生产顺行，精炼出站前喂入钙线50-150m/炉。

3)连铸：

连铸过程中间包液面≥800mm，采用全保护浇注工艺；拉速控制在0.8-1.6m/min.

4)热轧：

在轧制过程中，加热炉的均热温度为1200～1260℃，铸坯在炉时间为100～200min；开轧温度为1100～1160℃，精轧在万能连轧机上进行，机架间水冷全部开启，终轧温度为780～900℃；轧后采用超快速冷却实现在线淬火，冷却速度为30～100℃/s；终冷温度小于500℃，对铸坯进行快速冷却时，对H型钢翼缘及腹板采用喷常温水冷却的冷却方式，冷却水通过喷嘴喷到H型钢翼缘及腹板上；根据H型钢规格，在H型钢翼缘及腹板外侧设置一组或多组喷嘴，使用水泵来控制从喷嘴喷出的冷却水压力及流量，进而控制快速冷却时的冷却速度。

5)离线回火热处理

经过在线淬火处理的H型钢在型钢专用离线热处理设备上进行回火及矫直处理。回火温度控制在400-650℃，保温时间25-60min。回火过程中发生微合金碳氮化物的沉淀析出，具有沉淀强化作用，可以补偿因位错回复导致的强度下降，提高钢板回火稳定性。回火温度过低则微合金碳氮化物难以析出，而回火温度过高则析出相粒子发生粗化，两者均不利于沉淀强化。

本发明通过低碳微合金化工艺设计，结合型钢孔型轧制配合在线淬火+离线回火的热处理工艺控制，实现海洋工程用大中规格H型钢的系列高强型钢产品的工业化生产。本发明专利主要以获得细小的回火组织为主，实现相变强化，同时配合V，Ti形成的碳氮化物等细小的第二相粒子实现沉淀强化。最终获得屈服强度650MPa以上级别性能均匀的H型钢的制备。根据本发明实施例，海洋工程用型钢的制备方法包括脱硫、转炉冶炼、LF精炼、全保护连铸、纵列式万能轧制工艺及在线/离线热处理工艺。

同目前高强度槽钢及生产方法比较，本发明技术方案的优点在于：

1.适合制备回火马氏体组织的复合微合金化成分设计，从而得到650MPa级别以上高强度海工用热轧H型钢。

2.H型钢不仅组织均匀性高，而且具有高耐候性，耐候性能是普通H型钢的2倍以上；

3.采用在线淬火+离线回火的热处理工艺，配合微合金化成分设计，适合制备高强度H型钢；

4、本发明涉及的海工用H型钢产品其力学性能良好，屈服强度大于650MPa，抗拉强度大于750MPa，尤其是-20℃纵向冲击功大于34J，适合极端气温条件地区使用。

附图说明

图1、实施例2获得的组织图。

具体实施方式

以下列举具体实施例对本发明进行说明。需要指出的是，实施例只用于对本发明作进一步说明，不限制本发明的保护范围，其他人根据本发明做出的非本质的修改和调整，仍属于本发明的保护范围。

下述实施例中的连铸坯均按以下工艺流程或前述的工艺制备，本发明未提及的工序，均可采用现有技术。

如下实施例根据设定的化学成分范围(表1)，以化学成分C，Si，Mn，S，P和Fe为原料，进行转炉冶炼、精炼、连铸、铸坯直接加热或者均热。实施例1-3的制备步骤如下：

1、铁水预脱硫：

脱硫后保证铁水中的硫含量为≤0.008wt％；

2、冶炼：

入炉铁水As，Sn含量均小于100ppm；渣料必须于终点前3分钟加完，全程渣子化好、化透。终渣碱度控制在2.9～3.1范围内。采用双挡渣出钢工艺，放钢时间5min，控制转炉下渣量60mm。精炼执行全程底吹氩搅拌吹氩制度，保证夹杂物上浮，保证精炼软吹氩15分钟。为保证生产顺行，精炼出站前喂入钙线100m。

3、连铸：

采用全保护浇注工艺；拉速控制在1.5m/min.

4、热轧及热处理：

控制温度为主，终轧温度检测翼缘外侧，轧后轧材在冷床自然冷却。实施例1-3的化学成分及具体工艺见下表。

表1、化学成分(wt％,余量铁)

实施例1-3的热轧工艺条件见表2。按照标准为BS EN ISO 377-1997《力学性能试验试样的取样位置和制备》；屈服强度、抗拉强度、延伸率的试验方法参照标准ISO6892-1-2009《金属材料室温拉伸试验方法》；冲击功试验方法参照标准ISO 148-1《金属材料夏比摆锤冲击试验》，结果见表2。

表2

从表中可见，本发明实施例1-3屈服强度保持650MPa级别，其-20℃冲击功较高，可以满足制备海洋工程构件在极低环境下的使用条件，适用于制作海洋石油平台、海洋远洋运输船舶等具有较高低温韧性要求的支撑结构件。

表3

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种屈服强度650MPa级高强度热轧H型钢的制造方法，包括转炉冶炼，LF精炼，连铸，热轧成型和在线/离线热处理，其特征在于：

所述热轧及在线热处理工艺为在轧制过程中，控制加热炉的均热温度为1200～1260℃，铸坯在炉时间为100～200min；开轧温度为1100～1160℃，精轧在万能连轧机上进行，机架间水冷全部开启，终轧温度为780～880℃；轧后采用超快速冷却实现在线淬火，冷却速度为30～100℃/s；终冷温度小于500℃；

所述离线热处理工艺为经过在线淬火处理的H型钢在型钢专用离线热处理设备上进行回火及矫直处理；回火温度控制在400-650℃，保温时间25-60min；

所述转炉冶炼工序中转炉入炉铁水As，Sn含量均小于100ppm，渣料于终点前3分钟加完，全程化好化透渣，且终渣碱度控制在2.5～3.3范围内；采用双挡渣出钢工艺，放钢时间不小于2min，控制转炉下渣量＜80mm；采用铝锰铁脱氧，铝锰铁加入量1.5-4.0kg/t钢，炉前视情况补加；采用金属锰、钒氮，钛铁进行合金化，合金成分按中限控制；

所述屈服强度650MPa级高强度热轧H型钢的化学成分组成按重量百分比为：C：0.08～0.20；Si：≤0.5；Mn：1.2～1.6；V：0.06～0.15；Ti：0.015～0.05；Ni：0.2～0.5；P≤0.02；S≤0.01；N≤0.015；Mo：0.20～0.5，Cu：0.20～0.35，Cr：0.20～0.50，Al：0.02～0.05；O≤0.004；其余为铁Fe和不可避免杂质；

所述钢材的屈服强度大于650MPa，-20摄氏度冲击功大于34J；

所述H型钢的金相为细小回火马氏体组织，强化相为V，Ti的碳氮化物。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述LF精炼工序中精炼全程底吹氩气搅拌，保证夹杂物上浮和精炼软吹氩大于10分钟。