CN108070779A

CN108070779A - 一种可焊接细晶粒高强度结构钢板及其生产方法

Info

Publication number: CN108070779A
Application number: CN201610996439.3A
Authority: CN
Inventors: 周中喜; 温志红; 黄远坚
Original assignee: Shaogang Songshan Co Ltd Guangdong
Current assignee: SGIS Songshan Co Ltd; Shaogang Songshan Co Ltd Guangdong
Priority date: 2016-11-13
Filing date: 2016-11-13
Publication date: 2018-05-25

Abstract

本发明公开了一种细晶粒高强度结构钢板及其生产方法，所述钢板化学成分（重量百分比）C：0.12～0.16％、Si：0.10～0.50％、Mn：1.30～1.55％、P≤0.020％、S≤0.005％、Nb：0.03～0.06％、Ti：0.006～0.035％、Alt：0.020～0.045％、As≤0.04%、Sn≤0.03%、N≤0.005%、O≤0.003%、H≤0.0002%，余量为Fe和不可避免的杂质，通过热机械控轧控冷（TMCP）工艺生产，得到屈服强度≥460MPa、抗拉强度≥540MPa、伸长率≥17%、夏氏冲击功Akv(‑40℃)≥100J的细晶粒高强度结构钢板。本发明在保证强度、韧性、焊接性的同时降低了工序成本，且焊前无需预热，具有优良的焊接性能，从而简化了制造工序，降低了结构件的加工制造成本。

Description

一种可焊接细晶粒高强度结构钢板及其生产方法

技术领域

本发明属于冶金制造技术领域，更具体地说，本发明涉及一种可焊接细晶粒高强度结构钢板S460M的制造方法。

背景技术

随着我国工业经济的发展，对高钢级高性能钢种要求逐步提高，包括对钢板焊接性、低温韧性等性能的要求，也带动了国内高性能钢板的研制与开发进入一个崭新的阶段。工程结构用的高强板典型的强度水平是355～460MPa，且要求厚度1/4处，甚至心部具有良好的低温冲击韧性。屈服强度≥460MPa级别钢板被广泛应用于大跨度桥梁结构、高层建筑海洋平台、地铁钢结构件，以及煤炭机械、起重、运输设备，且向大型化或轻量化方向发展。由于这些钢结构件或设备需要承受较大的冲击载荷，并且经常在较低的温度环境下使用，这就需要钢板具有良好的低温冲击韧性。钢板在使用过程中，常会根据设计需要分割成一定尺寸，然后拼接而成，因此，钢板的焊接性能非常重要。欧标牌号S460M钢板是典型的高强度高韧性可焊接细晶粒结构钢，具有良好的发展前景。

中国专利号CN103602891A公开了“屈服强度460MPa级的高韧性钢板及其生产方法”，其材料的化学成分的质量百分含量为：C：0.05～0.08%、Si：0.2～0.4%、Mn：1.2～1.6%、P：≤0.02%、S：≤0.01%、Nb：0.04～0.06%、V：0.04～0.07%、Ti：0.006～0.012%、Ca：0.0015～0.003%、Als：0.017～0.027%，其余为铁和杂质。采用低碳微合金化设计，通过合适的控轧和控冷工艺，获得细小的铁素体基体组织，从而获得了强度、塑性和韧性的良好匹配，不足之处是合金设计同时增加了V，合金成本上升，增加了炼钢工序的成本。

中国专利号CN104313468A公开了“460MPa级低合金高强度结构用钢板及其生产方法”，其材料的化学成分的质量百分含量为：C：0.03～0.09％、Si：0.10～0.40％、Mn：1.00～1.60％、Nb：0.01～0.03％、Ti：0.005～0.030％，Als：0.015～0.045％、B：0.0005～0.0030％、P：≤0.015％，S：≤0.007％，其余为Fe和不可避免杂质。采取了低C+Nb+B的合金成分设计，生产出屈服强度≥460MPa的钢板，不足之处是，采用了低C成分设计，增加了炼钢工序脱C成本，并且添加了一定了的B元素，B元素虽可提高钢的强度和增加钢的淬透性，但却会降低钢板的低温冲击功，恶化钢板低温韧性，特别是对脆性转变温度的影响更大。

中国专利号CN102041436A公开了“低合金高强度钢板Q460C极其制造方法”，其材料的化学成分的质量百分含量为：C：≤0.17%、Si：≤0.40%、Mn：1.20～1.55%、P：≤0.018%、S：≤0.005%、微合金化元素（V+Nb+Ti）：≤0.20%、Als：≤0.035%，其它为Fe和残留元素。采取了添加V-Ti-Nb等微合金化元素，钢坯加热温度1240℃，两阶段控轧，终轧温度≤860℃，在控冷步骤中，入水温度>760℃，返红温度控制500～600℃，生产出屈服强度≥460MPa的钢板，不足之处是所添加的微合金元素较多，增加成本。

由以上可见，现有技术中要获得屈服强度460MPa级高强度高韧性钢板主要以固溶强化、析出强化为主来提高强度，采用低C成分设计，添加Nb、V、Ti等微合金元素，生产成本较高。

发明内容

为克服上述的技术缺点，本发明提供一种可焊接细晶粒高强度结构钢板及其制造方法，具有生产周期短、成本低廉、强度高、仅用TMCP工艺生产等特点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方法是：一种可焊接细晶粒高强度结构钢板，通过公式CE(%)＝C＋Mn/6＋(Cr＋Mo＋V)/5＋(Ni＋Cu)/15来确定碳当量CEV，其化学成分及重量百分数wt.％为：C：0.12～0.16％、Si：0.10～0.50％、Mn：1.30～1.55％、P≤0.020％、S≤0.005％、Nb：0.03～0.06％、Ti：0.006～0.035％、Alt：0.020～0.045％、As≤0.04%、Sn≤0.03%、N≤0.005%、O≤0.003%、H≤0.0002%，余量为Fe和不可避免的杂质；碳当量CEV≤0.40%，屈服强度≥460MPa、抗拉强度≥540MPa、伸长率≥17%，夏氏冲击功Akv (-40℃)≥100J。

以下是本发明所含组分作用及用量选择的具体说明：

C是钢中传统的强化元素，碳含量过低会使NbC生成量降低，影响控轧效果，也会增大冶炼控制难度，碳含量过高，又会增加碳当量和焊接裂纹敏感指数，恶化钢的焊接性能。综合考虑，碳含量范围定在0.12%~0.16%；

Si主要起固溶强化作用，炼钢过程中加入Si作为还原剂和脱氧剂；Si含量增加可使钢的硬度和强度增加，但塑性及韧性下降并降低钢的焊接性能，本发明控制其范围在0.10～0.50％；

Mn主要起固溶强化的作用，在碳含量相同的情况下，随着Mn含量的增加，强度增加，且韧性不恶化，固溶在奥氏体中的Mn通过溶质拖曳效应，降低扩散相变的相变驱动力，抑制了铁素体相变，起到细化珠光体的作用，提高了钢板的强度和韧性，所以Mn是不可缺少的元素，但Mn含量过高，造成钢板带状组织严重，增强各向异性，本发明控制其范围在1.20～1.55%；

S易与Mn结合生成MnS夹杂，影响钢材的伸长率和低温冲击韧性；P在钢材中是容易造成偏析的元素，它还会恶化焊接性能，显著降低钢的低温冲击韧性，提高韧脆转变温度，因此，P、S元素应尽量去除，P≤0.020%，S≤0.005%；

由于As、Sn元素它们的电负性因素和尺寸因素，使得它们极易在晶界偏聚，降低晶界内聚力，对宏观性能的影响为钢材的断裂功减小，冲击韧性明显降低，因此，应该对其含量予以特别地适当控制；

Nb是取得良好的控轧效果最有效的微合金化元素之一，通常含铌钢加热到1200℃以上、均热2h后，钢中铌可固溶于奥氏体中，这种固溶铌在加热过程中可以对奥氏体单相扩散运动界面有抑制作用，阻碍奥氏体晶粒长大，在轧制中会在位错、亚晶界、晶界上沉淀析出铌的碳、氮化物，阻碍奥氏体动态再结晶，细化晶粒，提高钢板强度和韧性，本发明控制其范围在0.03～0.06%；

Ti的作用主要是其未溶解的碳、氮化物颗粒分布在奥氏体晶界上，用微Ti来固定钢中的氮，由于形成难溶的TiN而消除了钢中的自由氮，从而改善钢的韧性，TiN可阻碍钢在热加工前的加热过程中奥氏体晶粒长大，提高奥氏体状态下铌的固溶度，进一步发挥铌的细化晶粒和沉淀强化作用，另外，微量Ti可以防止在焊接热影响区出现粗晶，保证在焊接热影响区具有高韧性，Ti的加入量过多，会形成对韧性不利的TiC，因此，本发明Ti含量控制在0.006-0.035%，N含量控制在0.001-0.005%；

Al在较高温度时和钢中N形成细小而弥散的AlN析出，抑制晶粒长大，达到细化晶粒、提高钢在低温下的韧性的目的，本发明中加入0.015～0.04％的Al细化晶粒，提高钢板的韧性并保证其焊接性能；

O以Al₂O₃、SiO₂夹杂物形式存在于钢中，H则会造成氢脆，影响钢板的韧性，因此均需控制，本发明中要求O≤0.003%，H≤0.0002%；

制备上述可焊接细晶粒高强度结构钢板的方法，依次包括以下步骤：冶炼、精炼、连铸、钢坯加热、控制轧制、控制冷却、缓冷、成品，其特征在于：

冶炼工艺：原料经KR铁水预处理，使S≤0.010%、P≤0.130%；经过顶底复吹转炉冶炼，钢包经脱氧合金化进行LF和RH精炼炉精炼，进行成分微调，使S≤0.005%、P≤0.010%，然后进行RH真空脱气除气，脱气结束后软吹时间≥10min，使[N]≤50ppm，[O]≤30ppm，[H]≤2ppm，真空处理时间≥15min，然后进行钙处理，喂Ca-Fe线1m/t；

连铸工艺：采用连铸机浇注，连铸中间包钢水目标温度1512～1532℃，拉速0.7～1.3m/min；钢水浇铸成铸坯，连铸坯下线缓冷，缓冷时间≥48h；

铸坯加热工艺：对堆冷后的铸坯进行加热，加热速率按8～12min/cm控制，其中，加热段控制温度1150-1280℃，均热段控制温度1230-1250℃；

轧制及冷却工艺；对加热后铸坯进行粗轧、精轧，然后控制冷却。通过奥氏体再结晶区范围内粗轧细化奥氏体晶粒，轧制温度980～1100℃、后两道的单道次压下率大于15%、粗轧总变形率≥50%；变形中累计的位错会提高钢板内部缺陷能，使钢板发生动态再结晶和静态再结晶，细化奥氏体晶粒，在奥氏体未再结晶区进行精轧，获得压扁的变形奥氏体，控制精轧速度1.5～6m/s、钢板精轧开轧温度860～920℃，终轧温度770-850℃，道次压下率为4-30%，精轧总变形率为60～75%，制得精轧板件；精轧累积压下率大于60％，通过在未再结晶区大变形量，提高位错密度，同时碳氮化物在位错处发生应变诱导析出，钉扎了位错的运动，为下一步冷却过程做好组织准备，对精轧板件进行快速水冷，钢板以8～20℃/s的速度冷却至≤600℃，出水后空冷，制得板件，采用中等冷却速度，获得心部以多边形铁素体为主+部分珠光体、表层少量贝氏体的高强度高韧性钢板，保证了钢板的强度和韧性；

所述钢板成品最大厚度为40mm。

本发明的有益效果是：制得的钢板屈服强度≥460MPa、抗拉强度≥540MPa、伸长率≥17%、夏氏冲击功Akv(-40℃)≥100J，焊前无需预热，具有优良的焊接性能，降低了钢板的制造成本和加工成本，通过合理设计化学成分，添加廉价合金元素Mn，以Nb、Ti的C、N化合微细析出粒子作沉淀强化，合金元素含量少，原料成本较低，仅通过热机械控轧控冷生产技术，获得心部以多边形铁素体为主+部分珠光体、表层少量贝氏体的高强度高韧性钢板，在保证强度、韧性、焊接性的同时降低了工序成本。

附图说明

图1为实施案例1对应的典型金相组织照片；

图2为实施案例2对应的典型金相组织照片；

图3为实施案例3对应的典型金相组织照片。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

选用连铸坯的厚度为150mm，连铸坯的化学成分的质量百分含量为：C：0.15%、Si：0.30%、Mn：1.45%、P：0.018%、S：0.004%、Nb：0.046%、Ti：0.016%、Alt：0.024%，余量为Fe和不可避免的杂质；

加热连铸坯，加热速率为9~12min/cm，连铸坯的出炉温度为1120℃；

然后将加热后的板坯进行第一阶段轧制和第二阶段轧制，两段轧制工序结束后得到厚度为20mm的钢板，再将该钢板进行冷却。

实施例2

选用连铸坯的厚度为220mm，连铸坯的化学成分的质量百分含量为：C：0.15%、Si：0.24%、Mn：1.43%、P：0.017%、S：0.001%、Nb：0.045%、Ti：0.015%、Alt：0.028%，余量为Fe和不可避免的杂质；

连铸坯加热速率为10~13min/cm，连铸坯的出炉温度为1130℃；

然后将加热后的板坯进行第一阶段轧制和第二阶段轧制，两段轧制工序结束后得到厚度为30mm的钢板，再将该钢板进行冷却。

实施例3

选用连铸坯的厚度为270mm，连铸坯的化学成分的质量百分含量为：C：0.15%、Si：0.24%、Mn：1.46%、P：0.017%、S：0.002%、Nb：0.042%、Ti：0.015%、Alt：0.027%，余量为Fe和不可避免的杂质。

连铸坯加热速率为10~13min/cm，连铸坯的出炉温度为1140℃。

然后将加热后的板坯进行第一阶段轧制和第二阶段轧制，两段轧制工序结束后得到厚度为40mm的钢板，再将该钢板进行冷却。

实施例1至3的详细的轧制及冷却的工艺参数见表1，生产得到的钢板的力学性能见表2，从表看出，钢板的机械性能良好，系列温度低温韧性较好。

实施例1至3所得钢板的金相组织图分别见图1至3。从图1-3可以看出，钢板的金相组织主要为铁素体，并有少量珠光体和贝氏体，钢板的晶粒细小且均匀，晶粒的平均尺寸在10μm左右，珠光体含量很少。

所获钢板性能完全满足欧标可焊接细晶粒结构钢S460M性能要求。

表1 本发明的各实施例的化学成分wt%

实施例	C	Si	Mn	P	S	Nb	Ti	Alt	CEV
										1	0.15	0.30	1.45	0.018	0.004	0.046	0.016	0.024	0.39
2	0.15	0.24	1.43	0.017	0.001	0.045	0.015	0.028	0.39
										3	0.15	0.24	1.46	0.017	0.002	0.042	0.015	0.027	0.39

表2 本发明的各实施例的轧制及冷却工艺参数

实施例	第一阶段开轧温度/℃	第一阶段终轧温度/℃	第一阶段道次数	第二阶段开轧厚度/℃	第二阶段开轧温度/℃	第二阶段终轧温度/℃	第二阶段道次数	冷却速度/℃/s	终冷温度（返红）/℃
										1	1073	1013	5	45	897	796	5	18.76	597
2	1063	992	7	60	884	796	7	11.57	598
										3	1061	986	9	90	873	843	6	8.217	587

表3 本发明的各实施例的力学性能测试结果

本发明的方法采用Si-Mn-Nb-Ti-Al系低成本成分设计，通过热机械控轧控冷（TMCP）工艺生产。控制好出炉温度、第二阶段开轧温度、开轧厚度、第二阶段终轧温度和终冷温度等参数，可以生产出性能优良的钢板，实施例1～3中，钢板屈服强度在460～500MPa之间，抗拉强度在570～650MPa之间，延伸率≥20%，-40℃的冲击功在100J以上，低温冲击韧性良好。以1年生产9000吨钢板计算，每吨钢板盈利260元计算，可增加经济效益234万元。

Claims

1.一种可焊接细晶粒高强度结构钢板，通过公式CE(%)＝C＋Mn/6＋(Cr＋Mo＋V)/5＋(Ni＋Cu)/15来确定碳当量CEV，其化学成分及重量百分数wt.％为：C：0.12～0.16％、Si：0.10～0.50％、Mn：1.30～1.55％、P≤0.020％、S≤0.005％、Nb：0.03～0.06％、Ti：0.006～0.035％、Alt：0.020～0.045％、As≤0.04%、Sn≤0.03%、N≤0.005%、O≤0.003%、H≤0.0002%，余量为Fe和不可避免的杂质；碳当量CEV≤0.42%；

其制造包括以下步骤：

冶炼：原料经KR铁水预处理，使S≤0.010%、P≤0.130%；经过顶底复吹转炉冶炼，钢包经脱氧合金化进行LF和RH精炼炉精炼，进行成分微调，使S≤0.005%、P≤0.020%，然后进行RH真空脱气除气，脱气结束后软吹时间≥10min，使[N]≤50ppm，[O]≤30ppm，[H]≤2ppm，真空处理时间≥15min，然后进行钙处理，喂Ca-Fe线1m/t；

连铸：采用连铸机浇注，连铸中间包钢水目标温度1512～1532℃，拉速0.7～1.3m/min；钢水浇铸成铸坯，连铸坯下线缓冷，缓冷时间≥48h；

铸坯加热：对堆冷后的铸坯进行加热，加热速率按8～12min/cm控制，其中，加热段控制温度1150-1280℃，均热段控制温度1230-1250℃；

轧制及冷却：对加热后铸坯进行粗轧、精轧，然后控制冷却；通过奥氏体再结晶区范围内粗轧细化奥氏体晶粒，轧制温度980～1100℃、后两道的单道次压下率大于15%、粗轧总变形率≥50%；变形中累计的位错会提高钢板内部缺陷能，使钢板发生动态再结晶和静态再结晶，细化奥氏体晶粒，在奥氏体未再结晶区进行精轧，获得压扁的变形奥氏体，控制精轧速度1.5～6m/s、钢板精轧开轧温度860～920℃，终轧温度770-850℃，道次压下率为4-30%，精轧总变形率为60～75%，制得精轧板件；精轧累积压下率大于60％，通过在未再结晶区大变形量，提高位错密度，同时碳氮化物在位错处发生应变诱导析出，钉扎了位错的运动，为下一步冷却过程做好组织准备，对精轧板件进行快速水冷，钢板以8～20℃/s的速度冷却至≤600℃，出水后空冷，制得板件，采用中等冷却速度。