CN108220793B - 一种微合金钢厚板及其正火轧制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微合金厚板及其正火轧制方法。钢中化学成分按重量百分比为：C：0.13％～0.25％；Si：0.1％～0.4％；Mn：1.85％～2.5％；P≤0.015％；S≤0.005％；V：0.03％～0.08％；Cr：0.05％～0.2％；N：0.013％～0.017％，余量为Fe和不可避免杂质，钢中O≤0.0015％，钢板厚≥50mm。钢板用坯料为模铸坯、连铸坯以及采用复合方式生产的复合坯料，加热温度1150～1280℃，均热时间200～600min；采用一阶段轧制，开轧温度1100～1200℃，平均道次压下量30～80mm，终轧温度950～1150℃；轧后冷速1～10℃/s，冷却至600～800℃；堆垛缓冷时间≤48h，缓冷后也可进行正火处理，正火温度890～950℃。

Description

一种微合金钢厚板及其正火轧制方法

技术领域

本发明属于钢铁生产领域，特别涉及一种保正火性能、特厚高强钢板的制造方法。

背景技术

正火处理的热轧结构钢板被广泛应用于大型工程机械、建筑、油田钻井平台、特高压输电构件、交通工具的框架结构、压力容器等领域。尤其是在一些焊接结构中，一些构件必须使用正火状态下性能优良的结构钢来制造。研究表明，在生产50mm以上厚规格钢板时，由于压缩比小，TMCP工艺的优势难以充分发挥，钢板厚度方向上往往出现“混晶”等组织不均匀的现象。必须通过正火进一步改善内部组织，细化晶粒，改善带状组织。此外正火工艺生产钢板的应用意义还在于改善以“水冷”为主要特征的TMCP工艺下钢板中残余应力以及性能不稳定。

目前此级别低合金正火钢板一般采用Nb、V、Ti为主要强化元素(经济性不高)，同时采用两阶段轧制工艺，或控冷工艺。东北大学的研究成果《Q390低合金高强钢热处理工艺》(《金属热处理》2009年，第34卷第7期，王根矶等)，公开的Q390低合金高强钢，其化学成分按质量百分比计为：C：0.14％、Si：0.38％、Mn：1.36％、Nb：0.028％、Als：0.031％，该钢种采用0.028％的Nb进行合金化，两阶段轧制、终轧温度为780℃，配以水冷工艺和后续正火，这种工艺不仅繁琐，而且存在板型不好的风险，成本较高，工序较繁琐，此外这种深度控轧方式对50mm以上规格钢板不适用，因为钢板愈厚，在热压力加工和正火过程，界面温差愈大，温降愈慢，组织性能均匀性极难控制，且极易产生“混晶”，即使依靠辅助冷却方式也无法解决。

武汉科技大学研究成果《高强度船板E40生产工艺模拟实验》(金属铸锻焊技术，2012年第五期，张会龙等)，中提出的E40高强度船板，提高了终轧温度，钢中按重量百分比含C：0.08％、Si：0.35％、Mn：1.4％、V＜0.1％、Nb：0.035％、Ti：0.013％、Alt：0.035％，该钢种采用Nb、Ti强化，增加V含量的方法，存在工序复杂，工业推广经济性不高的问题。

目前已公布的正火轧制方法主要是针对40mm以下规格专用材钢板，首钢申请号201010235925.6的专利“一种正火轧制生产韧性优良管线钢中厚板的方法”，公开的正火轧制厚板，其化学成分按质量百分比计为：C：0.06％～0.15％、Si：0.1％～0.45％、Mn：1.05％～1.75％、V：0.02％～0.10％、Nb：0.01％～0.05％、Ti：0.01％～0.04％、Alt：0.01％～0.06％、N≤0.012，该钢种采用Nb、V、Ti合金化，两阶段轧制，终轧温度在Ac3+(30～50℃)的正火轧制工艺，工艺繁琐，且并未真正体现合金元素的作用。

包钢钢联申请号为201210290416.2的专利“一种微合金化桥梁钢板及其正火轧制工艺”，其化学成分按质量百分比计为：C：0.06％～0.15％、Si：0.1％～0.45％、Mn：1.05％～1.75％、V：0.02％～0.06％、Nb：0.02％～0.06％、Ti：0.008％～0.030％、Alt≥0.02％、Ni：0.15％～0.35％、Ce≤0.001％。钢种采用V、Nb、Ti、Ni、稀土进行强化，所述及正火轧制工艺分为两阶段轧制，终轧温度在835～875℃，合金成本高，且工艺复杂。

按照En10025-3标准，正火轧制被定义为“在一定温度范围内进行最后变形的轧制工艺，可导致一种材料条件等于正火后获得的条件，这样即使在正火后也可保持力学性能的特殊值”。从已发布的专利看，均采用Nb、V、Ti合金化工艺，正火温度范围内的两阶段轧制，但并未具备正火后保持力学性能的功能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微合金钢特厚钢板及其以正火轧制方案为核心的制备方法，采用Si或Si-Mn系合金进行脱氧，取消常规的Al脱氧；采用吹N的方式或精炼过程加入含氮合金的方式进行增N。在此基础上，通过科学的调控强化元素，不采用一般低合金钢中常用的元素Nb、Ti、Al，控制C、Mn、V、Cr等元素含量，

采用基于复合沉淀强化的复相强化设计，解决正火特厚钢板性能不均、常规工艺高成本、繁琐等问题。满足大型工程机械、建筑、油田钻井平台、特高压输电构件、交通工具的框架结构、压力容器等领域热轧厚板需求。

另外，基于上述成分设计，本发明还提供了一种低合金钢厚钢板的正火轧制制造方法。该制备方法包括冶炼、连铸、加热、正火轧制、堆垛缓冷等工序，使用该方法可制备压缩比大于2的50～500mm厚钢板。采用此种正火轧制方法制备的微合金厚板即使在正火之后也能保持力学性能。工艺窗口宽，生产工艺简单易行且性能稳定。不仅降低了采用Nb、Ti、Al单独及组合添加条件下，生产厂由于生产突发情况或工艺控制不当产生的废品率，并为那些对钢板有再处理需求的使用者提供了很好的产品解决方案。

具体的技术方案是：

一种微合金厚钢板，该钢板化学成分的重量百分比为：C：0.13％～0.25％；Si：0.1％～0.4％；Mn：1.85％～2.5％；P≤0.015％；S≤0.005％；V：0.03％～0.08％；Cr：0.05％～0.2％；N：0.013％～0.017％，余量为Fe和不可避免杂质。

本发明气体含量控制目标：[O]≤0.0015％。

下面，对本发明的钢板的主要化学成分设计做详细介绍：

C：是本发明方案中提高钢板淬透性、控制钢板正火性能的主要元素。C含量过低，将导致钢板制备过程抑制晶粒长大及起强化作用的碳化物(如VC等)含量降低，进而降低钢板强度，此外过低的碳含量还会提升炼钢成本，因此，本发明C含量的控制范围为0.13％～0.25％。

Si：Si在炼钢的过程有助于促进钢水纯净化，本发明采用Si-Fe或Si-Mn合金作为脱氧剂，将O的控制目标定为O≤0.0015％。

同时，Si在钢中固溶能力较强，且降低奥氏体中C的扩散速度，可以起到一定的强化作用，但这种作用是相对的，本发明更重要的强化方式为基于复合沉淀强化的复相强化，含量过高Si有可能对本体系钢的低温韧性、焊接性能不利。因此，本发明中将Si的加入量控制在0.1％～0.4％。

Mn：通过较高的Mn含量，提高淬透性，提高复相组织比例，提高组织均匀性及等向性能，此外Mn-Fe合金在本发明专利中还起到脱氧的作用。本发明Mn的加入量为1.85％～2.5％。

Cr：为强碳化物形成元素和固溶强化元素，本发明将Cr的加入量控制在0.05％～0.2％，可以起到沉淀强化作用，提高正火钢板强度，此外，Cr、V同时加入，形成的碳化物和碳氮化物，可有效保证钢板正火后性能。

V：为强碳化物形成元素，但形成碳化物的温度较低。对奥氏体再结晶影响较小，低温时V的碳化物和氮化物大量析出可以起到细化、强化晶粒的作用，进而提高钢板的强度。因此，本发明将V的含量控制在0.03％～0.08％。

N：是本发明的主要强韧化元素，N在钢种主要以游离态和化合物两种状态存在，前者对韧性不利，但是一旦以化合物状态存在则对材料的综合性能大有裨益。低氮钢中，56.3％的钒固溶于基体，而高氮钢中70％的钒以V(C、N)形式析出。含氮钢不仅消除了炼钢过程中因脱气和精炼去氮引起的成本增加，而且钢中增氮更能充分发挥微合金元素的作用，节约合金化元素的用量，从而大大降低生产成本。出于上述考虑，本发明N的含量控制在0.013％～0.017％；

P、S：为杂质元素，在不增加成本的条件下，将P、S含量控制在低水平，因此，本发明将P、S含量分别控制在P≤0.015％；S≤0.005％。

一般认为低合金钢中Ti、Nb和N、C形成化合物抑制加热及轧制过程晶粒长大，细化晶粒，可有效的提高钢板的低温韧性以及焊接性能。但是高温形成的TiN往往颗粒较大，形成过程不可控，且对于本发明的强化机制会有弱化作用，而对于本发明无Ti设计，焊接性能的弱化方面可以依靠V-Cr-N体系的第二相弥撒析出以及复相细化等综合作用所弥补。此外，本发明对S含量进行严格、有效控制，因而无需采用Ti进行固S，不会削弱减弱Mn的作用。Nb是有效的TMCP控制再结晶过程的强化元素，同本发明元素作用相悖，故而取消。

基于上述成分设计的低合金钢厚板的生产方法包括：转炉冶炼-炉外精炼-铸造-坯料加热-轧制-冷却，该技术方案同样适用于模铸坯以及采用连铸坯、模铸坯或采用复合方式生产的复合坯料。

钢坯采用转炉+(LF+RH或VD)熔炼，采用Si或Si-Mn系合金进行脱氧，取消常规的Al脱氧，此种方法，工程上易实现，可有效提高此种钢的性能稳定性、可控性，有效提高钢种成材率。

采用吹氮以及精炼环节加入含氮合金的方式进行增氮。

坯料加热温度为1150～1280℃，均热时间200～600min，该工艺参数的控制不仅可以保证合金元素及碳氮化物充分固溶，而且可有效阻止晶粒粗化。

采用一阶段轧制，控制开轧温度为1100～1200℃，平均道次压下量为30～80mm。该步骤的目的是利用高温大压下，促使低合金钢充分进行高温再结晶，使奥氏体晶粒充分细化，达到晶粒细化的作用，并为后续的组织控制打下基础。终轧温度控制在950～1150℃。钢板的厚度≥50mm。

钢板轧制后需在辊道上采用风冷或水冷方式进行冷却，冷却速度在1～10℃/s，冷却至600～800℃。该工序的目的在于阻止铁素体晶粒长大、控制终态组织，并控制V(C、N)的中温弥散析出行为。

之后钢板进行堆垛缓冷，缓冷时间不低于48h。钢板出水后堆垛缓冷，该工序的作用在于控制钢板内部残余应力及H元素的释放，并进一步通过促进V(C、N)的析出，达到充分沉淀强化的作用。

对于有钢板再处理的使用者，推荐的正火制度为，正火温度890～950℃。

有益效果：

本发明在工业生产经验的基础上，充分考虑到微合金钢中强化元素特性、元素之间的相互作用的基础上，对微合金钢厚板的合金化理念、采用基于复合沉淀强化的复相强化设计，提出全新的正火轧制工艺，可有效解决正火特厚钢板性能不均的问题，对于提高产品性能稳定性，提高生产效率，大幅降低热轧结构钢板的原材料成本及生产成本效果显著，采用此种正火轧制工艺制备的微合金厚板即使在正火之后也能保持力学性能。工艺窗口宽，生产工艺简单易行且性能稳定。将采用Nb、Ti、Al单独及组合添加成分体系条件下，生产厂由于生产突发情况或工艺控制不当产生的废品率，由10％降低为0％，并为那些对钢板有再处理需求的使用者提供了很好的产品解决方案。

附图说明

图1为实施例7正火轧制后钢板厚度1/4处的组织；图2为实施例7正火轧制后钢板心部组织；其中钢板厚度1/4处的组织为：珠光体+铁素体+贝氏体，晶粒组织8-9级，心部组织主要为：铁素体+珠光体，晶粒组织7级。

具体实施方式

本发明涉及的技术问题采用下述技术方案解决：一种微合金钢板及其正火轧制方法，其化学成分质量百分比为：C：0.13％～0.25％；Si：0.1％～0.4％；Mn：1.85％～2.5％；P≤0.015％；S≤0.005％；V：0.03％～0.08％；Cr：0.05％～0.2％；N：0.013％～0.017％，余量为Fe和不可避免杂质。

采用转炉+(LF+RH或VD)熔炼，采用Si或Si-Mn系合金进行脱氧；[O]≤0.0015％。采用吹氮以及精炼环节加入含氮合金的方式进行增氮。

连铸后坯料加热温度为1150～1280℃，均热时间200～600min，采用一阶段轧制，控制开轧温度为1100～1200℃，平均道次压下量为30～80mm，终轧温度控制在950～1150℃。钢板轧制后需在辊道上采用风冷或水冷方式进行冷却，冷却速度在1～10℃/s，冷却至600～800℃。之后钢板进行堆垛缓冷，缓冷时间不低于48h。

以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。

其中表1为本发明实施例钢板的化学成分；表2为实施例钢板正火轧制工艺；表3为实施例钢板正火轧制态的性能；表4为实施例正火轧制钢板正火后的力学性能。

表1本发明实施例钢板的化学成分(wt％)

实施例	C	Si	Mn	P	S	V	Cr	N	O
										1	0.18	0.35	1.85	0.005	0.005	0.068	0.092	0.014	0.0008
2	0.162	0.22	2.25	0.004	0.002	0.08	0.175	0.013	0.0012
										3	0.157	0.32	2.2	0.003	0.005	0.037	0.162	0.013	0.0007
4	0.165	0.36	1.81	0.008	0.003	0.072	0.07	0.010	0.0010
										5	0.132	0.4	2.5	0.007	0.001	0.063	0.09	0.015	0.0009
6	0.217	0.12	2.32	0.003	0.002	0.055	0.18	0.014	0.0008
										7	0.185	0.23	1.96	0.008	0.004	0.075	0.13	0.017	0.0013
8	0.203	0.3	2.12	0.003	0.002	0.03	0.2	0.016	0.0015
										9	0.22	0.37	2.23	0.005	0.003	0.079	0.067	0.017	0.0010
10	0.25	0.28	2.49	0.003	0.003	0.08	0.2	0.017	0.0012

表2本发明实施例钢板的正火轧制工艺

表3本发明实施例钢板正火轧制态力学性能

表4正火轧制钢板正火后的力学性能

从实施例可以看出，本发明实施例钢的正火轧制后，其厚度1/4屈服强度在385～440MPa，延伸率在24％～30％之间，心部屈服强度在375～435MPa，延伸率在22.5％～31％，-50℃冲击功不小于83J，表现出良好的综合性能和性能均匀性。该钢板经正火后，性能波动不大，塑性有所提高。

Claims (4)

1.一种微合金钢厚板正火轧制方法，其特征在于，钢中化学成分按质量百分比为：C：0.18％～0.25％；Si：0.1％～0.4％；Mn：1.85％～2.5％；P≤0.015％；S≤0.005％；V：0.037％～0.079％；Cr：0.067％～0.2％；N：0.013％～0.016％，余量为Fe和不可避免杂质，钢中气体含量O≤0.0015％；

钢板的生产工艺为：转炉冶炼-炉外精炼-铸造-坯料加热-轧制-冷却，坯料加热温度为1150～1280℃，均热时间200～600min；采用一阶段轧制，开轧温度为1145～1200℃，平均道次压下量为30～80mm，终轧温度控制在950～1150℃；轧制后在辊道上采用风冷或水冷方式进行冷却，冷却速度为1～10℃/s，冷却至710～800℃；之后钢板进行堆垛缓冷，缓冷时间不低于48h。

2.如权利要求1所述的微合金钢厚板正火轧制方法，其特征在于，钢板的厚度≥50mm。

3.如权利要求1所述的微合金钢厚板正火轧制方法，其特征在于，坯料为模铸坯、连铸坯以及采用复合方式生产的复合坯料。

4.如权利要求1或2或3所述的微合金钢厚板正火轧制方法，其特征在于，钢板堆垛缓冷后进行正火处理，正火温度为890～950℃。