CN108296285A - 一种超低碳贝氏体钢板的轧制方法 - Google Patents

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Abstract

一种超低碳贝氏体钢板的轧制方法，钢的化学组成重量百分比为C≤0.05，Si≤0.50，Mn=1.0~2.0，P≤0.015，S≤0.002，Als=0.01~0.05，Nb=0.03~0.08，Ti=0.01~0.03，Cr≤0.3，Mo≤0.3，Ni≤0.3，Cu≤0.3，B≤0.0005，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明通过高温再结晶区、静态再结晶区和未再结晶区的三段式控制轧制，结合多道次弛豫技术，以及分段式控制冷却、低温低速多道次矫直等工艺，获得非常细小且均匀的贝氏体组织，其低温韧性非常优异，且钢板平直度好，满足在线精整的要求。

Description

一种超低碳贝氏体钢板的轧制方法
技术领域
本发明属于低合金钢生产技术领域，特别是涉及一种超低碳贝氏体钢板的轧制方法。
背景技术
超低碳贝氏体钢广泛应用于油气管线、船舶与海洋平台、舰艇、集装箱、桥梁、工程机械等领域，要求其具有优良的焊接性能、良好的强韧性匹配以及冷成型加工性能等优点。
早期的超低碳贝氏体钢中Cr、Mo、Ni合金元素高，生产成本高，未能广泛应用。如美国专利US6066212A“Ultra-high strength dual-phase steels with excellentcryogenic temperature toughness”涉及一种空冷贝氏体钢，其添加了0.2%~0.6%的Cr、0.1%~0.3%的Mo、1.5%~2.5%的Ni。
随后发展了Cu-B系和Mn-B系两类贝氏体钢，充分利用B在奥氏体晶界上的偏聚能显著提高钢的淬透性的特性，使在较宽冷却速度范围内都可得到贝氏体组织，但是间隙固溶原子B的偏聚对韧性极为不利。如中国专利CN102732790B “一种超低碳贝氏体钢板及其制造方法”涉及的含3.7%~4.5%Mn、0.0008%~0.0030%B的贝氏体钢，其-30℃夏比冲击功在150~230J之间。
随着低温环境服役条件下对低温韧性和止裂性的更为苛刻的要求，高韧性的不添加B的超低碳贝氏体钢被开发。如中国专利CN105112815B发明了“一种低温韧性优异的超厚规格管线钢板及制造方法”，其-60℃夏比冲击功≥275J，-100℃夏比冲击功≥200J；中国专利CN102634727A发明了“一种高韧性工程机械用钢及其采用TMCP生产的方法”，其-60℃夏比冲击功≥200J，然而都采用了大压下轧制、大水量快速冷却等技术，导致钢板轧制冷却后板形较差，并且若在贝氏体相变区矫直，由于矫直残余应力、组织应力、热应力等综合作用，矫直后钢板在冷床上容易发生瓢曲、波浪等变形现象，严重影响在线精整节奏和效率，增加生产成本。
发明内容
本专利旨在提供一种板形易于控制的高韧性的超低碳贝氏体钢板的轧制方法，要求钢板微观贝氏体组织非常细小均匀，晶粒尺寸均在12~13级之间；钢板-60℃夏比冲击功≥400J，落锤无塑性转变温度NDT≤-100℃；钢板平直度≤3mm/m。
本发明的技术方案：
一种超低碳贝氏体钢板的轧制方法，钢板的控轧控冷流程包括步进梁式加热炉→初除鳞箱→可逆式粗轧机→可逆式精轧机→辊预矫直机→多功能分段式冷却系统→辊热矫直机→带保温罩冷床，钢的化学组成重量百分比为C≤0.05，Si≤0.50，Mn=1.0~2.0，P≤0.015，S≤0.002，Als=0.01~0.05，Nb=0.03~0.08，Ti=0.01~0.03，Cr≤0.3，Mo≤0.3，Ni≤0.3，Cu≤0.3，B≤0.0005，余量为Fe和不可避免的杂质。其关键工艺步骤包括：
（1）连铸坯加热：加热温度≥1120℃，均热时间30~90min。
（2）控制轧制：
a)高温再结晶区轧制：轧制温度≥1080℃，轧制速度≤1.5m/s，轧制后待温；
b) 静态再结晶区轧制：轧制温度为再结晶温度T r+80~150℃，轧制道次≥3次，轧制道次压下率≤动态再结晶临界变形程度，轧制道次间隔时间≥完全静态再结晶时间，轧制各道次均使用高压水除鳞，轧制后待温；
c)未再结晶区轧制：开轧温度低于再结晶温度T r，终轧温度高于Ar3+30℃，各道次轧制采用低速低压下率轧制，轧制速度≤4m/s，轧制压下率≤15%，轧制各道次均使用高压水除鳞，各道次轧制后弛豫30~60s。
（3）预矫：矫直速度恒定0.5~1.0m/s，并与加速冷却时钢板运行速度一致；
（4）控制冷却：分区冷却，A、B、C、D四个水冷区水量比为1：(1.15~1.25)：(1.35~1.45)：1，各区上下集管水量比为1：(1.1~1.2)；水冷区平均冷速为8~12℃/s，水冷温度为350~450℃；水冷过程边部遮挡120~160mm，头尾遮挡2~4m；水冷后待温20~60s后，继续冷却至200℃左右，然后开始热矫；
（5）热矫：低速多道次矫直，最后1道次矫直入口辊缝与出口辊缝一致，比钢板厚度小0.5~1.5mm。
优选步骤（1）中，若Nb(C,N)的全固溶温度≥1100℃时，加热温度为Nb(C,N)的全固溶温度 + 20~40℃，均热时间为50~70min；否则加热温度为1120~1140℃，均热时间为70~90min。
优选步骤（2）中，高温再结晶区轧制后，每隔30~60s，利用高压水除鳞、降温1次。
优选步骤（2）中，静态再结晶区轧制温度为T r+130~150℃时，轧制道次压下率为9%~11%，轧制道次间隔时间10~15s；轧制温度为T r+110~130℃时，轧制道次压下率为11%~13%，轧制道次间隔时间15~30s；轧制温度为T r+80~110℃时，轧制道次压下率为13%~15%，轧制道次间隔时间30~50s。
进一步优选的，静态再结晶区最后1道次轧制温度为T r+80~100℃，轧制道次压下率为14%~15%。
优选步骤（2）中，未再结晶区轧制温度为T r以下0~60℃时，轧制后弛豫30~40s；轧制温度为T r以下60~120℃时，轧制后弛豫40~50s；轧制温度为T r-120℃以下时，轧制后弛豫50~60s。
进一步优选，未再结晶区轧制终轧道次轧制压下率≤10%，轧制后弛豫60s。
优选步骤（4）中，水冷后，待钢板表面返红，然后再空冷20s，并将钢板退回至水冷设备入口，进行第2次冷却，冷却速度≤5℃/s。
本发明关键工艺参数的设定依据是：
本发明优选的板坯加热温度为Nb(C,N)的全固溶温度增加20~40℃，是为了获得晶粒相对细小均匀、成分均匀的奥氏体初始组织，主要考虑未溶的Nb(C,N)在均热过程中发生聚集，局部少数晶粒将脱离约束，使其获得长大的机会，从而产生不均匀的奥氏体组织。
本发明采用三段式控制轧制，其中高温再结晶区采用低速轧制，是为了将压下变形渗透到板坯内部，促进板坯内部的再结晶，尤其是粗大奥氏体晶粒的再结晶，同时压合疏松、内部裂纹等缺陷。
本发明的静态再结晶区轧制和未再结晶区轧制均不采用大压下轧制，以易于板形的控制，而且静态再结晶区轧制以全部发生静态再结晶为目标，尽管相比静态再结晶，动态再结晶或亚动态再结晶晶粒更为细小，但是静态再结晶晶粒组织更为均匀，特别是多道次静态再结晶区轧制情况下，然后更为均匀的奥氏体静态再结晶晶粒在未再结晶区轧制时被压扁，并利用弛豫过程形变位错的多边形化和应变诱导析出，使随后的贝氏体相变在晶粒内部中的亚结构上形核长大、被钉扎，从而获得非常细小均匀的贝氏体组织。
本发明采用未再结晶区每道次轧制后弛豫的方式，一是有利于位错亚结构的更加均匀，二是在析出“C”曲线鼻子点温度附近弛豫更有利于应变诱导析出，三是有利于钢板的温度均匀和减小形变应力，有利于后续轧制和冷却时的板形控制。
本发明静态再结晶区轧制和未再结晶区轧制的每一道次轧制前都有一段时间的待温，因此每一道次均使用高压水除鳞以保证钢板表面质量，同时避免表面氧化铁皮对钢板轧制变形的不利影响。
本发明通过热力耦合的模拟计算，充分考虑钢板表面温度、水膜等对表面换热系数的影响，以减小钢板热应力、提高钢板三维空间内冷却速度的均匀性为目标，提出减少A区和D区水量、增加B区和C区水量的分段冷却方式，实践表明钢板头尾翘曲问题大为改善。
本发明钢板水冷后待温至200℃，才开始矫直，是由于贝氏体相变具有不完全性，较高温度热矫时能够促进不完全相变的快速转变，造成较大的组织应力，而在200℃温度下矫直时，贝氏体相变已基本完全，并且较低温度下由于钢板残余应力导致自由变形的约束增大，从而有效避免超低碳贝氏体钢板在冷床上的变形问题，同时由于钢板轧制时间较长，因此有充足的时间实现低温低速多道次的矫直工艺。
本发明的有益效果：
1）本发明超低碳贝氏体钢的B≤0.0005%，且Cr、Mo、Ni等淬透性元素同时也是贵重金属元素加入量少，通过控制轧制和控制冷却，获得非常细小且均匀的贝氏体组织，其低温韧性非常优异；
2）本发明钢板轧制节奏慢，单道次压下率小，每道次轧前钢板温度、形变、微观组织相对均匀，因而轧制时板形易于控制；
3）本发明采用分区冷却，有效减小冷却时钢板的热应力，同时在贝氏体相变基本完全后的较低温度下进行低速多道次矫直，防止矫直后钢板在冷床上的变形，以及使用预矫、边部遮挡、头尾遮挡等工艺，使本发明超低碳贝氏体钢板平直度好，满足在线精整的要求；
4）本发明未采用大压下轧制技术，轧机负荷和能耗较低；
5）本发明提供的某些轧制工艺控制点对其它一些品种钢组织性能均匀性和板形的改善具有借鉴意义。
附图说明
图1为实施例1钢板1/4厚度处金相组织照片。
具体实施方式
下面结合实施例进一步说明本发明的内容。
实施例1：钢板厚度为31mm，钢板屈服强度560MPa级。
钢的化学组成质量百分比为：C=0.04，Si=0.22，Mn=1.72，P=0.011，S=0.0012，Als=0.025，Nb=0.056，Ti=0.016，Cr=0.19，Mo=0.11，Ni=0.17，Cu=0.12，B=0.0003，余量为Fe和不可避免的杂质。钢的Nb(C,N)全固溶温度约为1130℃，再结晶温度T r约为880℃，弛豫过程冷速下Ar3约为710℃。
钢板控轧控冷关键工艺步骤及参数为：
（1）连铸坯加热：加热温度1160℃，均热时间55min。
（2）控制轧制：各道次主要轧制工艺参数如表1（其中：R表示粗轧机，F表示精轧机；0表示未除鳞，1表示除鳞1道次，6表示除鳞6道次）。
（3）预矫：矫直速度0.7m/s。
（4）控制冷却：A区上/下集管水量210/240m3/s，B区上/下集管水量250/290m3/s，C区上/下集管水量300/340m3/s，D区上/下集管水量210/240m3/s；水冷温度360~400℃，平均冷速约10℃/s左右；水冷过程边部遮挡150mm，头尾遮挡2m；水冷后待温40s后，将钢板退回至水冷设备入口，进行第2次冷却，冷却速度约2.5℃/s，冷却至200℃左右时开始热矫。
（5）热矫：矫直速度0.5m/s，3道次矫直，最后1道次矫直入口辊缝和出口辊缝均为30.25mm。
微观组织观察：图1示出了实施例1钢板1/4厚度处金相组织照片。由图可知，贝氏体组织非常细小均匀，晶粒尺寸均在12~13级之间。
钢板板形检测：平直度≤3mm/m。
钢板韧性检验：表2给出了实施例1钢板系列温度夏比冲击功；表3给出了实施例1钢板落锤无塑性转变温度NDT试验结果（其中：○表示合格；×表示不合格）。结果表明：钢板-60℃夏比冲击功≥400J；落锤无塑性转变温度T NDT为-100℃。
表1 实施例1各道次主要轧制工艺参数
表2 实施例1钢板系列温度夏比冲击功
表3 实施例1钢板落锤无塑性转变温度NDT试验结果
实施例2：钢板厚度为20mm，钢板屈服强度500MPa级。
钢的化学组成质量百分比为：C=0.045，Si=0.25，Mn=1.55，P=0.009，S=0.002，Als=0.033，Nb=0.042，Ti=0.022，Cr=0.17，Mo=0.13，Ni=0.30，Cu=0.15，B=0.0002，余量为Fe和不可避免的杂质。钢的Nb(C,N)全固溶温度约为1110℃，再结晶温度T r约为860℃，弛豫过程冷速下Ar3约为700℃。
钢板控轧控冷关键工艺步骤及参数为：
（1）连铸坯加热：加热温度1140℃，均热时间60min。
（2）控制轧制：各道次主要轧制工艺参数如表4（其中：R表示粗轧机，F表示精轧机；0表示未除鳞，1表示除鳞1道次，6表示除鳞6道次）。
（3）预矫：矫直速度0.75m/s。
（4）控制冷却：A区上/下集管水量115/135m3/s，B区上/下集管水量140/160m3/s，C区上/下集管水量160/190m3/s，D区上/下集管水量115/135m3/s；水冷温度380~420℃，平均冷速约10℃/s左右；水冷过程边部遮挡130mm，头尾遮挡3m；水冷后待温30s后，将钢板退回至水冷设备入口，进行第2次冷却，冷却速度约3℃/s，冷却至200℃左右时开始热矫。
（5）热矫：矫直速度0.5m/s，3道次矫直，最后1道次矫直入口辊缝和出口辊缝均为19.5mm。
微观组织观察：贝氏体组织非常细小均匀，晶粒尺寸均在12~13级之间。
钢板板形检测：平直度≤3mm/m。
钢板韧性检验：钢板-60℃横向夏比冲击功为432/436/441J，纵向夏比冲击功为452/443/446J；落锤无塑性转变温度T NDT≤-100℃。
表4 实施例2各道次主要轧制工艺参数

Claims (7)

1.一种超低碳贝氏体钢板的轧制方法，控轧控冷流程包括步进梁式加热炉→初除鳞箱→可逆式粗轧机→可逆式精轧机→辊预矫直机→多功能分段式冷却系统→辊热矫直机→带保温罩冷床，其特征在于：钢的化学组成重量百分比为C≤0.05，Si≤0.50，Mn=1.0~2.0，P≤0.015，S≤0.002，Als=0.01~0.05，Nb=0.03~0.08，Ti=0.01~0.03，Cr≤0.3，Mo≤0.3%，Ni≤0.3，Cu≤0.3，B≤0.0005，余量为Fe和不可避免的杂质，关键工艺步骤为：
（1）连铸坯加热：加热温度≥1120℃，均热时间30~90min；
（2）控制轧制：
a)高温再结晶区轧制：轧制温度≥1080℃，轧制速度≤1.5m/s，轧制后待温；
b)静态再结晶区轧制：轧制温度为再结晶温度T r+80~150℃，轧制道次≥3次，轧制道次压下率≤动态再结晶临界变形程度，轧制道次间隔时间≥完全静态再结晶时间，轧制各道次均使用高压水除鳞，轧制后待温；
c)未再结晶区轧制：开轧温度低于再结晶温度T r，终轧温度高于Ar3+30℃，各道次轧制采用低速低压下率轧制，轧制速度≤4m/s，轧制压下率≤15%，轧制各道次均使用高压水除鳞，各道次轧制后弛豫30~60s；
（3）预矫：矫直速度恒定0.5~1.0m/s，并与加速冷却时钢板运行速度一致；
（4）控制冷却：分区冷却，A、B、C、D四个水冷区各区水量比为1：(1.15~1.25)：(1.35~1.45)：1，各区上下集管水量比为1：(1.1~1.2)；水冷区平均冷速为8~12℃/s，水冷温度为350~450℃；水冷过程边部遮挡120~160mm，头尾遮挡2~4m；水冷后待温20~60s后，继续冷却至200℃左右，然后开始热矫；
（5）热矫：低速多道次矫直，最后1道次矫直入口辊缝与出口辊缝一致，比钢板厚度小0.5~1.5mm。
2.根据权利要求1所述的一种超低碳贝氏体钢板轧制方法，其特征在于：步骤（1）中，若Nb(C,N)的全固溶温度≥1100℃时，加热温度为Nb(C,N)的全固溶温度+20~40℃，均热时间为50~70min；否则加热温度为1120~1140℃，均热时间为70~90min。
3.根据权利要求1所述的一种超低碳贝氏体钢板轧制方法，其特征在于：步骤（2）中，所述的高温再结晶区轧制后的待温过程，每隔30~60s，利用高压水除鳞、降温1次。
4.根据权利要求1所述的一种超低碳贝氏体钢板轧制方法，其特征在于：步骤（2）中，所述的静态再结晶区轧制，当轧制温度为T r+130~150℃时，轧制道次压下率为9~11%，轧制道次间隔时间10~15s；轧制温度为T r+110~130℃时，轧制道次压下率为11~13%，轧制道次间隔时间15~30s；轧制温度为T r+80~110℃时，轧制道次压下率为13~15%，轧制道次间隔时间30~50s。
5.根据权利要求1所述的一种超低碳贝氏体钢板轧制方法，其特征在于：步骤（2）中，所述的未再结晶区轧制，当轧制温度为T r以下0~60℃时，轧制后弛豫30~40s；轧制温度为T r以下60~120℃时，轧制后弛豫40~50s；轧制温度为T r-120℃以下时，轧制后弛豫50~60s。
6.根据权利要求1所述的一种超低碳贝氏体钢板轧制方法，其特征在于：步骤（2）中，静态再结晶区最后1道次轧制温度为T r+80~100℃，轧制道次压下率为14%~15%；未再结晶区轧制终轧道次轧制压下率≤10%，轧制后弛豫60s。
7.根据权利要求1所述的一种超低碳贝氏体钢板轧制方法，其特征在于：步骤（4）中，水冷后，待钢板表面返红，然后再空冷18~22s，并将钢板退回至水冷设备入口，进行第2次冷却，冷却速度≤5℃/s。
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