CN108893675A - 一种屈服强度500MPa级厚规格热轧H型钢及其制备方法 - Google Patents

一种屈服强度500MPa级厚规格热轧H型钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于冶金技术领域，具体地，本发明涉及一种屈服强度500MPa级厚规格热轧H型钢及其制备方法。本发明的热轧H型钢，其化学成分组成按重量百分比为：C：0.10％～0.20％，Si：0.15％～0.30％，Mn：0.8％～1.30％，Nb：0.02％～0.05％，V：0.10％～0.16％，Ni：0.40％～1.0％，P≤0.015％，S≤0.01％，Mo：0.15％～0.35％，Al：≤0.05％，O≤0.004％，N:0.01％～0.02％，其余为Fe和不可避免杂质。本发明采用适合正火轧制的中C含量配合高Ni，高V复合微合金化成分设计，从而得到稳定控制的500MPa级别以上高强韧性海工用热轧H型钢。本发明的H型钢最终组织以细化珠光体+先共析铁素体为主，包含少量的贝氏体组织，通过组织细化和相变强化、沉淀强化，实现H型钢高强度大厚度条件下‑40℃低温冲击韧性大于100J的良好效果。

Description

一种屈服强度500MPa级厚规格热轧H型钢及其制备方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体地，本发明涉及一种屈服强度500MPa级厚规格热轧H型钢及其制备方法。
背景技术
海洋区域内的石油和天然气开采离不开高端海洋工程装备。海洋环境装备使用环境恶劣，除要面对高低温、高压、高湿、氯盐腐蚀、微生物腐蚀以及承受海风、海浪、洋流作用，还要面对台风、浮冰、地震等自然灾害。因此，用于制备海洋工程装备的海洋工程用钢必须具备较高的综合性能，包括较高的强度，耐低温韧性以及耐蚀性能等。
H型钢作为海洋石油工程必备的结构材料，目前公开的专利主要包括两类，一类主要是微合金化采用正火轧制，这类钢的性能稳定，可焊接性好，但是强度一般较低。另外一类，通过减量化微合金成分设计，后期水冷控制获得一定的贝氏体组织。这类型钢产品的性能稳定性差，不同部位贝氏体含量的差异造成钢的稳定性较差。因此，高强度H型钢的制备需要进行两种工艺的结合，制备的钢材不仅强度高，而且稳定性好。对于较大厚度的H型钢产品，生产难度更大。
发明内容
本发明的目的在于，提供了一种海洋工程用屈服强度500MPa级厚规格热轧H型钢，所述H型钢力学性能良好，适用于制备不同海域海洋石油平台、海洋远洋运输船舶等具有超高强韧性要求的支撑结构件。
本发明的技术方案如下：
本发明的屈服强度500MPa级厚规格热轧H型钢，其化学成分组成按重量百分比为：C：0.10％～0.20％，Si：0.15％～0.30％，Mn：0.8％～1.30％，Nb：0.02％～0.05％，V：0.10％～0.16％，Ni：0.40％～1.0％，P≤0.015％，S≤0.01％，Mo：0.15％～0.35％，Al：≤0.05％，O≤0.004％，N:0.01％～0.02％，其余为Fe和不可避免杂质。
其中优选地，Ni+Mo≤1.0％。
进一步地，作为另一种选择，本发明的屈服强度500MPa级厚规格热轧H型钢，其化学成分组成按重量百分比为：C：0.10％～0.20％，Si：0.15％～0.30％，Mn：0.8％～1.20％，Nb：0.02％～0.05％，V：0.10％～0.14％，Ni：0.40％～0.7％，P≤0.015％，S≤0.01％，Mo：0.20％～0.35％，Al：≤0.05％，O≤0.004％，N:0.01％～0.02％；还含有Cr和Ti中的一种或几种，其中，Cr：≤0.5％，Ti：≤0.05％，所述其余为Fe和不可避免杂质。其中，进一步优选地，Ni+Mo≤1.0％，并且Nb+V+Ti≤0.18％。
本发明利用上述成分采用异型坯正火轧制，所制备的H型钢翼缘厚度达到20～40mm。
本发明所述的高强度热轧H型钢中各化学元素设计原理如下：
碳：碳是确保500MPa级高强度H型钢细片状珠光体和粒状贝氏体组织形成和实现强度的关键元素。由于需要获得适量的贝氏体和珠光体复相组织，对于厚度较大的H型钢强度提高非常必要，因此碳的含量不能太低，控制在0.10％～0.20％。
硅：Si是脱氧元素，有助于强度的提高，因此将Si含量的下限设定为0.15％以上。另一方面，为了保证表面不形成大量含Si的Fe2SiO4影响表面质量，将Si含量的上限设定为0.30％以下。优选0.2％以下，更优选为0.25％以下。
锰：Mn能够稳定奥氏体组织，增加钢的淬透性。在推迟珠光体转变的同时，也推迟铁素体的转变，贝氏体区右移，使钢对工艺条件的敏感性变大。为了保证强度和裂纹敏感性，优选将Mn含量设定为0.80％以上，更优选为0.90％以上。Mn元素在钢中具有较高的偏析倾向，添加过多损害韧性、塑性等力学性能指标。因此，综合考虑，本钢中控制Mn含量0.8％～1.30％。
磷：P≤0.015％；
硫：S≤0.01％；
作为钢中不可避免的P、S元素，由于会因凝固偏析而引起焊接开裂、韧性下降。制备过程带来的夹杂物对钢的低温韧性影响严重，因此应该尽量减少其的含量。结合生产实践及设备能力，P含量优选被限制为0.015％以下，更优选的上限为0.012％以下。另外，硫容易形成MnS夹杂，成为裂纹的起点而使加工性能恶化，S含量优选被限制为0.01％以下，更优选被限制为0.005％以下。P、S的下限值没有特别限定，取决于设备能力和成本控制，均超过0％即可。
铝：Al在钢的制备过程中作为强脱氧元素使用。为了保证钢中的氧含量尽可能地低，降低夹杂物产生几率，并且脱氧后多余的铝还可以和钢中的氮元素能形成AlN析出物，其能提高钢的强度并且在热处理加热时能细化钢的奥氏体晶粒度。所以，在本发明中将铝的含量控制在0.05％以内。
钛：钛是强碳化物形成元素，在钢中加入微量的Ti有利于固定钢中的N，所形成的TiN能使钢坯加热时奥氏体晶粒不过分长大，从而起到细化原始奥氏体晶粒的目的。钛在钢中还可分别与碳和硫生成TiC、TiS、Ti4C2S2等化合物，它们以夹杂物和第二相粒子的形式存在。钛的这些碳氮化物析出物在焊接时还可阻止热影响区晶粒长大，也能起到改善成品钢板的焊接性能作用。因此，本发明中选择添加0.05％以下的钛。
铌：Nb显著提高奥氏体未再结晶温度，配合控制轧制起到细化晶粒作用。改善钢材的强度，能够显著提高钢的韧性，尤其是低温韧性效果明显；极微量的Nb就能显著细化基体组织晶粒并提高强度，本发明Nb含量控制为0.02％～0.045％。
钒：V在钢中是强碳氮化物形成元素，轧制后期形成大量含V的碳氮化物起到沉淀强化作用，尤其是加入VN合金效果更佳。同时VN可以作为基体组织形核质点，有助于组织的微细化。考虑到提高强度需要，其含量控制在0.10％以上。但是过多的V也会带来粗大的第二相，恶化韧性。V含量为0.10％～0.16％。
镍：Ni是用于提高钢材的强度和低温韧性极其有效元素。随着H型钢厚度增加，其组织均匀性要求非常突出。Ni一方面起到扩大奥氏体区，提高淬透性作用，另一方面能够细化珠光体片层细化珠光体，起到细晶强化作用。另外一方面，镍的加入也起到一定的耐蚀作用，提高钢材的使用寿命。因此，将Ni含量控制在0.40％～1.0％范围内。
钼：Mo是固溶于钢中而提高淬透性的元素，起到提高强度作用。将Mo含量的下限设定为0.2％以上。钢中即使含有超过0.35％的Mo，也会定量析出Mo碳化物(Mo2C)，由固溶Mo所带来的淬透性提高的效果也达到饱和，因此将Mo含量的上限设定为0.35％以下。考虑到成本等因素，Mo含量的上限优选为0.35％以下，更优选为0.30％以下。
氮：为了配合V元素的使用，添加VN合金起到沉淀强化效果，提高强度，因此会造成N含量的增加。N含量太高，容易诱发铸坯质量缺陷，因此，本发明要求氮含量0.01％～0.02％。
氧：为了避免与强氧化元素形成大颗粒的氧化物夹杂，恶化钢的韧性和塑性，本发明要求氮含量≤0.004％。
铬：Cr可提高钢的强度和硬度以及耐磨性。铬加入钢中能显著提高钢的淬透性，与Mo元素一起有利于粒状贝氏体组织的形成。Cr含量太高或者太低对钢的淬透性、延迟断裂性不利，容易引起缺陷。该钢中Cr控制在0.5％以下根据需求的贝氏体的量适当添加。
本发明Ni+Mo≤1.0％，使得钢的淬透性均匀，基体组织状态稳定控制；Nb+V+Ti≤0.18％，使得钢中的第二相组织控制在适当的水平；太高含量容易与N结合形成太多的氮化物，大量的析出物容易恶化钢的韧性。因此，Nb+V+Ti≤0.18％设为此类钢的上限较为合理。
所述H型钢屈服强度≥500MPa，抗拉强度≥650MPa，延伸率≥20％，-40℃冲击功≥100J。
发明还提供了上述屈服强度500MPa级H型钢的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：铁水预处理→转炉冶炼→钢包吹氩→LF精炼→异型坯浇铸→连铸坯缓冷坑进行缓冷或者热送热装→型钢线轧制→冷床密集缓冷；
其中，在连铸工序，考虑到合金量较多，因此需要进保温坑进行缓冷，降低表面缺陷的产生几率。另外也可以进行连铸坯在线热送热装进加热炉，避免出现冷却速率较大，冷却过快造成缺陷产生。
在轧制过程中，加热炉均热温度为1230～1270℃，铸坯在炉时间为150～200min；精轧开轧温度为1120～1180℃，精轧机架间水冷全部开启，精轧终轧温度为750～820℃，为保证终轧温度控制，精轧最后两道次采用极低压缩比，优选压缩比为5％～10％；精轧后进入带保温罩辊道保温，保证温降均匀，随后进入冷床进行缓冷。
本发明采用异型坯进行轧制生产，压缩比较小，因此组织控制必须以保证终轧温度来实现。通过降低轧制节奏，使得终轧温度达到相变点要求。最终得到需要的组织和力学性能；进入冷床进行缓冷，有利于第二相的后期弥散析出。
本发明通过低碳微合金化工艺设计，结合型钢孔型轧制，实现海洋工程用大中规格高强韧H型钢产品的工业化生产。
本发明未提及的工序，均可采用现有技术。
本发明技术方案的优点在于：
1、结合异型坯轧制大规格厚壁H型钢特点，采用适合正火轧制的中C含量配合高Ni，高V复合微合金化成分设计，从而在热轧H型钢轧机上得到稳定控制的500MPa级别以上高强韧性海工用热轧H型钢。
2、H型钢最终组织以细化珠光体+先共析铁素体为主，包含少量的贝氏体组织，更加容易控制。
3、通过组织细化和相变强化、沉淀强化，实现H型钢高强度大厚度条件下-40℃低温冲击韧性大于100J的良好效果。
附图说明
图1是本发明实施例2制备的热轧H型钢的OM组织图。
图2是本发明实施例2制备的热轧H型钢的SEM组织图。
图3是本发明实施例2制备的热轧H型钢的第二相TEM图。
具体实施方式
下述实施例中的连铸坯均按以下工艺流程制备：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1-5的制备步骤如下：
该钢经过铁水预处理→转炉冶炼→钢包吹氩→LF精炼→异型坯浇铸→型钢线轧制→冷床缓冷。其中，型钢线轧制包括粗轧和精轧两道轧制。本发明未提及的工序，均可采用现有技术。热轧工序以控制温度为主，在原来基础上增加两道次，压缩比极低，使得H型钢终轧温度能够得到较好控制。温度检测翼缘外侧，轧后轧材在冷床缓冷。所得H型钢最终组织以细片珠光体为主，包含少量粒状贝氏体组织。实施例1-5的化学成分及具体工艺见下表1，具体组织参见附图1-3。
表1化学成分(wt％,余量铁)
项目 C Si Mn P S Mo V Nb Ni Al N
实施例1 0.19 0.21 0.85 0.015 0.009 0.20 0.11 0.025 0.45 0.03 0.012
实施例2 0.14 0.19 1.10 0.013 0.007 0.33 0.12 0.030 0.5 0.025 0.016
实施例3 0.12 0.30 1.21 0.014 0.005 0.19 0.15 0.033 0.8 0.04 0.011
实施例4 0.16 0.20 0.95 0.012 0.006 0.25 0.13 0.031 0.75 0.025 0.013
实施例5 0.11 0.25 1.29 0.013 0.005 0.26 0.15 0.029 0.68 0.036 0.012
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3。
表2实施例热轧工艺
表3实施例力学性能试验结果
从表3中可见，本发明实施例1-5屈服强度保持500MPa级别，其-40℃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。
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该理解，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 (8)

1.一种屈服强度500MPa级厚规格热轧H型钢，其特征在于，所述H型钢的化学成分组成按重量百分比为：C：0.10％～0.20％，Si：0.15％～0.30％，Mn：0.8％～1.30％，Nb：0.02％～0.05％，V：0.10％～0.16％，Ni：0.40％～1.0％，P≤0.015％，S≤0.01％，Mo：0.15％～0.35％，Al：≤0.05％，O≤0.004％，N:0.01％～0.02％，其余为Fe和不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述H型钢，其特征在于，Ni+Mo≤1.0％。
3.一种屈服强度500MPa级厚规格热轧H型钢，其特征在于，所述H型钢的化学成分组成按重量百分比为：C：0.10％～0.20％，Si：0.15％～0.30％，Mn：0.8％～1.30％，Nb：0.02％～0.05％，V：0.10％～0.16％，Ni：0.40％～1.0％，P≤0.015％，S≤0.01％，Mo：0.15％～0.35％，Al：≤0.05％，O≤0.004％，N:0.01％～0.02％，还含有Cr和Ti中的一种或几种，其中，Cr：≤0.5％，Ti：≤0.05％，所述其余为Fe和不可避免杂质。
4.根据权利要求3所述的H型钢，其特征在于，Ni+Mo≤1.0％，并且Nb+V+Ti≤0.18％。
5.根据权利要求1-4任一项所述H型钢，其特征在于，所述H型钢的翼缘厚度为20～40mm。
6.一种权利要求1-5任一项所述H型钢的制备方法，依次包括铁水预处理、转炉冶炼、钢包吹氩、LF精炼、异型坯浇铸、型钢线轧制与冷床密集缓冷步骤，
其中，在轧制过程中，加热炉均热温度为1230～1270℃，铸坯在炉时间为150～200min；精轧开轧温度为1120～1180℃，精轧机架间水冷全部开启，精轧终轧温度为750～820℃。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，精轧最后两道次采用极低压缩比。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，精轧后的钢材出精轧机后进入带保温罩辊道保温，随后进入冷床进行缓冷。
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