CN109207854B - 超宽规格高强高韧性能的海洋工程用钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开超宽规格高强高韧性能的海洋工程用钢及其制造方法。钢中含有C：0.05％～0.10％，Si：0.10％～0.50％，Mn：1.2％～1.5％，Cu：0.20％～0.40％，Ni：0.10％～0.30％，P≤0.01％，S≤0.01％，Als：0.01％～0.05％，Nb：0.020％～0.040％，Ti：0.010％～0.020％，V：0.040％～0.070％。加热温度1150～1200℃，保温30～60min，第一阶段开轧温度1000～1050℃，平均单道次压下率≥15％；第二阶段开轧温度850～950℃，平均单道次压下率≥15％；第三阶段开轧温度800～830℃，单道次压下率＞10％；平均冷速＞3℃/s，返红温度600～650℃，缓冷时间≥24h。钢板宽度3500～4500mm，高强度和低温韧性优良。

Description

超宽规格高强高韧性能的海洋工程用钢及其制造方法

技术领域

本发明属于钢铁材料制备领域，涉及具有超宽规格、厚规格、高强度、优良低温韧性特性，特别是板厚方向1/4和1/2位置的强度、低温冲击功和断裂韧性优异的钢板及其制造方法。

背景技术

随着海洋运输及开采装备大型化需求的日益增长，海洋工程用装备材料的需求不断增加，要求也日益提高。海洋平台用钢板必须具有超宽规格、高强度、高韧性、良好焊接性及厚规格的严格要求，特别对材料的断裂韧性性能极为重视。

超宽规格高强韧性钢板可以节省焊接工作，提升钢板的稳定性，同时也是大型船舶用钢的未来需求；普通高强度、厚规格海洋平台用钢的制造工艺一般采用调质工艺，但是调质工艺的钢板由于碳当量较高，必然会对钢板焊接性能产生不利影响，同时也不适用于特殊部位的用钢状态要求。所以，如何采用TMCP工艺生产出易焊接的超宽厚规格、高强度、优异低温韧性及断裂韧性的海洋工程用钢板是海洋工程大型化用钢研究的重要发展方向。

CN200810092346.3提出一种具有脆性龟裂传播停止特性和板厚中央部的韧性优异的钢板制备方法。该专利成分设计如下：C：0.01％～0.06％，Si：0.01％～0.8％，Mn：1.0％～1.8％，Al：0.01％～0.08％，Nb：0.02％～0.08％，Ni：0.20％～0.8％；该专利技术得到钢板宽度达不到4000mm，无法保证特殊用途大型集装箱船及海洋开采装备的特殊需求。

CN200910147530.8提出一种具有脆性龟裂传播停止特性的厚板钢制备方法，该专利成分设计如下：C：0.05％～0.12％，Si：0.05％～0.30％，Mn：1.00％～1.80％，Al：0.01％～0.06％，Ti：0.005％～0.03％，Nb：0.005％～0.05％，B：0.0005％～0.003％，N：0.0020％～0.0090％；在该技术中，无法保证板厚方向t/4～t/2位置的韧性和强度及微观组织的均匀性等要求；另外该技术要求在轧制过程中需经过冷却、轧制和回热工序，制造工艺变得复杂，增加了实际操作难度，影响实际成材率，并且该专利技术得到钢板宽度达不到4000mm。

CN103451534B提出一种60mm厚度方向性能优良的海洋平台用钢板及其生产方法，该专利成分设计如下：C：0.09～0.14％；Si：0.20％～0.50％；Mn：1.10％～1.50％；P≤0.015％；S≤0.005％；Al：0.015％～0.050％；Nb：0.030％～0.060％；Ti：0.010％～0.020％；此专利实现的钢板强度、低温韧性、并没有实现良好的断裂韧性性能，该专利技术得到钢板宽度达不到4000mm。

发明内容

本发明的目的是通过优化高强度钢板化学成分，采用控制轧制和控制冷却工艺控制板厚方向的显微组织和晶粒尺寸，得到成材率高、强度和韧性稳定的超宽厚钢板。主要是从合金元素筛选与配比、钢质洁净度控制、工艺优化与参数选择、微观组织控制等几个方面进行了大量且系统的试验研究及生产实践，最终确定了可满足本发明目的合金元素配比及制备工艺。

具体的技术方案是：

超宽规格的良好低温韧性海洋工程用钢，按质量百分比计，包括以下成分C：0.05％～0.10％，Si：0.10％～0.50％，Mn：1.2％～1.5％，Cu：0.20％～0.40％，Ni：0.10％～0.30％，P≤0.01％，S≤0.01％，Als：0.01％～0.05％，Nb：0.020％～0.040％，Ti：0.010％～0.020％，V：0.040％～0.070％，其余为Fe和不可避免的杂质。

以下阐述本发明钢中各合金成分作用机理，其中百分符号％代表质量百分比：

C：是保证强度的必要元素，通过固溶强化和析出强化对提高钢的强度有明显作用，但是过高的C含量对钢的延性、韧性，特别是焊接性有负面影响。从经济性和产品性能角度考虑，本发明将C含量控制在0.05％～0.10％。

Si：是炼钢过程中主要的脱氧成分，为了得到充分的脱氧效果必须含0.10％以上，但若超过上限则会降低母材及焊接部位的韧性，以固溶形式存在的Si在提高强度的同时也能提高韧脆转变温度，因此本发明将Si含量控制为0.10％～0.50％。

Mn：是保证钢的强度和韧性的必要元素。为了提高本发明材料的强韧性，因此本发明将Mn含量范围为1.2％～1.5％。

Cu：在钢中加入Cu，可以提高钢的耐蚀性、强度，改善焊接性、成型性与机加工性等。与Ni同时使用，还可以避免热脆性。因此，本发明将Cu含量范围控制为0.20％～0.40％。

Ni：具有固溶强化作用，能促使合金钢形成稳定奥氏体组织，降低Ar3点，提高钢的强度，特别是低温韧性，并改善Cu在钢中引起的热脆性，因此本发明Ni含量控制在0.10％～0.30％。

P：是对冲击值带来不利影响的元素，可以在板坯中心部位偏析以及在晶界聚集等损害低温韧性，因此，本发明将P含量控制在不高于0.01％。

S：是对冲击值带来不利影响的元素，可以形成硫化物夹杂，成为裂纹源，因此，本发明将S含量控制在不高于0.01％。

Als：作为本发明必须添加的脱氧和细化晶粒元素，添加含量在0.01％以上，但超过0.08％时容易产生铸坯热裂纹，同时钢的韧性降低。因此，本发明中将Als含量优选控制在0.01％～0.05％。

Nb：有效细化钢的晶粒尺寸，作为提高钢的强度和韧性而添加的元素。当Nb含量小于0.01％时对钢的性能作用效果小，而超过0.05％时，钢的焊接性能和韧性均降低，因此本发明将Nb含量优选控制在0.020％～0.040％。

Ti：作为提高钢的韧性和焊接部位韧性而添加的成分，以TiN形式存在而发挥作用，但超过0.04％时易形成大颗粒TiN而失去效果，因此，本发明将Ti含量范围优选控制在0.010％～0.020％。

V：在钢中可起到固溶强化的作用，在较低温度轧制时的析出可阻碍位错的运动，使奥氏体中有大量的位错，促进相变形核，细化最终组织，但过量V会对钢板的韧性和焊接产生不利影响，因此，本发明将添加V含量范围控制在0.040％～0.070％。

所述超宽规格的良好低温韧性海洋工程用钢板的制造方法，包括冶炼-连铸-加热-轧制-矫直-冷却，具体如下：

(1)冶炼工艺：按照本发明的成分范围进行冶炼，冶炼、连铸后得到连铸坯，LF和RH精炼炉处理各需要10～30min，中包钢水过热度≤25℃，全程保护浇铸；钢中A、B、C、D类夹杂物满足：A≤1.0、B≤1.0、C≤1.0、D≤1.0的要求。连铸坯成型阶段采用动态轻压下技术，可以有效解决连铸坯的中心偏析情况。

(2)加热工艺：为防止加热过程中钢坯过热、原始奥氏体晶粒粗大，加热温度控制在1150～1200℃，均热温度控制在1150～1180℃；

(3)轧制工艺：对连铸坯采用三阶段轧制，第一阶段开轧温度为1000～1050℃的再结晶区轧制温度，特点是该阶段要进行钢坯展宽轧制，钢坯展宽范围为3500～4500mm，展宽轧制过程采用大压下量轧制，平均单道次压下率在15％以上，目的是在钢坯展宽过程中充分实现钢板1/4和1/2厚度位置的奥氏体再结晶，细化奥氏体晶粒尺寸；第二阶段开轧温度为850～950℃范围内，在奥氏体再结晶区下部温度区间进行轧制，平均单道次压下率在15％以上，目的是充分细化厚度方向上的奥氏体晶粒尺寸，并防止奥氏体晶粒长大，在保证大压下量的条件下，可以确保钢板探伤合格；第三阶段为未再结晶区轧制，开轧温度在Ar3以上范围为800～830℃，采用单道次压下率大于10％，目的是使奥氏体晶粒充分变形，为相变形核提供储能和位置，提高相变形核率，达到细化晶粒的目的。

(4)轧制后的钢板要进行矫直工艺，提高钢板的平直度，同时防止在冷却过程中发生钢板翘曲等问题。

(5)冷却工艺：采用平均冷速大于3℃/s的快速层流冷却系统，返红温度控制在600～650℃，其目的是控制相变组织构成及尺寸，钢板要进行缓冷，缓冷时间≥24h。

采用上述控制轧制、控制冷却工艺，在厚度方向上1/4和1/2处的屈服强度≥360MPa，抗拉强度490～630MPa，-60℃夏比冲击功≥200J，零塑性转变温度(NDTT)小于-60℃。显微组织为铁素体和珠光体，其中铁素体平均晶粒尺寸5.0～10.0μm，铁素体含量范围在70％～85％。成品钢板宽度范围为3500～4500mm，厚度范围为60～90mm。

有益效果：

本发明同现有技术相比，有益效果如下：

(1)本发明通过添加适当Cu、Ni和微合金元素，有利于提高低温断裂韧性；通过采用钢坯展宽控制轧制、控制冷却和矫直工艺方法，可以大幅度提高钢板成品宽度范围、低温断裂韧性以及钢板平直度；通过化学成分及制备工艺相结合可以提高钢板厚度方向不同位置1/4和1/2厚度的低温冲击功、强度和断裂韧性，可满足360MPa级厚规格海洋工程用钢的力学性能要求。

(2)本发明钢在厚度方向上1/4和1/2处的屈服强度≥360MPa，抗拉强度490～630MPa，断后延伸率≥20％，-60℃夏比冲击功≥200J，零塑性转变温度(NDTT)≤-60℃，产品宽度范围3500～4500mm，厚度范围60～90mm，平直度为≤2mm/m。

具体实施方式

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。

表1为实施例钢的化学成分；表2为实施例钢的冶炼工艺；表3为实施例钢的轧制工艺；表4为实施例钢的力学性能；表5为本发明实施例钢低温性能及NDTT温度。

表1本发明实施例钢化学成分wt％

实施例	C	Si	Mn	Cu	Ni	Als	Nb	Ti	V
										1	0.05	0.42	1.20	0.39	0.16	0.03	0.023	0.012	0.055
2	0.10	0.15	1.33	0.23	0.19	0.05	0.034	0.020	0.046
										3	0.07	0.27	1.31	0.24	0.26	0.02	0.028	0.016	0.067
4	0.09	0.22	1.24	0.27	0.28	0.03	0.032	0.019	0.045
										5	0.07	0.18	1.45	0.33	0.22	0.02	0.026	0.016	0.054
6	0.07	0.29	1.26	0.40	0.16	0.04	0.035	0.015	0.067
										7	0.06	0.49	1.39	0.37	0.24	0.03	0.021	0.011	0.046
8	0.08	0.43	1.46	0.38	0.17	0.02	0.040	0.013	0.055

注：P≤0.01％，S≤0.01％。

表2本发明实施例钢冶炼工艺

表3本发明实施例钢制备方法

4本发明实施例钢常规拉伸力学性能及铁素体含量和尺寸

表5本发明实施例钢NDTT温度、低温性能和钢板平直度

由表1～5可见，采用本发明技术方案生产的海洋工程用钢，1/2处和1/4处具有良好的强度和低温性能，实施例中厚度方向上1/4和1/2处的屈服强度≥370MPa，延伸率≥21％，-60℃夏比冲击功＞200J，零塑性转变温度(NDTT)≤-60℃，满足大型集装箱船和海洋工程用钢要求。

Claims (2)

1.一种超宽规格高强高韧性能的海洋工程用钢的制造方法，其特征在于，钢中化学成分按质量百分比为：C：0.05％～0.09％，Si：0.10％～0.50％，Mn：1.24％～1.5％，Cu：0.33％～0.40％，Ni：0.16％～0.30％，P≤0.01％，S≤0.01％，Als：0.01％～0.05％，Nb：0.021％～0.035％，Ti：0.011％～0.019％，V：0.040％～0.067％，余量为铁和不可避免的杂质；

钢板的生产工艺为：冶炼-连铸-加热-轧制-矫直-冷却，

(1)冶炼连铸：LF和RH精炼炉处理各需要10～30min，中包钢水过热度≤25℃，全程保护浇铸；钢中A、B、C、D类夹杂物满足：A≤1.0、B≤1.0、C≤1.0、D≤1.0的要求；

(2)加热：加热温度为1150～1200℃，均热温度为1150～1180℃；

(3)轧制：对连铸坯采用三阶段轧制，第一阶段开轧温度为1010～1020℃，钢坯展宽范围为3500～4500mm，展宽轧制过程采用大压下量轧制，平均单道次压下率在15％以上；第二阶段开轧温度为905～941℃，平均单道次压下率在15％以上；第三阶段为未再结晶区轧制，开轧温度为810～830℃，单道次压下率大于10％；

(4)矫直：轧制后的钢板进入矫直机矫直，矫直温度为760～800℃；

(5)冷却：采用平均冷速大于3℃/s的快速层流冷却系统，返红温度控制在615～650℃，钢板要进行缓冷，缓冷时间≥24h。

2.如权利要求1所述的超宽规格高强高韧性能海洋工程用钢的制造方法，其特征在于，成品钢板宽度范围为3980～4500mm，厚度范围为75～90mm。