CN109266958B

CN109266958B - 系列船舶与海洋工程用f级钢及其柔性化生产方法

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Publication number: CN109266958B
Application number: CN201811093621.3A
Authority: CN
Inventors: 刘朝霞; 许晓红; 李经涛; 苗丕峰; 刘俊; 周永浩; 徐光琴; 高俊
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2018-09-19
Filing date: 2018-09-19
Publication date: 2020-09-29
Anticipated expiration: 2038-09-19
Also published as: CN109266958A

Abstract

本发明涉及一种系列船舶及海洋工程用F级钢，该钢的化学成分按质量百分比计为C：0.05～0.09％，Si：0.15～0.50％，Mn：0.80～1.30％，P：≤0.0070％，S：≤0.0030％，Ni:0.10～0.30％，Ti：0.008～0.020％，N：0.0030～0.0060％，Nb：0.020～0.050％，Al：0.020～0.050％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。生产工艺流程为：铁水预处理‑>转炉炼钢‑>LF精炼‑>RH真空脱气‑>Ca处理‑>连铸‑>铸坯脱氢处理‑>加热‑>轧制‑>冷却‑>(带温矫直)结合合理成分设计，进行不同钢板的组织、晶粒尺寸控制，获得了235MPa、315MPa、355MPa、400MPa共4个钢级多强度级别的柔性化生产，低温冲击韧性优异，延伸率优良≥25％，并保证高的冷却速度薄板板形，生产工艺稳定，易于批量化生产。

Description

系列船舶与海洋工程用F级钢及其柔性化生产方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金领域，具体涉及一种系列船舶及海洋工程用F级钢及其柔性化生产方法。

背景技术

目前，海洋工程用主体钢级仍以D级、E级，强度为235MPa、315MPa、355MPa级钢为主。随着深海、北冰洋新航线的开发，海洋主体钢级有向更高强度级别如400MPa级钢、低温韧性要求更高的F级，甚至更低温韧性钢发展趋势。由于应用在波浪、海潮、风暴、及寒冷流冰等严峻的海洋工作环境中，要求船舶与海洋工程结构用钢必须具有除了强度、韧性、耐低温之外性能之外、还需要具有抗层状撕裂、良好的焊接性能等。

此外，由于海工船舶企业材料焊接组装都是露天作业，受天气的影响，全年可作业时间短，加上整体装备造价高，市场竞争激励，对采购中的整单供货、交货期要求非常严格，通常一张几千吨的船舶或海洋工程用钢板定单就会涉及几十个钢种，多个厚度、几百个规格尺寸。虽然F级钢在整船或单个装备整体定单中比重不大，但是显著增加整船接单的生产排产难度。

现有技术，如中国专利CN102703807A获得了一种-80℃冲击吸收功≥100J海洋工程用钢及生产方法，该方法虽然获得极好的低温韧性，但是稀土元素Ce的加入，超出船级规范要求，目前很难进行实际交付，实现工业转化。中国专利CN103695769A获得了一种高强度FH40海洋工程用钢板及其生产方法。通过加入大量的细化晶粒元素，Nb、V、Al，以及贵重合金Ni元素，通过LF+VD+热轧+调质处理获得了一种FH40钢板，-60℃冲击功介于180-240J。这些现有技术中，仅对单个F级钢种进行了研究。如何将系列钢种进行揉合，更好的实现整船定单交货没有涉及。

为了解决现有技术的不足，对整船定单中F级钢这种比重小，厚度涉及范围大，强度跨别大的F级钢进行一种成分柔性化轧制，并获得良好的强韧性以及使用性能以实现全流程控制，节省冶炼连铸、轧钢带来的余材，提高市场竞争力。

生产该技术要求的系列钢板，存在如下几个难点：一、在保证F级钢板极低韧性的基础上，实现强度级别跨越大的柔性化生产。二、在保证钢板的强韧性的基础上要保证钢板的厚度跨越大的柔性化生产。三、为了低成本，成分设计采取低碳当量，通过调整水量来实现不同强度的生产，要保证薄规格钢板板形。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种系列船舶与海洋工程用F级钢及其柔性化轧制方法，覆盖屈服强度为235MPa、315MPa、355MPa、400MPa共4个钢级，分别对应F、F32、F36、F40钢级。低温冲击韧性最低至-60℃，厚度范围至6-50mm，生产交货方式为TMCP。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种系列船舶与海洋工程用F级钢的化学成分按重量百分比计为，C：0.05～0.09％，Si：0.15～0.50％，Mn：0.80～1.30％，P：≤0.0070％，S：≤0.0030％，Ni:0.10～0.30％，Ti：0.008～0.020％，N：0.0030～0.0060％，Nb：0.020～0.050％，Al：0.020～0.050％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

优选地，该钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.07％，Si：0.20％，Mn：0.90％，P：≤0.005％，S：≤0.002％，Ti：0.015％，N：0.0042％，Nb：0.048％，Al：0.022％，Ni：0.28％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

本发明中钢成分的限定理由阐述如下：

C：降低钢板中的碳含量可以提高钢的低温冲击性能、低温应变时效性能，改善钢板的焊接冷裂纹敏感性。但是碳含量过低，钢的淬透性减弱，不利于特别是最大厚度50mm中厚钢板的强度提高。因此，碳含量控制为0.05～0.09％。

Si：主要用于脱氧，虽要依据不同的冶炼方式来确定其加入量，但要获得良好的钢板性能，以及满足船级社规范要求必须在0.15％以上，但Si过多会严重损害钢板的焊接性能，影响热影响区的冲击韧性，钢板除磷难度，所以规定其上限为0.50％。

Mn：在所述钢中具有推迟奥氏体向铁素体转变的作用，对细化铁素体，提高强度和韧性有利。本发明为了考虑到最低强度级别钢是235MPa级，虽然锰是比较的廉价的合金元素，必须要保证235MPa级的钢板抗拉强度不超过上限，因而锰含量尽可能的低。规定锰含量加入量介于0.80～1.30％的范围内。

P：虽能提高耐蚀性，但会降低低温韧性和妨碍可焊性，对结构钢是不适当的，本发明规定其控制在0.0070％以下。

S：形成MnS夹杂物，也会导致中心偏析，对耐蚀性也有不良影响，本发明规定在其控制在0.0030％以下。

Ti：通过形成Ti₂O₃粒子，可以促进晶内铁素体的生成，同时也用来固定钢中的氮元素，在适当条件下，钛、氮形成氮化钛，阻止钢坯在加热、轧制、特别是焊接达1350℃的高温过程中奥氏体晶粒粗化，改善母材和焊接热影响区的低温韧性，提高焊接性能。钛低于0.008％时，效果差；超过0.020％时，过剩的钛会与其它元素复合析出，使钢的韧性恶化。

N：是本发明中的重要元素，不同于以往以有害元素来控制，而是要保证钢板中氮含量一定，当钢中的Ti、N原子之比为1：1时，此时相于Ti、N重量之比为3.42，TiN粒子最为细小且分布弥散，对高温奥氏体晶粒的细化作用最强，不仅可获得优良的韧性，根据Ti的加入量以及钢中氧含量、以及其它固氮元素，本发明中N含量控制为0.0030～0.0060％。

Ni：是提高钢淬透性及减小δ相区的元素，也是有效提高钢的低温韧性的最常用元素。但是加入量过高，将会显著提高钢的成本。故在本明中，规定镍含量介于0.10～0.30％。

Nb：起到溶质拖曳作用和Nb(C,N)对奥氏体晶界的钉扎作用，均抑制形变奥氏体的再结晶，扩大奥氏体非再结晶区间，减少特厚板生产待温时间。并在冷却或回火时形成析出物，从而使强度和韧性均得到提高，还可以提高钢的耐蚀性能。添加量小于0.020％时效果不明显，大于0.050％时韧性降低，导致连铸坯产生表面裂纹，成本增加。因此，本发明规定铌含量应介于0.020～0.050％的范围内。

Al：是钢的优良脱氧剂，是有效的细化晶粒元素，提高钢的强度和韧性。添加量大于0.050％时容易形成大形复合型氧化物夹杂物，且易在结晶器水口结瘤。因此，本发明规定铌含量应介于0.020～0.050％的范围内。

本发明的另一目的是提供上述系列船舶与海洋工程用F级钢柔性化生产方法，具体工艺如下，

冶炼工艺：采用铁水预处理、转炉方式冶炼，然后进LF精炼炉精炼，并经过RH真空处理。

Ca处理工艺：为提高钢板整板性能，易加工性能，钢水真空处理后进行Ca处理。Ca的加入量控制在0.0005～0.0040％之内。Ca处理后夹杂物控制A、B、C、D类总级别≤2.5。进行Ca处理，是为了提高连铸坯内部质量，进而提升厚钢板，特别是厚度为50mm钢板厚度方向上的均匀性，进而提高钢板的-60℃低温冲击性能。

连铸工艺：为了控制钢板内部疏松、偏析，进行低过热度浇注，全程氩气保护浇注，以及动态轻压下控制。浇铸温度控制在液相线温度以上10～25℃，以保证铸坯中心偏析不高于C1.0级。

扩氢处理工艺：铸坯下线后，堆冷72小时扩氢处理。

加热轧制工艺：连铸坯与成品厚度的压缩比≥3，将铸坯进入步进式加热炉，加热至1180-1250℃,加热时间为8-15min/cm，使钢中的合金元素充分固溶以保证最终产品的成份及性能的均匀性。由于钢板添加了少量的Ni未加Cu等元素，因此有必要采用控轧控冷的方法来细化晶粒从而提高钢板低温冲击韧性。因为加了少量的Ni，钢坯出炉后需经高压水除鳞，每道次除鳞水压力≥18MPa,后进行粗轧+精轧两阶段控制轧制。粗轧的开轧温度介于1050-1100℃。粗轧后三道道次压下率≥15％，待温厚度≥2.0H，其中H为成品厚度。≥6-15mm厚度钢板精轧开轧温度为860～920℃，＞15-≤50mm厚度钢板,精轧开轧温度为800～860℃。轧后采用加速冷却，若现有加速冷却(ACC)机组冷却强度不够时，对于厚度＞15mm的F40钢板，可适当增进在线淬火(DQ)水组。由于钢板ACC后的板型钢板性能的均匀性、残余应力的大小以及后加工有着重要的影响，从而进一步影响到钢板使用性能。因此，对8-15mm部分钢级轧制后进行温矫,带温热矫直后要求钢板不平度≤3mm/2m。不同钢级工艺如下表：

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明采用低Ni无Cu、V设计，尽可能降低贵重合金添入量，大量节省合金成本。Cu、V等都是对钢板淬透性有显著作用的元素，不加入此类元素，而通过后期的柔性化工艺获得，可以扩大柔性化轧制覆盖钢种的级别。

2、本发明采用一种成分生产四个钢级，且该成分介于标准和船级社规范要求的成分范围之内，厚度覆盖范围大6-50mm，进行柔性化生产，减小组批难度。

本发明采用两阶段控轧控冷，保证粗轧后3道次压下率≥15％，并根据强度不同，设定不同钢板水冷后返红温度，充分细化组织，尽可能获得超细晶理想组织，达到良好的强韧性匹配。

3、本发明采用轧后钢板带温矫直处理，通过控制不平度≤3mm/2m，保证TMCP薄规格钢板平整，显著降低钢板经ACC后残余应力，从而达到钢板良好的加工使用性能。

4、本发明采用温矫直代替低温回火去除ACC后残余应力，降低了生产成本，加快了生产节奏。

5、本发明方法，可以推广应用至其它高强度钢板，如高强海工船板用钢、高层建筑用钢、桥梁用钢、工程机械用钢、压力容器用钢等。

附图说明

图1是本发明实施例2的试金相组织，为铁素体珠光体组织。

图2是本发明实施例4的金相组织，出现了少量的1-2μm的超细晶，体积分数约占10％。

图3是本发明实施例6的金相组织，由超细铁素体与针状铁素体组织组成。

图4是本发明实施例8的金相组织，由针状铁素体组织与块状铁素体细晶组成。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明的系列船舶与海洋工程用F级钢的生产工艺流程为：转炉或电炉炼钢->LF精炼->RH真空脱气->Ca处理->连铸->铸坯脱氢处理->加热->轧制->冷却->(带温矫直)

本发明实施例1-8的系列船舶与海洋工程用F级钢的生产方法，包括如下步骤：

(1)冶炼：采用铁水预处理、150吨转炉冶炼，然后送入LF炉进行精炼并经过RH真空脱气处理。

(2)Ca处理工艺：钢水真空处理后要求进行必要的Ca处理。Ca的加入量控制在0.0005～0.004％之内。Ca处理后夹杂物控制A、B、C、D类总级别2.0，实施例熔炼成分见表1。

(3)连铸：将冶炼的钢水浇铸成150mm厚的连铸坯。浇铸温度控制在液相线以上10-25℃。浇铸过程中实施动态轻压下。连铸工艺参数见表2。

(4)铸坯扩氢处理：连铸板坯堆冷进行缓冷扩氢，堆冷温度及缓冷时间见表2。

(5)加热轧制工艺：将150mm连铸坯轧制成实施例目标厚度规格，连铸坯与成品厚度的压缩比≥3，将铸坯进入步进式加热炉。钢坯出炉后需经高压水除鳞，每道次除鳞水压力≥18MPa，随后进行粗轧+精轧两阶段控制轧制。相关工艺参数见表3。

(6)将实施例3、5、7进行温矫，温矫工艺见表3。

(7)将矫直后钢板进行室温横向拉伸、-60℃纵向冲击试验。力学性能见表4。

图1-图4显示柔性化生产235-400MPa钢组织形貌。随着强度的升高，晶粒尺寸逐渐变细，超细晶体积分数逐渐变大，组织也从铁素体珠光体混合组织向针状铁素体到块状铁素体细晶转变。可见利用组织的晶粒尺寸控制，组织软硬性的通过合理工艺调节可以有效的获得235MPa、315MPa、355MPa、400MPa共4个钢级多强度级别的柔性化生产，低温冲击韧性优异，延伸率优良≥25％。

表1实施例化学成分(wt,％)

实施例	炉号	C	Si	Mn	P	S	Ni	Al	Ti	Nb	N
												实施例1、2	S11706873	0.05	0.26	1.15	0.004	0.0014	0.30	0.044	0.016	0.027	0.0050
实施例3、4	S11706874	0.08	0.18	1.25	0.003	0.0007	0.35	0.036	0.012	0.030	0.0035
												实施例5、6	S11706870	0.07	0.20	0.90	0.005	0.0013	0.29	0.022	0.015	0.048	0.0042
实施例7、8	S11706871	0.06	0.35	1.20	0.003	0.0016	0.15	0.036	0.018	0.030	0.0048

表2连铸工艺控制

实施例	铸坯厚度mm	过热度℃	堆冷起始温度℃	堆冷扩氢时间h
					1、2、3、4	150	11～22	550	72

表3轧制工艺、热矫工艺控制

表4实施例拉伸、冲击性能

注：冲击试样尺寸取10mm×10mm×55mm的标准试样，当钢材不足以制取标准试样时，如实施例1、3、5采用7.5mm×10mm×55mm小尺寸试样。实施例小尺寸试样与标准试样的冲击吸收能量换算关系为5/6。

以上所述仅为本发明的一种较佳实现方案而已，并不用以限制本发明，凡在本发明原则范围内所做的非根本性修改、替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种系列船舶及海洋工程用钢的柔性化生产方法，所述钢的化学成分按质量百分比计为C：0.05～0.09%，Si：0.15～0.50%，Mn：0.80～1.30%，P：≤0.0070%，S：≤0.0030%，Ni:0.10~0.30%，Ti：0.008～0.020%，N：0.0030～0.0060%，Nb：0.020～0.050%，Al：0.020～0.050%，余量为Fe及不可避免的杂质元素；其特征在于：

所述方法包括如下工序：转炉或电炉炼钢->LF精炼->RH真空脱气->Ca处理->连铸->铸坯脱氢处理->加热->轧制->冷却，其中，

冶炼工艺：采用铁水预处理，转炉方式冶炼，然后进LF精炼炉精炼，并经过RH真空处理；

Ca处理工艺：钢水真空处理后进行必要的Ca处理，Ca的加入量控制在0.0005～0.004%之内，Ca处理后夹杂物控制在≤2.5；

连铸工艺：进行低过热度浇注，全程氩气保护浇注，以及动态轻压下控制，浇铸温度控制在液相线温度以上10~25℃，以保证铸坯中心偏析不高于C1.0级；

扩氢处理工艺：铸坯下线后，进行堆冷72小时扩氢处理，过热度11～22℃，堆冷起始温度550℃；

加热轧制工艺：连铸坯与成品厚度的压缩比≥3，将铸坯进入步进式加热炉，加热至1180-1250℃,加热时间为8-15min/cm，钢坯出炉后经高压水除鳞，每道次除鳞水压力≥18MPa，随后进行粗轧+精轧两阶段控制轧制；

轧后控冷工艺：采用加速冷却机组对轧后F级、F32级、F36级和F40级钢板分别进行冷却，对于≥6-≤15mm的F级钢板，终冷温度为660-720℃，冷却速度为1-5℃/s，＞15-≤50 mm的F级钢板，终冷温度为620-680℃，冷却速度为3-8℃/s；对于≥6-≤15mm的F32级钢板，终冷温度为640-700℃，冷却速度为3-8℃/s，＞15-≤50 mm的F32级钢板，终冷温度为600-660℃，冷却速度为5-10℃/s；对于≥6-≤15mm的F36级钢板，终冷温度为580-640℃，冷却速度为5-12℃/s，＞15-≤50 mm的F36级钢板，终冷温度为560-620℃，冷却速度为8-20℃/s；对于≥6-≤15mm的F40级钢板，终冷温度为540-600℃，冷却速度为8-15℃/s，＞15-≤50 mm的F40级钢板，终冷温度为500-560℃，冷却速度为10-30℃/s。

2. 根据权利要求1的一种系列船舶及海洋工程用钢的柔性化生产方法，其特征在于：该钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.07%，Si：0.20%，Mn：1.20%，P：≤0.005%，S：≤0.002%，Ti：0.015%，N：0.0050%，Nb：0.038%， Al：0.035%，Ni：0.15%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。

3. 根据权利要求1所述的一种系列船舶及海洋工程用钢的柔性化生产方法，其特征在于：粗轧和精轧的轧制工艺为：粗轧的开轧温度介于1050-1100℃，粗轧后三道道次压下率≥15%，待温厚度≥2.0H，其中H为成品厚度，≥6-≤15mm厚度钢板精轧开轧温度为860～920℃，＞15-≤50mm厚度钢板, 精轧开轧温度为800～860℃。

4. 根据权利要求1所述的一种系列船舶及海洋工程用钢的柔性化生产方法，其特征在于：对6-15mm 部分钢级轧制后进行温矫,带温热矫直后钢板不平度≤3mm/2m，热矫直温度为500～630℃，热矫直辊速为0.8～1.0 m/s。

5.根据权利要求1所述的一种系列船舶及海洋工程用钢的柔性化生产方法，其特征在于：随着钢板强度的升高，晶粒尺寸逐渐变细，超细晶体积分数逐渐变大，组织从铁素体珠光体混合组织向针状铁素体到块状铁素体细晶转变。

6.根据权利要求1所述的一种系列船舶及海洋工程用钢的柔性化生产方法，其特征在于：利用组织的晶粒尺寸控制，组织软硬性的通过工艺调节可以有效的获得235MPa、315MPa、355MPa、400MPa共4个钢级多强度级别的柔性化生产。