CN109321847B - 一种可大线能量焊接eh420级海洋工程用厚钢板及其制备方法 - Google Patents

一种可大线能量焊接eh420级海洋工程用厚钢板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于低合金高强度钢技术领域，特别涉及一种可大线能量焊接EH420级海洋工程用厚钢板及其制备方法。钢板化学成分按质量分数包括C 0.05～0.12％，Si 0.1～0.3％，Mn1.0～1.7％，P 0.001～0.01％，S 0.001～0.005％，Nb 0.01～0.04％，Ti 0.005～0.025％，Cu 0.2～0.5％，Ni 0.2～0.5％，N 0.001～0.006％，O 0.001～0.005％，Al 0.005～0.025％，Mg 0.0005～0.005％，Ca 0.0005～0.005％，余量为Fe；钢板中尺寸为0.5～5μm的夹杂物中，Al‑Mg‑Ti‑Ca‑Mn‑O‑S复合夹杂物数量占10％以上，并具有特殊的成分组成。钢板制备步骤包括，转炉出钢时加入硅锰，LF和RH精炼中喂钙线、钛线、镁线和铝线；采用两阶段控制轧制和控制冷却。本发明钢板中夹杂物粒子利于微细弥散分布，具有更强的促进针状铁素体形核能力，可显著提高大线能量焊接低温韧性。

Description

一种可大线能量焊接EH420级海洋工程用厚钢板及其制备 方法
技术领域
本发明属于低合金高强度钢技术领域，特别涉及一种可大线能量焊接EH420级海洋工程用厚钢板及其制备方法。
背景技术
随着我国海洋强国战略的实施，对海洋资源的开发以及海洋工程设施的建设快速发展。海洋构造物不断向高端化、深海化、大型化发展，对高性能海洋工程用钢的需求大幅增加，通常建造这类大型结构的焊接工作量约占总工作量的30～40％。由此，在保证焊接质量的前提下，如何提高焊接效率是实现低成本节约型制造的关键。采用大线能量焊接用钢板，可减少焊接道次、提高效率。比如，对于40mm厚普通钢板，采用40kJ/cm的线能量需焊接约18道次，而采用线能量为300kJ/cm的大线能量焊接方法可单道次成形，焊接效率成数十倍提高。常规的焊接结构用钢只能承受50kJ/cm以下的线能量，焊接施工时不得不采用生产效率低下的多道次焊接方法，因此大线能量焊接用钢的研发和应用已引起国内各相关领域的广泛关注。
在大线能量焊接时，钢板焊接热影响区(HAZ)高温停留时间长，焊后冷却速度慢，导致奥氏体晶粒严重粗化，并产生粗大相变组织，造成HAZ韧性严重恶化。传统钢材中通常采用TiN钉扎晶粒细化组织，但在大线能量下TiN将大量溶解而失去作用。因此，研究采用具有更高熔点的氧化物或氧硫化物来细化热影响区组织，改善大线能量焊接性能。
公开号为CN101050505A的发明专利公开了一种大线能量焊接高强度海洋用钢板及其制造方法，其特征是炼钢后用Ti脱氧，用Al线进行终脱氧后加入B，采用控制轧制和轧后弛豫控制、在线冷却。公开号为CN104004962A的发明专利公开了一种焊接高热输入的海洋工程用正火钢板及其制造方法，其特征是在冶炼中精确控制合金添加顺序，依次添加Si、Mn、Al、Ti、Ni等，采用控制轧制和正火处理，屈服强度为355MPa级。公开号为CN104451389A的发明专利公开了一种100mm厚抗大线能量焊接E36海洋工程用钢板，其特征是钢水冶炼出钢时往钢包中加入硅锰进行合金化，LF精炼依次添加Ti、Ni、Cu、Nb、Al元素，进行连铸、热轧和正火。公开号为CN102409230A的发明专利公开了一种大线能量焊接热影响区韧性优良的钢板及其制造方法，其特征是利用Ti-Mg复合脱氧，Ti、Mg以冷轧钢带包裹合金粉末形成管状钢丝的方式送入，并与浇铸过程同时进行。公开号为CN101812639A的发明专利公开了一种高强度大线能量焊接船体用钢及其生产方法，屈服强度为420～440MPa，通过TiN抑制HAZ晶粒粗化，在50～100kJ/cm线能量下具有优良HAZ强度和韧性。公开号为CN105296855A的发明专利公开了一种可大线能量焊接的海洋平台用钢板及制备方法，其特征是钢板中含有(V,Ti)(C,N)和V(C,N)析出粒子，HAZ生成多边形铁素体组织，提高大线能量焊接低温韧性。
上述现有技术的生产工艺复杂，控制难度大，或者难以形成微细的高熔点夹杂物在钢中均匀弥散分布，对大线能量焊接热影响区晶内铁素体的形核和组织细化能力有限，不利于海洋工程用厚钢板大线能量焊接性能的显著提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种可大线能量焊接EH420级海洋工程用厚钢板及其制备方法，提高海洋工程结构焊接施工效率和大线能量焊接性能，在200～400kJ/cm焊接线能量下具有优良的低温冲击韧性。
本发明采取如下技术方案：
一种可大线能量焊接EH420级海洋工程用厚钢板，按质量分数计，钢板化学成分包括：C 0.05～0.12％，Si 0.1～0.3％，Mn 1.0～1.7％，P 0.001～0.01％，S 0.001～0.005％，Nb 0.01～0.04％，Ti 0.005～0.025％，Cu 0.2～0.5％，Ni 0.2～0.5％，N 0.001～0.006％，O 0.001～0.005％，Al 0.005～0.025％，Mg 0.0005～0.005％，Ca 0.0005～0.005％，余量为Fe；钢板中尺寸为0.5～5μm的夹杂物中，Al-Mg-Ti-Ca-Mn-O-S复合夹杂物数量占10％以上。
所述的可大线能量焊接EH420级海洋工程用厚钢板，Al-Mg-Ti-Ca-Mn-O-S夹杂物中，平均含有Al 1～40％、Mg 1～40％、Ti 1～40％、Ca 1～40％。
所述的可大线能量焊接EH420级海洋工程用厚钢板，优选的，Al-Mg-Ti-Ca-Mn-O-S夹杂物中，平均含有Al 5～10％、Mg 5～10％、Ti 5～15％、Ca 5～10％。
所述的可大线能量焊接EH420级海洋工程用厚钢板，Al-Mg-Ti-Ca-Mn-O-S夹杂物中，10％以上内部含有镁铝尖晶石结构，外层含有Ca的氧硫化物和Mn的硫化物。
所述的可大线能量焊接EH420级海洋工程用厚钢板，优选的，Al-Mg-Ti-Ca-Mn-O-S夹杂物中，30～50％内部含有镁铝尖晶石结构。
所述的可大线能量焊接EH420级海洋工程用厚钢板，优选的，钢板中尺寸为0.5～5μm的夹杂物中，Al-Mg-Ti-Ca-Mn-O-S复合夹杂物数量占30～60％。
所述的可大线能量焊接EH420级海洋工程用厚钢板，钢板的屈服强度≥420MPa，钢板在200～400kJ/cm焊接线能量下，母材和热影响区-40℃冲击韧性≥100J。
所述的可大线能量焊接EH420级海洋工程用厚钢板的制备方法，包括以下步骤：
(1)冶炼：钢水转炉冶炼采用深脱硫铁水和低硫废钢，废钢比≤10％，转炉出钢量在1/3～2/3时向钢包中加入硅锰进行脱氧合金化，控制炉后钢水氧含量在10～200ppm；在转炉工位加入铌铁、铜板、镍板；
(2)精炼：LF精炼采用铝粒、碳粉、硅铁粉造白渣，白渣脱硫保持时间≥10min；LF精炼后进行RH真空脱气处理，保持真空度100Pa以下纯脱气时间≥8min，RH精炼后喂入钙线100～400米；精炼中钢水定氧在10～200ppm时喂入钛线，进一步定氧在5～50ppm时，喂入镁线和铝线；根据权利要求1所述成分要求进行合金化操作和夹杂物控制，成分合格钢水浇铸成连铸坯；
(3)轧制：连铸坯加热至1150～1260℃，保温30～240min，采用两阶段控制轧制，第一阶段终轧温度≥1000℃，累积压下率≥50％，第二阶段开轧温度≤900℃，累积压下率≥50％；轧后钢板采用喷水冷却，冷却速度≥15℃/s，终冷温度550～650℃。
所述的可大线能量焊接EH420级海洋工程用厚钢板的制备方法，精炼中喂线使钢中尺寸0.5～5μm的夹杂物中，Al-Mg-Ti-Ca-Mn-O-S复合夹杂物数量占10％以上，按质量分数计平均含有：Al 1～40％、Mg 1～40％、Ti 1～40％、Ca 1～40％。
所述的可大线能量焊接EH420级海洋工程用厚钢板的制备方法，优选的，钢板的屈服强度450～550MPa，钢板在200～400kJ/cm焊接线能量下，母材-40℃冲击韧性200～300J，热影响区-40℃冲击韧性100～200J。
本发明的设计思想是：
针对常规EH420级钢板生产工艺流程“转炉-LF-RH-连铸-轧制冷却”，本发明方案在保持常规流程条件下，通过钢板成分的优化、夹杂物的控制以及关键工序环节的改进，实现钢板大线能量焊接性能的显著提升，可行性强，效果显著。
本发明钢板中采用较低C、适量Si、较高Mn的成分组合可以减小冶炼生产难度，并保证钢板焊接性能。配合适量Nb、Cu、Ni合金化，在提高基体强度的同时又可改善大线能量焊接热影响区韧性。更重要地，通过微量合金元素或杂质元素Ti、Al、Mg、Ca、O、N的控制，以及相应的夹杂物的特征的控制，达到大线能量焊接的目的。Al-Mg-Ti-Ca-Mn-O-S复合夹杂物可抑制HAZ奥氏体晶粒的粗化，促进微细TiN析出，并显著促进晶内针状铁素体的生成，提高大线能量焊接HAZ韧性。所述夹杂物尺寸为0.5～5μm时，促进组织细化的效果最佳，并且控制夹杂物的组成为Al 1～40％、Mg 1～40％、Ti 1～40％、Ca 1～40％时，最有利于夹杂物效果的发挥。当Al-Mg-Ti-Ca-Mn-O-S夹杂物形成内部包含镁铝尖晶石结构，外层含有Ca的氧硫化物和Mn的硫化物的空间结构时，其弥散分布条件和促进HAZ组织细化效果最佳。
为稳定获得所述目标夹杂物分布，需按照本发明方案所述制备方法进行冶炼，通过关键工艺和参数的严格控制，达到本发明的目的。为保证钢板的基体力学性能以及夹杂物的均匀分布，对铸坯的加热、轧制和冷却工艺参数进行了特殊限定，以实现钢板强韧性能和大线能量焊接性能的综合提升。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明通过对关键冶炼和生产环节的控制，在钢中形成特殊类型的复合夹杂物分布，与现有大线能量焊接用钢中的夹杂物类型和分布特征不同，所生成的尺寸为0.5～5μm的Al-Mg-Ti-Ca-Mn-O-S夹杂物粒子更加利于微细弥散分布，具有更强的促进晶内针状铁素体形核能力，可显著细化热影响区组织，提高大线能量焊接HAZ低温韧性，克服了现有技术中存在的不足。
2、本发明的技术方案利于推广应用，可满足海洋工程建设对高强度大线能量焊接用厚钢板的迫切需求。
附图说明
图1-图4为实施例钢中典型夹杂物形貌和成分能谱。其中，图1为典型夹杂物形貌和检测位置一；图2为位置一的成分能谱；图3为典型夹杂物形貌和检测位置二；图4为位置二的成分能谱。
具体实施方式
下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。
实施例1
本实施例中，可大线能量焊接EH420级海洋工程用厚钢板，其钢板化学成分按质量分数计包括：C 0.05％，Si 0.2％，Mn 1.7％，P 0.005％，S 0.002％，Nb 0.01％，Ti0.005％，Cu 0.2％，Ni 0.5％，N 0.006％，O 0.001％，Al 0.005％，Mg 0.001％，Ca0.001％，余量为Fe；钢板中尺寸为0.5～5μm的夹杂物中，Al-Mg-Ti-Ca-Mn-O-S复合夹杂物数量占30％；Al-Mg-Ti-Ca-Mn-O-S夹杂物中，按质量分数计平均含有Al 10％、Mg 5％、Ti10％、Ca 8％，其中30％的夹杂物内部含有镁铝尖晶石结构，外层含有Ca的氧硫化物和Mn的硫化物。
上述钢板制备方法包括以下步骤：采用深脱硫铁水和低硫废钢，废钢比≤10％，转炉出钢量在1/3时向钢包中加入硅锰进行脱氧合金化，炉后钢水氧含量为10ppm；在转炉工位加入铌铁、铜板、镍板；LF精炼采用铝粒、碳粉、硅铁粉造白渣，保持时间20min；RH精炼保持真空度80Pa以下纯脱气时间10min，RH精炼后喂钙线100米；精炼中钢水定氧在10ppm时喂入钛线，进一步定氧在5ppm时，喂入镁线和铝线；成分合格钢水浇铸成连铸坯；
连铸坯加热至1150℃，保温240min，采用两阶段控制轧制，第一阶段终轧温度1030℃，累积压下率62％，第二阶段开轧温度890℃，累积压下率60％，钢板厚度40mm；轧后钢板采用喷水冷却，冷却速度20℃/s，终冷温度600℃。
所生产钢板的屈服强度为470MPa，-40℃冲击韧性280J，在200～400kJ/cm焊接线能量下，热影响区-40℃冲击韧性100～200J。
实施例2
本实施例中，可大线能量焊接EH420级海洋工程用厚钢板，其钢板化学成分按质量分数计包括：C 0.08％，Si 0.3％，Mn 1.5％，P 0.001％，S 0.004％，Nb 0.03％，Ti0.015％，Cu 0.4％，Ni 0.3％，N 0.005％，O 0.003％，Al 0.01％，Mg 0.0005％，Ca0.005％，余量为Fe；钢板中尺寸为0.5～5μm的夹杂物中，Al-Mg-Ti-Ca-Mn-O-S复合夹杂物数量占40％；Al-Mg-Ti-Ca-Mn-O-S夹杂物中，按质量分数计平均含有Al 12％、Mg 6％、Ti15％、Ca 10％，其中40％的夹杂物内部含有镁铝尖晶石结构，外层含有Ca的氧硫化物和Mn的硫化物。
上述钢板制备方法包括以下步骤：采用深脱硫铁水和低硫废钢，废钢比≤10％，转炉出钢量在1/2时向钢包中加入硅锰进行脱氧合金化，炉后钢水氧含量为150ppm；在转炉工位加入铌铁、铜板、镍板；LF精炼采用铝粒、碳粉、硅铁粉造白渣，保持时间15min；RH精炼保持真空度90Pa以下纯脱气时间8min，RH精炼后喂钙线200米；精炼中钢水定氧在200ppm时喂入钛线，进一步定氧在50ppm时，喂入镁线和铝线；成分合格钢水浇铸成连铸坯；
连铸坯加热至1220℃，保温120min，采用两阶段控制轧制，第一阶段终轧温度1050℃，累积压下率57％，第二阶段开轧温度880℃，累积压下率55％，钢板厚度50mm；轧后钢板采用喷水冷却，冷却速度16℃/s，终冷温度630℃。
所生产钢板的屈服强度为465MPa，-40℃冲击韧性275J，在200～400kJ/cm焊接线能量下，热影响区-40℃冲击韧性100～200J。
实施例3
本实施例中，可大线能量焊接EH420级海洋工程用厚钢板，其钢板化学成分按质量分数计包括：C 0.12％，Si 0.1％，Mn 1.0％，P 0.01％，S 0.005％，Nb 0.04％，Ti0.025％，Cu 0.5％，Ni 0.5％，N 0.001％，O 0.001％，Al 0.025％，Mg 0.005％，Ca0.0005％，余量为Fe；钢板中尺寸为0.5～5μm的夹杂物中，Al-Mg-Ti-Ca-Mn-O-S复合夹杂物数量占50％；Al-Mg-Ti-Ca-Mn-O-S夹杂物中，按质量分数计平均含有Al 15％、Mg 7％、Ti10％、Ca 5％，其中50％的夹杂物内部含有镁铝尖晶石结构，外层含有Ca的氧硫化物和Mn的硫化物。
上述钢板制备方法包括以下步骤：采用深脱硫铁水和低硫废钢，废钢比≤10％，转炉出钢量在2/3时向钢包中加入硅锰进行脱氧合金化，炉后钢水氧含量为200ppm；在转炉工位加入铌铁、铜板、镍板；LF精炼采用铝粒、碳粉、硅铁粉造白渣，保持时间15min；RH精炼保持真空度70Pa以下纯脱气时间8min，RH精炼后喂钙线200米；精炼中钢水定氧在100ppm时喂入钛线，进一步定氧在10ppm时，喂入镁线和铝线；成分合格钢水浇铸成连铸坯；
连铸坯加热至1260℃，保温30min，采用两阶段控制轧制，第一阶段终轧温度1100℃，累积压下率54％，第二阶段开轧温度900℃，累积压下率50％，钢板厚度60mm；轧后钢板采用喷水冷却，冷却速度15℃/s，终冷温度550℃。
所生产钢板的屈服强度为525MPa，-40℃冲击韧性260J，在200～400kJ/cm焊接线能量下，热影响区-40℃冲击韧性100～200J。
如图1-图4所示，从实施例钢中典型夹杂物形貌和成分能谱可以看出，所示夹杂物类型为Al-Mg-Ti-Ca-Mn-O-S复合夹杂物，内部含有镁铝尖晶石结构，外层含有Ca的氧硫化物和Mn的硫化物，夹杂物促进了针状铁素体的形核生成。
实施例结果表明，本发明钢板中夹杂物粒子利于微细弥散分布，具有更强的促进针状铁素体形核能力，可显著提高大线能量焊接低温韧性。

Claims (3)

1.一种可大线能量焊接EH420级海洋工程用厚钢板的制备方法，其特征在于，可大线能量焊接EH420级海洋工程用厚钢板，其钢板化学成分按质量分数计包括：C 0.05％，Si0.2％，Mn 1.7％，P 0.005％，S 0.002％，Nb 0.01％，Ti 0.005％，Cu 0.2％，Ni 0.5％，N0.006％，O 0.001％，Al 0.005％，Mg 0.001％，Ca 0.001％，余量为Fe；钢板中尺寸为0.5～5μm的夹杂物中，Al-Mg-Ti-Ca-Mn-O-S复合夹杂物数量占30％；Al-Mg-Ti-Ca-Mn-O-S夹杂物中，按质量分数计平均含有Al 10％、Mg 5％、Ti 10％、Ca 8％，其中30％的夹杂物内部含有镁铝尖晶石结构，外层含有Ca的氧硫化物和Mn的硫化物；
上述钢板制备方法包括以下步骤：采用深脱硫铁水和低硫废钢，废钢比≤10％，转炉出钢量在1/3时向钢包中加入硅锰进行脱氧合金化，炉后钢水氧含量为10ppm；在转炉工位加入铌铁、铜板、镍板；LF精炼采用铝粒、碳粉、硅铁粉造白渣，保持时间20min；RH精炼保持真空度80Pa以下纯脱气时间10min，RH精炼后喂钙线100米；精炼中钢水定氧在10ppm时喂入钛线，进一步定氧在5ppm时，喂入镁线和铝线；成分合格钢水浇铸成连铸坯；
连铸坯加热至1150℃，保温240min，采用两阶段控制轧制，第一阶段终轧温度1030℃，累积压下率62％，第二阶段开轧温度890℃，累积压下率60％，钢板厚度40mm；轧后钢板采用喷水冷却，冷却速度20℃/s，终冷温度600℃；
所生产钢板的屈服强度为470MPa，-40℃冲击韧性280J，在200～400kJ/cm焊接线能量下，热影响区-40℃冲击韧性100～200J。
2.一种可大线能量焊接EH420级海洋工程用厚钢板的制备方法，其特征在于，可大线能量焊接EH420级海洋工程用厚钢板，其钢板化学成分按质量分数计包括：C 0.08％，Si0.3％，Mn 1.5％，P 0.001％，S 0.004％，Nb 0.03％，Ti 0.015％，Cu 0.4％，Ni 0.3％，N0.005％，O 0.003％，Al 0.01％，Mg 0.0005％，Ca 0.005％，余量为Fe；钢板中尺寸为0.5～5μm的夹杂物中，Al-Mg-Ti-Ca-Mn-O-S复合夹杂物数量占40％；Al-Mg-Ti-Ca-Mn-O-S夹杂物中，按质量分数计平均含有Al 12％、Mg 6％、Ti 15％、Ca 10％，其中40％的夹杂物内部含有镁铝尖晶石结构，外层含有Ca的氧硫化物和Mn的硫化物；
上述钢板制备方法包括以下步骤：采用深脱硫铁水和低硫废钢，废钢比≤10％，转炉出钢量在1/2时向钢包中加入硅锰进行脱氧合金化，炉后钢水氧含量为150ppm；在转炉工位加入铌铁、铜板、镍板；LF精炼采用铝粒、碳粉、硅铁粉造白渣，保持时间15min；RH精炼保持真空度90Pa以下纯脱气时间8min，RH精炼后喂钙线200米；精炼中钢水定氧在200ppm时喂入钛线，进一步定氧在50ppm时，喂入镁线和铝线；成分合格钢水浇铸成连铸坯；
连铸坯加热至1220℃，保温120min，采用两阶段控制轧制，第一阶段终轧温度1050℃，累积压下率57％，第二阶段开轧温度880℃，累积压下率55％，钢板厚度50mm；轧后钢板采用喷水冷却，冷却速度16℃/s，终冷温度630℃；
所生产钢板的屈服强度为465MPa，-40℃冲击韧性275J，在200～400kJ/cm焊接线能量下，热影响区-40℃冲击韧性100～200J。
3.一种可大线能量焊接EH420级海洋工程用厚钢板的制备方法，其特征在于，可大线能量焊接EH420级海洋工程用厚钢板，其钢板化学成分按质量分数计包括：C 0.12％，Si0.1％，Mn 1.0％，P 0.01％，S 0.005％，Nb 0.04％，Ti 0.025％，Cu 0.5％，Ni 0.5％，N0.001％，O 0.001％，Al 0.025％，Mg 0.005％，Ca 0.0005％，余量为Fe；钢板中尺寸为0.5～5μm的夹杂物中，Al-Mg-Ti-Ca-Mn-O-S复合夹杂物数量占50％；Al-Mg-Ti-Ca-Mn-O-S夹杂物中，按质量分数计平均含有Al 15％、Mg 7％、Ti 10％、Ca 5％，其中50％的夹杂物内部含有镁铝尖晶石结构，外层含有Ca的氧硫化物和Mn的硫化物；
上述钢板制备方法包括以下步骤：采用深脱硫铁水和低硫废钢，废钢比≤10％，转炉出钢量在2/3时向钢包中加入硅锰进行脱氧合金化，炉后钢水氧含量为200ppm；在转炉工位加入铌铁、铜板、镍板；LF精炼采用铝粒、碳粉、硅铁粉造白渣，保持时间15min；RH精炼保持真空度70Pa以下纯脱气时间8min，RH精炼后喂钙线200米；精炼中钢水定氧在100ppm时喂入钛线，进一步定氧在10ppm时，喂入镁线和铝线；成分合格钢水浇铸成连铸坯；
连铸坯加热至1260℃，保温30min，采用两阶段控制轧制，第一阶段终轧温度1100℃，累积压下率54％，第二阶段开轧温度900℃，累积压下率50％，钢板厚度60mm；轧后钢板采用喷水冷却，冷却速度15℃/s，终冷温度550℃；
所生产钢板的屈服强度为525MPa，-40℃冲击韧性260J，在200～400kJ/cm焊接线能量下，热影响区-40℃冲击韧性100～200J。
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