CN109576585A - 一种大型集装箱船用eh47止裂钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种大型集装箱船用EH47止裂钢，该钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.03～0.06％，Si：0.15～0.50％，Mn：1.50～2.00％，P：≤0.008％，S：≤0.0050％，Nb：0.050～0.080％，V：0.020～0.050％，Ti：0.008～0.020％，Ni：0.80～1.30％，Cr：0.10～0.30％，Cu：0.10～0.30％，钢板的制造工艺流程为冶炼→连铸→再加热→TMCP轧制→控冷。钢板全厚度上获得了细小均匀的针状铁素体，钢板强度适中，韧性优异，具有良好的抗脆断性能‑60℃CTOD特征值δu≥0.15mm，止裂性能优异‑10℃Kca≥6500N/mm3/2。

Description

一种大型集装箱船用EH47止裂钢及其制造方法
技术领域
本发明属于钢铁冶金领域，具体涉及一种大型集装箱船用EH47止裂钢及其制备方法。
背景技术
世界经济的发展和贸易的增长，促进了航运行业的迅速发展，加快了船舶制造行业的发展，集装箱船正朝着大型化方向快速发展。10000TEU的超大型集装箱船已广泛使用，18000-23000TEU超大型集装箱船已进入实船建造阶段。集装箱运输船的日益大型化和超大型化要求在建造过程中使用高强度厚板以保证船体结构的强度和刚度，但同时高强度厚板较低的抗开裂性能会导致结构的低应力脆性断裂倾向增大，为结构的安全可靠性埋下隐患。为避免脆性断裂所导致的灾难性破坏，要求高强度钢厚板在满足强度和刚度指的同时还应具有良好的止裂能力，即钢板应具有将快速扩展的裂纹迅速止住的能力。
出于对船体结构及安全的考虑，2013年国际船级社协会(IACS)及一些船级社借鉴日本的开发经验，专门针对大型集装箱船舶关键部位制定了47公斤级的集装箱船用钢板标准，并将ESSO试验和双重拉伸等脆性断裂试验列为检验钢板止裂性能的方法，并纳入船级社规范，要求在集装箱船的一些关键部位，如主甲板、舷顶列板、舱口围板等部位采用具备止裂性能的EH47钢板。
经检索，涉及大型船舶用止裂钢专利如下：
中国专利CN101307412A，公开了一种“脆性龟裂传播停止特性和板厚中央部的韧性优异的钢板及其制造方法”。该钢板除了常规合金元素外，还加入特殊的如Mo、REM、B等元素，这些元素目前还未正式纳入船用EH47钢船级社规范中。
中国专利CN101341269A“止裂性优良的高强度厚钢板“主要通过控制钢板在厚度方向的组织、晶界密度和织构的差异，使钢板在开裂时不同厚度位置裂纹扩展方向产生差异，从而使裂纹的扩展阻力增加来提高钢板的止裂性能。但实质是其生产的厚板冷却能力不够，板厚1/2处位置组织晶粒尺寸增大，这种组织对强韧性不利，对钢板的止裂性也产生负面影响。这种方法未从根本上对1/2位置的韧性组织进行改善。
中国专利CN102994874A“屈服强度500Ma级高止裂韧性钢板及其生产方法”公开了一种通过粗轧后再快速冷却到Ar3相变点附近进行精轧的方法来细化晶粒,阻止裂纹扩展的方法。但该方法是采用低温冲击韧性和NDT韧脆转变温度来衡量钢板的止裂性能,不具备科学性和严谨性,只能说明钢板的韧性较或者抗脆断性能好,不能证明钢板的止裂性能优异，而只有ESSO试验或双重拉伸试验才是国际认可的衡量钢板止裂性能的标准试验。
因此，现有技术还不能完全满足EH47钢所具备高强度、高冲击韧性、止裂性能要求。为了降低成本，保证钢板在使用过程中的性能稳定性及使用安全性，需要综合考虑钢板的高强度、塑性、低温韧性、应变时效性能及其成分、工艺的关系进行合理配套研究与分析，需开发一种大型集装箱船用EH47止裂钢。
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厚度介于50mm～85mm的大型集装箱船用EH47止裂钢及其制备方法。该钢板具有高的韧性值、抗低温应变时效性能，良好的焊接性能，抗脆断性能等，并且良好的止裂性能。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种大型集装箱船用EH47止裂钢，钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.03～0.06％，Si：0.15～0.50％，Mn：1.50～2.00％，P：≤0.0080％，S：≤0.0050％，Nb：0.050～0.080％，V：0.020～0.050％，Ti：0.008～0.020％，Ni：0.80～1.30％，Cr：0.10～0.30％，Cu：0.10～0.30％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
进一步优选地，钢板的化学成分按质量百分比为C：0.04％，Si：0.25％，Mn：1.85％，P：≤0.0070％，S：≤0.0020％，Nb：0.055％，V：0.025％，Ti：0.017％，Ni：1.00％，Cr：0.15％，Cu：0.15％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的加入可以显著提高厚板钢的强度，但是C含量过多不利于钢的低温冲击性能、低温应变时效性能、焊接性能以及耐蚀性能，考虑到本发明采取轧后强冷工艺，所以本发明中碳含量控制在0.03～0.06％。
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，必须在0.15％以上，但若超过0.50％以上又会造成厚度1/2处偏析以及破坏焊接性能，所以规定其上限为0.50％。
Mn在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。当锰的含量较低，上述作用不显著，钢板强度和韧性偏低等。过高则又会引起连铸坯偏析、韧性差和可焊性降低等，故本发明中考虑到为低碳成分，以及厚板生产，规定锰加入量介于1.50～2.00％的范围内。
Nb的溶质拖曳作用和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。通常添加量不小于0.020％，但是考虑到目标组织为针状铁素体，需提高Nb的加入量，过高对焊接韧性不利，同时会显著增加成本。因此，本发明规定铌含量介于0.050～0.080％的范围内。
V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。在TMCP钢中，V易形成粒状贝氏体。因此，本发明规定钒含量介于0.020～0.050％的范围内。
Ti是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/焊接过程中晶粒长大，改善母材和焊接热影响区的韧性。钛低于0.008％时，固氮效果差，超过0.03％时，固氮效果达到饱和，过剩的钛会使钢的韧性恶化。当钢中的Ti、N原子之比为1：1时，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，而且能够实现30KJ/cm以上的大线能量焊接。此时相于Ti、N重量之比为3.42，Ti的微量加入也可以提升钢材的耐蚀性，本发明规定最小为0.008％，上限为0.020％。
Ni是提高钢强度的元素，也是有效提高钢的低温韧性的最常用元素。此外，与钢中Cr、P复合作用，将有助于提高钢的耐腐蚀性，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0.80～1.30％。
Cr、Cu是能够抑制多边形铁素体和珠光体的形成，促进针状铁素体的转变，提高钢的强度。但Cr含量过高将影响钢的韧性，并引起回火脆性，Cu含量过高易形成表面裂纹，同时显著增加成本。故本发明中铬、铜含量控制在0.10～0.30％。
Ni、Cr、以及钢中的P复合可以有效提高钢板的耐蚀性能。
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0.0080％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，本发明控制其含量在0.0050％以下。
本申请的另一目的是提供一种大型集装箱船用EH47止裂钢的制造方法，步骤如下
(1)钢水冶炼包括依次进行的KR铁水预处理，深脱硫，使硫含量低于0.0020％，扒渣干净，转炉采用双渣法脱P，出钢过程进行15～20min吹氩气，进行RH精炼、LF精炼、RH精炼，其中RH真空保持20min以上；之后连铸，板坯连铸过程中过热度保持在10～20℃，连铸拉坯速度0.50～0.80m/min。，连铸坯厚度300mm以上，对连铸坯进行缓冷、表面清理、将较长的连铸坯火焰切割成预设尺寸；
(2)将切割好的坯料在步进炉中加热，加热速率10～15cm/min，预热段最高温度≤650℃，预热段时间2h，加热一段温度1000～1180℃，加热一段时间2h，加热二段温度1200～1220℃，均热段温度1180～1200℃，加热二段和均热段总时间2～4h；
(3)坯料出炉后经除鳞系统压力不小于20Mpa高压水除鳞，然后进行两阶段轧制：第一阶段轧制为粗轧，第二阶段轧制为精轧，粗轧轧成的中间坯在中间待温过程中进行中间多次来回ACC冷却，使中间坯冷速速度为2～5℃/s，并控制中间板坯表面终冷温度不低于900℃；
(4)轧制结束后直接进行预矫直；
(5)预矫直后的钢板进行超快冷，冷却速度为10-15℃/s，钢板终冷温度300～450℃，随后堆垛冷却。
优选地，本申请采用TMCP方式轧制钢板，步骤(3)中，设置粗轧的开轧温度在1050～1150℃的范围，粗轧目标厚度≥2H，H为钢板成品厚度，粗轧单道次压下量为40～60mm；设置精轧的开轧温度在780～840℃的范围，精轧中单道次压下率最大为20％，终轧厚度为50mm～85mm。
本申请通过细化晶粒使晶界增多，增加了裂纹扩展难度，从而增加钢板的止裂性。本发明为了细化最终晶粒，除了采取添加或提高有效细化元素外，进一步控制工艺：1)相对低温出钢，控制奥氏体晶粒尺寸，2)对粗轧和精轧之间的中间坯进行快速冷却，并控制冷却速度，3)轧后的钢板采用超快冷工艺，对钢板进行大冷却速度的强制冷却，4)较低的终冷温度。最终保证TMCP钢板上全厚度的上无组织梯度的均匀细小的针状铁素体组织。
与现有技术相比，本发明的特点在于：
1、通过低C、P、S、V控制，避免钢坯连铸过程中中心偏析带来的负面作用。
2、钢中高Ni含量加入，有效的细化晶粒，配合高Mn增加了钢板的淬透性，弥补了因为了提高钢板韧性降C导致的强度不足。提高了形成针状铁素体的机率。
3、TMCP工艺生产特厚板是生产效率更高的方法，通过设置中间坯快速冷却、轧后采用超快冷冷却工艺，抑制晶粒长大，达到细化晶粒的目的，提高强度和板坯心部的韧性，比同规格同种产品其它交货方式，如热轧、控轧、正火等相比，无需添加细化晶粒的合金元素，可以显著降低碳当量，使钢板具有易焊接性。
4、坯料出炉后经除鳞系统压力不小于20Mpa高压水除鳞，去除氧化皮，有效避免了因高Ni、Nb含量以及Cr、Si对钢板表面质量的影响，提高了钢板表面质量。
5、在粗轧和精轧过程中对中间坯进行快速冷却，能够缩短板坯的中间待温时间，对于工业来讲，非常重要，不仅提高了生产节奏，而且进一步限定了冷却速度在2～5℃/s，冷却速度过大，会使最钢板距上表处数十毫米之内强度过高，导致钢板厚度方向上性能不均匀；中间坯冷却过弱，待温时间减少不明显。
综上，本申请的大型集装箱船用EH47止裂钢，属于TMCP轧制的厚度为50mm～85mm的大厚度钢板，在厚度方向组织均匀、不存在明显的梯度组织，钢板全厚度为细小均匀的针状铁素体。在满足常规力学性能EH47级的基础上，在厚度1/2处强度、冲击性能仍然保持优异性，还具有优异的-60℃低温韧性、抗低温应变时效性能、抗脆断性能等。具体性能为：钢板屈服强度横向拉伸性能：506～535MPa，抗拉强度：595～624MPa，屈强比0.84～0.88；钢板表面与钢板1/2厚度处的拉伸性能差小于20MPa；-60℃纵向冲击韧性值≥250J；应变时效后，-40℃冲击韧性值仍保持200J以上；抗脆断性能满足：-60℃CTOD特征值u≥0.15mm，止裂性能满足：-10℃Kca≥6500N/mm3/2。完全满足海洋工程用钢高强度、高冲击韧性、耐腐蚀性、抗低温和止裂性等综合性能要求。具有生产工艺稳定，易于批量化生产。
附图说明
图1为本发明实施例1中钢板厚度方向1/4处典型组织；
图2为本发明实施例1中钢板厚度方向1/2处典型组织。
图3为本发明实施例1中钢板经宽板拉伸后钢板断口形貌。
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。
本发明各实施例所对应的一种大型集装箱船用EH47止裂钢的化学成分见表1，表中数据为各元素的质量百分比含量，剩余为Fe及不可避免的杂质元素，其中实施例1、2对应炉号S11702048，实施例3、4对应炉号S11702049。
表1
钢板的制造工艺：
冶炼连铸工艺：按化学成分计算好添加原料，冶炼原料经KR铁水预处理，深脱硫，使硫含量低于0.0020％，扒渣干净，转炉采用双渣法脱P，出钢过程进行15～20min吹氩气，进行RH精炼、LF精炼、RH精炼：RH真空保持20min以上；之后连铸，板坯连铸过程中过热度保持在10～20℃，连铸拉坯速度0.50～0.80m/min，连铸坯厚度为370mm；
轧制工艺：将切割好的坯料在步进炉中加热，加热速率10～15cm/min，预热段最高温度≤650℃，预热段时间2h，加热一段温度1000～1180℃，加热一段时间2h，加热二段温度1200～1220℃，均热段温度1180～1200℃，加热二段和均热段总时间2～4h；
坯料出炉后经除鳞系统除鳞，采用压力不小于20Mpa高压水除鳞，然后进行两阶段轧制；第一阶段轧制为粗轧，开轧温度在1050～1150℃的范围，粗轧目标厚度≥2H(H为钢板成品厚度)，单道次压下量介于40-60mm；中间待温时，进行中间两次来回ACC冷却，控制中间坯冷速速度2-5℃/s，中间板坯表面终冷温度≥900℃，第二阶段轧制为精轧，开轧温度在780～840℃的范围，道次压下率最大为20％；轧制完成之后进预矫直机进行矫直；预矫直后的钢板进行超快冷，控制冷却速度为10-15℃/s，钢板终冷温度300～450℃，随后堆垛冷却。
各实施例对应的轧制具体工艺如表2所示
表2
各实施例的轧后冷却工艺如表3所示
表3
按照上述各实施例的制造工艺制得的钢板，其拉伸性能见表4。从实施例对应EH47钢的拉伸性能来看，钢板屈服强度横向拉伸性能介于506～535MPa之间，抗拉强度介于595～624MPa之间，屈强比介于0.84～0.88之间，延伸率适中。实施例钢板1/2厚度处拉伸性能与钢板1/2厚度处的性能不大，强度差小于20MPa。实施例钢板的低温冲击韧性如表4所示，-60℃纵向冲击韧性值≥250J。
表4
各实施例钢板的低温时效冲击性能如表5所示，试样-40℃纵向冲击值稳定在≥200J以上。
表5
对实施例1、2进行全厚度CTOD试验，实施例1试验温度-40℃，实施例2试验温度-60℃结果如表6所示。虽然该钢设计温度为-10℃，但是其-60℃CTOD特征值仍能保持在0.15mm以上。具备显著的抗脆断性能。
表6
对实施例1、2按照《船用高强度钢厚板检验指南2016》进行宽板拉伸止裂试验，4块试验板经拟合曲线评定，-10℃Kca为6671N/mm3/2，止裂性能优异。
综上，本申请开发了一种低合金元素含量的EH47止裂钢，通过细化晶粒使获得的EH47钢同时具有强度、心部韧性、抗脆断性能、止裂性能。

Claims (10)

1.一种大型集装箱船用EH47止裂钢，其特征在于：该钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.03～0.06％，Si：0.15～0.50％，Mn：1.50～2.00％，P：≤0.0080％，S：≤0.0050％，Nb：0.050～0.080％，V：0.020～0.050％，Ti：0.008～0.020％，Ni：0.80～1.30％，Cr：0.10～0.30％，Cu：0.10～0.30％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的大型集装箱船用EH47止裂钢，其特征在于：该钢板的化学成分按质量百分比为C：0.04％，Si：0.25％，Mn：1.85％，P：≤0.0070％，S：≤0.0020％，Nb：0.055％，V：0.025％，Ti：0.017％，Ni：1.00％，Cr：0.15％，Cu：0.15％余量为Fe及不可避免的杂质元素。
3.根据权利要求1所述的大型集装箱船用EH47止裂钢，其特征在于：属于TMCP轧制的厚度为50mm～85mm的大厚度钢板，在厚度方向组织均匀、不存在明显的梯度组织，钢板全厚度为细小均匀的针状铁素体。
4.一种大型集装箱船用EH47止裂钢，其特征在于：钢板屈服强度横向拉伸性能：506～535MPa，抗拉强度：595～624MPa，屈强比0.84～0.88；钢板表面与钢板1/2厚度处的拉伸性能差小于20MPa；-60℃纵向冲击韧性值≥250J；应变时效后，-40℃冲击韧性值仍保持200J以上；抗脆断性能满足：-60℃CTOD特征值u≥0.15mm，止裂性能满足：-10℃Kca≥6500N/mm3/2。
5.一种大型集装箱船用EH47止裂钢的制造方法，其特征在于：步骤如下
(1)钢水冶炼，由板坯连铸机连铸成300mm以上厚度的坯料，将坯料切割成预设尺寸；
(2)将切割好的坯料再加热，设置均热段温度1180～1200℃；
(3)坯料出炉后经除鳞系统压力不小于20Mpa高压水除鳞，然后进行两阶段轧制：第一阶段轧制为粗轧，第二阶段轧制为精轧，粗轧轧成的中间坯在中间待温过程中进行中间多次来回ACC冷却，使中间坯冷速速度为2～5℃/s，并控制中间板坯表面终冷温度不低于900℃；
(4)轧制结束后直接进行预矫直；
(5)预矫直后的钢板进行超快冷，冷却速度为10-15℃/s，钢板终冷温度300～450℃，随后堆垛冷却。
6.根据权利要求5所述的一种大型集装箱船用EH47止裂钢的制造方法，其特征在于：所述钢水冶炼包括依次进行KR铁水预处理，深脱硫，使硫含量低于0.0020％，扒渣干净，转炉采用双渣法脱P，出钢过程进行15～20min吹氩气，进行RH精炼、LF精炼、RH精炼，其中RH真空保持20min以上；之后连铸，板坯连铸过程中过热度保持在10～20℃，连铸拉坯速度0.50～0.80m/min。
7.根据权利要求5所述的一种大型集装箱船用EH47止裂钢的制造方法，其特征在于：步骤(2)中，将切割好的坯料在步进炉中加热，加热速率10～15cm/min，预热段最高温度≤650℃，预热段时间2h，加热一段温度1000～1180℃，加热一段时间2h，加热二段温度1200～1220℃，均热段温度1180～1200℃，加热二段和均热段总时间2～4h。
8.根据权利要求5所述的一种大型集装箱船用EH47止裂钢的制造方法，其特征在于：步骤(3)中，设置粗轧的开轧温度在1050～1150℃的范围，粗轧目标厚度≥2H，H为钢板成品厚度，粗轧单道次压下量为40-60mm；设置精轧的开轧温度在780～840℃的范围，精轧中单道次压下率最大为20％，终轧厚度为50mm～85mm。
9.根据权利要求5所述的一种大型集装箱船用EH47止裂钢的制造方法，其特征在于：钢水冶炼的最终化学成分为C：0.03～0.06％，Si：0.15～0.50％，Mn：1.50～2.00％，P：≤0.0080％，S：≤0.0050％，Nb：0.050～0.080％，V：0.020～0.050％，Ti：0.008～0.020％，Ni：0.80～1.30％，Cr：0.10～0.30％，Cu：0.10～0.30％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
10.根据权利要求5所述的一种大型集装箱船用EH47止裂钢的制造方法，其特征在于：所制得的EH47止裂钢钢板的组织主要由针状铁素体组成；钢板屈服强度横向拉伸性能：506～535MPa，抗拉强度：595～624MPa，屈强比0.84～0.88；钢板表面与钢板1/2厚度处的拉伸性能差小于20MPa；-60℃纵向冲击韧性值≥250J；应变时效后，-40℃冲击韧性值仍保持200J以上；抗脆断性能满足：-60℃CTOD特征值u≥0.15mm，止裂性能满足：-10℃Kca≥6500N/mm3/2。
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