CN109628828A

CN109628828A - 一种低屈强比超厚水电高强度钢板及其制造方法

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Publication number: CN109628828A
Application number: CN201811608959.8A
Authority: CN
Inventors: 丁庆丰; 许晓红; 白云; 李经涛; 杨宏伟
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2019-04-16
Anticipated expiration: 2038-12-27
Also published as: CN109628828B

Abstract

本发明涉及一种低屈强比超厚水电高强度钢板，化学成分按质量百分比计为C：0.03～0.08％、Si：0.05～0.35％、Mn：0.60～1.00％、P≤0.012％、S≤0.005％、Cr：0.50～1.00％、Ni：0.10～0.30％、V：0.12～0.18％、B：0.0010～0.0020％，余量为Fe及不可避免的杂质元素，满足：Ceq≤0.42％，Pcm≤0.20％。工艺流程：连铸→铸坯加热→控制轧制→在线淬火→探伤→回火。本发明钢采用C+Mn+Cr+V成分设计，成分更简单，Ceq、Pcm值较低，焊接性较好；同时采用在线淬火+离线回火工艺，充分发挥淬透性元素促进贝氏体、马氏体组织的形成，缩短待温时间，抑制晶粒度长大，同时有助于节省加热能耗，缩短生产周期。

Description

一种低屈强比超厚水电高强度钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及特种钢材的制造工艺，具体涉及一种低屈强比的水电钢板的制造方法。

背景技术

我国水力发电占国内能源结构的第二位，近些年，水力发电以污染小、可持续发展等优势得到快速发展，国内各大江大河上各种大型、特大型水电站发展迅速，水电站容量和水头压力越来越大。水电站用压力钢管、蜗壳、岔管等对钢材需求日益扩大，对其强度、韧性等提出了更严格要求。600MPa调质水电站压力钢管用钢如07MnMoVR、WDL610D2、WDB620等国内牌号钢种因强度低，导致钢板厚度增加，野外现场焊接施工困难，已不适合特大型高水头水电站的要求，而800MPa钢强度碳当量高，焊接性较差，焊前需预热导致施工焊接环境恶劣。目前水电站压力钢管急需一种强度和焊接性具有较匹配的钢种，解决其壁厚较厚的问题。

申请号(CN201310269680.2)的专利文件公开了一种800MPa级水电站压力管道用高强度钢及其生产方法，该钢抗拉强度超过780MPa，可大大减薄压力钢管的壁厚，但该钢采用淬火+回火工艺生产，且添加了贵重合金元素Mo、Nb等，碳当量较高，焊接性较差，对焊接要求较高，且工艺流程长，生产成本较高。

申请号(CN201510188306.9)的专利文件公开了一种屈服620MPa级水电工程用热轧钢板及其生产方法，其通过两阶段控轧控冷加回火工艺来生产，抗拉强度超过700MPa，但其采用300mm厚坯料生产实际厚度仅为40mm厚钢板，不属于超厚钢板，且贵重元素Ni含量达到0.35％，Nb含量超过0.04％，生产成本较高。

申请号(CN103045965A)的专利文件公开了600MPa级水电压力钢管用钢板，利用TMCP工艺将250mm厚铸坯轧制成厚度不超过80mm的钢板，然后回火处理得到-20℃冲击韧性优良的水电压力钢管用钢板。但其强度较低，在特大型水电站中应用必然导致壁厚增加，给焊接造成很大困难。

综上所述，现有水电站压力钢管用钢板及同级别超厚钢板存在屈强比高、焊接性较差、工艺流程长、生产成本高等问题，给特大型水电站现场制造、施工、焊接等带来较大困难，无法满足新建的大型、特大型水电站的要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术提供一种低成本、低屈强比超厚水电高强度钢，采用低碳低锰高Cr高V并辅以B、Ni微合金化的成分体系和在线淬火+离线回火工艺生产，成品厚度为80～150mm，钢板具有高强度、低屈强比、优异低温韧性、低碳当量、优良焊接性能等特点，且生产工艺流程短，生产能耗低，适合批量生产。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种低屈强比超厚水电高强度钢板，化学成分按质量百分比计为C：0.03～0.08％、Si：0.05～0.35％、Mn：0.60～1.00％、P≤0.012％、S≤0.005％、Cr：0.50～1.00％、Ni：0.10～0.30％、V：0.12～0.18％、B：0.0010～0.0020％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。并满足：

Ceq＝C+Si/24+Mn/6+Cr/5+Mo/4+V/14≤0.42％，

Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.20％。

本申请80～150mm厚的水电钢板产品的机械性能满足：屈服强度R_eL≥560MPa，抗拉强度R_m≥700MPa，延伸率A≥18％，屈强比≤0.83，横向冲击功-20℃KV₂≥60J；5％应变时效冲击功-20℃KV₂≥47J。1/4处金相组织，主要为贝氏体+铁素体。

为实现本发明的生产目的，使超厚水电站用高强钢板满足低屈强比、优异低温韧性、低碳当量、优良焊接性能等特性，本发明中C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、V、B等元素的限定理由阐述如下：

碳：过量的C将降低钢板的低温韧性，恶化其焊接性，但其可明显提高钢板强度。碳含量越低，钢的低温韧性越好。较低的碳含量可促使在轧制过程中奥氏体附近形成较多的“无碳区”，促进奥氏体向含有高密度位错的贝氏体转变，进一步提高钢的低温韧性。C的含量为0.03～0.08％。

锰：提Mn降C是提高钢板强度、改善其低温韧性的重要手段，但Mn含量过高，将显著加重铸坯中心偏析，影响钢板低温韧性，同时显著提高钢的碳当量和恶化其焊接性。Mn的含量为0.60％～1.00％。

磷和硫：P、S是不可避免的杂质元素，对钢板的成型性、腐蚀性、低温韧性都有影响，其含量越低越好，P的含量≤0.012％，S的含量≤0.005％。

铬：Cr可明显提高钢的淬透性并有二次硬化的作用，使淬火钢在回火后具有优良的综合性能和稳定的回火稳定性。过量的Cr将降低钢的塑性，降低钢的伸长率和断面收缩率。Cr的含量为0.50～1.00％。

镍：Ni可降低钢的低温韧脆转变温度，改善钢的低温韧性，但过多加入Ni会使成本增加，Ni的含量为0.10～0.30％。

钒：V与C、N结合形成V(C、N)化合物，降低钢中的自由氮含量，提高钢的应变时效性能。V(C、N)奥氏体晶界铁素体沉淀析出，在轧制过程中抑制奥氏体的再结晶并组织晶粒长大，从而细化铁素体晶粒，提高钢的强度和韧性。在高温回火情况下，V(C、N)弥散析出，可起到沉淀强化作用，进一步提高钢的强度和韧性。V的含量为0.12～0.18％。

硼：微量B元素可显著提高钢板的淬透性，对淬火态厚钢板来说，B的加入可明显促进马氏体或贝氏体形成，从而提高其强度。但过量的B会在钢中奥氏体晶界析出而产生热脆现象。B的含量为0.0010～0.0020％。

本申请的低屈强比超厚水电高强度钢板的生产工艺流程(以连铸坯为例)：高炉铁水→铁水KR处理→150t氧气转炉冶炼→LF钢包炉精炼→RH真空炉处理→连铸→铸坯加热→控制轧制→在线淬火→探伤→回火→检验；

主要工艺参数如下：

1)冶炼：高炉铁水经KR脱硫，再经氧气转炉进行冶炼，控制[P]≤0.010％，[C]≤0.04％。在钢包炉精炼处理，并同时加入铬铁、钒铁、镍铁、锰铁等合金，将成分调整至目标值，同时[S]≤0.004％。再在RH真空炉进行精炼，在真空处理1个循环后添加硼铁。

2)连铸：采用匹配的拉速与温度，采用全程保护浇注、电磁搅拌技术等生产厚度在450mm及以上规格的铸坯，铸坯堆垛缓冷48小时，铸坯温度低于300℃转入下一工序。

3)轧制：将铸坯加热至1170～1250℃，在炉时间为0.6～1.2min/mm×板厚mm，出炉后采用高压水将铸坯表面氧化铁皮除尽(除鳞)；采用两阶段的控制轧制：控制I阶段终轧温度在970～1010℃，前3道次压下量≥35mm；控制II阶段开轧温度为≤930℃，终轧温度为900～920℃，控制末道次压下量不超过5mm，控制后两道次轧制时不浇水，保持钢板平直度，轧制成80～150mm厚钢板。

4)在线淬火：阶段终轧结束后立即进行温矫，温矫后钢板温度控制在890～910℃，高于钢板的Ac3点，对80～150mm厚钢板进行在线淬火至较低温度，控制钢板终冷温度不超过60℃，促进淬火过程中形成贝氏体、马氏体硬相组织，尤其是1/4板厚处形成贝氏体，然后进行探伤，保证无内在质量问题后钢板转入下一工序。

5)回火：对80～150mm厚超厚水电站用高强度钢板进行离线回火，出炉空冷至室温后成为成品钢板，设置回火温度500～580℃，在炉时间为240～450min。

本发明采用低C低Mn高Cr高V成分设计、在线淬火+离线回火工艺生产。冶炼时采用多种手段纯净钢水，如采用自产钢水和低硫废钢，严格控制有害元素和杂质元素含量，并严格控制[P]≤0.010％；精炼时，采用脱硫剂进一步深脱硫，控制[S]≤0.003％；采用Si-Mn合金脱氧，严格控制Als含量，减少钢水Al₂O₃有害夹杂物形成，钢水再经真空处理后[O]≤10ppm、[N]≤35ppm、[H]≤1ppm。钢水纯净化可明显改善钢板低温韧性。在线淬火时，充分保证钢板温度、冷却速度等匹配，利用提高钢淬透性的Cr、B等元素促进钢中贝氏体、马氏体等硬相组织形成等，适当提高钢的终轧温度，保证在线淬火时钢板温度高于其Ac3点，使超厚钢板板厚1/4处形成一定量贝氏体，再经高温回火后，进一步改善钢的低温韧性，同时充分利用V(C、N)的弥散强化作用弱化因位错密度减少等因素引起的强度大幅下降，使钢板仍具有较高的强度和优良的低温韧性；同时终轧后两道次严禁控制浇水，避免因浇水引起钢板温度不均匀，从而导致在线淬火时钢板组织和性能不均匀。最后一道次压下量≤5mm，可保证钢板板型和平直度。

与现有的生产技术和专利相比，本发明钢采用C+Mn+Cr+V成分设计，成分更简单，Ceq、Pcm值较低，焊接性较好；同时采用在线淬火+离线回火工艺，充分发挥淬透性元素促进贝氏体、马氏体组织的形成，缩短待温时间，抑制晶粒度长大，同时有助于节省加热能耗，缩短生产周期。

本发明80～150mm厚低屈强比超厚水电高强钢，性能满足屈服强度R_eL≥560MPa，抗拉强度R_m≥700MPa，延伸率A≥18％，屈强比≤0.83，横向冲击功-20℃KV₂≥60J；5％应变时效冲击功-20℃KV₂≥47J。具有较低的屈强比、较好的强韧性匹配、可焊性等特点。

附图说明

图1为实施例2的80mm厚钢板1/4处金相组织，主要为贝氏体+铁素体；

图2为实施例2的150mm厚钢板1/4处金相组织，主要为贝氏体+铁素体。

具体实施方式

以下结合多组实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明各实施例和对比例的熔炼化学成分见表1(wt％)，剩余为Fe及不可避免的杂质元素。

表1

上述实施例均在150t转炉冶炼，铁水经KR脱硫，再经钢包炉深脱硫和精炼处理，还在真空炉进行脱气，然后经轻压下、电磁搅拌和全过程保护浇注成450mm厚铸坯。

将450mm厚铸坯加热至1180～1240℃，在炉时间为0.8～1.2min/mm×板厚(mm)，出炉后经高压水除鳞，除尽铸坯表面氧化铁皮；然后控制轧制，终轧温度控制在970～1010℃，前3道次压下量35～40mm，控制末道次压下量不超过5mm，控制后两道次轧制时不浇水；终轧温度为900～920℃，在线淬火后，测试钢板温度均低于60℃，轧制成80～150mm厚成品钢板；再进行500～580℃回火处理，在炉时间为240～420min，出炉后空冷至室温。

表2为各实施例主要轧制和回火工艺参数。

表2

回火热处理后的钢板，在板厚1/4处横向取样加工成拉伸试样、冲击试样，表层取样加工应变时效冲击冲击试样，并进行力学性能测试，结果见表3。

表3实施例母材力学性能结果

由表3可见，本发明实施例试验钢板满足屈服强度R_eL≥560MPa，抗拉强度R_m≥700MPa，延伸率A≥18％，屈强比≤0.83，横向冲击功-20℃KV₂≥60J；5％应变时效冲击功-20℃KV₂≥47J，且强度、延伸率、冲击韧性富裕量均较大，屈强比也较低，特别是板厚1/4处低温韧性优异。

以上表明，本发明钢强度超过700MPa，具有优良的强韧性匹配和低温韧性，实际屈强比不超过0.80；且碳当量Ceq和Pcm值均较低，说明其具有较好的焊接性；另外该钢生产控制简单，工艺流程短，生产成本低，具有广阔的市场前景。

图1所示为实施例2中80mm厚钢板在1/4厚度处的组织结构图，组织为贝氏体+铁素体。图2所示为实施例2中150mm厚钢板在1/4厚度处的组织结构图，组织为贝氏体+铁素体。该组织匹配使钢具有较好的强韧性，同时还使钢具有较低的屈强比。

本发明钢工艺流程简单，可操作性强且成本较低，可在钢铁行业中厚板厂实施。本发明钢用途广泛，可应用于水电、建筑、桥梁、工程机械等行业，更适合于建造大型、特大型水电站用压力钢管、蜗壳、岔管及机座等。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种低屈强比超厚水电高强度钢板，其特征在于：化学成分按质量百分比计为C：0.03～0.08％、Si：0.05～0.35％、Mn：0.60～1.00％、P≤0.012％、S≤0.005％、Cr：0.50～1.00％、Ni：0.10～0.30％、V：0.12～0.18％、B：0.0010～0.0020％，余量为Fe及不可避免的杂质元素，同时满足：

Ceq＝C+Si/24+Mn/6+Cr/5+Mo/4+V/14≤0.42％，

Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.20％。

2.根据权利要求1所述的低屈强比超厚水电高强度钢板，其特征在于：80～150mm厚的该钢板产品的机械性能满足：屈服强度R_eL≥560MPa，抗拉强度R_m≥700MPa，延伸率A≥18％，屈强比≤0.83，横向冲击功-20℃KV₂≥60J；5％应变时效冲击功-20℃KV₂≥47J。

3.一种低屈强比超厚水电高强度钢板的制造方法，其特征在于：包括

(1)生产坯料：将符合成分设计的钢水浇注成连铸坯，或浇注成钢锭，再将钢锭开坯获得坯料；

(2)轧制：加热坯料使完全奥氏体化，然后采用两阶段的控制轧制：控制I阶段终轧温度在970～1010℃，前3道次压下量≥35mm；控制II阶段开轧温度为≤930℃，终轧温度为900～920℃，控制末道次压下量不超过5mm，控制后两道次轧制时不浇水，保持钢板平直度，轧制成80～150mm厚钢板；

(3)在线淬火：II阶段终轧结束后立即进行温矫，温矫后钢板温度控制在890～910℃，高于钢板的Ac3点，对80～150mm厚钢板进行在线淬火至较低温度，控制钢板终冷温度不超过60℃，促进淬火过程中形成贝氏体、马氏体硬相组织，尤其是1/4板厚处形成贝氏体，然后进行探伤，保证无内在质量问题后钢板转入下一工序；

(4)回火：对80～150mm厚超厚水电站用高强度钢板进行离线回火，出炉空冷至室温后成为成品钢板。

4.根据权利要求3所述的低屈强比超厚水电高强度钢板的制造方法，其特征在于：步骤(1)钢水冶炼：高炉铁水经KR脱硫，再经氧气转炉进行冶炼，控制[P]≤0.010％，[C]≤0.04％。在钢包炉精炼处理，并同时加入铬铁、钒铁、镍铁、锰铁等合金，将成分调整至目标值，同时[S]≤0.004％，再在RH真空炉进行精炼，在真空处理1个循环后添加硼铁。

5.根据权利要求3所述的低屈强比超厚水电高强度钢板的制造方法，其特征在于：步骤(1)连铸坯的获得：采用匹配的拉速与温度，采用全程保护浇注、电磁搅拌技术浇注成厚度在450mm及以上规格的铸坯，铸坯堆垛缓冷48小时以上，铸坯温度低于300℃转入下一工序。

6.根据权利要求3所述的低屈强比超厚水电高强度钢板的制造方法，其特征在于：步骤(2)轧制工序中，在轧制前将板坯加热至1170～1250℃，在炉时间为0.6～1.2min/mm×板厚mm，出炉后采用高压水将铸坯表面氧化铁皮除尽。

7.根据权利要求3所述的低屈强比超厚水电高强度钢板的制造方法，其特征在于：步骤(4)回火工序中，设置回火温度500～580℃，在炉时间为240～450min。

8.根据权利要求4所述的低屈强比超厚水电高强度钢板的制造方法，其特征在于：钢水目标成分，wt％：C：0.03～0.08％、Si：0.05～0.35％、Mn：0.60～1.00％、P≤0.012％、S≤0.005％、Cr：0.50～1.00％、Ni：0.10～0.30％、V：0.12～0.18％、B：0.0010～0.0020％，余量为Fe及不可避免的杂质元素，同时满足：

Ceq＝C+Si/24+Mn/6+Cr/5+Mo/4+V/14≤0.42％，

Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.20％。

9.根据权利要求3所述的低屈强比超厚水电高强度钢板的制造方法，其特征在于：所生产的产品在1/4厚度处的金相组织主要为贝氏体+铁素体。