CN109722601A - 一种低碳当量的特厚钢板q420e的生产方法 - Google Patents

Abstract

一种低碳当量的特厚钢板Q420E的生产方法，钢的化学成分质量百分数为C=0.04~0.07，Si=0.15~0.35，Mn=1.48~1.58，P≤0.015，S≤0.005，Nb=0.02~0.03，Ti=0.008~0.02，Al=0.015~0.05，Ni=0.15~0.25，Cu=0.10~0.18，Cr=0.10~0.18，Ceq≤0.40，其余为Fe和不可避免的杂质，工艺步骤包括冶炼、加热、轧制、弛豫、冷却。本发明利用连铸坯生产低温冲击要求‑40℃以上的高韧性钢板，最大厚度可达到150mm；突破传统TMCP工艺用连铸坯轧制特厚板压缩比限制，通过组织调控技术改善厚规格钢板的组织性能，不需追加热处理，工序简单，降低合金和生产成本，可广泛应用于造船、海工、风电、桥梁、建筑及工程机械等多个领域厚板的制造。

Description

一种低碳当量的特厚钢板Q420E的生产方法

技术领域

本发明属于金属材料冶炼技术领域，特别涉及一种低碳当量的特厚钢板Q420E的生产方法。

背景技术

特厚钢板一般是指厚度在60mm以上的钢板。在公知的技术中，TMCP工艺一般只能用于轧制60mm以下的有-40℃冲击要求的高韧性钢板。特厚钢板由于压缩比的限制，若采用TMCP工艺生产，原始的奥氏体晶粒在轧制过程中得不到充分的再结晶和细化，组织一般较粗大，韧性变差。特别是对于Q420E这种级别的特厚结构钢板，由于强度和韧性要求都比较高，目前一般采用模铸工艺进行生产，为保证钢板的强度在采用高C、高Mn含量的同时，在钢中加入大量的Cr、Mo、Ni、V等元素，通过提高钢板的淬透性以及追加调质热处理工艺，来保证特厚板的强韧性匹配，这样即增加了生产成本和能耗，也延长了生产和交货周期，同时钢板的碳当量Ceq较高，不利于焊接。

中国专利CN 104018071 A公开了一种“低碳当量高韧性Q420E钢板的生产方法”，该方法采用传统TMCP工艺生产Q420E钢板，无法摆脱压缩比的限制，只适用于生产30mm以下的钢板，而不适于生产特厚钢板。中国专利CN 102776443 A公开了“一种420MPa级别低合金高强度特厚钢板及其制造方法”，采用电渣重熔的方法冶炼，轧后进行正火热处理工艺生产Q420D级特厚钢板，生产工序复杂，生产周期长，合金成本较高，碳当量Ceq也较高。中国专利CN 103540848 A公开了“一种420MPa级正火态特厚规格结构用钢板及其制造方法”，其发明内容为通过正火+快冷工艺生产特厚Q420E钢板，生产工序复杂，合金成本高，Ceq较高，同时该方法也无法摆脱压缩比的限制，利用400mm厚的连铸坯也只能生产最大厚度120mm的产品。

发明内容

本发明的目的是提供一种低碳当量的特厚钢板Q420E的生产方法，该方法克服现有TMCP工艺技术的不足，满足行业发展需求，实现节能降耗，为TMCP工艺生产高韧性特厚板提供冶金思路。

本发明的技术方案：

一种低碳当量的特厚钢板Q420E的生产方法，钢的化学成分质量百分数为C=0.04~0.07，Si=0.15~0.35，Mn=1.48~1.58 ，P≤0.015，S≤0.005，Nb=0.02~0.03，Ti=0.008~0.02，Al=0.015~0.05，Ni=0.15~0.25，Cu=0.10~0.18，Cr=0.10~0.18，Ceq≤ 0.40，其余为Fe和不可避免的杂质。工艺步骤包括：

（1）冶炼：将冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空精炼和连铸，制造出满足化学成分要求，厚度≥300mm的连铸坯，控制铸坯中心偏析C类≤0.5级，中心疏松≤0.5级。

（2）加热：将连铸坯再加热至1150~1180℃，均热时间20~30min。

（3）轧制：出炉后进行两阶段轧制，第一阶段粗轧终轧温度≥980℃，中间坯≥1.5倍板厚；第二阶段精轧开轧温度710~770℃，终轧温度控制在700℃~760℃。

（4）弛豫：轧后钢板弛豫至Ar3以下10~20℃，弛豫时间控制在铁素体相变20%~35%。

（5）冷却：冷却采用Mulpic的DQ快速冷却，冷却速率5~10℃/s，冷却后的返红温度350~450℃。

发明原理：

化学成分设计采用低碳高锰的设计理念，为了提高强度而又不影响冲击韧性，在C-Mn钢固溶强化的基础上，复合添加Nb、Ti、Ni、Cr、Cu等合金元素，充分发挥细化晶粒、沉淀强化和相变强化等作用以达到高强度、高韧性和优良的焊接性能目的。

C含量的提高，虽然能够提高强度和降低Ar3温度，但恶化钢的低温韧性和焊接性能，同时低C的成分能抑制高温铁素体转变时珠光体的形成，促进贝氏体的转变，对于组织调控非常有利，因此控制C含量在0.04~0.07%。

Mn是弱碳化物形成元素，它可以降低奥氏体转变温度，细化铁素体晶粒，对提高钢板强度和韧性有益，同时Mn还能固溶强化铁素体，增加钢板的淬透性，促进贝氏体的形成。但Mn含量过高时，易形成偏析，且钢板硬化，延展性变坏，因此本发明的Mn含量设计为1.48~1.58%。

Nb也可以提高淬透性，在低碳钢中降低转变温度促使贝氏体组织的形成，且随着钢中的固溶铌含量增大，形成贝氏体的趋势也增大。同时形变诱导析出的 Nb(C，N) 对奥氏体晶界具有钉扎作用， 可有效地抑制形变奥氏体的再结晶， 但由于本发明轧制过程中压缩比较小，抑制再结晶的效果将被弱化，因此，考虑节约成本，铌不宜多加，应控制在0.02~0.03%的范围内。

Ti是固氮元素，钛的氮化物颗粒可阻止钢坯在加热、轧制、焊接过程中晶粒的长大，改善母材和焊接热影响区的韧性。对于本发明，由于压缩比较小，原始晶粒的尺寸过大也会影响后期相变时的组织调控效果，因此Ti的加入很有必要，但过多的钛含量会引起钛的氮化物的粗化，对低温韧性不利，故将本发明中钛含量定为0.008~0.02%。

Ni对提高钢板的韧性尤为关键，可有效弥散C化物的聚集，稳定过冷奥氏体，抑制铁素体和贝氏体晶粒的长大。当含量大于0.15%时，结合Mulpic的DQ超快冷工艺，控制轧后冷却速率在5~10℃/S，最终形成以先共析铁素体和低碳贝氏体为主的复合多相组织，完成对原始奥氏体晶粒的切割，改善低温韧性。但Ni价格昂贵，过多添加会增加制造成本，因此将上限设定为0.25%。

Cr和Cu的加入是为了提高钢板的淬透性，增加析出强化效果，属于强度提升元素，含量都控制在0.10~0.18%范围。

本发明与传统工艺不同，不是通过粗轧阶段奥氏体的再结晶和精轧阶段晶粒压扁拉长的方式来细化晶粒，而是通过成分设计、低温轧制、弛豫以及强冷工艺，对轧后的相变组织精确调控，形成细小的多相组织，来细化原始奥氏体晶粒，达到改善特厚钢板强韧性的目的。

通过以上方法制造的一种低碳当量的特厚钢板Q420E，组织为先共析铁素体+低碳贝氏体+退化珠光体和少量MA组元的多相组织，其中铁素体的体积分数为20~35%，贝氏体的体积分数为65~80%，其余为退化珠光体和少量MA组元；厚度为60~150mm，屈服强度389~468MPa，抗拉强度532~597Mpa，低温-40℃心部冲击韧性达到100J以上。

本发明的固态相变过程是在轧制过程中，通过精轧阶段在Ar3点（约710℃左右）以上完成终轧，进入弛豫待温阶段，先共析铁素体会在奥氏体晶界附近优先转变，当转变的铁素体的体积分数达到25%左右，进入Mulpic进行快速冷却，未转变的过冷的奥氏体会迅速进入贝氏体转变区间，通过控制冷却速度在5~10℃/S，过冷奥氏体逐渐转变为针铁、粒贝和板贝等低碳贝氏体组织，同时与先共析铁素体一起完成对粗大的原始奥氏体晶粒的切割，形成细小的晶粒，改善钢板的韧性。剩余未转变的过冷奥氏体则随着温度的进一步降低进入马氏体转变区间而变成MA岛组元，并通过控制钢板的返红至350~450℃，使部分MA岛组元在自回火过程中完成分解，转变为退化珠光体，最终形成以先共析铁素体+低碳贝氏体为主，残余奥氏体和退化珠光体为辅的混合多相组织。

本发明的有益效果：利用连铸坯生产低温冲击要求-40℃以上的高韧性钢板，最大厚度可达到150mm，在保证产品质量的同时，碳当量Ceq控制在0.40以内； 突破传统TMCP工艺轧制特厚板压缩比限制，通过组织调控技术细化晶粒，改善特厚规格钢板的心部组织性能，不需追加热处理，工序简单，降低合金和生产成本，成材率高；可利用钢厂现有设备和工艺条件实现，不需增加投资和设备改造，提高了生产效率，缩短交货周期，节能减耗；本发明方法生产的是一种节约型、低碳环保钢材新品种，还可广泛应用于造船、海工、风电、桥梁、建筑及工程机械等多个领域厚板的制造。

附图说明

图1为本发明实施例1钢板厚度方向1/4位置的金相组织图。

图2为本发明实施例1钢板厚度方向1/2位置的金相组织图。

图3为本发明实施例2钢板厚度方向1/4位置的金相组织图。

图4为本发明实施例2钢板厚度方向1/2位置的金相组织图。

图5为本发明实施例3钢板厚度方向1/4位置的金相组织图。

图6为本发明实施例3钢板厚度方向1/2位置的金相组织图。

具体实施方式

根据本发明一种低碳当量的特厚钢板Q420E的化学成分范围，连铸成300mm×1870mm×L的连铸坯，在宽厚板生产线按本发明的一种低碳当量的特厚钢板Q420E的制造方法分别进行厚度60mm、100mm和150mm钢板的制备。化学成分如表1所示，生产工艺参数如表2所示，产品性能如表3所示。

表1 实施例中Q420E特厚板的化学成分

表2 实施例中Q420E特厚板的生产工艺参数

表3 实施例中Q420E特厚板的产品检测性能

可以看出，采用本发明的方法生产的钢板达到Q420E级，屈服强度389~468MPa，抗拉强度532~597Mpa，低温-40℃心部冲击韧性达到100J以上，厚度方向性能良好，碳当量（Ceq）≤0.40，集高强度、高韧性和高焊接性能于一体。

Claims (1)

1.一种低碳当量的特厚钢板Q420E的生产方法，其特征在于：钢的化学成分质量百分数为C=0.04~0.07，Si=0.15~0.35，Mn=1.48~1.58 ，P≤0.015，S≤0.005，Nb=0.02~0.03，Ti=0.008~0.02， Al=0.015~0.05，Ni=0.15~0.25，Cu=0.10~0.18，Cr=0.10~0.18，Ceq≤ 0.40，其余为Fe和不可避免的杂质；工艺步骤包括：

（1）冶炼：将冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空精炼和连铸，制造出满足化学成分要求，厚度≥300mm的连铸坯，控制铸坯中心偏析C类≤0.5级，中心疏松≤0.5级；

（2）加热：将连铸坯再加热至1150~1180℃，均热时间20~30min；

（3）轧制：出炉后进行两阶段轧制，第一阶段粗轧终轧温度≥980℃，中间坯≥1.5倍板厚；第二阶段精轧开轧温度710~770℃，终轧温度控制在700℃~760℃；

（4）弛豫：轧后钢板弛豫至Ar3以下10~20℃，弛豫时间控制在铁素体相变20%~35%；

（5）冷却：冷却采用Mulpic的DQ快速冷却，冷却速率5~10℃/s，冷却后的返红温度350~450℃。