CN109957727B - 一种高韧性海洋船用抽砂管钢板及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高韧性海洋船用抽砂管钢板及其生产方法。本发明钢板化学成分（重量百分比）C：0.03～0.10%、Si：0.10～0.50%、Mn：1.00～1.80%、P≤0.020%，S≤0.005%、Nb：0.010～0.035%、Cr：0.15～0.35%、Ti：0.008～0.035%、Als：0.015～0.040%、As≤0.04%、Sn≤0.03%、N≤0.005%、O≤0.003%、H≤0.0002%，余量为Fe和不可避免的杂质，通过热机械控轧控冷（TMCP）工艺生产，所制得钢板屈服强度≥360MPa、抗拉强度≥460MPa、伸长率≥24%、夏氏Akv(‑60℃)≥230J。本发明钢板在卷管后，可制得一种高韧性海洋船用抽砂管，在保证强度、韧性、焊接性的同时降低了工序成本，具有优良的焊接性能，平均使用寿命为24～30个月。
Description
技术领域
本发明属于冶金制造技术领域，更具体地说，本发明涉及一种C-Si-Mn-Nb-Cr-Ti成分体系的高韧性海洋船用抽砂管钢板的制造方法。
背景技术
近年来，广东省经济发展迅猛，各类涉及海洋工程相继开工，建设规模不断扩大；广东城乡建设的高速发展，带来了砂石旺盛的需求，参与施工抽砂船舶和砂石运输船舶的需求也随之激增。据统计，目前广东海事局辖区内海洋抽砂船300多艘，砂石运输船舶达3150多艘。通过对浙江舟山一带海域研究发现，采砂船大约有192艘，大中型采砂船有146艘，以采建筑用砂为主。海砂需求的增加带来海洋抽砂船需求的增加，海洋抽砂管作为海洋抽砂船的重要工作部件，其使用寿命的长短直接关系到抽砂船的海上的作业率及维修成本的高低，目前抽砂管主要采用30～40mm厚Q235B、Q345B、16Mn材质，抽砂管使用寿命在2～6个月之间，一旦抽砂管或海砂输送管出现问题，海洋抽砂船必须开回岸边维修，来回成本高，海洋抽砂船作业率低，严重影响采砂企业效益。中国专利文献号CN105886881A公开了“一种多元微合金化铬锰耐磨合金钢吸砂管及其制备方法”，其采用电炉熔炼，在含铬高锰钢废料中，加入适量低碳铬铁、钨渣铁合金、固体Si3N4、钛铁、硅钙钡锶铁合金和低碳废钢，获得铬锰耐磨合金钢；为了细化晶粒和提高淬透性，还加入微量氮、钛、锆、镁、钙、钡、钇、铝等合金元素，经冶炼、铸造和热处理后的铬锰耐磨合金钢吸砂管，其制造过程复杂，工序多，制造周期长。
发明内容
为克服现有技术制造过程复杂，工序多，制造周期长的缺点，本发明提供一种高韧性海洋船用抽砂管钢板及其生产方法，它采用Si-Mn-Nb-Cr-Ti低成本成分设计，通过热机械控轧控冷(TMCP)生产技术，制备了一种屈服强度达360MPa级的具有-60℃冲击功≥230J的高韧性、低焊接裂纹敏感性指数钢板，具有生产周期短、成本低廉、高韧性、高强度的特点，平均使用寿命为24～30个月。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高韧性海洋船用抽砂管钢板，其化学成分按重量百分数wt.％为：C：0.03～0.10％、Si：0.10～0.50％、Mn：1.00～1.80％、P≤0.020％，S≤0.005％、Nb：0.010～0.035％、Cr：0.15～0.35％、Ti：0.008～0.035％，Als：0.015～0.040％、As≤0.04％、Sn≤0.03％、N≤0.005％、O≤0.003％、H≤0.0002％，余量为Fe和不可避免的杂质，焊接裂纹敏感系数Pcm≤0.23％，屈服强度≥360MPa、抗拉强度≥460MPa、伸长率≥24％，夏氏Akv(-60℃)≥230J。焊接裂纹敏感性指数Pcm通过公式Pcm(％)＝C+Si/30+Ni/60+(Mn+Cr+Cu)/20+Mo/15+V/10+5B来确定。
制备上述低温冲击韧性优良的海洋船用抽砂管钢板的方法，依次包括以下步骤：
1、冶炼：原料经KR铁水预处理，使S≤0.010％、P≤0.130％；经过顶底复吹转炉冶炼，钢包经脱氧合金化进行LF和RH精炼炉精炼，进行成分微调，使S≤0.005％、P≤0.010％，然后进行RH真空脱气除气，纯脱气时间≥8min，脱气结束后软吹时间≥10min，使[N]≤50ppm，[O]≤30ppm，[H]≤2ppm，真空处理时间≥15min，然后进行钙处理，喂Ca-Fe线1m/t；
2、连铸：采用连铸机浇注，连铸中间包钢水目标温度1531～1551℃，拉速0.7～1.3m/min；钢水浇铸成铸坯，连铸坯下线缓冷，缓冷时间≥48h；
3、铸坯加热工艺：对堆冷后的铸坯进行加热，加热速率按8～12min/cm控制，其中，加热段控制温度1150-1280℃，均热段控制温度1230-1250℃；
4、轧制及冷却工艺；对加热后铸坯进行粗轧、精轧，然后控制冷却。通过奥氏体再结晶区范围内粗轧细化奥氏体晶粒，轧制温度990～1110℃、后两道的单道次压下率大于15％、粗轧总变形率≥50％；变形中累计的位错会提高钢板内部缺陷能，使钢板发生动态再结晶和静态再结晶，细化奥氏体晶粒，在奥氏体未再结晶区进行精轧，获得压扁的变形奥氏体，控制精轧速度1.5～6m/s、钢板精轧开轧温度850～930℃，终轧温度780-840℃，道次压下率为4-30％，精轧总变形率为60～75％，制得精轧板件；精轧累积压下率大于60％，通过在未再结晶区大变形量，提高位错密度，同时碳氮化物在位错处发生应变诱导析出，钉扎了位错的运动，为下一步冷却过程做好组织准备，对精轧板件进行快速水冷，钢板以14～25℃/s的冷速冷却至450～500℃，出水后空冷，制得板件。
获得高韧性海洋船用抽砂管钢材产品，钢板组织由贝氏体+变形铁素体+珠光体组成。
所述钢板成品最大厚度为60mm。
以下是本发明所含组分作用及用量选择的具体说明：
C是钢中传统的强化元素，碳含量过低会使NbC生成量降低，影响控轧效果，也会增大冶炼控制难度，碳含量过高，又会增加碳当量和焊接裂纹敏感指数，恶化钢的焊接性能。综合考虑，碳含量范围定在0.03％～0.10％；
Si主要起固溶强化作用，炼钢过程中加入Si作为还原剂和脱氧剂；Si含量增加可使钢的硬度和强度增加，但塑性及韧性下降并降低钢的焊接性能，本发明控制其范围在0.10～0.50％；
Mn主要起固溶强化的作用，在碳含量相同的情况下，随着Mn含量的增加，强度增加，且韧性不恶化，固溶在奥氏体中的Mn通过溶质拖曳效应，降低扩散相变的相变驱动力，抑制了铁素体相变，起到细化珠光体的作用，提高了钢板的强度和韧性，所以Mn是不可缺少的元素，但Mn含量过高，造成钢板带状组织严重，增强各向异性，本发明控制其范围在1.00～1.80％；
S易与Mn结合生成MnS夹杂，影响钢材的伸长率和低温冲击韧性；P在钢材中是容易造成偏析的元素，它还会恶化焊接性能，显著降低钢的低温冲击韧性，提高韧脆转变温度，因此，P、S元素应尽量去除，P≤0.020％，S≤0.005％；
由于As、Sn元素它们的电负性因素和尺寸因素，使得它们极易在晶界偏聚，降低晶界内聚力，对宏观性能的影响为钢材的断裂功减小，冲击韧性明显降低，因此，应该对其含量予以特别地适当控制；
Nb是取得良好的控轧效果最有效的微合金化元素之一，通常含铌钢加热到1200℃以上、均热2h后，钢中铌可固溶于奥氏体中，这种固溶铌在加热过程中可以对奥氏体单相扩散运动界面有抑制作用，阻碍奥氏体晶粒长大，在轧制中会在位错、亚晶界、晶界上沉淀析出铌的碳、氮化物，阻碍奥氏体动态再结晶，细化晶粒，提高钢板强度和韧性。Cr固溶在钢中，可以降低临界冷却速度，提高钢的淬透性，Cr是碳化物形成元素，会形成细小的碳化物，如(Fe，Ce)3C、(Fe，Cr)7C3等，显著提高钢板的强度。综合考虑，本发明Nb含量控制在0.010～0.035％，Cr含量控制在0.15～0.35％；
Ti的作用主要是其未溶解的碳、氮化物颗粒分布在奥氏体晶界上，用微Ti来固定钢中的氮，由于形成难溶的TiN而消除了钢中的自由氮，从而改善钢的韧性，TiN可阻碍钢在热加工前的加热过程中奥氏体晶粒长大，提高奥氏体状态下铌的固溶度，进一步发挥铌的细化晶粒和沉淀强化作用，另外，微量Ti可以防止在焊接热影响区出现粗晶，保证在焊接热影响区具有高韧性，Ti的加入量过多，会形成对韧性不利的TiC，因此，本发明Ti含量控制在0.008-0.035％，N含量控制在0.001-0.005％；
Al在较高温度时和钢中N形成细小而弥散的AlN析出，抑制晶粒长大，达到细化晶粒、提高钢在低温下的韧性的目的，本发明中加入0.015～0.040％的Al细化晶粒，提高钢板的韧性并保证其焊接性能；
O以Al2O3、SiO2夹杂物形式存在于钢中，H则会造成氢脆，影响钢板的韧性，因此均需控制，本发明中要求O≤0.003％，H≤0.0002％；
本发明的有益效果是：通过选用微量的Nb、Ti合金进行微合金化，采用资源相对丰富价格相对廉价的Mn、Cr元素进行组织强化，仅通过热机械控轧控冷生产技术，获得贝氏体+变形铁素体+珠光体组织的高韧性钢板，在保证强度、韧性、焊接性的同时降低了工序成本。制得的钢板屈服强度≥360MPa、抗拉强度≥460MPa、伸长率≥24％、夏氏冲击功Akv(-60℃)≥230J，焊前无需预热，具有优良的焊接性能；采用本发明钢板经弯管制成海洋船用抽砂管使用，平均使用寿命为24～30个月，使用寿命大大提高。
具体实施方式
以下具体通过实施例对本发明的一种高韧性海洋船用抽砂管钢板及其生产方法作进一步的说明。
实施例1至3的化学成分的质量百分含量见表1，余量为Fe和不可避免的杂质；连铸坯加热工艺参数见表2，轧制及冷却的工艺参数见表3，钢板的力学性能见表4。
实施例1所得钢板的金相组织主要贝氏体+铁素体，心部有少量珠光体，钢板的晶粒细小且均匀，平均晶粒度达9级。
实施例2所得钢板的金相组织主要为贝氏体+变形铁素体+珠光体，钢板的晶粒细小且均匀，平均晶粒度达9级。
实施例3所得钢板的金相组织主要为贝氏体+变形铁素体+少量珠光体，钢板的晶粒细小且均匀，平均晶粒度达8.5级。
表1本发明实施例1至3的化学成分wt％
| 实施例 | C | Si | Mn | P | S | Nb | Cr | Ti | Als | Pcm |
| 1 | 0.10 | 0.47 | 1.14 | 0.012 | 0.001 | 0.015 | 0.19 | 0.009 | 0.024 | 0.18 |
| 2 | 0.06 | 0.36 | 1.56 | 0.010 | 0.001 | 0.026 | 0.25 | 0.011 | 0.020 | 0.16 |
| 3 | 0.03 | 0.17 | 1.77 | 0.011 | 0.001 | 0.032 | 0.32 | 0.013 | 0.021 | 0.14 |
表2本发明实施例1至3连铸工艺参数
| 实施例 | 连铸坯厚度mm | 加热速率min/cm | 出炉温度℃ |
| 1 | 150 | 9～12 | 1180 |
| 2 | 220 | 10～13 | 1170 |
| 3 | 270 | 10～13 | 1180 |
表3本发明实施例1至3的轧制及冷却工艺参数
表4本发明实施例1至3的力学性能测试结果
综上所述，本发明通过采用Si-Mn-Nb-Cr-Ti系低成本成分设计，仅需采用热机械控轧控冷(TMCP)工艺，通过控制好出炉温度、第二阶段开轧温度、开轧厚度、第二阶段终轧温度、终冷温度和返红温度等参数，所得钢板屈服强度≥360MPa，抗拉强度≥460MPa，伸长率≥24％，-60℃的冲击功在230J以上，低温冲击韧性良好，平均使用寿命为24～30个月。
Claims (2)
1.一种高韧性海洋船用抽砂管钢板，其化学成分按重量百分数wt.％为：C：0.06～0.10％、Si：0.10～0.50％、Mn：1.00～1.56％、P≤0.020％，S≤0.005％、Nb：0.010～0.035％、Cr：0.15～0.35％、Ti：0.008～0.035％，Als：0.015～0.040％、As≤0.04％、Sn≤0.03％、N≤0.005％、O≤0.003％、H≤0.0002％，余量为Fe和不可避免的杂质，焊接裂纹敏感系数Pcm≤0.23％，屈服强度≥360MPa、抗拉强度≥460MPa、伸长率≥24％，在-60℃夏氏冲击功Akv≥230J；
其制造工艺包括以下步骤：
(1)冶炼：原料经KR铁水预处理，使S≤0.010％、P≤0.130％；经过顶底复吹转炉冶炼，钢包经脱氧合金化进行LF和RH精炼炉精炼，进行成分微调，使S≤0.005％、P≤0.010％，然后进行RH真空脱气除气，纯脱气时间≥8min，脱气结束后软吹时间≥10min，使[N]≤50ppm，[O]≤30ppm，[H]≤2ppm，真空处理时间≥15min，然后进行钙处理，喂Ca-Fe线1m/t；
(2)连铸：采用连铸机浇注，连铸中间包钢水目标温度1531～1551℃，拉速0.7～1.3m/min；钢水浇铸成铸坯，连铸坯下线缓冷，缓冷时间≥48h；
(3)铸坯加热工艺：对堆冷后的铸坯进行加热，加热速率按8～12min/cm控制，其中，加热段控制温度1150-1280℃，均热段控制温度1230-1250℃；
(4)轧制及冷却工艺；对加热后铸坯进行粗轧、精轧，然后控制冷却； 通过奥氏体再结晶区范围内粗轧细化奥氏体晶粒，轧制温度990～1110℃、后两道的单道次压下率大于15％、粗轧总变形率≥50％；变形中累计的位错会提高钢板内部缺陷能，使钢板发生动态再结晶和静态再结晶，细化奥氏体晶粒，在奥氏体未再结晶区进行精轧，获得压扁的变形奥氏体，控制精轧速度1.5～6m/s、钢板精轧开轧温度850～930℃，终轧温度780-840℃，道次压下率为4-30％，精轧总变形率为60～75％，制得精轧板件；精轧累积压下率大于60％，通过在未再结晶区大变形量，提高位错密度，同时碳氮化物在位错处发生应变诱导析出，钉扎了位错的运动，为下一步冷却过程做好组织准备，对精轧板件进行快速水冷，钢板以14～25℃/s的冷速冷却至450～500℃，出水后空冷，制得板件。
2.一种如权利要求1所述的高韧性海洋船用抽砂管钢板，其特征为：所述钢板成品最大厚度为60mm。
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| GR01 | Patent grant | ||
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