CN109972032A - 一种低焊接裂纹敏感性特厚钢板610cf及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低焊接裂纹敏感性特厚钢板610CF及其生产方法，通过KR铁水预处理、转炉炼钢、吹氩处理、LF精炼、VD真空、加热、轧制、热处理一系列步骤来完成钢板的生产。制得钢板钢板主要用于水电站压力钢管及蜗壳，压力管道及涡壳是从水库、压力前池或调压室向水轮机输送水量的水管，一般为有压状态，其特点是集中了水电站大部分或全部的水头。故压力钢管及涡壳用钢中，强度（屈服强度、抗拉强度）、塑性、韧性和焊接性能是压力钢管及涡壳用钢的4个质量特征。通过本发明制得的钢板刚好满足现行压力钢管必须具有足够的强度、良好的塑性、良好的韧性及优良的焊接性，较好的满足了市场的需求。

Description

一种低焊接裂纹敏感性特厚钢板610CF及其生产方法

技术领域

本发明涉及宽厚板生产领域，具体涉及一种低焊接裂纹敏感性特厚钢板610CF及其生产方法。

背景技术

低焊接裂纹敏感性特厚板610CF钢板主要用于水电站压力钢管及蜗壳，压力管道及涡壳是从水库、压力前池或调压室向水轮机输送水量的水管，一般为有压状态。其 特点是集中了水电站大部分或全部的水头。故压力钢管及涡壳用钢中，强度(屈服强 度、抗拉强度)、塑性、韧性和焊接性能是压力钢管及涡壳用钢的4个质量特征。按 现行压力钢管首先必须具有足够的强度；其次要具有良好的朔性；第3要具有良好的 韧性；第4要具有优良的焊接性，因为压力钢管及蜗壳都是焊接件，为此面对市场需 求，结合现有工艺装备水平和生产能力进行研制生产。

发明内容

针对上述问题，发明人经过反复理论计算、并不断试验摸索，获得了一种低焊接裂纹敏感性特厚钢板610CF钢板及其生产方法，从而完成了本发明。

因此，本发明的目的在于提供一种厚度低焊接裂纹敏感性特厚钢板610CF及其生产方法。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：一种低焊接裂纹敏感性特厚钢板610CF，该钢板的厚度为60mm以上，包含以下质量百分比的化学成分(单位，wt％)：C 0.03～0.09、Si≤0.40、Mn 1.0～1.5、P≤0.015、S≤0.005、Cr≤0.60、Ni≤0.15～1.5、 Mo≤0.50、B≤0.003，其它为Fe和残留元素，碳当量Ceq≤0.46，焊接裂纹敏感性指数 Pcm≤0.23，其中，

Ceq＝C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14，

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

本发明中的钢板在水电站压力钢管及蜗壳中使用广泛，该领域用钢板对强度和焊接性能要求较高，产品要求钢板低碳(≤0.09％)、低碳当量(≤0.52)、低焊接裂纹 敏感型指数(≤0.25％)，但同时又必须具备780MPa级的高强度和良好的低温冲击韧性， 这两项相互矛盾的技术要求对工艺设计带来的最大问题就是可控区间极窄，使得碳当 量的使用受到限制，故必须采用适当碳当量增加钢的强度，优化合金元素(Nb、V、Cr、 Mo、B)保证钢的淬透性，在不降低韧性的前提下，确保其的各项性能指标达到技术条 件的要求；炼钢的重要任务之一就是要把熔池中的碳氧化脱除至所炼钢钟的要求；从 钢的性质可看出碳也是重要的合金元素，它可以增加钢的强度和硬度，但对韧性产生 不利影响；钢中的碳决定了冶炼、轧制和热处理的温度制度；碳能显著改变钢的液态 和凝固性质，在1600℃，[C]≤0.8％时，每增0.1％的碳，钢的熔点降低6.50℃，密度 减少4kg/m3，黏度降低0.7％；

锰是一种非常弱的脱氧剂，在碳含量非常低、氧含量很高时，可以显示出脱氧作用，协助脱氧，提高他们的脱氧能力；锰可以略微提高钢的强度，并可提高钢的淬透 性能，稳定并扩大奥氏体区；Mn能增加奥氏体的稳定性，扩大γ相区得奥氏体，降低淬 火时的临界冷却速度，降低钢的临界点(A1和A3)较同碳量碳素钢低25～30℃，所以 可提高钢的淬透性，淬火时的变形也比较小，适用于宽厚板的要求；

当镍＜0.3％时，其变脆温度即达-100℃以下，所以能同时提高淬火结构钢的强度和塑性；Ni的晶格常数与γ-铁相近，所以可成连续固溶体，这就有利于提高钢的淬硬 性，Ni可降低临界点并增加奥氏体的稳定性，所以其淬火温度可降低，淬透性好，当 它同Cr、Mo结合的时候，淬透性尤可增高；镍钼钢还具有很高的疲劳极限，Ni本身不 是有效的抗氧化学元素，所以很少单独用作不锈钢的合金元素，但对浓苛性碱有好的 作用，Ni可提高奥氏体钢的蠕变抗力，须加入别的合金元素，通过固溶强化或沉淀硬 化的途径来解决；

在所有各种碳化物中，铬碳化物是最细小的一种，它可均匀地分布在钢体积中，所以具有高的强度、硬度、屈服点和高的耐磨性，由于它能使组织细化而又均匀分布， 所以塑性、韧性也好，这对工具钢尤有价值；成分设计是保证性能的基础，结合化学 成分中C、Si、Mn、Al等基础元素对于改善钢种强度和影响钢种塑韧性的综合作用， 以及P、S对于合金高强度类钢种的危害作用，为充分发挥固溶强化与细晶强化的双重 效果，在不降低塑韧性的前提下，确保钢板的各项性能指标均达到并高于标准的要求， 同时确保生产成本最为经济，确定了钢板的上述化学成分。

钢水中的杂质成分，包括S、P及各类氧化物夹杂等易在钢水的凝固过程中产生 严重的偏析，对特厚板面的机械性能和冶金质量均会产生较大的影响。较好的内部质 量获得，并确保符合一级探伤标准，洁净钢的冶炼是根本，主要从两个方面来确保， 一是钢水中非金属夹杂物的总级别必须在4.0以内，二是严格控制钢水中五大有害元 素的含量。

一种低焊接裂纹敏感性特厚钢板610CF的生产方法，其特征在于包括以下步骤：

a.KR铁水预处理：到站铁水必须扒前渣与扒后渣，保证液面渣层厚度≤22mm，铁水经KR搅拌脱硫后保证铁水S≤0.006％，保证脱硫周期≤22min，脱硫温降≤22℃；

b.转炉炼钢：转炉装入废钢全部采用边角料；转炉终点控制：出钢温度≥1650℃、0.05％≤C≤0.07％，出钢过程中不允许吹氩、不允许向钢水中加入任何脱氧剂和合金； 出钢结束采用挡渣锥挡渣，避免出钢下渣，若挡渣失败，必须提前抬炉，确保转炉下 渣厚度控制在42mm以下，以避免下渣回P；钢水到氩站后，杜绝向钢水中加入合金、 铝线或辅料和脱氧剂，同时也杜绝吹氩。钢水直接吊至LF炉处理，离站温度按照≥ 1600℃控制；

c.吹氩处理：氩站一次性加入铝线，在氩站要求强吹氩8-10min，流量500- 600NL/min，钢液面裸眼直径控制在500～600mm，离氩站温度不得低于1600℃；

d.LF精炼：通过LF炉外精炼能够实现微调成分、氩气搅拌、泡沫渣埋弧加热际 还原气氛白渣；

e.VD真空：VD到站温度1668℃，预抽5min至真空，保压20min破空，软吹 5min后1586℃离站，定氢0.79ppm符合标准；要求在67Pa的真空度下，保压时间≥ 20min，同时要求保压过程钢水翻腾效果良好；VD离站温度为1570～1575℃；

f.加热：钢坯加热温度选定为1170～1210℃，加热时间按照1min/mm进行计算；

g.轧制：高温再结晶轧制温度为1050～1100℃；对特厚钢板的轧制道次分配使钢坯心部组织在轧制过程中得到充分的变形，轧制过程中道次压下率依次增加，获得一 道次压下率为17％的变形，之后为保证板形则压下率逐渐降低。轧制时严格控制轧制力 及轧制扭矩，保证轧制力在8600吨以上，轧制扭矩在3200KNm以上，同时加强弯辊 力调节，调控板形；

h.热处理：采用两相区亚温淬火方式，该钢种通过810～860℃淬火温度，保温时间1.8-2.2min/mm，保留部分未溶的铁素体阻止已转变的奥氏体长大，把奥氏体一定量 的晶粒分割成多个区域，并在后期冷到贝氏体转变温度后，被分割的各区内不同取向 亚晶界上的析出物促使贝氏体在各亚晶界形核，亚晶的取向差引起各亚晶贝氏体束方 向不同，并且各束贝氏体的长大过程受亚晶界的限制。在双相区淬火后得到软、硬相 结合的组织，即游离铁素体+马氏体+(板条贝氏体)+残余奥氏体的混合组织，最终得 到的特厚钢板韧性较高。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的特征作进一步描述。

生产一种低焊接裂纹敏感性特厚钢板610CF，该钢板的厚度为60mm以上，包含以下质量百分比的化学成分(单位，wt％)：C0.03～0.09、Si≤0.40、Mn 1.0～1.5、P≤ 0.015、S≤0.005、Cr≤0.60、Ni≤0.15～1.5、Mo≤0.50、B≤0.003，其它为Fe和残留 元素，碳当量Ceq≤0.46，焊接裂纹敏感性指数Pcm≤0.23，其中，

Ceq＝C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14，

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

上述钢板的生产方法是通过以下步骤来实现的：

a.KR铁水预处理：到站铁水必须扒前渣与扒后渣，保证液面渣层厚度≤22mm，铁水经KR搅拌脱硫后保证铁水S≤0.006％，保证脱硫周期≤22min，脱硫温降≤22℃；

b.转炉炼钢：转炉装入废钢全部采用边角料；转炉终点控制：出钢温度≥1650℃、0.05％≤C≤0.07％，出钢过程中不允许吹氩、不允许向钢水中加入任何脱氧剂和合金； 出钢结束采用挡渣锥挡渣，避免出钢下渣，若挡渣失败，必须提前抬炉，确保转炉下 渣厚度控制在42mm以下，以避免下渣回P；钢水到氩站后，杜绝向钢水中加入合金、 铝线或辅料和脱氧剂，同时也杜绝吹氩。钢水直接吊至LF炉处理，离站温度按照≥ 1600℃控制；

c.吹氩处理：氩站一次性加入铝线，在氩站要求强吹氩8-10min，流量500- 600NL/min，钢液面裸眼直径控制在500～600mm，离氩站温度不得低于1600℃；

d.LF精炼：通过LF炉外精炼能够实现微调成分、氩气搅拌、泡沫渣埋弧加热际 还原气氛白渣；

e.VD真空：VD到站温度1668℃，预抽5min至真空，保压20min破空，软吹 5min后1586℃离站，定氢0.79ppm符合标准；要求在67Pa的真空度下，保压时间≥ 20min，同时要求保压过程钢水翻腾效果良好；VD离站温度为1570～1575℃；

f.制定合理的加热制度：合理的钢坯加热制度即可以保证合金第二相粒子在加热过程中充分固溶， 又能保证奥氏体晶粒不发生粗化；根据常用的Irvine经验公式：log[Nb][C+12*N/14]＝-6770/T+2.16； 610CF钢坯的Nb元素完全固溶温度为1150℃。在高温激光试验中观察了在80mm钢板原始奥氏体随温度变 化的情况，在不同加热温度下的奥氏体晶粒变化情况可以得知，加热温度从1100℃提高至1180℃时，原 始奥氏体晶粒尺寸仍然处于60μm以下；当加热温度提高至1250℃时，原始奥氏体晶粒开始出现合并和 不均匀长大，晶粒尺寸达到100μm，发生粗化。根据Irvine经验公式计算和高温激光观察结果，遵循钢 坯充分加热原则，选取合金充分固溶的平衡温度以上30～50℃做为均热温度，因此钢坯加热温度选定为 1170～1210℃，加热时间按照1min/mm进行计算；

g.高温再结晶直接轧制技术：在小于压缩比4的情况下，如何通过有限的轧制 道次实现钢坯心部晶粒组织的充分碎化和缺陷的最大限度焊合，成为610CF钢板轧制 技术的关键。由于压缩比小，对特厚610CF钢板采用一阶段再结晶区轧制，使钢板在 高温阶段充分发生再结晶，进行奥氏体晶粒细化。经计算，钢坯的奥氏体再结晶终止 温度控制在1000℃以上，根据奥氏体晶粒尺寸与轧制道次变形量关系，选取再结晶轧 制温度为1050～1100℃；为实现钢坯心部晶粒组织的充分碎化和缺陷的最大限度焊合， 必须保证轧制变形能够有效的传递到特厚钢板心部。对特厚钢板的轧制道次分配努力 使钢坯心部组织在轧制过程中得到充分的变形。轧制过程中道次压下率依次增加，获 得一道次压下率为17％的变形，之后为保证板形则压下率逐渐降低。轧制时严格控制轧 制力及轧制扭矩，保证轧制力在8600吨以上，轧制扭矩在3200KNm以上，同时加强 弯辊力调节，调控板形；

根据塔尔诺夫斯基研究结果，变形区形状系数1/h的大小与轧制道次变形量有直接关系。当变形区形状系数1/h＞0.5时，压缩变形完全深入到轧件内部，形成中心层 变形大于表面变形的现象；而当变形区形状系数1/h＜0.5时，随着变形区形状系数的 减小，压缩变形不能深入到轧件内部，只限于表面层附近；根据塔尔诺夫斯基轧制变 形理论，每道次的变形均能渗透到钢板心部，在压缩比较小的前提下，可最大限度的 改善钢板心部组织。钢板终轧后立即采用强水冷处理，最大限度保留细化的奥氏体组 织，使钢板不具备晶粒长大条件，达到细化晶粒目的；

细化奥氏体晶粒的控制轧制工艺：在提高钢板强度和韧性的各因素中，晶粒的细化对两者都有明显的贡献作用，在610CF钢板的轧制工艺中，充分利用再结晶轧制技 术和未再结晶轧制技术细化轧后钢板的奥氏体晶粒。根据奥氏体再结晶终止温度与细 化晶粒的元素固溶量的关系曲线，确定了水电钢再结晶区轧制温度在980℃以上。轧制 温度越高，道次变形量越大，奥氏体晶粒尺寸越细小。因此在成分体系和轧制温度均 已确定的情况下，如何有效提高再结晶区轧制道次压下率，特别是提高转钢后纵轧阶 段的总压下率，成为能否充分细化奥氏体再结晶晶粒的关键。保持未再结晶区的轧制 变形量，可以获得充分压扁的变形奥氏体，积累形变和位错，创造更多的形核位置， 促进相变后获得细小的相变组织。提高纵轧阶段压下率，特别是转钢后纵轧阶段压下 率，对心部韧性改善效果显著。在考虑成品钢板尺寸的前提下，尽可能优化钢坯尺寸， 采用宽坯轧制减少展宽道次，提高再结晶区轧制的道次和变形量。在强水冷后获得的 粒状贝氏体组织中，贝氏体铁素体基体上残留了弥散分布的小M/A岛以及在粒贝团或 准多边形铁素体边界存留的M/A岛。

h.两相区特殊热处理工艺：随着钢板厚度增加，要获得厚度方向均匀的组织是 非常困难的。钢板的强度虽可以通过增加碳当量等成分优化达到，但要实现强度增加 的同时韧性不降低，并且保持钢板心部的优良低温冲击韧性也是非常困难的，并且受 钢板现场焊接技术要求的限制。因此，特厚水电用钢板的开发，除优化钢板的成分设 计外，在充分利用现有的生产装备的条件下，更要侧重于组织的控制。通过合理的热 处理工艺优化和组合，以回火马氏体和回火贝氏体、铁素体的混合组织弥补低压缩比、 强韧性不足的问题。保持淬火后组织中一定量的铁素体组织主要是用于提高钢板的韧 性水平，而马氏体和贝氏体组织仍作为确保钢板强度的主要组织。如果以适当的淬火 速率进行冷却时，在过冷奥氏体中由最先形成的铁素体或贝氏体首先把奥氏体晶粒分 割成许多小块，随后过冷到Bs或Ms点以下，在已经被分割的小块内形成细小的贝氏 体或马氏体，得到板条马氏体或贝氏体+铁素体的混合组织，提高了韧性。但实际生产 中特厚板的冷却速率是不能有效的控制的，那么只有通过两相区的亚温淬火，该钢种 通过810～860℃淬火温度，保温时间1.8-2.2min/mm，保留部分未溶的铁素体阻止已转 变的奥氏体长大，把奥氏体一定量的晶粒分割成多个区域，并在后期冷到贝氏体转变 温度后，被分割的各区内不同取向亚晶界上的析出物促使贝氏体在各亚晶界形核，亚 晶的取向差引起各亚晶贝氏体束方向不同，并且各束贝氏体的长大过程受亚晶界的限 制。在双相区淬火后得到软、硬相结合的组织，即游离铁素体+马氏体+(板条贝氏体) +残余奥氏体的混合组织，最终得到的钢板韧性较高。

对通过上述实施例得到的钢板进行力学性能分析：

下表阐述了150mm610CF钢板的实物性能：

本次试生产60mm以上厚度的610CF共计5批，其中：屈服强度控制在490～600 MPa，平均达到了541MPa，；抗拉强度控制在620-710MPa，平均达到了662MPa；伸长 率控制在30％-65％，平均达到45％；其中0度时在厚度1/4处冲击功控制在180-270J， 平均达到了214J，0度时在厚度1/2处冲击功控制在90-200J，平均达到了139J，-20 度时在厚度1/4处冲击功控制在100-225J，平均达到了174J，-20度时在厚度1/2处 冲击功控制在60-160J，平均达到了99J，从数据上看，完全达到低温焊接裂纹敏感性 高强度钢板HYQ620的水平。

外检及探伤：所研制的钢板外检，正品率100％，按JB/T 47030.3-2005进行探伤，合一级率为100％，达到了预期效果。

夹杂物金相组织检测：按GB/T 10561《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》进行夹杂物评级，各类夹杂物A+B+C+D＜2.0，所得到组织以粒状贝氏体+ 铁素体为主。

以上所描述的仅为本发明的较佳实施例，上述具体实施例不是对本发明的限制，凡本 领域的普通技术人员根据以上描述所做的润饰、修改或等同替换，均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种低焊接裂纹敏感性特厚钢板610CF，其特征在于：该钢板的厚度为60mm以上，包含以下质量百分比的化学成分(单位，wt％)：C 0.03～0.09、Si≤0.40、Mn 1.0～1.5、P≤0.015、S≤0.005、Cr≤0.60、Ni≤0.15～1.5、Mo≤0.50、B≤0.003，其它为Fe和残留元素，碳当量Ceq≤0.46，焊接裂纹敏感性指数Pcm≤0.23，其中，

Ceq＝C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14，

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

2.一种低焊接裂纹敏感性特厚钢板610CF的生产方法，其特征在于包括以下步骤：

a.KR铁水预处理：到站铁水必须扒前渣与扒后渣，保证液面渣层厚度≤22mm，铁水经KR搅拌脱硫后保证铁水S≤0.006％，保证脱硫周期≤22min，脱硫温降≤22℃；

b.转炉炼钢：转炉装入废钢全部采用边角料；转炉终点控制：出钢温度≥1650℃、0.05％≤C≤0.07％，出钢过程中不允许吹氩、不允许向钢水中加入任何脱氧剂和合金；出钢结束采用挡渣锥挡渣，避免出钢下渣，若挡渣失败，必须提前抬炉，确保转炉下渣厚度控制在42mm以下，以避免下渣回P；钢水到氩站后，杜绝向钢水中加入合金、铝线或辅料和脱氧剂，同时也杜绝吹氩。钢水直接吊至LF炉处理，离站温度按照≥1600℃控制；

c.吹氩处理：氩站一次性加入铝线，在氩站要求强吹氩8-10min，流量500-600NL/min，钢液面裸眼直径控制在500～600mm，离氩站温度不得低于1600℃；

d.LF精炼：通过LF炉外精炼能够实现微调成分、氩气搅拌、泡沫渣埋弧加热际还原气氛白渣；

e.VD真空：VD到站温度1668℃，预抽5min至真空，保压20min破空，软吹5min后1586℃离站，定氢0.79ppm符合标准；要求在67Pa的真空度下，保压时间≥20min，同时要求保压过程钢水翻腾效果良好；VD离站温度为1570～1575℃；

f.加热：钢坯加热温度选定为1170～1210℃，加热时间按照1min/mm进行计算；

g.轧制：高温再结晶轧制温度为1050～1100℃；对特厚钢板的轧制道次分配使钢坯心部组织在轧制过程中得到充分的变形，轧制过程中道次压下率依次增加，获得一道次压下率为17％的变形，之后为保证板形则压下率逐渐降低。轧制时严格控制轧制力及轧制扭矩，保证轧制力在8600吨以上，轧制扭矩在3200KNm以上，同时加强弯辊力调节，调控板形；

h.热处理：采用两相区亚温淬火方式，该钢种通过810～860℃淬火温度，保温时间1.8-2.2min/mm，保留部分未溶的铁素体阻止已转变的奥氏体长大，把奥氏体一定量的晶粒分割成多个区域，并在后期冷到贝氏体转变温度后，被分割的各区内不同取向亚晶界上的析出物促使贝氏体在各亚晶界形核，亚晶的取向差引起各亚晶贝氏体束方向不同，并且各束贝氏体的长大过程受亚晶界的限制。在双相区淬火后得到软、硬相结合的组织，即游离铁素体+马氏体+(板条贝氏体)+残余奥氏体的混合组织，最终得到的特厚钢板韧性较高。