CN110004358A - 一种低Pcm值大厚度易焊接海工钢板及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Pcm值0.18%情况下,厚度达80mm的易焊接海工钢板及其生产方法,化学成分重量百分比为:C:0.03%~0.06%,Si:0.10%~0.30%,Mn:1.30%~1.60%,P≤0.015%,S≤0.005%,Al:0.015%~0.035%,Nb:0.030%~0.050%,V:0.030%~0.050%,Ti:0.010%~0.020%,Ni:0.15%~0.35%,Mo:0.10%~0.30%,Pcm:0.12%~0.18%,其余为Fe及不可避免的杂质。本发明的钢板具有高强塑性、高止裂性和易焊接性,能满足海工、桥梁、输油管线等苛刻环境对高性能钢低预热温度的需求。
Description
技术领域
本发明属于中厚钢板制备领域,具体涉及一种低Pcm值大厚度易焊接海工钢板及其生产方法。
背景技术
随着用户行业发展,海工、桥梁、输油管线等领域对大厚度钢板需求旺盛,尤其是海洋平台、大型集装箱船主要使用钢板厚度10~130mm,导管架式平台用钢厚度普遍在60-80mm,焊接工序占到了建造总工时的40%、总成本的50%。
焊接冷裂纹是钢结构件最常出现的焊接工艺缺陷,对结构安全有极大的危害性。传统的防止焊接冷裂纹的工艺措施是预热。随着强度级别的增高,传统的高强度钢的碳当量(Ceq)和焊接裂纹敏感性指数(Pcm)较高,造成预热温度高达150-200℃,恶化工作条件,降低施工效率,危害焊接性能,因此人们迫切需要高强钢材能做到焊接不预热、焊后不热处理。
但国内外长期使用的高强大厚度钢板主要采用高合金化、传统的淬火回火调质热处理的工艺制造。随着厚度的增加,为保证大厚度钢板整个厚度方向性能符合要求,必须提高碳含量以及向钢中加入大量的Cr、Mo、Ni、Cu等提高钢的淬透性的元素,这样势必造成合金成本居高不下;钢板厚度增加后,焊接量成倍增加,焊接残余应力相应增大,加入大量淬透性元素后影响钢材焊接性的Ceq、Pcm相应提高,必然增加了现场焊接难度,需要复杂的焊接工艺配合才能保证最终的焊接性能。
低焊接裂纹敏感性高性能钢材即是一种与传统的低碳钢相比不仅具有更高的强度,而且具有更好的韧性、可焊性、冷成型性和耐腐蚀性能的新一代钢材。因其低Ceq、低Pcm值,实际应用过程中简化了钢结构焊接工艺,降低施工难度和改善劳动条件,其可焊性和抗脆断性能等方面比传统的钢材有明显的提高和改善,日益成为国际上高强高韧可焊接结构钢的主攻方向。
但低的Pcm设计后,钢的淬透性不足,保障大厚度钢材心部高韧性、高均匀性指标要求成为当前研究的难点问题。因此如何解决大厚度、低Pcm用户设计要求与钢板母材强度、性能均匀性保障之间的矛盾,不同的厂家给出了不同的技术方案。
申请号为200710094178.7、专利名称为“屈服强度690MPa级低裂纹敏感性钢板及其制造方法”的专利,公开的是一种大幅降低C含量,并以廉价的Mn和Cr代替部分Mo,以V的C、N化物沉淀析出强化代替Cu,不加Ni,采用热机械轧制和冷却技术,屈服强度达到690MPa,板厚达60mm的产品和方法。为保证高强度指标,其成分中添加了提高钢的淬透性的有效元素B,且明确提出采用的连铸坯或钢锭厚度不小于最终成品钢板厚度的4倍,以此来提高钢的淬透性和提高压缩比对心部性能的改善作用,且其成品钢板厚度仅达到60mm,与本专利申请实现的成分、厚度、生产工艺方式有着本质区别。
申请号为201010186720.3,专利名称为“一种经济型屈服强度690MPa级高强钢板及其制造方法”的专利,采用两阶段轧制和强化型加速冷却技术,通过快冷和低停冷温度,细化了钢板的组织,实现低焊接裂纹敏感性指数的前提下其屈服强度大于690MPa、抗拉强度大于770MPa、低温冲击功优良。其成分中同样添加了提高钢的淬透性的有效元素B,后续又增加回火工艺,通过回火过程一方面消除钢板内部应力,另一方面促进Nb和V形成细小的碳化物析出,提高钢板的强度。这种控轧控冷+回火处理工艺必然造成成本居高不下,并且该专利技术并没体现其所能保证钢板的厚度。其生产工艺、厚度规格、性能保障方面与本专利申请明显不同。
综上,受制于国内连铸坯能供应的尺寸规格的现实条件(基本在250-300mm),低裂纹敏感系数造成淬透性不足的前提下,大厚度钢板若想采用大厚度坯料生产其能供应的厚度规格受到限制;若采用热处理工艺生产存在工序长、需要配套专用设备、能源消耗大等现实问题,因此迫切需要开发一种兼顾大厚度、低Pcm值的易焊接高强韧海工钢的工艺生产方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Pcm值仅0.18%情况下,厚度达80mm的低Pcm值大厚度易焊接海工钢板及其生产方法,保证获得的钢整个厚度断面具有高的断裂韧性,可以满足海工、桥梁、输油管线等等苛刻应用环境对高性能钢低预热温度的需求。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种低Pcm值大厚度易焊接海工钢板,化学成分重量百分比为:C:0.03%~0.06%,Si:0.10%~0.30%,Mn:1.30%~1.60%,P≤0.015%,S≤0.005%,Al:0.015%~0.035%,Nb:0.030%~0.050%,V:0.030%~0.050%,Ti:0.010%~0.020%,Ni:0.15%~0.35%,Mo:0.10%~0.30%,焊接裂纹敏感性指数Pcm:0.12%~0.18%,其余为Fe及不可避免的杂质;
钢板的最大厚度到80mm,钢板的抗拉强度大于600Mpa,焊接裂纹敏感性指数Pcm:0.12%~0.18%,-10℃裂纹尖端张开位移CTOD>0.38mm,焊接预热温度≤85℃。
上述低Pcm值大厚度易焊接海工钢板的生产方法,包括以下步骤:
a)将成分达到要求的连铸坯进行加热,加热温度为1140-1200℃,加热时间为10-11min/cm;
b)加热后的连铸坯在高温再结晶区轧制温度为1000-1150℃,终轧温度1000℃以上,获得稳定的再结晶组织;
c)中间坯进入未再结晶区温度范围轧制成最终成品厚度,轧制温度为780-840℃;
d)轧后钢板冷却开始温度控制在Ar3±10℃范围,终冷温度控制在500℃以下。
具体地,所述步骤b)中成品厚度50mm以上钢板的高温区再结晶轧制阶段有2~3道次压下量达到40mm,且道次变形率控制在15%以上。
具体地,所述步骤b)中,成品厚度50mm以上钢板的轧制速度不超过2.0m/s;
具体地,所述步骤d)中成品厚度50mm以下钢板冷却速率控制在20-30℃/s,终冷温度为450-480℃;成品厚度50mm以上钢板冷却速率控制在10-15℃/s,终冷温度为300-360℃。
本发明具有以下有益效果:
(1)本发明成分设计从钢种低Pcm值、对于大厚度钢板仍要实现高的断裂韧性指标要求出发,不单纯依靠添加大量Ni含量来保证钢的韧性,而是通过合理调整Ni、Mo合金元素之间的相对含量以及不影响Pcm值的Nb等微合金元素进行控制,其添加量的选择充分考虑了对断裂韧性有益的大角度晶界比例增加与对断裂韧性不利的MA岛量与形态的变化的影响,以适宜的合金添加种类与数量来提高裂纹的扩展功,从而改善钢的断裂韧性。
(2)本发明高强度的实现通过降低C、Mn等影响Pcm值、成分偏析的主要元素含量,发挥Nb高温轧制阶段细化再结晶晶粒的作用,配合高温再结晶区低速大压下轧制实现心部组织的再结晶有效细化,通过细晶强化弥补一定的强度损失,从而实现一定的低合金添加量下的强度保障。同时也使心部偏析由宏观偏析转化为微观偏析,从而显著提高大厚度钢板心部韧性的稳定性,保证厚度方向性能均匀。
(3)从满足低Pcm值高强度的要求出发,通过后续快速冷却实现强化相变的技术,使得钢板获得全厚度截面均匀、细化的贝氏体组织,为实现80mm以下规格钢板的采用直接TMCP工艺生产而省略后续热处理工序奠定了坚实的基础。
本发明创造了低Pcm值、大厚度高韧性海工钢板的生产工艺技术,钢材以TMCP工艺直接轧制成材,改变了传统高碳高合金含量、高Ni含量设计、需要厚坯料、热处理等长流程生产工艺,开发出一套低成本、短流程制造技术,工艺的制定具有独特性;应用本技术生产的钢板最大厚度到80mm,且具有高强塑性、高止裂性和易焊接性的特点。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例,对本发明的技术方案做进一步描述,但是本发明的保护范围并不限于这些实施例。凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。
实施例1
将化学成分包括(按wt%计):C:0.04%、Si:0.28%、Mn:1.37%、Nb:0.036%、V:0.032%、Ti 0.018%、Ni:0.22%、Mo:0.15%、Al:0.021%、P:0.012%、S:0.003%,Pcm:0.13%,其余为Fe及不可避免的杂质。连铸坯重新加热至1155℃左右,在炉时间260分钟。出炉后进入粗轧机进行高温区轧制,1090℃开轧,本阶段的轧制在1025℃温度结束;钢坯在辊道上降温至820℃送入精轧机轧成成品厚度40mm钢板,终轧温度800℃。轧后进水冷温度控制在770℃,以24℃/s快冷速率冷至460℃。随后出水冷区自然空冷至室温制得钢板。该钢板的抗拉强度640MPa,CTOD(-10℃)=1.06,0.87,1.25mm,根据斜Y形坡口拘束公式计算的预热温度为-72℃,可在室温下焊接而不出现冷裂纹。
实施例2
将化学成分包括(按wt%计):C:0.06%、Si:0.15%、Mn:1.54%、Nb:0.043%、V:0.041%、Ti 0.013%、Ni:0.30%、Mo:0.27%、Al:0.033%、P:0.010%、S:0.002%,Pcm:0.17%,其余为Fe及不可避免的杂质。连铸坯重新加热至1193℃左右,在炉时间300分钟。出炉后进入粗轧机进行高温区轧制,1115℃开轧,本阶段总轧制道次7道次,其中4、5、6道次分别压下40、42、42mm,轧制速度控制在小于1.5m/s;钢坯在辊道上降温至800℃送入精轧机轧成成品厚度80mm钢板,终轧温度790℃。轧后进水冷温度检测为755℃,以12℃/s冷速冷至330℃。随后出水冷区自然空冷至室温制得钢板。该钢板的抗拉强度627MPa,CTOD(-10℃)=0.92,1.01,1.34mm,根据斜Y形坡口拘束公式计算的预热温度为81℃,明显降低焊接预热温度,改善工人劳动环境。
实施例3
将化学成分包括(按wt%计):C:0.03%、Si:0.10%、Mn:1.60%、Nb:0.050%、V:0.030%、Ti 0.020%、Ni:0.35%、Mo:0.10%、Al:0.0151%、P:0.013%、S:0.003%,Pcm:0.12%,其余为Fe及不可避免的杂质。连铸坯重新加热至1140℃左右,在炉时间280分钟。出炉后进入粗轧机进行高温区轧制,1000℃开轧,本阶段总轧制道次7道次,其中4、5、6道次分别压下40、42、42mm,轧制速度控制在小于2.0m/s;钢坯在辊道上降温至810℃送入精轧机轧成成品厚度80mm钢板,终轧温度800℃。轧后进水冷温度检测为765℃,以15℃/s冷速冷至300℃。随后出水冷区自然空冷至室温制得钢板。该钢板的抗拉强度632MPa,CTOD(-10℃)=1.01,0.91,1.12mm,根据斜Y形坡口拘束公式计算的预热温度为34℃,明显降低焊接预热温度,改善工人劳动环境。
实施例4
将化学成分包括(按wt%计):C:0.05%、Si:0.310%、Mn:1.30%、Nb:0.030%、V:0.050%、Ti 0.010%、Ni:0.15%、Mo:0.30%、Al:0.035%、P:0.014%、S:0.004%,Pcm:0.18%,其余为Fe及不可避免的杂质。连铸坯重新加热至1200℃左右,在炉时间290分钟。出炉后进入粗轧机进行高温区轧制,1150℃开轧,本阶段的轧制在1035℃温度结束;钢坯在辊道上降温至820℃送入精轧机轧成成品厚度45mm钢板,终轧温度780℃。轧后进水冷温度控制在770℃,以30℃/s快冷速率冷至480℃。随后出水冷区自然空冷至室温制得钢板。该钢板的抗拉强度660MPa,CTOD(-10℃)=1.10,0.89,1.15mm,根据斜Y形坡口拘束公式计算的预热温度为-12℃,可在室温下焊接而不出现冷裂纹。
Claims (5)
1.一种低Pcm值大厚度易焊接海工钢板,其特征在于,化学成分重量百分比为:C:0.03%~0.06%,Si:0.10%~0.30%,Mn:1.30%~1.60%,P≤0.015%,S≤0.005%,Al:0.015%~0.035%,Nb:0.030%~0.050%,V:0.030%~0.050%,Ti:0.010%~0.020%,Ni:0.15%~0.35%,Mo:0.10%~0.30%,焊接裂纹敏感性指数Pcm:0.12%~0.18%,其余为Fe及不可避免的杂质;
钢板的最大厚度到80mm,钢板的抗拉强度大于600Mpa,-10℃裂纹尖端张开位移CTOD>0.38mm,焊接预热温度≤85℃。
2.如权利要求1所述的低Pcm值大厚度易焊接海工钢板的生产方法,其特征在于,包括以下步骤:
a)将成分达到要求的连铸坯进行加热,加热温度为1140-1200℃,加热时间为10-11min/cm;
b)加热后的连铸坯在高温再结晶区轧制温度为1000-1150℃,终轧温度1000℃以上,获得稳定的再结晶组织;
c)中间坯进入未再结晶区温度范围轧制成最终成品厚度,轧制温度为780-840℃;
d)轧后钢板冷却开始温度控制在Ar3±10℃范围,终冷温度控制在500℃以下。
3.如权利要求2所述的低Pcm值大厚度易焊接海工钢板的生产方法,其特征在于,所述步骤b)中成品厚度50mm以上钢板的高温区再结晶轧制阶段有2~3道次压下量达到40mm,且道次变形率控制在15%以上。
4.如权利要求2所述的低Pcm值大厚度易焊接海工钢板的生产方法,其特征在于,所述步骤b)中,成品厚度50mm以上钢板的轧制速度不超过2.0m/s;
5.如权利要求2所述的低Pcm值大厚度易焊接海工钢板的生产方法,其特征在于,所述步骤d)中成品厚度50mm以下钢板冷却速率控制在20-30℃/s,终冷温度为450-480℃;成品厚度50mm以上钢板冷却速率控制在10-15℃/s,终冷温度为300-360℃。
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