CN110157986B - 一种高氮低合金低温韧性强的船板钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高氮低合金低温韧性强的船板钢及其制造方法，其中，所述高氮低合金低温韧性强的船板钢的组分包括C、Si、Mn、P、S、V、Ti、Als、N以及余量的Fe和杂质，且上述组分元素含量必须同时满足如下关系：V+Ti≥0.070，且（V+Ti）/N≥6.95，制造方法是采用V、Ti两种合金元素在较高的N含量下形成碳氮化物的复合强化，通过轧制和冷却工艺的控制，形成大量碳氮化物，有效降低钢中碳含量，制造出高强高韧的船板钢；本发明提供的钢板屈服强度≥370MPa，延伸率A≥25%，‑40℃冲击吸收功≥200J，适用于建造对强度和韧性要求较高的船舶及海洋工程钢结构，且成分设计简单，工艺流程短，生产成本较低，具有良好的经济效益和社会效益。

Description

一种高氮低合金低温韧性强的船板钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及船板钢的制造技术领域，特别涉及一种高氮低合金低温韧性强的船板钢及其制造方法。

背景技术

高强韧性船板钢一般采用加入微合金元素进行控制轧制或正火热处理制造，大多选用Nb、V、Ti三种微合金元素复合强化，由于国内几乎没有铌矿，因此铌合金全部需要进口，成本价格高，且易受国际贸易的影响。

现有技术中，中国发明专利申请（申请号201110213957.0、申请日2011.07.28）公开了“一种高强度高韧性船板钢及其TMCP生产工艺”，其特征在于：含C0.04～0.08%、Si0.15～0.40%、Mn1.30～1.55%、P≤0.012%、S≤0.005%、Nb0.025～0.045%、Ti0.010～0.020%、Ni0.015~0.025%、Als0.020～0.050%、N≤0.007%、Fe余量和微量杂质。该技术方案采用的是Nb、Ti两种微合金元素复合强化，并限制了N的含量及其强化效果，需要加入较高的Mn合金提高钢板强度，同时Nb合金成本较高。

另一项中国发明专利（专利号200810047198.3、申请日2008.3.31）公开了“一种具有优异焊接性能的船体结构钢及其生产方法”，化学成分按重量百分比为：C0.05～0.25%、Si0.01～1.0%、Mn0.50～2.0%、P≤0.020%、S≤0.010%、Ti0.005～0.10%、Nb0.005～0.10%，余量为Fe及不可避免的杂质，且0.015%≤C×Si≤0.075%，0.095%≤C×Mn≤0.15%，0.0003%≤Nb×Ti≤0.0005%。具体生产方法包括：板坯加热——粗轧——精轧——水冷——空冷。该技术方案采用的是Nb、Ti两种微合金元素复合强化，没有突出N的强化效果，同时对C、Si、Mn、Nb、Ti等合金的加入有较高的要求，同时Nb合金成本较高。

还有一项中国发明专利申请（申请号201210219005.4、申请日2012.06.22）公开了“一种正火型船板钢及其生产方法”，化学成分按重量百分比为：C≤0.21%、Si≤0.35%、Mn0.60～1.20%、P≤0.015%、S≤0.005%、O≤0.0040%、N≤0.0060%，余量为Fe及不可避免的杂质。制造方法是：采用经过脱硫预处理的铁水和废钢作为原料，经过冶炼、连铸、加热、轧制和冷却、正火热处理等工序得到船体用钢板。该技术方案需要进行正火热处理，工艺流程较长，能源消耗较高。

发明内容

本发明的目的是提出一种高氮低合金低温韧性强的船板钢及其制造方法，解决现有船板钢合金含量高、制造工艺流程长、能源消耗大、制造成本高等问题，该船板钢厚度规格为10~50mm，常温下屈服强度≥370MPa，延伸率A≥25%，-40℃冲击吸收功≥200J，用于建造船舶及海洋工程的钢结构。

为实现上述目的，本发明提出一种高氮低合金低温韧性强的船板钢，其组分及重量百分比含量包括：

所述钢板的组分及重量百分比含量包括：

C：0.06～0.12%，Si：0.10～0.35%，Mn：1.0～1.5%，P≤0.015%，S≤0.008%，V：0.050~0.080%，Ti：0.010～0.020%，Als：0.010～0.045%，N：0.005~0.012%，其余为Fe和不可避免的杂质；

且上述元素含量必须同时满足如下关系：

V+Ti≥0.070，且（V+Ti）/N≥6.95。

优选地，所述钢板的组分及重量百分比含量包括：

C：0.07～0.11%，Si：0.15～0.30%，Mn：1.15～1.35%，P≤0.010%，S≤0.005%，V：0.055~0.075%，Ti：0.012～0.018%，Als：0.015～0.040%，N：0.006~0.011%，其余为Fe和不可避免的杂质；

且上述元素含量必须同时满足如下关系：

V+Ti≥0.070，且（V+Ti）/N≥6.95。

优选地，所述钢板常温下的屈服强度ReH≥370MPa，延伸率A≥25%，-40℃温度下冲击功KV₂≥200J。

优选地，所述钢板的成品厚度为10~50mm。

此外，为实现上述目的，本发明提出一种高氮低合金低温韧性强的船板钢的制造方法，包括如下步骤：

按照上述组分冶炼出铁水，将冶炼出的铁水经脱S、脱P、以及合金化处理精炼成钢水，提升钢水中N含量，微调合金含量；

将精炼出的钢水连铸成坯，并进行堆垛缓冷；

将板坯加热到1180℃采用粗轧和精轧两阶段控制轧制工艺轧制，所述粗轧开轧温度≥1120℃，粗轧终轧温度≥1050℃，所述精轧开轧温度950~1000℃，终轧温度800~880℃，控制坯料总压缩比（坯料厚度/成品厚度）≥5.0；

将上述精轧完成后的钢板浇水快速冷却至600~690℃，冷却速率5~10℃/s。

本发明提供的技术方案中，通过V、Ti两种合金元素，在较高的N含量下形成碳氮化物的复合强化，不添加Nb合金，充分发挥V、N元素在船板钢中的强化作用，利用廉价的N优化V的析出，

通过轧制和冷却工艺的控制，形成大量碳氮化物，有效降低钢中碳含量，从而获得细晶强化组织和固溶强化组织，并在TMCP工艺（两阶段控制轧制和快速冷却工艺）下制造出高强高韧的船板钢，所述钢板厚度规格为10~50mm，屈服强度≥370MPa，延伸率A≥25%，-40℃冲击吸收功≥200J，以适用于建造对强度和韧性要求较高的船舶及海洋工程钢结构，且该发明提供的船板钢，不需要使用合金元素Nb，也无需经过正火工艺，生产成本较低，具有良好的经济效益和社会效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明一种高氮低合金低温韧性强的船板钢的制造方法一实施例的流程示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。

下述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本文中，单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出的一种高氮低合金低温韧性强的船板钢，其组分及重量百分比含量包括：

C：0.06～0.12%，Si：0.10～0.35%，Mn：1.0～1.5%，P≤0.015%，S≤0.008%，V：0.050~0.080%，Ti：0.010～0.020%，Als：0.010～0.045%，N：0.005~0.012%，其余为Fe和不可避免的杂质；且上述元素含量必须同时满足如下关系：V+Ti≥0.070，且（V+Ti）/N≥6.95。

本发明中各组分的作用及控制具有以下特征：

C：碳是钢中最有效、最经济的间隙强化元素之一，可以显著提高钢的强度。过量的C含量会使钢的焊接性能及韧性显著降低，而C含量过低，则难于保证钢的强度。低碳设计时，需要通过其它强化元素以及轧制工艺来保证钢板的强度，同时也能得到良好的焊接性能和韧性，本发明C的合理范围在0.06～0.12%。

Si：硅是一种经济有置换固溶强化元素，加入钢中可显著提高钢的强度，且对钢的焊接性能没有明显的负面影响。但如果加入过多，会使钢的低温韧性明显降低，因此，Si含量不易过高，本发明Si：0.10～0.35%。

Mn：锰不仅可以增加钢的强度，还可以降低钢的相变温度，通过控制轧制过程细化晶粒，在提高钢的强度的同时，也提高断裂韧性。Mn含量过高，会增加钢的淬硬性，在钢的组织中形成较多的马氏体组织，降低韧性及焊接性能。为得到较好的焊接性能和韧性，其含量控制在1.0～1.5%之间。

P和S：磷和硫会降低钢的物理性能及力学性能，易形成夹杂、偏析等缺陷，影响钢板的冲击韧性，故钢中P、S含量越低越好，但若控制含量过低，导致生产工艺成本增加，本发明控制P≤0.015％，S≤0.008％。

V：钒的碳氮化物在900℃以上，可以完全溶入γ中，它的主要作用是在γ→α转变过程中的相间析出和在铁素体中的析出强化。V能产生中等程度的沉淀强化和比较弱的晶粒细化，而且与它的质量分数成比例的。因此V含量控制在0.05~0.08%。

Ti：钛与钢中的N结合形成高温稳定的TiN相，显示出强的抑制奥氏体晶粒长大的作用，而且在后续的过程相当稳定。TiC也起着控制奥氏体再结晶和析出强化的作用。因此，Ti可同时具有加热时阻止奥氏体晶粒长大、控制奥氏体再结晶和析出强化的作用。但过低的Ti没有足够的TiN阻止晶粒的粗化，过高的Ti将导致粗大的液态析出TiN，也不能阻止晶粒长大。因此Ti含量控制在0.010%～0.020%。

Al：铝主要是在炼钢过程中起到脱氧、升温、固氮、减少夹杂的作用，同时固氮后的溶解Al可以轧制过程中起到细化晶粒，提高强化的效果。

N：氮含量对含V钢影响很大，能加强V的效果。在低氮的情况下，含V钢的析出相以碳化物为主，随着氮含量增加，析出相逐渐变成以氮化物为主。溶入钢中的氮可以与V、Ti、Al等形成具有细晶作用和强化作用的氮化物。过高的氮对钢的韧性是有害的，但也不能低到影响形成微合金化合物的程度。

V、Ti微合金化元素的碳化物和氮化物在奥氏体中的溶解度由低到高的顺序为：TiN<TiC<VN<VC。只有在富氮的钢中，析出相才会以氮化物为主。而此时TiN的钉扎作用最有效，稳定性较好，未溶解的TiN可阻碍奥氏体晶粒长大，使晶粒长大的粗化温度提高到1300℃以上，从而细化γ晶粒，相变后铁素体晶粒也会变得细小。而V的碳氮化物在900℃以上，可以完全溶入γ晶粒中，富氮的钢在扎制及冷却过程中在整个析出温度范围，会全部析出VN或富氮的V（C、N）,产生较好的相间析出和析出强化效果。V和Ti对钢的影响在加热、轧制及冷却过程中具有互补作用，同时得到较高的强度和良好的韧性。综合考虑V、Ti微合金元素的溶解度，强化效果及合金成本，钢中按V+Ti≥0.07%，（V+Ti）/ N≥6.95。

本发明还提出的一种高氮低合金低温韧性强的船板钢，其组分及重量百分比含量包括：

C：0.07～0.11%，Si：0.15～0.30%，Mn：1.15～1.35%，P≤0.010%，S≤0.005%，V：0.055~0.075%，Ti：0.012～0.018%，Als：0.015～0.040%，N：0.006~0.011%，其余为Fe和不可避免的杂质；且上述元素含量必须同时满足如下关系：V+Ti≥0.070，且（V+Ti）/N≥6.95。

本发明中提供缩小各元素比例范围的优化的技术方案，是为了增加钢板性能富余量，稳定钢板性能。

按照上述组分及重量百分比含量制造的所述高氮低合金低温韧性强的船板钢，通过V、Ti两种合金元素，在较高的N含量下形成碳氮化物的复合强化，不添加Nb合金，充分发挥V、N元素在船板钢中的强化作用，利用廉价的N优化V的析出，通过轧制和冷却工艺的控制，形成大量碳氮化物，有效降低钢中碳含量，从而获得细晶强化组织和沉淀强化组织，并在TMCP工艺下制造出高强高韧的船板钢，所述钢板厚度规格为10~50mm，屈服强度≥370MPa，延伸率A≥25%，-40℃冲击吸收功≥200J，以适用于建造对强度和韧性要求较高的船舶及海洋工程钢结构，且该发明提供的船板钢，不需要使用合金元素Nb，也无需经过正火工艺，生产成本较低，具有良好的经济效益和社会效益。

本发明还提出一种高氮低合金低温韧性强的船板钢的制造方法，图1为本发明一种高氮低合金低温韧性强的船板钢的制造方法一实施例的流程示意图，包括如下步骤：

步骤S10，按照上述组分冶炼出铁水，将冶炼出的铁水经脱S、脱P、以及合金化处理精炼成钢水，提升钢水中N含量，微调合金含量。

具体地，按所述成分及重量百分比的要求，将铁水混合均匀，并经深脱S预处理，后经转炉冶炼脱P和合金化，再用LF炉精炼钢水，并提升钢中N含量，微调合金含量。

步骤S20，将精炼出的钢水连铸成坯，并进行堆垛缓冷。

连铸完成后的铸坯在下线后需堆垛缓冷72h。该工艺控制是为了使钢中的氢扩散到空气中，使钢中的氢含量逐渐下降，同时减轻成分偏析，促进性能均匀。

步骤S30，将板坯加热到1180℃采用粗轧和精轧两阶段控制轧制工艺轧制，所述粗轧开轧温度≥1120℃，粗轧终轧温度≥1050℃，控制轧制厚度为成品厚度2~3倍的中间坯，并控制中间坯最小厚度≥45mm；所述精轧开轧温度950~1000℃，终轧温度800~880℃，控制坯料总压缩比（坯料厚度/成品厚度）≥5.0。

上述轧制过程分两个阶段完成，第一阶段属于等轴晶粒轧制，即将铸态粗大的柱状晶粒在≥1050℃温度轧制成的均匀的等轴晶粒，为第二阶段细化晶粒轧制做准备。轧后通过控制冷却，可以将变形奥氏体中的亚结构等强化机制保持到相变后的组织中，并得到细铁素体和细片状铁光体组织，以提高钢板的强度和低温韧性。

步骤S40，将上述精轧完成后的钢板浇水快速冷却至600~690℃，冷却速率5~10℃/s。

冷却时根据成品钢板厚度、冷却水温以及冷却区域的长度，选择合适的冷却水量、上下水比、辊速及边部遮挡模式，使钢板冷却均匀。冷却速率过大，冷却后钢板温度过低，会使钢板韧性降低；冷却速率过小，冷却后钢板温度过高，会使钢板强度降低。

采用上述元素组分含量及加工工艺步骤制造的所述高氮低合金低温韧性强的船板钢，所述钢板厚度规格为10~50mm，屈服强度≥370MPa，延伸率A≥25%，-40℃冲击吸收功≥200J，该船板钢适用于建造对强度和韧性要求较高的船舶及海洋工程钢结构，且该发明提供的船板钢，不需要使用合金元素Nb，也无需经过正火工艺，生产成本较低，具有良好的经济效益和社会效益。

以下结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明，应当理解，以下实施例仅仅用以解释本发明，不用于限定本发明。

所述一种高氮低合金低温韧性强的船板钢的组分及其重量百分比含量为：C：0.06～0.12%，Si：0.10～0.35%，Mn：1.0～1.5%，P≤0.015%，S≤0.008%，V：0.050~0.080%，Ti：0.010～0.020%，Als：0.010～0.045%，N：0.005~0.012%，其余为Fe和不可避免的杂质；

且上述元素含量必须同时满足如下关系：

V+Ti≥0.070，且（V+Ti）/N≥6.95。

所述一种高氮低合金低温韧性强的船板钢的制造方法的步骤为：

步骤S10，按照上述组分冶炼出铁水，将冶炼出的铁水经脱S、脱P、以及合金化处理精炼成钢水，提升钢水中N含量，微调合金含量；

步骤S20，将精炼出的钢水连铸成坯，并进行堆垛缓冷；

步骤S30，将板坯加热到1180℃采用粗轧和精轧两阶段控制轧制工艺轧制，所述粗轧开轧温度≥1120℃，粗轧终轧温度≥1050℃，控制轧制厚度为成品厚度2~3倍的中间坯，并控制中间坯最小厚度≥45mm；所述精轧开轧温度950~1000℃，终轧温度800~880℃，控制坯料总压缩比（坯料厚度/成品厚度）≥5.0；

步骤S40，将上述精轧完成后的钢板浇水快速冷却至600~690℃，冷却速率5~10℃/s。

在实际应用中，根据船板钢生产规格和批次不同，具有控制范围内的不同组分含量、具体工艺控制条件、以及对应的力学性能指标，为了更好地说明和解释本发明，表1、表2中将发明例（本发明涉及的钢种）和对比例（现有钢种）的组分、工艺条件及力学性能罗列出来进行对比。

表1 本发明的实施例与对比例的化学组分表（wt%）

表2 本发明实施例与对比例的工艺控制及力学性能

从表1和表2中可以看出，本发明通过V、Ti两种合金元素，在较高的N含量下形成碳氮化物的复合强化，不添加Nb合金，充分发挥V、N元素在船板钢中的强化作用，利用廉价的N优化V的析出，并采用将板坯加热到1180℃，经过粗轧和精轧两阶段控制轧制，控制粗轧开轧温度≥1120℃，粗轧终轧温度≥1050℃，精轧开轧温度950~1000℃，终轧温度800~880℃，控制坯料总压缩比（坯料厚度/成品厚度）≥5.0；精轧完成后的钢板浇水快速冷却至600~690℃，冷却速率5~10℃/s。将铸态粗大的柱状晶粒在≥1050℃温度轧制成的均匀的等轴晶粒，为精轧阶段细化晶粒轧制做准备，轧后通过控制冷却，可以将变形奥氏体中的亚结构等强化机制保持到相变后的组织中，并得到细铁素体和细片状铁光体组织，以提高钢板的强度和低温韧性。轧制和冷却工艺的控制，形成大量碳氮化物，有效降低钢中碳含量，从而获得细晶强化组织和固溶强化组织，并在TMCP工艺下制造出高强高韧的船板钢，所述钢板厚度规格为10~50mm，屈服强度≥370MPa，延伸率A≥25%，-40℃冲击吸收功≥200J，以适用于建造对强度和韧性要求较高的船舶及海洋工程钢结构，且该发明提供的船板钢，不需要使用合金元素Nb，也无需经过正火工艺，生产成本较低，具有良好的经济效益和社会效益。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种高氮低合金低温韧性强的船板钢，其特征在于：所述钢板的组分及重量百分比含量包括：

C：0.06～0.12％，Si：0.10～0.35％，Mn：1.0～1.5％，P≤0.015％，S≤0.008％，V：0.050～0.080％，Ti：0.010～0.020％，Als：0.010～0.045％，N：0.005～0.012％，其余为Fe和不可避免的杂质；

且上述元素含量必须同时满足如下关系：

V+Ti≥0.070，且(V+Ti)/N≥6.95；

所述船板钢的制造方法包括如下步骤：

按照上述组分冶炼出铁水，将冶炼出的铁水经脱S、脱P、以及合金化处理精炼成钢水，提升钢水中N含量，微调合金含量；

将精炼出的钢水连铸成坯，并进行堆垛缓冷；

将板坯加热到1180℃采用粗轧和精轧两阶段控制轧制工艺轧制，所述粗轧开轧温度≥1120℃，粗轧终轧温度≥1050℃，所述精轧开轧温度950～1000℃，终轧温度800～880℃，控制坯料总压缩比(坯料厚度/成品厚度)≥5.0；

将上述精轧完成后的钢板浇水快速冷却至600～690℃，冷却速率5～10℃/s。

2.根据权利要求1所述的一种高氮低合金低温韧性强的船板钢，其特征在于：所述钢板的组分及重量百分比含量包括：

C：0.07～0.11％，Si：0.15～0.30％，Mn：1.15～1.35％，P≤0.010％，S≤0.005％，V：0.055～0.075％，Ti：0.012～0.018％，Als：0.015～0.040％，N：0.006～0.011％，其余为Fe和不可避免的杂质；

且上述元素含量必须同时满足如下关系：

V+Ti≥0.070，且(V+Ti)/N≥6.95。

3.根据权利要求1所述的一种高氮低合金低温韧性强的船板钢，其特征在于：所述钢板常温下的屈服强度ReH≥370MPa，延伸率A≥25％，-40℃温度下冲击功KV₂≥200J。

4.根据权利要求1所述的一种高氮低合金低温韧性强的船板钢，其特征在于：所述钢板的成品厚度为10～50mm。

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