CN110184534A - 一种100~150mm厚具有优异模焊处理后性能的特厚钢板及其生产方法 - Google Patents

一种100~150mm厚具有优异模焊处理后性能的特厚钢板及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种100～150mm厚具有优异模焊处理后性能的特厚钢板及其生产方法，化学成分按质量百分比计为：C：0.13～0.18％、Si：0.25～0.50％、Mn：1.10～1.60％、P≤0.010％、S≤0.003％、Cu：0.10～0.40％、Ni：0.20～0.50％、Mo：0.05～0.20％、Nb：0.010～0.050％，V：0.010～0.030％，余量为Fe及不可避免的杂质，同时相应元素含量满足Ceq＝[C]+[Mn]/6+([Cr]+[Mo]+[V])/5+([Cu]+[Ni])/15≤0.45％，该钢经转炉冶炼+钢包炉精炼+真空处理+厚板坯连铸+罩冷+铸坯加热+控制轧制+控制冷却+调质热处理+探伤+性能检验生产得到。本发明具有强度高、低温韧性优良、优异的模焊处理后性能、焊接性能优良、生产成本低、周期短等特点。

Description

一种100～150mm厚具有优异模焊处理后性能的特厚钢板及其 生产方法
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，涉及一种特厚低合金钢板及其制造方法，特别是一种具有优异模焊处理后性能的特厚低合金钢板及其制造方法。
背景技术
特厚钢板的厚度往往在60mm以上，主要用于海洋平台、锅炉、水电及高层建筑等对钢材性能要求较高的大型设施和构件。随着我国能源开发、基础设施建设等的高速发展，特厚钢板的需求显著增加，特别是一些厚度≥100mm的高性能特厚钢板，为充分保证钢板的内在冶金质量和焊接性能，要求坯料和钢板的压缩比≥3，国内只能采用钢锭、电渣重熔等高能耗方法生产，出现生产能力不足，周期长、成本高，依赖进口的局面。
大型设备、构件等对特厚钢板性能的要求越来越高，除了母材要求具有高强度(抗拉强度≥485～620MPa)、高韧性(板厚1/4处-50℃横向冲击功KV2≥47J)、优良的焊接性能(Ceq≤0.45％)和抗层状撕裂性能(ZZ≥35％)等，还对钢板模焊后的强度、韧性指标提出了严格的要求。
专利(CN 102345047A)公布了一种150mm厚Q245R特厚钢板，采用模铸生产，成本高、周期长，且其抗拉强度仅为440-470MPa，使用温度最低不得低于-20℃，应用范围受限。
专利(CN 105908086B)公布了一种特厚低合金钢板，采用成本较低的连铸坯生产，其抗拉强度≥500～620MPa，钢板心部-35℃纵向冲击功在100J以上，焊接性能良好，但未提及其模焊处理后的性能。
专利(CN 102009332A)公布了一种叠轧焊工艺生产特厚板的方法，钢板内部质量好，但需采用两块或两块以上连铸坯焊接，工艺复杂，成本高，不适合大批量生产。
综上所述，现有厚度≥100～150mm的特厚低合金钢板采用模铸、电渣重熔、复合坯生产时，存在生产成本高、周期长、实用性不强、强度不足和冲击韧性低等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种特厚低合金钢板及其制造方法，具有强度高、低温韧性优良、优异的模焊处理后性能、焊接性能优良、生产成本低、周期短等特点。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种100～150mm厚具有优异模焊处理后性能的特厚钢板，其特征在于：所述特厚钢板的化学成分按质量百分比计为：C：0.13～0.18％、Si：0.25～0.50％、Mn：1.10～1.60％、P≤0.010％、S≤0.003％、Cu：0.10～0.40％、Ni：0.20～0.50％、Mo：0.05～0.20％、Nb：0.010～0.050％，V：0.010～0.030％，余量为Fe及不可避免的杂质，同时相应元素含量满足Ceq＝[C]+[Mn]/6+([Cr]+[Mo]+[V])/5+([Cu]+[Ni])/15≤0.45％。
本发明提供的一种100～150mm厚具有优异模焊处理后性能的特厚钢板，母材性能满足屈服强度≥350MPa，抗拉强度≥485～620MPa，延伸率≥30％，Zz≥35％，板厚1/4处-50℃横向冲击功KV2≥47J，模焊处理后性能要求同母材(模焊工艺：升温至620℃，保温3小时，300℃以上控制升降温速率≤100℃/h，300℃以下出炉空冷，循环3次)。
化学成分是影响特厚钢板性能的主要因素，为保证本发明的特厚钢板获得优良的综合力学性能，尤其是模焊处理后的性能，对本发明的主要元素进行了规定，主要原理如下：
碳：C是提高钢板强度的最有效元素。当C以间隙原子存在钢中，通过阻碍位错滑移，提高钢的强度和塑性；在钢中形成碳化物，可提高钢的强度和硬度，但同时降低了其塑性和韧性；当碳含量超过0.20％明显降低钢的低温韧性。因此本发明C含量控制在0.13～0.18％。
硅：Si可提高钢的强度，其固溶于奥氏体中使得组织得到强化。低合金钢中每增加0.10％的Si，可使热轧钢的抗拉强度提高约8MPa；当Si含量超过0.50％，则引起冲击韧性和面缩率的下降，同时影响钢板的表面质量。因此本发明Si含量控制在0.25～0.50％。
锰：Mn通过在奥氏体内形成固溶体提高了钢的强度，同时也可改善钢的低温韧性，但过多的Mn易导致钢板偏析严重和产生热裂纹。因此本发明Mn含量控制在1.10～1.60％。
铜：可提高基体及焊缝金属的强度和低温韧性，与Ni结合能更好地起到耐腐蚀作用。但含量过高会使塑性显著降低。因此，Cu的含量为0.10～0.40％。
镍：Ni是改善钢的低温韧性不可或缺的元素，也是最有效的元素，其与铁互溶，通过细化α相晶粒，强化铁素体和细化珠光体组织，可明显改善钢的低温韧性，尤其是长时间模焊处理后的低温冲击韧性，同时降低因Cu加入导致的铸坯裂纹倾向，但Ni是贵重元素，过多的Ni会显著提高钢的生产成本。因此本发明Ni含量控制在0.20～0.50％。
钼：可提高钢的回火稳定性和细化晶粒，尤其是改善模焊后钢板的力学性能，防止强度大幅下降，同时适量的Mo元素还可改善焊接接头韧性，但Mo作为贵重金属，加入量过多会显著使钢的成本上升。因此本发明钢Mo的含量为0.05～0.20％。
铌、钒：和C、N有极强的结合力，并与之形成相应的稳定的碳化物、氮化物或碳氮化物，可细化晶粒和阻止原奥氏体晶粒粗化，提高钢的强度和韧性，特别是低温韧性，使钢具有较好的可焊性。因此本发明Nb含量控制在0.010～0.050％，V含量控制在0.010～0.030％。
磷、硫：S与P对钢的热加工性、力学性能均有害，尤其对有低温韧性要求的特厚钢板来说，其含量越低越好。因此本发明P含量控制在≤0.010％，S含量控制在≤0.003％。
本发明100～150mm厚特厚低合金钢的主要制造工序为：氧气转炉冶炼→钢包炉精炼→真空处理→厚板坯连铸→铸坯罩冷→铸坯加热→控制轧制→控制冷却→堆垛缓冷→探伤→调质热处理→探伤→性能检验，具体要求如下：
(1)炼钢及连铸：进入氧气转炉前铁水保证[S]≤0.002％，转炉出钢温度控制在1600～1660℃；钢包炉精炼时间≥35分钟，采用铝线脱氧，保证[O]≤20ppm，添加铌铁、钒铁合金；真空处理时间≥15分钟，结束后喂钙线处理，软吹大于≥10分钟；连铸时控制拉速在0.45～0.55m/min，严格控制过热度在10～40℃，浇注成厚铸坯，铸坯采用扣罩缓冷。
(2)控制轧制及控制冷却：铸坯加热采用低温长时间模式，加热温度1150～1220℃，总的在炉时间≥540min，均热时间≥100min；初轧后三道次压下量为40～50mm，终轧温度为980～1000℃；精轧开轧温度为800～860℃，轧制成100～150mm厚钢板；轧后控制冷却速度为10～25℃/s，返红温度为580～680℃，堆垛缓冷至室温。
(3)调质热处理：将钢板加热至880～920℃，保温时间控制在180～240min之间，使晶粒充分奥氏体化而又不至于过分长大，然后进淬火机进行强力冷却，冷却速度控制在15～30℃/s；高温回火温度为600～660℃，保温时间300～500min，均匀组织以及消除淬火应力。
本发明以C-Mn系为主的低成本成分设计思路，并辅以微量的Nb、Ni、Mo等元素，将其碳当量控制在0.45％以内，保证其具有优异的低温韧性和优良的可焊性；通过钢包炉+真空双精炼模式控制钢水中的夹杂物、气体含量，连铸时严格控制钢水过热度、拉速，改善铸坯中心偏析、中心疏松等缺陷，进一步提高铸坯的内在冶金质量；对铸坯采用低温长时间加热制度、高温大压下的控制轧制技术，再通过合理的控制冷却工艺，进一步细化晶粒；最后进行880～920℃淬火和600～660℃回火处理，强化特厚钢板的微观组织，从而改善钢的综合性能，使本发明100～150mm厚特厚低合金钢母材性能满足屈服强度≥350MPa，抗拉强度≥485～620MPa，延伸率≥30％，Zz≥35％，板厚1/4处-50℃横向冲击功KV2≥47J，模焊处理后性能要求同母材(模焊工艺：升温至620℃，保温3小时，300℃以上控制升降温速率≤100℃/h，300℃以下出炉空冷，循环3次)。特厚钢板的表层组织为贝氏体+铁素体，板厚1/4和板厚1/2处组织为铁素体+珠光体组织。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)与采用钢锭、电渣重熔、复合坯等生产100～150mm厚的特厚钢板相比，本发明特厚钢板生产成本显著降低，生产周期明显缩短，大大提高中厚板产品竞争力。
(2)本发明采用C-Mn系的低成本成分设计，辅以微量Nb、V、Ni等元素，再通过先进的纯净钢冶炼技术、钢包炉+真空的双精炼模式、控制轧制和控制冷却工艺，开发出100～150mm厚特厚低合金钢，具有较强的可操作性和适用性。
(3)本发明100～150mm厚特厚低合金钢碳当量Ceq≤0.45％，尤其是模焊处理后性能满足屈服强度≥350MPa，抗拉强度≥485～620MPa，延伸率≥30％，Zz≥35％，板厚1/4处-50℃横向冲击功KV2≥47J，具有高强度、优异的低温韧性、优良的可焊性等特点，应用范围更广泛。
附图说明
图1为实施例1的150mm厚钢板在放大倍数为200倍，标尺为50μm下表层金相组织，主要为贝氏体+铁素体。
图2为实施例1的150mm厚钢板1/4处在放大倍数为200倍，标尺为50μm下金相组织，主要为铁素体和珠光体。
图3为实施例1的150mm厚钢板1/2处在放大倍数为200倍，标尺为50μm下金相组织，主要为铁素体和珠光体。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1～2和对比例为一种特厚低合金钢板，其主要生产工序为KR铁水预处理→氧气转炉冶炼→钢包炉精炼→真空处理→厚板坯连铸→铸坯罩冷→铸坯加热→控制轧制→控制冷却→堆垛缓冷→探伤→调质热处理→探伤→性能检验。
实施例1～2和对比例的熔炼化学成分见表1：
表1熔炼化学成分(wt％)
上述实施例和对比例均在顶底复吹转炉冶炼，再经钢包炉深脱硫和精炼处理，最后至真空炉进行脱气，软吹一定时间，使大夹杂物充分上浮去除，并保证成分均匀，然后经轻压下和全过程保护浇注成连铸板坯。
将厚连铸坯加热到1150～1220℃，总的在炉时间≥540min，均热时间≥100min；初轧后三道次，道次压下量为40～50mm，终轧温度为980～1000℃；精轧开轧温度为800～860℃，轧制成100～150mm厚钢板；轧后控制冷却速度为10～25℃/s，返红温度为580～680℃，堆垛缓冷至室温。
实施例1～2和对比例的轧制工艺参数见表2。
表2主要轧制工艺参数对比
对钢板进行880～920℃淬火和600～660℃回火处理热处理后，进行力学性能检测，结果见表3。
表3实施例1～2和对比例钢板母材力学性能对比
由表3可知，本发明100～150mm厚特厚低合金钢板具有良好的综合性能，其屈服强度≥350MPa，抗拉强度≥485～620MPa，延伸率A≥30％，Zz≥35％，板厚1/4处-50℃KV2均值在100J以上，而对比例强度偏低，且板厚1/4处冲击值富余量不大。
对钢板进行模焊处理(模焊工艺：升温至620℃，保温3小时，300℃以上控制升降温速率≤100℃/h，300℃以下出炉空冷，循环3次)后进行拉伸、冲击性能检测，结果见表4。
表4实施例1～2和对比例钢板模焊后力学性能对比
由表4可知，经模焊处理后实施例钢板的拉伸强度、冲击功均有所下降，但满足标准要求，且有一定的富余量，而对比例已不能满足技术指标要求。
图1～图3分别显示了150mm厚钢板表层、板厚1/4、板厚1/2处的组织，板厚1/4处组织为铁素体+珠光体，铁素体晶粒为8～10级，晶粒更细小，不仅保证了本发明钢具有足够的强度，同时也使其具有优异的低温韧性。
本发明100～150mm厚特厚低合金钢板具有优异的母材及模焊处理后的力学性能，可广泛应用于低温环境下水电、桥梁、大型钢结构、容器、海洋工程结构等。
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种100～150mm厚具有优异模焊处理后性能的特厚钢板，其特征在于：所述特厚钢板的化学成分按质量百分比计为：C：0.13～0.18％、Si：0.25～0.50％、Mn：1.10～1.60％、P≤0.010％、S≤0.003％、Cu：0.10～0.40％、Ni：0.20～0.50％、Mo：0.05～0.20％、Nb：0.010～0.050％，V：0.010～0.030％，余量为Fe及不可避免的杂质，同时相应元素含量满足Ceq＝[C]+[Mn]/6+([Cr]+[Mo]+[V])/5+([Cu]+[Ni])/15≤0.45％。
2.根据权利要求1所述的一种100～150mm厚具有优异模焊处理后性能的特厚钢板其特征在于：母材性能满足屈服强度≥350MPa，抗拉强度≥485～620MPa，延伸率≥30％，Zz≥35％，板厚1/4处-50℃横向冲击功KV2≥47J。
3.根据权利要求1所述的一种100～150mm厚具有优异模焊处理后性能的特厚钢板其特征在于：特厚钢板的表层组织为贝氏体+铁素体，板厚1/4和板厚1/2处组织为铁素体+珠光体组织。
4.根据权利要求1所述的一种100～150mm厚具有优异模焊处理后性能的特厚钢板其特征在于：钢板模焊处理后性能满足屈服强度≥350MPa，抗拉强度≥485～620MPa，延伸率≥30％，Zz≥35％，板厚1/4处-50℃横向冲击功KV2≥47J。
5.根据权利要求3所述的一种100～150mm厚具有优异模焊处理后性能的特厚钢板其特征在于：模焊工艺如下：升温至620℃，保温3小时，300℃以上控制升降温速率≤100℃/h，300℃以下出炉空冷，循环3次。
6.一种如权利要求1所述特厚钢板的制造方法，其特征在于该方法包括以下工序：氧气转炉冶炼→钢包炉精炼→真空处理→厚板坯连铸→铸坯罩冷→铸坯加热→控制轧制→控制冷却→堆垛缓冷→探伤→调质处理→探伤→性能检验，具体要求如下：
(1)进入氧气转炉前铁水保证[S]≤0.002％，转炉出钢温度控制在1600～1660℃；钢包炉精炼时间≥35分钟，采用铝线脱氧，保证[O]≤20ppm，添加铌铁、钒铁合金；真空处理时间≥15分钟，结束后喂钙线处理，软吹大于≥10分钟；连铸时控制拉速在0.45～0.55m/min，严格控制过热度在10～40℃，浇注成厚铸坯，厚铸坯采用扣罩缓冷；
(2)厚铸坯加热采用低温长时间模式，加热温度1150～1220℃，总的在炉时间≥540min，均热时间≥100min；初轧后三道次压下量为40～50mm，终轧温度为980～1000℃；精轧开轧温度为800～860℃，轧制成100～150mm厚钢板；轧后控制冷却速度为10～25℃/s，返红温度为580～680℃，堆垛缓冷至室温；
(3)将100～150mm厚钢板加热至880～920℃，保温时间控制在180～240min，使晶粒充分奥氏体化而又不至于过分长大，然后进淬火机进行强力冷却，冷却速度控制在15～30℃/s；高温回火温度为600～660℃，保温时间300～500min，均匀组织以及消除淬火应力。
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