CN110846555B - 一种大规格高强韧对称球扁钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大规格高强韧对称球扁钢及其生产方法，所述大规格球扁钢的化学成分按重量百分比计为：C 0.12％～0.18％，Si 0.20％～0.40％，Mn 1.05％～1.55％，V 0.040％～0.080％，Ti 0.007％～0.020％，N 0.0080％～0.0120％，Als 0.015％～0.030％，P≤0.015％，S≤0.005％，余量为Fe及不可避免的杂质。生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制和冷却工艺；所生产的对称球扁钢具有优良力学性能：屈服强度在400MPa以上，‑60℃冲击吸收能量在100J以上，经5％应变、250℃保温1h时效处理后，‑60℃冲击吸收能量在70J以上；最大规格可达40#。
Description
技术领域
本发明涉及球扁钢生产技术领域，尤其涉及一种大规格高强韧对称球扁钢及其生产方法。
背景技术
球扁钢是一种特殊型钢，主要应用在船舶制造和桥梁建造领域，但随着近年来造船行业的飞速发展，球扁钢逐渐成为船用球扁钢的专称，是船用型钢中重要的一种，主要用作扶强材、防挠材。球扁钢属于截面极度不对称的异型截面钢，一般采用孔型轧制，往往会受装备条件、孔型设计等的影响。球扁钢由扁平的腹板和球状的球头构成，根据其断面形状的不同，又可以划分为单球扁钢和对称球扁钢。由于对称球扁钢的腹板与球头的尺寸差别很大，最大差别甚至能够达到120mm以上，为生产过程中的轧制、冷却、矫直以及组织控制带来了很大难度。
近年来，由于球扁钢的广泛应用，在球扁钢的生产控制方面产生了一些新的技术，申请号为201110449456.2的中国专利公开了一种“大规格高强度D40船用热轧球扁钢及生产工艺”，球扁钢的化学成分组成按重量百分比为：C 0.08～0.15，Si 0.10～0.50，Mn 1.15～1.75，S、P≤0.020，V 0.08～0.15，Ni 0.10～0.50，Ti 0.01～0.03，Mg 0.001～0.01，Ca0.001～0.01，O 0.001～0.01，N 0.016～0.025，其中Mn/C≥14.0，Ni/Mn≥0.15，(Mg+Ca)/O≥1.0，余量为Fe和不避免的杂质。生产工艺包括真空结束时采用直径13mm的钒氮合金丝和直径10mm的Mg-Ca合金丝喂入钢液中并底吹氩搅拌，热轧采用低温坯料加热、终轧大变形及轧后水雾冷却。该钢屈服强度不低于390MPa，纵向-40℃夏比冲击功不低于41J。上述生产工艺针对的是单球扁钢，且其合金含量偏高，-40℃夏比冲击功也难以满足低温使用条件下对球扁钢的韧性要求。
申请号为201611096842.7的中国专利公开了“一种截面性能均匀的高强度球扁钢及其生产工艺”，其球扁钢的化学成分以质量百分比计：C 0.07～0.12％，Si 0.30～0.50，Mn 1.00～1.50％，P≤0.015，S≤0.010，Ni 0.50～1.00％，V 0.05～0.12％，Ti 0.005～0.012％，N 0.014～0.024％，其中C/N≤5.5，Ti/V≤0.15，Mn/Ni≤2.0，余量为Fe和不可避免的杂质。生产工艺包括电炉冶炼、炉外精炼、连铸、开坯、轧制和热处理工艺。产品屈服强度不低于440MPa，-40℃低温冲击功不低于49J，且其截面性能均匀性较好。上述技术方案同样针对的是单球扁钢，其合金含量同样偏高，且其工艺过程包括开坯、热处理等工艺，无形中增加了生产成本，而且-40℃低温冲击功同样不能满足低温使用条件下对球扁钢的韧性要求。
申请号为201110417082.6的中国专利公开了“一种屈服强度为590MPa级球扁钢及其生产方法”，球扁钢化学成分的重量百分比为：C 0.06～0.11％，Si 0.17～0.37％，Mn0.30～0.60％，S≤0.010％，P≤0.015％，Ni 2.60～3.00％，Cr 0.90～1.20％，Mo 0.20～0.27％，V 0.04～0.10％，余量为铁及不可避免的杂质。生产方法包括转炉冶炼、炉外精炼、方坯连铸、坯料加热、轧制、热处理等工序。该钢种同样存在合金含量偏高的问题，其工艺过程也比较复杂，公开的对称球扁钢的规格也较小，最大规格仅为16#，难以满足现有市场需求。
综上所述，目前在大规格对称球扁钢的生产方面存在以下问题：
1)合金含量偏高，生产成本高。
2)工艺过程复杂，包括开坯、热处理等工序，使生产成本进一步增加。
3)冲击性能偏低，生产的规格偏小，不能满足使用要求。
4)大规格对称球扁钢由于球头和腹板尺寸相差很大，在大规格对称球扁钢生产方面还存在规格难以控制，轧后冷却容易变形的问题。
发明内容
本发明提供了一种大规格高强韧对称球扁钢及其生产方法，通过合理设计钢的化学成分及与之匹配的生产工艺，所生产的对称球扁钢具有优良力学性能：屈服强度在400MPa以上，-60℃冲击吸收能量在100J以上，经5％应变、250℃保温1h时效处理后，-60℃冲击吸收能量在70J以上；最大规格可达40#。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种大规格高强韧对称球扁钢，所述大规格球扁钢的化学成分按重量百分比计为：C 0.12％～0.18％，Si 0.20％～0.40％，Mn 1.05％～1.55％，V 0.040％～0.080％，Ti0.007％～0.020％，N 0.0080％～0.0120％，Als 0.015％～0.030％，P≤0.015％，S≤0.005％，余量为Fe及不可避免的杂质。
一种大规格高强韧对称球扁钢的生产方法，包括冶炼、连铸、加热、轧制和冷却工艺，具体如下：
1)钢水冶炼的工艺路线为：铁水预处理—转炉冶炼—LF—真空精炼—方坯连铸，在转炉或真空精炼炉进行吹氮处理，吹氮时间大于10min；
2)将步骤1)所得钢水经连铸制得铸坯，控制中间包过热度≤25℃；
3)将步骤2)所得铸坯进行加热，加热温度1120℃～1220℃，保温时间40min～240min；
4)将经步骤3)加热后的铸坯进行轧制，轧制工艺分为粗轧、中间轧和精轧三个阶段，控制过程参数如下：
a)粗轧；将铸坯经7～11道次轧制，形成对称球扁钢用异型断面坯；粗轧开轧温度1050℃～1150℃；
b)中间轧；将异型断面坯进行3～5道次轧制，在该阶段完成异型断面坯的展宽，并对球头和腹板的金属量进行分配；中间轧开轧温度950℃～1050℃；
c)精轧；经中间轧后的坯料进行3～5道次轧制，确保对称球扁钢的尺寸满足要求；精轧时的终轧温度为：腹板830℃～940℃；球头900℃～980℃；
5)轧后冷却；对轧后的对称球扁钢进行喷水冷却，通过调整对称球扁钢腹板和球头的冷却速度，使其终冷温度一致；开冷温度：腹板820℃～890℃；球头880℃～950℃；冷却速度：腹板10.0℃/s～14.0℃/s；球头13.0℃/s～16.0℃/s；终冷温度：450℃～500℃；
6)将经步骤5)处理后的对称球扁钢空冷至80℃以下，然后矫直，得到高强韧对称球扁钢成品。
所述高强韧对称球扁钢成品的屈服强度在400MPa以上，-60℃冲击吸收能量在100J以上，经5％应变、250℃保温1h时效处理后，-60℃冲击吸收能量在70J以上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
通过合理设计钢的化学成分及与之匹配的生产工艺，通过采用球头、腹板分别控冷的工艺，解决大规格对称球扁钢由于规格尺寸差别而带来的截面温度不均、冷却变形等问题，同时进一步提高对称球扁钢的力学性能。所生产的对称球扁钢具有优良力学性能：屈服强度在400MPa以上，-60℃冲击吸收能量在100J以上，经5％应变、250℃保温1h时效处理后，-60℃冲击吸收能量在70J以上；最大规格可达40#。
具体实施方式
本发明所述一种大规格高强韧对称球扁钢，所述大规格球扁钢的化学成分按重量百分比计为：C 0.12％～0.18％，Si 0.20％～0.40％，Mn 1.05％～1.55％，V 0.040％～0.080％，Ti 0.007％～0.020％，N 0.0080％～0.0120％，Als 0.015％～0.030％，P≤0.015％，S≤0.005％，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明所述一种大规格高强韧对称球扁钢的生产方法，包括冶炼、连铸、加热、轧制和冷却工艺，具体如下：
1)钢水冶炼的工艺路线为：铁水预处理—转炉冶炼—LF—真空精炼—方坯连铸，在转炉或真空精炼炉进行吹氮处理，吹氮时间大于10min；
2)将步骤1)所得钢水经连铸制得铸坯，控制中间包过热度≤25℃；
3)将步骤2)所得铸坯进行加热，加热温度1120℃～1220℃，保温时间40min～240min；
4)将经步骤3)加热后的铸坯进行轧制，轧制工艺分为粗轧、中间轧和精轧三个阶段，控制过程参数如下：
a)粗轧；将铸坯经7～11道次轧制，形成对称球扁钢用异型断面坯；粗轧开轧温度1050℃～1150℃；
b)中间轧；将异型断面坯进行3～5道次轧制，在该阶段完成异型断面坯的展宽，并对球头和腹板的金属量进行分配；中间轧开轧温度950℃～1050℃；
c)精轧；经中间轧后的坯料进行3～5道次轧制，确保对称球扁钢的尺寸满足要求；精轧时的终轧温度为：腹板830℃～940℃；球头900℃～980℃；
5)轧后冷却；对轧后的对称球扁钢进行喷水冷却，通过调整对称球扁钢腹板和球头的冷却速度，使其终冷温度一致，防止出现对称球扁钢由于冷却不均造成的变形等问题；开冷温度：腹板820℃～890℃；球头880℃～950℃；冷却速度：腹板10.0℃/s～14.0℃/s；球头13.0℃/s～16.0℃/s；终冷温度：450℃～500℃；
6)将经步骤5)处理后的对称球扁钢空冷至80℃以下，然后矫直，得到高强韧对称球扁钢成品。
本发明所述高强韧对称球扁钢成品的屈服强度在400MPa以上，-60℃冲击吸收能量在100J以上，经5％应变、250℃保温1h时效处理后，-60℃冲击吸收能量在70J以上。
本发明所述大规格高强韧对称球扁钢中各化学成分的设计原则及作用如下：
C：合金钢中的主要强化元素，其含量偏低时会使碳化物等的生成量降低，影响轧制时细化晶粒的效果，使强度降低。当含量偏高时，对钢板的低温韧性、焊接性能和时效性能不利。因此，综合考虑成本、性能等因素，本发明控制C的范围为0.12％～0.18％。
Si：炼钢脱氧的必要元素，在钢中固溶能力较强，可以起到一定的强化作用，但含量过高会严重损害钢的低温韧性和焊接性能。本发明控制Si的范围为0.20％～0.40％。
Mn：适当的Mn可以延缓钢种铁素体和珠光体转变，大幅增加钢种淬透性，降低钢材脆性转变温度，改善冲击韧性。本发明控制Mn的范围为1.05％～1.55％。
V：在奥氏体中析出，可以细化奥氏体晶粒；同时，这些析出的粒子与铁素体的界面能小，促进了铁素体形核，能起到诱导晶内铁素体形核，细化铁素体晶粒的作用。另外，V在铁素体中弥散析出，能够起到沉淀强化作用，进一步提高球扁钢的强度，其弥散析出对本发明对称球扁钢的性能均匀性有至关重要的作用。本发明控制V的范围为0.040％～0.080％。
Ti：微合金钢中的析出强化元素，在高温区与N结合形成稳定的TiN颗粒，能有效阻止奥氏体晶粒长大，但是含量过高会使钢中的TiN颗粒粗大，影响钢的低温性能。本发明控制Ti的范围为0.007％～0.020％。
N：和钢中的V、Ti结合形成第二相粒子析出，而且钢中增氮能控制V在奥氏体中的析出，改变了细晶强化作用和沉淀强化作用的V的分配，可以充分发挥V的细晶强化作用，用细晶强化作用取代部分沉淀强化作用，在强度不变的情况下改善基体的塑韧性，而且氮的增加促进V的析出，从而降低V的用量，起到降低成本的作用。但是，N含量过高，会增加钢的时效脆性，降低钢的低温韧性。本发明控制N的范围为0.0080％～0.0120％。
Al：强脱氧剂，在钢中生产高度细碎的、超显微的氧化物，起到细化晶粒的作用。本发明控制Als的范围为0.015％～0.030％。
以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
【实施例】
本实施例中，所述大规格高强韧对称球扁钢的冶炼工艺参数及化学成分如表1所示。
表1钢的冶炼工艺参数及化学成分(wt％)
钢水浇铸成铸坯后，铸坯经加热、轧制、冷却等工艺制得对称球扁钢。加热及轧制工艺参数如表2所示，冷却工艺参数如表3所示。
表2钢的加热及轧制工艺参数
表3钢的冷却工艺参数
本实施例中，成品钢的力学性能如表4所示。其中时效工艺为，变形5％，250℃保温1h。
表4钢的力学性能
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种大规格高强韧对称球扁钢的生产方法，其特征在于，所述大规格球扁钢的化学成分按重量百分比计为：C 0.12%～0.18%，Si 0.20%～0.40%，Mn 1.05%～1.55%，V 0.040%～0.080%，Ti 0.007%～0.020%，N 0.0080%～0.0120%，Als 0.015%～0.030%，P≤0.015%，S≤0.005%，余量为Fe及不可避免的杂质；
所述大规格高强韧对称球扁钢的生产方法，包括冶炼、连铸、加热、轧制和冷却工序，具体如下：
1）钢水冶炼的工艺路线为：铁水预处理—转炉冶炼—LF—真空精炼，在转炉或真空精炼炉进行吹氮处理，吹氮时间大于10min；
2）将步骤1）所得钢水经连铸制得铸坯，控制中间包过热度≤25℃；
3）将步骤2）所得铸坯进行加热，加热温度1120℃～1220℃，保温时间40min～240min；
4）将经步骤3）加热后的铸坯进行轧制，轧制工艺分为粗轧、中间轧和精轧三个阶段，控制过程参数如下：
a) 粗轧；将铸坯经7～11道次轧制，形成对称球扁钢用异型断面坯；粗轧开轧温度1050℃～1150℃；
b) 中间轧；将异型断面坯进行3～5道次轧制，在该阶段完成异型断面坯的展宽，并对球头和腹板的金属量进行分配；中间轧开轧温度950℃～1050℃；
c) 精轧；经中间轧后的坯料进行3～5道次轧制，确保对称球扁钢的尺寸满足要求；精轧时的终轧温度为：腹板830℃～940℃；球头900℃～980℃；
5）轧后冷却；对轧后的对称球扁钢进行喷水冷却，通过调整对称球扁钢腹板和球头的冷却速度，使其终冷温度一致；开冷温度：腹板820℃～890℃；球头880℃～950℃；冷却速度：腹板10.0℃/s～14.0℃/s；球头13.0℃/s～16.0℃/s；终冷温度：450℃～500℃；
6）将经步骤5）处理后的对称球扁钢空冷至80℃以下，然后矫直，得到高强韧对称球扁钢成品。
2.根据权利要求1所述的一种大规格高强韧对称球扁钢的生产方法，其特征在于，所述高强韧对称球扁钢成品的屈服强度在400MPa以上，-60℃冲击吸收能量在100J以上，经5%应变、250℃保温1h时效处理后，-60℃冲击吸收能量在70J以上。
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