CN111020384A - 一种调质型超厚高强度sm570钢板及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种水轮发电机大型镜板用厚度160~200mm调质型高强度SM570钢板及其生产方法,其包括如下化学成分:C、Si、Mn、P、S、Als、Nb、Mo、V、B,其它为Fe和残留元素。其生产方法包括:KR铁水预处理、120吨顶底复吹转炉冶炼、LF炉精炼、VD炉精炼、水冷钢锭模浇注、钢锭堆冷48~60小时、钢锭加热‑轧制、堆垛缓冷、外机炉淬火+台车炉回火处理、精整。上述钢板的各化学成分组合合理,组织致密、偏析轻微、低温冲击韧性好,整板硬度均匀性控制在20HB以内,Z35指标满足抗撕裂性能要求,各项性能及指标均满足水轮机大型镜板用钢相关要求。
Description
技术领域
本发明属于钢板生产领域,具体涉及一种厚度在160~200mm的调质型高强度SM570钢板及其生产方法。
背景技术
目前国内仅能生产最大厚度为100~150mm的SM570钢板,这种钢板通常采用正火的方式得到其需要的钢板组织,对于超过150mm的超厚钢板,例如厚度在160~200mm的大型水轮发电机轴承镜板所用的、强韧性要求苛刻的SM570钢板,需要攻克。
发明内容
本发明的目的在于提供一种调质型超厚高强度SM570钢板及其生产方法。
为达到上述目的,本发明采取的技术方案是所述厚度160~200mm的调质型超厚高强度SM570钢板设计如下质量百分比的化学成分(单位,wt%):C:0.15~0.16、Si:0.0.07~0.15、Mn:1.6~1.65、P≤0.012、S≤0.003、Als:0.015~0.050、Nb:0.040~0.050、Mo:0.20~0.24、V:0.065-0.075、B:0.0008~0.0015,其它为Fe和残留元素。
由于钢板厚度特厚,为得到内外均匀一致组织,特采取调质的方法达到内外一致、组织状态及性能都符合SM570的要求。
其中,在化学成分设置上,为提高钢板可焊接性能,要求碳当量Ceq=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14≤0.52%;为保证其强度、硬度符合要求且具有一定的强韧性,利用高锰高钼固溶强化和微合金化元素Nb、V碳化物的沉淀析出强化,在提高超厚钢板淬透性的同时使原始奥氏体晶粒保持细化,从而得到优异的强韧性。
本发明采取的生产方法步骤包括:KR铁水预处理、120吨顶底复吹转炉冶炼、LF炉精炼、真空脱气处理、水冷钢锭模浇注、钢锭堆冷48~60小时、钢锭加热-轧制、堆垛缓冷、外机炉淬火+台车炉回火处理、精整;
在冶炼过程中,对钢水的纯净度严格控制,钢水中非金属夹杂物总含量控制在1.5级以内,并严格控制钢水中氮氢氧含量及有害元素铅锡砷含量。
浇注过程中使用水冷钢锭模,水冷锭模快速凝固,促进内部组织致密、减少偏析、成分均匀;
加热过程中,通过合理控制升温速度、保温温度、保温时间、翻钢时机及空煤比,保证模铸锭烧透、正反面温度均匀,保证组织均匀、利于轧制,同时保证合金成分在奥氏体中充分固溶和奥氏体晶粒的均匀化,避免原始铸态晶粒长大。
上述加热是根据水冷铜板锭模生产钢锭比较厚的特点,制定出最优的加热制度,采用缓慢升温,多阶段保温,出钢前翻钢保证钢锭均匀透烧,表面氧化铁皮易去除。钢锭总加热时间15min/cm,装钢时炉膛温度≤750℃,焖钢2~4小时来减少炉温与钢锭之间温差,降低钢锭内外温差导致的应力差,高温段目标保温温度1250~1270℃、总保温时间14~15小时;
控温控轧:控温控轧采用粗轧、精轧、控温的方式,其中,粗轧采用“高温、低速、大压下”工艺,促进形变渗透至厚度1/2处,实现钢锭内部疏松有效焊合、芯部铸态组织充分破碎、促进钢板晶粒均匀细化;粗轧的开轧温度1050℃~1080℃,道次压下量60mm~70mm,终轧温度950-980℃,晾钢厚度350~400mm,晾钢采用ACC冷却;精轧的开轧温度900~930℃,终轧温度830~860℃;轧后钢板通过层流ACC快速冷却后返红温度620~640℃。
堆冷:轧后堆垛缓冷以促进钢板中[H]的扩散,进一步释放快冷残余应力,改善钢板中心区域的组织结构,提高钢板的塑韧性,堆冷温度450-600℃,堆冷时间≥96小时。
热处理:高温淬火将钢板加热到AC3+30~50℃温度保温一定时间,然后以大于临界冷却速度冷却下来,使过冷奥氏体转变为一定数量的贝氏体组织;淬火后装入垫砖布局的台车式热处理炉在680±20℃进行回火,垫砖的目的是使各处温度均匀化,高温回火则能确保碳化物充分析出,促进组织充分均匀化并有效减轻成分偏析。
有益效果:本专利所述生产方法采用使用水冷钢锭减轻了钢锭内部的疏松和偏析,促进内部组织致密、成分均匀,钢锭脱模后采用缓冷的方式,有效减轻了原始钢锭内部应力,在后续轧制加热过程中,采用焖钢-升温-保温-翻钢-保温的方式,目的是采用梯级温度加热,一是有利于消除了钢水凝固过程产生的残余应力,温度加热相对均匀,二是避免钢锭内部原始奥氏体晶粒过分长大,为钢锭在轧制过程中晶粒的细化奠定坚实基础。在控冷控轧过程中,通过采用高温低速大压下工艺能够保证SM570钢板内部疏松完全啮合、原始铸态组织充分破碎。采用高温淬火+回火热处理工艺来获得其高强度、高韧性,最终得到30-40%铁素体+30-40%贝氏体+珠光体混合组织,钢板的强韧性比较好,充分满足钢板厚度在160~200mm内的机械性能要求,其中,-50℃下冲击功>100J,远大于正火状态在-5℃下要求冲击功47J的性能要求,同时也避免采用正火导致其表面到心部的冷却速度缓慢,内部铁素体晶粒粗大,内外性能差别大的弊病。
附图说明
图1是本发明调质型高强度SM570钢板1/4厚度处F+B+P 100倍组织状态图。
图2是本发明调质型高强度SM570钢板1/4厚度处F+B+P 200倍组织状态图。
图3是本发明调质型高强度SM570钢板1/4厚度处F+B+P 500倍组织状态图。
具体实施方式
本发明所述调质型高强度SM570钢板厚度为160~200mm,包含如下质量百分比的化学成分(单位,wt%):C:0.15~0.16、Si:0.0.07~0.15、Mn:1.6~1.65、P≤0.012、S≤0.003、Als:0.015~0.050、Nb:0.040~0.050、Mo:0.20~0.24、V:0.065-0.075、B:0.0008~0.0015,其它为Fe和残留元素。
本发明采取的生产方法步骤包括:KR铁水预处理、120吨顶底复吹转炉冶炼、LF炉精炼、VD精炼、水冷钢锭模浇注、钢锭堆冷48~60小时、钢锭加热-控温控轧、堆垛缓冷、外机炉淬火+台车炉回火处理、精整、外检、探伤。
KR铁水预处理:到站铁水前渣必须扒干净,保证液面渣层厚度≤25mm,铁水经KR处理后硫含量控制在0.005%以下,脱硫温降≤25℃;
顶底复吹转炉冶炼:入炉铁水S≤0.005%、P≤0.050%,铁水温度≥1280℃,入炉废钢为干燥的优质边角料,转炉装入量按浇钢铸余6-8吨控制,转炉出钢C>0.06%,出钢过程向钢包中加入脱氧剂硅铝钡钙0.6Kg/t钢,出钢结束前采用挡渣锥挡渣,保证钢包液面渣层厚度≤30mm;
吹氩处理:钢水到氩站开启氩气的同时向钢包内加入铝线,铝线必须垂直插入钢包,严禁铝线置于钢包渣层表面;铝线加入后强吹氩3min(强吹氩标准以吹开钢液裸眼直径总和控制在500-700mm为准)后离站,并确保离站温度在1570℃以上;
LF精炼:按照大渣量工艺标准进行造渣,石灰加入量1000-1200公斤,碱度按4.0-6.0控制,一加热3min后,先加入50Kg电石,再加入20-40Kg铝粒,此后每隔2min向钢包中用铁锨添加2~4锨铝粒,以确保炉渣变白为准;二加热根据埋弧效果每次加入10-30Kg的电石,同时每隔2min用铁锨向钢包中添加1~3锨铝粒,以确保整个二加热过程维持白渣;三加热脱氧剂的加入视炉渣颜色加入,维持白渣即可;精炼过程中要求白渣保持时间30-35分钟。
VD精炼:真空度≤67Pa,保压总时间25-30min,保压后10分钟通过高位真空料仓加入硼铁微合金化,破空后软吹3-5min,软吹过程中钢水不得裸露,抽真空结束后进行定H控制在1.5PPm以内;破空后根据Als含量加入1.5~2.0m/t钙线进行钙处理,确保W(Ca)/W(Al)=0.09~0.14,钢水钙质处理能够脱氧、脱硫、去夹杂,改变夹杂物的形态,利于提高钢水纯净度、提高钢材性能。离站前加入覆盖剂,保证铺满钢液面,离站温度1560±15℃。
水冷钢锭模浇注:浇注过程中使用48吨水冷钢锭模,锭厚1250mm,锭模侧边设置挤压机构,在凝固后期对铸锭宽边形成挤压,进一步形成致密组织,钢锭帽口采取妥善的保温措施,在凝固过程中可使钢锭内部形成上大下小的补缩通道,避免了缩孔的产生,减轻了钢锭内部的疏松和偏析,促进内部组织致密、成分均匀;浇注温度控制在1538-1545℃,浇注之前将保护渣吊挂在锭模内,吊挂高度距离锭模底部200~280mm,另外一半保护渣在开浇后2~5min内加完,浇注过程若出现液面返红则必须及时补加保护渣,浇注过程要求平稳浇注无飞溅,液面稳定上升无翻腾;浇注结束30min内,必须对每一支钢锭补加60-70Kg覆盖剂防止帽口返红;
钢锭加热过程中,通过控制升温速度、保温温度、保温时间、翻钢时机及空煤比,保证钢锭烧透、温度均匀利于轧制,同时保证合金成分在奥氏体中的部分固溶和奥氏体晶粒的均匀化,避免原始铸态晶粒长大。根据水冷铜板锭模装置生产钢锭的锭型特点,制定出最优的加热制度,采用缓慢升温,多阶段保温,出前四个小时翻钢保证钢锭均匀透烧,表面氧化铁皮易去除。钢锭总加热时间15min/cm,装钢时炉膛温度≤750℃,焖钢2~4小时来减少炉温与钢锭之间温差,降低钢锭内外温差导致的应力差,高温段目标保温温度1260~1280℃、总保温时间14~15小时;
控温控轧过程中,粗轧采用“高温、低速、大压下”工艺,促进形变渗透至厚度1/2处,实现钢锭内部疏松有效焊合、铸态组织充分破碎、促进钢板晶粒均匀细化;轧后采用快速冷却工艺,缩小钢板厚度中心区域与表面温温度差,抑制奥氏体晶粒长大及再结晶,促进晶粒细化及晶粒的均匀性。轧制分为两阶段,一阶段开轧温度1050℃~1080℃,道次压下量60mm~70mm,终轧温度950-980℃,晾钢厚度350~400mm;二阶段开轧温度900~930℃,终轧温度830~860℃;轧后钢板通过层流快速冷却后返红温度620~640℃;
堆冷:轧后钢板450-600℃堆垛缓冷,堆冷时间≥96小时;
热处理过程中,由于钢板厚度160~200mm,若采用正火工艺会导致其表面到心部的冷却速度缓慢,造成钢板相变温度较高,铁素体晶粒粗大,不利于超厚板硬度的提升及强韧性的匹配,综合考虑低碳当量及低焊接裂纹敏感性指数的质量要求,结合合金元素对淬透性的贡献采用高温淬火+回火热处理工艺来获得其高强度、高韧性,最终得到30-40%铁素体+30-40%贝氏体+珠光体混合组织。外部机械化炉高温淬火加热温度930-940℃,保温时间=钢板实厚*2.4min/mm,热态钢板出炉后在3分钟之内吊入淬火池水冷冷却120分钟至常温,淬火池内总水量350-380m3,搅拌气体流量2500-3000m3/h,循环水流量300m3/h,入水时钢板温度790-810℃,水温15-18℃;淬火后装入台车式热处理炉680±20℃回火,回火钢板出炉后降温至450-500℃带温压平,压平完毕200-250℃带温切割,切割过程中要将钢板下表面与垫砖接触部分完全切除,切割完毕堆垛缓冷24小时。
案例实施检测
通过KR铁水预处理、120吨顶底复吹转炉冶炼、LF炉精炼、VD精炼、水冷钢锭模浇注、钢锭堆冷48~60小时、钢锭加热-控温控轧、堆垛缓冷、外机炉淬火+台车炉回火处理、精整等工艺,获得如发明内容所述成分设计的调质型高强度SM570钢板且厚度为160~200mm。其中各工艺参数及力学性能如下表1、2所示:
表1厚度160~200mm SM570钢板热处理工艺
检测分析:钢板的化学成分、力学性能试件取样位置及试样制备按照标准JIS G3106焊接结构用轧制钢材规定进行。低温冲击韧性试验按JIS Z 2242标准进行,拉伸性能试验按JIS Z 2241标准进行,对钢板在供货状态各项力学性能及金相组织进行了全面检验。从以上数据来看,160~200mmSM570各项目性能指标符合JIS G 3106-2008焊接结构钢极限厚度钢板标准要求,同时在加做-50℃低温纵向冲击功,从检测值看,本发明的-50℃低温纵向冲击功最小值大于100J,-5℃下的冲击功最小值接近200J,远大于标准要求在-5℃下冲击功大于47J的值,说明此钢板有良好的低温冲击韧性;检测板厚1/4、1/2抗层状撕裂性能良好;钢板表面五点修磨后检测布氏硬度202-213,硬度指标及均匀性满足镜板工作面硬度要求。
其中,160~200mm调质型SM570钢板厚度截面上的金相组织如附图所示:
由上述试验结果可见,160~200mm SM570钢板组织致密,偏析轻微,成分及杂质含量均满足Z35级别抗撕裂钢的技术要求,各项性能及指标均满足水轮机大型镜板用钢相关要求。
外检及探伤:所研制的钢板外检,正品率100%,最终钢板探伤达到JB/4730.3I级探伤要求。
Claims (4)
1.一种调质型超厚高强度SM570钢板,其特征在于:所述钢板包括如下质量含量百分比的化学成分:C:0.15~0.16、Si:0.0.07~0.15、Mn:1.6~1.65、P≤0.012、S≤0.003、Als:0.015~0.050、Nb:0.040~0.050、Mo:0.20~0.24、V:0.065-0.075、B:0.0008~0.0015,其它为Fe和残留元素;所述钢板的交货状态为调质处理。
2.根据权利要求1所述的调质型超厚高强度SM570钢板,其特征在于:所述钢板的厚度为160~200mm,组织为30-40%铁素体+30-40%贝氏体+珠光体。
3.根据权利要求1所述的调质型超厚高强度SM570钢板,其特征在于:所述钢板的碳当量Ceq≤0.52%,屈强比≤0.80,抗层状撕裂性能达到Z35级别,布氏硬度≥190HB且在160~200mm厚度范围内的内外硬度差控制在30HB以内,-50℃下冲击功>100J。
4.如权利要求1~3任一项所述的调质型超厚高强度SM570钢板的生产方法,其特征在于:包含如下工艺要点:采用水冷钢锭模进行铸锭,钢锭脱模后采用缓冷方式,在轧制加热过程中,采用焖钢-升温-保温-翻钢-保温的方式;在轧制过程中,采用高温低速大压下轧制工艺;热处理环节外部机械化炉高温淬火加热温度930-940℃,保温时间=钢板实厚*2.4min/mm,热态钢板出炉后在3分钟之内吊入淬火池水冷冷却120分钟至常温,淬火池内总水量350-380m3,搅拌气体流量2500-3000m3/h,循环水流量300m3/h,入水时钢板温度790-810℃,水温15-18℃;淬火后装入台车式热处理炉680±20℃回火,并在钢板与台车式热处理炉台面之间支垫刚砖;回火钢板出炉后降温至450-500℃带温压平,压平完毕200-250℃带温切割,切割过程中要将钢板下表面与垫砖接触部分完全切除。
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