CN111286676A

CN111286676A - 一种高止裂性船用钢板的生产方法

Info

Publication number: CN111286676A
Application number: CN202010246601.6A
Authority: CN
Inventors: 于青; 罗登; 肖大恒; 杜江; 张勇伟; 郑健; 王振
Original assignee: Hunan Valin Xiangtan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Hunan Valin Xiangtan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2020-06-16

Abstract

一种高止裂性船用钢板的生产方法，钢的化学组成重量百分比为C=0.05%~0.08%，Si=0.10%～0.50%，Mn=1.40%～1.80%，P≤0.012%，S≤0.003%，Nb=0.02%～0.05%，Ti=0.008%～0.02%，Al=0.015%～0.05%，Ni=0.20%～0.50%，Cu≤0.35%，Gr≤0.25%；关键工艺步骤包括冶炼、连铸、加热、轧制、冷却，采用低碳高锰、Nb‑Ti‑Ni多元微合金化成分设计体系，结合LF+VD复合精炼和超快速冷却技术，生产屈服强度在460~550Mpa，抗拉强度在570～720MPa的高强船板，最大厚度可达到80mm，具有较高的强韧性、焊接性和止裂性的高强度钢板，能够很好地满足超大型集装箱船关键部位止裂钢板的使用需求。

Description

一种高止裂性船用钢板的生产方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，涉及一种止裂性优异的高强度船用钢板的生产方法。

背景技术

随着经济的发展，贸易量的加大，集装箱船逐渐向着大型化的方向发展，集装箱船甲板上部结构承载负荷也越来越大，其一些关键部位，如主甲板、舷顶列板、舱口围板等部位，由于要求高强度、高韧性及高止裂性能，一般的高强度船板已满足不了使用要求。以18000TEU超大型集装箱船为例，舱口围板厚度达到80mm，仅止裂钢EH47用钢量约为2000吨/船以上。日本早在20世纪90年代已经开始研发止裂钢板，2008年，日本钢铁与三菱重工联手合作，成功开发出一种新型高拉力强化钢——“HTS47”，并首次在日本造船厂使用这种钢板。2013年，国际船舶联合会（IACS）及一些船级社借鉴日本的开发经验，专门针对大型集装箱船板关键部位制定了47公斤级的集装箱船用钢板标准，并将ESSO试验和双重拉伸等脆性断裂试验列为检验钢板止裂性能的方法。

中国专利CN 101341269 A“止裂性优良的高强度厚钢板”主要通过控制钢板在厚度方向的组织、晶界密度和织构的差异，使钢板在开裂时不同厚度位置裂纹扩展方向产生差异，从而使裂纹的扩展阻力增加来提高钢板的止裂性能。但实质是其生产的厚板冷却能力不够，板厚1/2位置为脆性组织对钢板的止裂性产生影响。这种方法对止裂性的提高很少，未从根本上对1/2位置的韧性组织进行改善。中国专利CN 102994874 A“屈服强度500Mpa级高止裂韧性钢板及其生产方法”，公开了一种通过粗轧后再快速冷却到Ar3相变点附近进行精轧的方法来细化晶粒，阻止裂纹扩展的方法。但该方法是采用低温冲击韧性和NDT韧脆转变温度来衡量钢板的止裂性能，不具备科学性和严谨性，只能说明钢板的韧性较好，不能证明钢板的止裂性能优异，而只有ESSO试验或双重拉伸试验才是国际认可的衡量钢板止裂性能的标准试验。

发明内容

本发明旨在提供一种高止裂性船用钢板的生产方法，其代表钢种EH47最大厚度达80mm，屈服强度在460～550MPa，抗拉强度在570～720MPa，低温-40℃心部冲击韧性达到200J以上，无塑性转变温度在-60℃以下，经梯度温度型双重拉伸试验检验，其-10℃止裂系数Kca≥6000N/mm^3/2，能够很好的满足超大型集装箱船关键部位止裂钢板的使用需求。

发明的技术方案：

一种高止裂性船用钢板的生产方法，钢的化学组成重量百分比为：C=0.05%~0.08%，Si=0.10%～0.50%，Mn=1.40%～1.80%，P≤0.012%，S≤0.003%，Nb=0.02%～0.05%，Ti=0.008%～0.02%，Al=0.015%～0.05%，Ni=0.20%～0.50%，Cu≤0.35%，Gr≤0.25%，其余为Fe和不可避免的杂质；关键工艺步骤包括：

冶炼：转炉出钢[P]≤0.008%，[C]≤0.05%，采用LF+VD精炼工艺，LF炉精炼全程吹氩，造渣脱氧，白渣保持时间≥20min；VD真空脱气处理，在真空度0.5tor以下，真空保持时间18~25min，出站钢水[N]≤40ppm，[H]≤1.5ppm，[O]≤20ppm；

连铸：采用全程保护浇铸，铸坯厚度300mm；

加热：铸坯加热温度1150℃~1180℃，均热时间≥30min；

轧制：采用两阶段轧制，第一阶段终轧温度≥980℃，中间坯厚度≥2倍成品厚度，第二阶段终轧温度控制在760～800℃；

冷却：轧后钢板直接入水强制冷却，钢板心部冷却速率6~15℃/S，直至终冷温度在200℃~400℃，返红温度控制在400℃~460℃。

用本发明方法生产的高止裂性船用钢板，钢板厚度为40 ~80mm，微观组织是以细针状铁素体为基体，弥散分布少量退化珠光体的组织。

发明原理：

化学成分设计时对止裂性和焊接性进行重点考虑，在要求高强度和良好低温韧性的同时应具有低碳当量和低Pcm值。采用低碳高锰的成分设计，C含量的提高虽然能够提高强度和降低Ar3温度，但恶化钢的低温韧性、止裂性能和焊接性能，因此通过转炉出钢[C]≤0.005%等手段控制最终碳含量≤0.08%，当C含量低于0.05％，将影响钢板的强度；锰是弱碳化物形成元素，它可以降低奥氏体转变温度，细化铁素体晶粒，对提高钢板强度和韧性有益，因此，在成分设计时，锰设计下限1.40%，但当含量超过1.80%时，中心偏析加重，造成止裂性能严重恶化。

为了确保止裂性能和焊接HAZ韧性，钢水必须具有较高的纯净度。P、S为有害杂质元素，通过控制转炉出钢时[P]≤0.008%，并通过LF+VD复合精炼工艺，白渣保持时间≥20min，VD炉保真空时间18~25min等手段控制，使终点磷含量≤0.012%，硫含量≤0.003%，并降低钢水中其他杂质和有害气体含量。

为了提高止裂性能而又不影响焊接性能，在C-Mn钢固溶强化的基础上，复合添加Nb、Ti、Ni等合金元素，充分发挥细化晶粒、沉淀强化和相变强化等作用以达到高强韧性、高止裂性和优良的焊接性能目的。

Nb作为一种重要的微合金元素，添加0.02%以上的Nb，可形成细小的碳化物和氮化物，抑制奥氏体晶粒的长大，并且结合第一阶段终轧温度≥980℃，促使原始奥氏体再结晶；通过第二阶段终轧温度控制在760℃～800℃，抑制奥氏体的再结晶，保持变形效果从而细化晶粒并提供相变质点。但当Nb含量大于0.05%时，碳氮化铌等会大量在钢板中析出并长大，显著影响钢板止裂性能并且在焊接过程中造成热影响区晶粒的粗化等。

钢中进行微Ti处理，添加0.008以上的Ti有利于加热温度在1150℃~1180℃之间时形成TiN钉扎晶界，抑制奥氏体晶粒过分长大，并且在轧制过程中细化晶粒，改善钢板止裂性能和焊接性能的作用；但Ti含量大于0.02%时，会形成部分Ti复合夹杂物，反而成为钢中的断裂源，对钢的止裂性能非常有害。

Ni对提高钢板的止裂性能也尤为关键，可有效提高钢板淬透性并改善低温韧性。当含量大于0.2%时，结合超快冷工艺，控制轧后冷却速率在6~15℃/S，返红温度在400~460℃之间，形成以细针状铁素体为基体的组织，可有效抑制裂纹的扩展，提高止裂性能；但Ni价格昂贵，过多添加会增加制造成本，因此将上限设定为0.5%。

为了使钢板的屈服强度≥460Mpa，并提高厚钢板淬透性，钢板中可选择性加入Cu≤0.35%，Gr≤0.25%中一种以上元素，但加入量过多时会降低钢板的止裂性能和焊接性能，并增加制造成本。

本发明在成分设计上以提高钢板的淬透性为主，再通过超快冷技术来提高厚钢板的冷却速率并降低终冷温度，最终通过增加厚度方向特别是钢板1/2位置韧性组织细针状铁素体的含量，从而显著提高钢板的止裂韧性。

本发明的有益效果：

a. 本发明采用低碳高锰、Nb-Ti-Ni多元微合金化成分设计体系，LF+VD复合精炼技术，严格控制P、S含量和钢水的纯净度，并采用高温大压下、TMCP控轧及超快速冷却等一系列轧制新技术，成功开发了细针状铁素体+少量退化珠光体组织的高强韧性、高止裂性特厚钢板，为止裂钢板的生产奠定了基础。

b. 本发明突破TMCP工艺极限，替代传统的热处理工艺，充分发挥设备优势，采用300连铸坯生产屈服强度在460Mpa以上的超厚钢板，最大厚度可达到80mm，在保证产品质量的同时，降低合金含量和生产成本，推进了节约型、低碳环保钢材新品种的研发进程。

c. 本发明利用钢厂现有设备和工艺条件，既不增加投资和生产成本，又提高了生产效率，节能减耗。

d. 本发明方法生产的产品可广泛应用于造船、桥梁、压力容器、建筑及工程机械等多个领域，保证钢板的止裂能力。

附图说明

图1本发明实施例1的钢板心部微观组织图。

图2本发明实施例1的钢板止裂韧性与止裂温度的关系图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的内容作进一步说明：

实施例1：

一种高止裂性船用钢板的生产方法，生产80mm的EH47钢板，钢的化学成分重量百分比为C=0.06%，Si=0.21%，Mn=1.62 %，P=0.009%，S=0.0017%，Nb=0.039%，Ti=0.015%，Al=0.044%，Ni=0.48%，Cu=0.28%，Gr=0.18%，其余为Fe和不可避免的杂质。关键工艺步骤包括：

冶炼：转炉出钢P=0.006%，C=0.028%，采用LF+VD精炼工艺，LF炉精炼全程吹氩，造渣脱氧，白渣保持时间21min， VD真空脱气处理，在真空度0.5tor以下，真空保持时间23min，出站钢水N=38ppm，H=1.5ppm，O=16ppm；

连铸：采用全程保护浇铸，铸坯厚度300mm；

加热：铸坯加热温度1175℃，均热时间35min；

轧制：第一阶段终轧温度1023℃，中间坯160mm，第二阶段终轧温度在785℃；

冷却：轧后钢板直接入水冷却，采用Mulpic的DQ高压水泵强制冷却，钢板心部冷却速率6℃/S，终冷温度215℃，返红温度405℃。

钢板力学性能见表1所示。

实施例2：

一种高止裂性船用钢板的生产方法，生产60mm的EH47钢板，钢的化学成分重量百分比为C=0.07%，Si=0.18%，Mn=1.60 %，P=0.011%，S=0.0025%，Nb=0.035%，Ti=0.018%，Al=0.039%，Ni=0.42%，Cu=0.25%，Gr=0.16%，其余为Fe和不可避免的杂质。关键工艺步骤包括：

冶炼：转炉出钢P=0.008%，C=0.041%，采用LF+VD精炼工艺，LF炉精炼全程吹氩，造渣脱氧，白渣保持时间22min；VD真空脱气处理，在真空度0.5tor以下，真空保持时间22min，出站钢水N=40ppm，H=1.5ppm，O=18ppm；

连铸：采用全程保护浇铸，铸坯厚度300mm；

加热：铸坯加热温度1162℃，均热时间30min；

轧制：采用两阶段轧制，第一阶段终轧温度1048℃，中间坯140mm，第二阶段终轧温度783℃；

冷却：轧后钢板直接入水冷却，采用Mulpic的DQ高压水泵强制冷却，钢板心部冷却速率8℃/S，终冷温度328℃，返红温度445℃。

钢板力学性能见表1所示。

实施例3：

一种高止裂性船用钢板的生产方法，生产40mm的EH47钢板，钢的化学成分重量百分比为：C=0.05%，Si=0.22%，Mn=1.52 %，P=0.008%，S=0.0023%，Nb=0.035%，Ti=0.015%，Al=0.045%，Ni=0.25%，Cu=0.15%，Gr=0.15%，其余为Fe和不可避免的杂质。关键工艺步骤包括：

冶炼：转炉出钢P=0.008%，C=0.032%，采用LF+VD精炼工艺，LF炉精炼全程吹氩，造渣脱氧，白渣保持时间21min；VD真空脱气处理，在真空度0.5tor以下，真空保持时间20min，出站钢水N=35ppm，H=1.5ppm，O=18ppm；

连铸：采用全程保护浇铸，铸坯厚度300mm；

加热：铸坯加热温度1155℃，均热时间30min；

轧制：采用两阶段轧制，第一阶段终轧温度1053℃，中间坯120mm，第二阶段终轧温度控制在798℃；

冷却：轧后钢板直接入水冷却，采用强制冷却，钢板心部冷却速率15℃/S，终冷温度384℃，返红温度458℃。

钢板力学性能见表1所示。

表1 实施例中钢的力学性能

从表1测试结果可见，采用本发明的方法生产的钢板，当厚度达到80mm时，屈服强度仍能达到460Mpa以上，心部-40℃冲击韧性能达到200J以上。钢板采用P-2型样进行NDTT检验结果可以看出，钢板的无塑性转变温度在-60℃以下，钢板具有较低的无塑性转变温度。采用梯度温度型双重拉伸止裂试验对实施例1钢板的止裂性进行检验，如图2所示，-10℃止裂韧性Kca值达到6000N/mm^3/2以上，钢板具有较高的止裂性能，能够很好的满足超大型集装箱船关键部位的使用需求。

Claims

1.一种高止裂性船用钢板的生产方法，其特征在于：钢的化学组成重量百分比为C=0.05%~0.08%，Si=0.10%～0.50%，Mn=1.40%～1.80%，P≤0.012%，S≤0.003%，Nb=0.02%～0.05%，Ti=0.008%～0.02%，Al=0.015%～0.05%，Ni=0.20%～0.50%，Cu≤0.35%，Gr≤0.25%，其余为Fe和不可避免的杂质；关键工艺步骤包括：

连铸：采用全程保护浇铸；

加热：铸坯加热温度1150℃~1180℃，均热时间≥30min；

冷却：轧后钢板直接入水强制冷却，钢板心部冷却速率6~15℃/S，直至终冷温度在200℃~400℃，返红温度控制在400℃~460℃；

所述的高止裂性船用钢板，钢板厚度为40 ~80mm，微观组织是以细针状铁素体为基体，弥散分布少量退化珠光体的组织。