CN111893390A - 一种性能均匀的宽板幅铁路车辆罐体用薄钢板的生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种性能均匀的宽板幅铁路车辆罐体用薄钢板的生产方法，在成分设计上采用低碳和低合金，添加一定量的Ni、Nb、V、Ti等，严格控制P、S含量，使该钢具有较高的强度和良好的韧性；在生产工艺上采用逐步提升温度正火+迅速回火的热处理工艺，利用钢中低碳设计和Mn、Ni、Nb等微合金化作用，不仅使钢板获得高强度和优良的韧性，并使宽板幅、薄厚度的钢板达到整体性能均匀性的目的；本发明钢板通过成分设计、夹杂物控制、轧制和热处理后，获得高强度、高韧性且性能均匀的宽板幅薄厚度钢板，适用于制造铁路车辆移动罐体。

Description

一种性能均匀的宽板幅铁路车辆罐体用薄钢板的生产方法
技术领域
本发明属于黑色金属制造技术领域，尤其涉及一种性能均匀的宽板幅铁路车辆罐体用薄钢板的生产方法。
背景技术
铁路运输作为运输发展中的重要组成部分，具有运输能力大、单车装载量大、车速高，受气候和自然条件影响较小等特点。随着铁路运输的发展，驮背运输、集装箱运输等多方式联运为经济发展做出重要贡献。罐车，作为铁路运输主要手段，用于装载气、液、粉等介质，在保证装载容积的基础上还要承受一定的压力。实际加工过程中，在减少焊缝的同时，为保证使用安全性，宽板幅、薄厚度、性能均匀的钢板逐渐成为研发趋势。
目前常见的铁路车辆罐体用钢板，宽度一般受限于2200～3500mm，超过这一宽度的钢板，生产难度大大增加，钢板整体的屈服强度、抗拉强度、低温冲击功及厚度等方面性能均不容易控制到均匀一致，而目前现有的生产方法中，亦没有宽度超过3500mm的铁路车辆罐体用薄钢板的生产方法。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的不足，提供一种性能均匀的宽板幅铁路车辆罐体用薄钢板的生产方法，采用本发明方法生产的铁路车辆罐体用钢板，屈服强度为420～452MPa，抗拉强度为581～623MPa，-46℃低温冲击功大于100J，厚度为11.10～12.51mm，宽度为3500-4000mm，钢板性能均匀，符合铁路车辆罐体用钢板的性能要求。
本发明的一种性能均匀的宽板幅铁路车辆罐体用薄钢板的生产方法，所述钢板含有下述重量百分比含量的元素：C：0.04％～0.20％；Si：≤0.30％；Mn：≤1.60％；P≤0.015％；S≤0.005％；Ni：0.10％～0.30％；Alt≤0.030％；Nb+Ti+V≤0.15％；余量为Fe及不可避免杂质；
所述钢板的生产方法，包括氧气顶底复吹转炉—LF—RH—连铸—加热—控制轧制—热处理(正火+回火)，特别是：
(1)采用以上合金成分进行冶炼及铸坯气体含量控制；130t顶底复吹转炉冶炼，双渣法操作，挡渣出钢，控制钢中P含量，合金化后保证其它合金的加入；LF炉进一步控制钢水中的S含量；RH真空炉处理及成分微调；
(2)连铸采用15～25℃过热度，恒定1.1m/min拉速；铸坯低倍质量满足B、C类夹杂物不大于1.0级，中心偏析小于1.5级，不允许出现中心裂纹；
(3)连铸坯加热出炉温度1150～1200℃，均热时间：30～40min；开轧温度1050～1140℃，终轧温度860～940℃，宽厚比≥280，空冷；
(4)热处理工艺采用真空辐射加热方式，在正火阶段分温度段保温并逐步提升温度，钢板降温后再进行回火处理；具体是：加热段Ⅰ，温度保持在710～740℃，保持时间5～10min；加热段Ⅱ，温度保持在840～860℃，保持时间在2～60min；均热段温度保持在870～890℃，保持时间在10～15min；回火温度保持在475～495，保持时间为30～40min。
采用本发明方法制备的铁路车辆罐体用钢板的屈服强度为420～452MPa，抗拉强度为581～623MPa，-46℃低温冲击功大于100J，厚度为11.10～12.51mm，宽度为3500～4000mm。
以下详述本发明钢的成分和生产工艺设定理由。
1、化学成分(C、Si、Mn、P、S、Ni、Al、Nb、V、Ti、H)限定量的理由
考虑该钢主要是要保证高强度、高韧性和良好的焊接性能。因此，炼钢时要严格控制钢水的纯净度，防止P、S含量对该钢低温韧性的影响。C、Mn、V、Ti的设计成分保证了钢的强度、韧性和焊接性能，Ni合金用来提高钢的低温韧性。设置P≤0.015％，S≤0.005％，考虑到这几个元素对钢脆性影响较大，要严格限制其含量，减少钢的组织偏析倾向。
(1)合金元素对钢性能的影响
C是提高钢材强度最有效的元素，随着C含量的增加，钢中Fe3C增加，淬硬性也增加，钢的抗拉强度和屈服强度提高。但是，增加钢中C含量，会增加钢板组织偏析程度，不利于低温韧性。因此，参考现有的调质压力容器钢的成分设计方案，本发明钢的C含量应控制在0.04％～0.20％。
Si与碳的亲和力很弱，在钢中不与碳化合，但能溶入铁素体，产生固溶强化作用，使得铁素体的强度和硬度提高，但塑性和韧性却有所下降。当Si含量增大时，会促进岛状马氏体形成，对焊接热影响区韧性有害，可见，Si对强度有一定帮助，但含量不可过高。本发明钢的Si含量控制在0.30％内可满足要求。
Mn与碳的亲和力较强，是扩大奥氏体相区、细化晶粒和保证综合性能的有效元素，且它并不恶化钢的变形能力，1.00％的Mn约可为抗拉强度贡献100MPa。但Mn元素是一种易偏析的元素，当偏析区Mn、C含量达到一定比例时，在钢材生产和焊接过程中会产生马氏体相，该相会表现出很高的硬度，对设备焊接性能有较大影响。因此，在设计该钢时将Mn含量限制在1.60％以内。
Al是钢中的主要脱氧元素，在奥氏体中的最大溶解度大约0.6％。当Al含量偏高时，易导致钢中夹杂增多，对钢的韧性不利，同时会降低钢的韧性，提高钢中带状组织级别。因此将钢中Alt含量控制在0.030％以内。
Ni不会形成碳化物，是扩大γ相、细化晶粒、球化碳化物和保证综合性能的有效元素，可细化铁素体晶粒来改善钢的低温韧性，明显降低钢板和焊接接头的低温韧脆转变温度。但Ni含量太高就会增加炼钢成本，并且造成氧化铁皮难以脱落。因此，本发明钢将Ni含量设定在0.10％～0.30％以内。
Nb+V+Ti:在钢中添加微量的Nb、V、Ti可保证钢在碳当量较低的情况下。通过其碳、氮化物质点(尺寸小于5nm)的弥散析出及Nb、V、Ti的固溶，细化晶粒，极大地提高钢的强度、韧性，特别是低温韧性，使钢具有良好的可焊性、使用性。Nb虽可细化晶粒而提高钢的韧性，但含量过高时，亦将生成铁素体δ相或其它脆性相，而使其韧性降低，热加工性能变坏。V含量过高时，析出物数量增加，尺寸增大，从而导致钢的韧性降低。考虑本发明钢板强韧性匹配，及易焊接等特点，设计Nb+V+Ti≤0.15％。
(2)杂质元素对钢板性能的影响
为了提高钢板的低温韧性水平，钢中的杂质元素要求尽量少。
P磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性。应严加控制。
S使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性。随着硫含量的增加，钢的稳定性急剧恶化。因此，对于该钢应将P控制在0.015％以内，S控制在0.005％以内。
2、生产工艺设定的理由
(1)炼钢工艺
130t顶底复吹转炉冶炼，双渣法操作，挡渣出钢，控制钢中P含量，合金化后保证其它合金的加入；LF炉进一步控制钢水中的S含量；RH真空炉处理可较好的降低钢中杂质、气体含量。
连铸采用15～25℃过热度，恒定1.1m/min拉速，降低元素偏析。铸坯低倍质量满足B、C类夹杂物不大于1.0级，中心偏析小于1.5级，不允许出现中心裂纹。
(2)轧钢工艺
轧制前铸坯加热温度为1150～1200℃，确保铸坯温度均匀钢。钢开轧温度控制在1050～1140℃，采用高温快轧模式，微合金化元素Nb、V、Ti可抑制奥氏体再结晶，在每道次变形后，再结晶使奥氏体细化，相变生成的铁素体晶粒也随之细化。高温再结晶温区，利用钢中加入少量微合金元素Ti可在较高温度下析出细小的TiN颗粒对奥氏体晶粒产生的钉扎作用，从而限制奥氏体晶粒长大作用，细化奥氏体晶粒度。终轧温度860～940℃，厚度为11.10～12.51mm，宽度3500～4000mm，宽厚比达到280以上，由于钢板即薄，同时板幅极宽，轧制完成后可利用钢板自身冷却速度，迅速降温，控制奥氏体向铁素体转变的晶粒尺寸。
(3)热处理工艺
由于该宽板幅钢板主要用于建造铁路车辆罐车，除了要求较高的强度、良好的韧性，同时钢板还应满足整体的性能均匀性需求，因此设计热处理工艺为正火+回火。正火处理时，部分组织发生了奥氏体转变，冷却后又重新生成F+P组织，晶粒得到一定程度的细化。另外受宽板幅，薄厚度影响，为保证钢板正火过程中整体升温均匀，采用逐步升温，间断保温的热处理方式。钢板正火后，经空冷，钢中析出大量弥散分布的Nb、Ti及少量V的符合C、N化物，析出物在铁素基体中分布均匀、弥散、十分细小，可有效提高钢板强度。但钢板正火后边部降温速度明显高于中部降温速度，易导致钢板降温过程中温差较大，对钢板板型和性能均匀性造成影响，为降低影响，在钢板温度降低至300℃前，进行回火处理。并且薄钢板正火后珠光体发生了转变，有疑似马氏体或贝氏体组织产生，钢板韧性偏低。回火之后，带状组织逐渐减轻，珠光体偏析分散。M/A岛逐渐分解为铁素体、珠光体和部分碳化物，连续分布的珠光体带被分散，且珠光体也逐渐扁平化，因而显著提高了冲击性能。
本发明钢具有如下优点：
在成分设计上采用低碳和低合金，添加一定量的Ni、Nb、V、Ti等，严格控制P、S含量，使该钢具有较高的强度和良好的韧性。采用逐步提升温度正火+迅速回火的热处理工艺，利用钢中低碳设计和Mn、Ni、Nb等微合金化作用，不仅使钢板获得高强度和优良的韧性，并使宽板幅、薄厚度的钢板达到整体性能均匀性的目的。
本发明钢板通过成分设计、夹杂物控制、轧制和热处理后，获得高强度、高韧性且性能均匀的宽板幅薄厚度钢板，适用于制造铁路车辆移动罐体。
附图说明
图1是本发明热处理工艺曲线图。
具体实施方式
为了更好地解释本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的说明，下述实施例仅仅是示例性的说明本发明的技术方案，并不以任何形式限制本发明。
下表1为本发明各实施例钢板所含化学成分的质量百分含量列表；
下表2为本发明各实施例制得的成品钢板尺寸列表；
下表3为本发明各实施例钢板正火处理实绩；
下表4为本发明各实施例钢板回火处理实绩；
下表5为本发明各实施例成品钢板纵横向拉伸性能列表；
下表6为本发明各实施例成品钢板-46℃纵横向冲击性能列表。
本发明各实施例的一种性能均匀的宽板幅铁路车辆罐体用薄钢板的生产方法，所述钢板含有下述重量百分比含量的元素：C：0.04％～0.20％；Si：≤0.30％；Mn：≤1.60％；P≤0.015％；S≤0.005％；Ni：0.10％～0.30％；Alt≤0.030％；Nb+Ti+V≤0.15％；余量为Fe及不可避免杂质；
所述钢板的生产方法，包括氧气顶底复吹转炉—LF—RH—连铸—加热—控制轧制—热处理(正火+回火)，其特征在于：
(1)采用以上合金成分进行冶炼及铸坯气体含量控制；130t顶底复吹转炉冶炼，双渣法操作，挡渣出钢，控制钢中P含量，合金化后保证其它合金的加入；LF炉进一步控制钢水中的S含量；RH真空炉处理及成分微调；
(2)连铸采用15～25℃过热度，恒定1.1m/min拉速；铸坯低倍质量满足B、C类夹杂物不大于1.0级，中心偏析小于1.5级，不允许出现中心裂纹；
(3)连铸坯加热出炉温度1150～1200℃，均热时间：30～40min；开轧温度1050～1140℃，终轧温度860～940℃，宽厚比≥280，空冷；
(4)参见图1，热处理工艺采用真空辐射加热方式，在正火阶段分温度段保温并逐步提升温度，钢板降温后再进行回火处理；具体是：加热段Ⅰ，温度保持在710～740℃，保持时间5～10min；加热段Ⅱ，温度保持在840～860℃，保持时间在2～60min；均热段温度保持在870～890℃，保持时间在10～15min；回火温度保持在475～495，保持时间为30～40min。
采用本发明方法制备的铁路车辆罐体用钢板的屈服强度为420～452MPa，抗拉强度为581～623MPa，-46℃低温冲击功大于100J，厚度为11.10～12.51mm，宽度为3500～4000mm。
表1本发明各实施例的主要化学成分列表/wt％
实施例 C Si Mn P S Ni Alt Nb+V+Ti
1 0.16 0.28 1.57 0.015 0.005 0.262 0.025 0.11
2 0.16 0.28 1.57 0.015 0.005 0.262 0.025 0.11
3 0.15 0.25 1.58 0.008 0.003 0.284 0.028 0.10
4 0.15 0.25 1.58 0.008 0.003 0.284 0.028 0.10
5 0.17 0.26 1.59 0.009 0.001 0.275 0.037 0.09
6 0.17 0.26 1.59 0.009 0.001 0.275 0.037 0.09
将表1获得的铸坯经过表面检查后进入轧钢工序。成品钢板尺寸如表2所示。
表2本发明各实施例制得的成品钢板尺寸列表
实施例 成品厚度/mm 成品宽度/mm 宽厚比
1 11.10 3520 317
2 12.05 3655 303
3 11.50 3520 306
4 11.37 3520 310
5 12.32 3655 297
6 12.51 3655 292
经过矫直——冷却后的钢板进行正火+回火处理，实绩如表3、表4所示。
表3本发明各实施例钢板正火处理实绩
实施例 温度/℃ 保持时间/min 温度/℃ 保持时间/min 温度/℃ 保持时间/min
1 721 8 853 3 881 10
2 736 6 845 3 877 12
3 718 8 847 4 879 11
4 724 6 849 5 875 11
5 716 7 853 5 878 10
6 732 6 851 5 880 12
正火后的钢板冷却到350～400℃后，进行回火处理。实绩见表4所示。
表4本发明各实施例钢板回火处理实绩
实施例 入炉温度/℃ 温度/℃ 保温时间/min
1-1 350 477 30
1-2 357 481 31
2-1 364 482 30
2-2 378 480 31
3-1 394 478 32
3-2 400 476 32
经本发明方法处理后的钢板，纵横向拉伸性能见表5。
表5本发明各实施例成品钢板纵横向拉伸性能
Figure BDA0002628448370000091
经本发明方法处理后的钢板，-46℃纵横向冲击性能见表6。
表6本发明各实施例成品钢板-46℃纵横向冲击性能
Figure BDA0002628448370000092
由上述表1～表6可知，按照本发明方法实施的，成分如表1所示，成品如表2所示：生产制得的厚度为11.10～12.51mm，宽度3500～4000mm钢板，屈服强度为420～452MPa，抗拉强度为581～623MPa，-46℃低温冲击功大于100J，证明采用本发明方法生产的铁路车辆罐体用薄钢板性能均匀稳定，简单易行，具有极高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权利范围，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 (2)

1.一种性能均匀的宽板幅铁路车辆罐体用薄钢板的生产方法，所述钢板含有下述重量百分比含量的元素：C：0.04%～0.20%；Si：≤0.30%；Mn：≤1.60%；P≤0.015%；S≤0.005%；Ni：0.10%～0.30%；Alt≤0.030%；Nb+Ti+V≤0.15%；余量为Fe及不可避免杂质；
所述钢板的生产方法，包括氧气顶底复吹转炉—LF—RH—连铸—加热—控制轧制—热处理，其特征在于：
（1）采用以上合金成分进行冶炼及铸坯气体含量控制；130t顶底复吹转炉冶炼，双渣法操作，挡渣出钢，控制钢中P含量，合金化后保证其它合金的加入；LF炉进一步控制钢水中的S含量；RH真空炉处理及成分微调；
（2）连铸采用15～25℃过热度，恒定1.1m/min拉速；铸坯低倍质量满足B、C类夹杂物不大于1.0级，中心偏析小于1.5级，不允许出现中心裂纹；
（3）连铸坯加热出炉温度1150～1200℃，均热时间：30～40min；开轧温度1050～1140℃，终轧温度860～940℃，宽厚比≥280，空冷；
（4）热处理工艺采用真空辐射加热方式，在正火阶段分温度段保温并逐步提升温度，钢板降温后再进行回火处理；具体是：加热段Ⅰ，温度保持在710～740℃，保持时间5～10min；加热段Ⅱ，温度保持在840～860℃，保持时间在2～60min；均热段温度保持在870～890℃，保持时间在10～15min；回火温度保持在475～495，保持时间为30～40min。
2.根据权利要求1所述的一种性能均匀的宽板幅铁路车辆罐体用薄钢板的生产方法，其特征在于：所述钢板的屈服强度为420～452MPa，抗拉强度为581～623MPa，-46℃低温冲击功大于100J，厚度为11.10～12.51mm，宽度为3500～4000mm。
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