CN112030070B

CN112030070B - 一种420MPa级优异低温韧性热轧H型钢及其生产方法

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Publication number: CN112030070B
Application number: CN202010833185.XA
Authority: CN
Inventors: 邢军; 吴保桥; 张建; 黄琦; 夏勐; 吴湄庄; 汪杰; 彭林; 彦井成; 丁朝晖; 何军委; 陈辉
Original assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Maanshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2020-08-18
Filing date: 2020-08-18
Publication date: 2021-11-23
Anticipated expiration: 2040-08-18
Also published as: CN112030070A

Abstract

本发明提供了一种420MPa级优异低温韧性热轧H型钢及其生产方法，成分：C 0.06～0.12％、Si 0.20～0.40％、Mn 1.20～1.60％、P≤0.015％、S≤0.010％、V 0.050～0.070％、Ni 0.10～0.20％、N 0.0050～0.0100％，其余为Fe及不可避免的杂质。与现有技术相比，本发明通过合理的V、Ni、N成分设计，匹配相适应的控轧控冷工艺，开发出了综合性能优异的420MPa热轧H型钢；屈服强度R_eH为440～520MPa；抗拉强度R_m为550～650MPa，延伸率A为A≥22％，‑40℃低温冲击韧性KV₂≥100J。

Description

一种420MPa级优异低温韧性热轧H型钢及其生产方法

技术领域

本发明属于钢铁技术领域，具体涉及一种420MPa级优异低温韧性热轧H型钢及其生产方法。

背景技术

近年来，世界经济的快速发展加剧了全球能源危机，石油、天热气等能源的开采从环境条件适宜区域向气候恶劣的北极区域转移，从陆地逐渐向近海、深海延伸。而北极地区自然资源丰富，尤其是石油和天然气资源极为丰富，已探明的油气资源超过4120亿桶(545亿吨)油当量，其石油和天然气储量分别占世界总量的13％和30％，是未来油气勘探开发重要的战略区。

由于北极地区是气候条件恶劣的高寒地区，使得在北极等高寒地区建造或使用的油气开采装置应具备更高的安全系数，使用的钢铁结构材料必须具有高强度、优异的低温韧性。

油气开采装置使用的结构钢材主要包括了板材、型钢等。型钢主要用于结构件，其中H型钢特有的力学性能和截面特点使H型钢成为使用量较大的品种。在新一轮的油气开采竞争中，俄罗斯、加拿大、美国、北欧等北极周边国家和地区，竞相进行了战略布局，并快速推进一系列重点工程，如俄罗斯Arctic LNG项目和中俄东线天然气输送项目等，这些工程项目对高强度优异低温韧性的热轧H型钢需求量很大，其中，仅俄罗斯Arctic LNG项目对高强度优异低温韧性的结构钢材的需求量就达数十万吨。随着北极地区资源开发的不断深入推进，具有特殊性能的高品质结构钢材，特别是H型钢的需求量将会快速增长。

在生产技术方面，仅在420MPa优异低温韧性钢板有一些技术积累。但热轧H型钢在装备和工艺方面与其存在很大不同，因此，钢板的成分和工艺控制不适用热轧H型钢生产。首先，热轧H型钢属于复杂断面，采用连铸异型坯、通过开坯轧制+万能轧制成型，为协调翼缘和腹板变形，各道次间的变形量分配存在很大限制，同时，热轧H型钢为孔型轧制，各道次间难以调整，总压缩比也相对较小；其次，开坯阶段主要对异型坯的高度和宽度方向进行控制，翼缘厚度方向压缩较小，且万能段往返轧制的单道次压下量较少；最后，无板卷的卷曲缓冷或热处理等调控手段。

目前，热轧H型钢在开发具备单一的高强度或耐低温等薄规格(翼缘厚度30mm以下)产品方面有一定成果，但在耦合高强度、高低温韧性、良好的焊接性和优异的厚度方向性能的厚规格(翼缘厚度30mm以上)热轧H型钢产品开发方面依然为空白。然而，从安全性、经济性和节能环保角度考虑，大型和重型钢结构对于翼缘厚度30mm～50mm规格的功能复合型高强度优异低温韧性热轧H型钢需求是越来越迫切。

目前研究重点集中在420MPa级优异低温韧性钢板开发方面，尚未有相关热轧H型钢的报道。例如，顾晔、胡聆在“宝钢技术”发表的文章报道了低碳、高锰、Nb、Ti、Cu、Ni微合金化成分设计，配合合适的TMCP工艺，成功开发80mm厚HY420海工钢板；闵祥军、周珍珍在“机械制造文摘(焊接分册)”发表的文章报道了采用Mo、Ni、Cr、Cu微合金化设计+TMCP工艺，成功开发50mm厚EH420海工钢板；刘智良、董瑞峰在“特殊钢”发表的文章报道了采用V、Nb、Ti、Al、Ni、Cu微合金化配合合适生产工艺，成功开发20mm后EH420海工钢板。但是上述技术并不适用于热轧H型钢。

2015年5月18日公开的发明专利CN 105586534 B涉及一种特厚低韧脆转变温度的热轧H型钢及其生产方法。具体为按照质量百分比计包括：C 0.08～0.15％、Si 0.10～0.40％、Mn 1.0～1.5％、P≤0.015％、S≤0.008％、V 0.020～0.070％、Ti 0.005～0.025％、N 0.006～0.015％、Ni 0.10～0.50％，其余为铁和残余的微量杂质，翼缘厚度在25mm～36mm之间，腹板高度在700mm～1000mm之间，轧制压缩比小于3.5，采用热轧工艺生产。最终产品的屈服强度在420MPa以上，抗拉强度500MPa以上、韧脆转变温度低于-65℃，具有良好耐-45～-65℃低温夏比冲击功，所涉及到的产品厚度较薄。

2015年11月4日公开的发明专利CN 105018839 B涉及一种420MPa级高性能抗震H型钢及其制备方法。具体包含下列重量百分比：C 0.15～0.18％、Si 0.30～0.45％、Mn1.35～1.55％、V 0.070～0.090％、P≤0.015％、S≤0.020％，其余为Fe及不可避免的不纯物。制备方法钢水冶炼、脱氧合金化、钢水LF炉精炼、钢水浇铸、后处理步骤。产品低温韧性较差，0℃冲击吸收能仅大于36J。

2019年1月18日公开的发明专利CN 109234630 A涉及一种低合金高强度结构钢热轧H型钢及其生产方法。具体为按照重量百分比含有以下各化学成分：C 0.12～0.18％、Si0.30～0.50％、Mn 1.20～1.60％、V 0.020～0.065％、Als 0.006～0.012％；P≤0.025％；S≤0.020％，其余为Fe和微量杂质。生产方法包括：转炉冶炼、LF精炼、异型坯半保护浇铸、H型钢轧制。在热轧H型钢的生产工艺中对H型钢轧制的温度进行控制，具体包括加热炉加热温度控制、开坯机轧制温度控制和万能轧机轧制温度控制。产品低温韧性较差，-40℃冲击吸收能仅达62J。

发明内容

本发明的目的在于提供一种420MPa级优异低温韧性热轧H型钢及其生产方法，通过合理的成分配比和工艺控制，包括加热制度、开坯轧制、万能轧制、轧后快冷+空冷冷却工艺，生产出翼缘厚度30mm～50mm、具备高强度、高低温韧性、优异的焊接性和厚度方向性能的420MPa E级热轧H型钢。

本发明具体技术方案如下：

一种420MPa级优异低温韧性热轧H型钢，包括以下重量百分比含量的化学成分：C0.06～0.12％、Si 0.20～0.40％、Mn 1.20～1.60％、P≤0.015％、S≤0.010％、V 0.050～0.070％、Ni 0.10～0.20％、N 0.0050～0.0100％，其余为Fe及不可避免的杂质。

优选的，所述V与N的含量比8:1-10:1。

进一步，上述420MPa级优异低温韧性热轧H型钢，控制各元素含量满足：碳当量CEV≤0.38％，焊接裂纹敏感性指数Pcm≤0.20％的条件。

C含量设为0.06～0.12％。C(碳)是对钢的强化有效的元素。因此，将C含量的下限设为0.06％。另一方面，当C含量大于0.12％时，会显著提升H型钢的碳当量CEV和焊接裂纹敏感性指数Pcm，降低H型钢的焊接性，同时，也会降低H型钢低温韧性。因此，将C含量上限设为0.12％。

Si含量设为0.20～0.40％。Si(硅)是脱氧元素，也有助于强度的提高的元素。因此，将Si含量的下限设为0.20％。另一方面，若Si含量大于0.40％，将加速高温剥层，恶化韧性和层状撕裂性能，对钢的表面质量也有不利影响。因此，将Si含量的上限设为0.40％。

Mn含量设为1.20～1.60％。Mn(锰)在一定范围内同时提高钢的韧性、强度。因此，将Mn含量的下限设为1.20％。另一方面，若Mn含量大于1.60％，则易产生宏观偏析，导致钢的韧性显著降低，甚至出现分层的现象，恶化抗层状撕裂性能。因此，将Mn含量的上限设为1.60％。

P含量设为≤0.015％。P(磷)是凝固偏析引起的焊接裂纹、韧性降低的原因所在，因此应尽量减少，综合考虑脱P成本，将P限制在0.015％以下。

S含量设为≤0.010％。S(硫)会在由凝固偏析形成的中心偏析部形成MnS，不仅会引起焊接裂纹、韧性降低，还会导致抗层状撕裂等，因此应尽量减少，综合考虑脱S成本，将S量限制为0.010％以下。

V含量设为0.050～0.070％。V(钒)是具有在奥氏体的粒内以氮化物或碳氮化物析出，作为向铁素体相变的形核点，是铁素体晶粒细化的有效元素。因此，将V含量的下限设为0.05％。另一方面，若V含量大于0.070％，则有因析出物的粗大而损害低温韧性的情况。因此，将V含量的上限设为0.070％。

Ni含量设为0.10～0.20％。Ni(镍)是对于提高强度和韧性极其有效的元素。但是，Ni是昂贵的元素，为了抑制合金成本的上升，将Ni含量的上限设为0.20％。为了实现Ni的高韧性作用，将Ni含量的下限设为0.10％。

N含量设为0.0050～0.0100％。N(氮)是形成VN或V(CN)，有助于组织的细粒化和析出强化的元素。因此，将N含量的下限设为0.0050％。但是，若N含量大于0.0100％，则会引起低温韧性降低、连铸表面裂纹以及钢材应变时效。因此，将N含量的上限设为0.0100％。此外，为了促使钢中大量析出细小弥散分布的VN或V(CN)等第二相粒子，限制V与N的含量比8:1-10:1。

上述一种420MPa级优异低温韧性热轧H型钢的生产方法，包括以下步骤：

A、坯料加热；

B、开坯轧制；

C、万能轧制；

D、控制冷却：第一阶段快速冷却；第二阶段空冷。

步骤A坯料加热具体为：异型坯在加热炉内的加热段温度1210～1230℃，加热时间30～40min；均热段温度1215-1225℃，均热时间50-60min；加热炉内时间120～150min，即要确保合金元素充分固溶，同时避免过烧及奥氏体异常长大。

步骤B开坯轧制具体为：开轧温度1100℃～1180℃，终轧温度不低于1050℃，翼缘累积变形量20～30％，开坯轧制主要焊合连铸坯内部缺陷，例如，疏松等，同时也有利于奥氏体反复再结晶细化晶粒。

步骤C万能轧制具体为:采用两阶段轧制，分别为高温轧制阶段和低温轧制阶段；

所述高温轧制阶段：开轧温度980℃～1000℃，终轧温度不低于960℃，本阶段压缩比不低于50％，确保有足够的应变积累促使奥氏体发生动态再结晶，充分细化奥氏体晶粒，同时，尽量提高轧制温度，降低轧机负荷，减少轧辊消耗和能耗；

所述低温轧制阶段：轧件待温至930℃以下，完成剩余的压缩变形，使累积压缩比为15％以上，避免奥氏体发生再结晶，促使奥氏体发生较大变形，获得较多缺陷位置，以利于铁素体形核，细化铁素体组织。

步骤D控制冷却具体为：采用两阶段冷却，第一阶段加速快冷，第二阶段第二阶段空冷。

所述第一阶段加速快冷，出精轧机后立即冷却，冷却速度30～40℃/s，轧件表面终冷温度600～650℃，利用加速快冷，缩短温降时间，保留H型钢内部轧制变形引起的畸变，促使组织转变；

所述第二阶段空冷，轧件在冷床上控制至80℃以下。

所生产的420MPa级优异低温韧性热轧H型钢，H型钢翼缘宽度1/6处的组织为铁素体、珠光体和少量贝氏体，铁素体晶粒尺寸为5～20um，铁素体体积占总体积75～85％，10-12um铁素体占总铁素体85～95％。

所生产的420MPa级优异低温韧性热轧H型钢厚度范围为30～50mm，屈服强度R_eH为440～520Mpa；抗拉强度R_m为550～650MPa，延伸率A为≥22％，-40℃低温冲击韧性KV₂≥100J。

所生产的420MPa级优异低温韧性热轧H型钢厚度方向性能Z为40～65％。

与现有技术相比，本发明通过合理的V、Ni、N成分设计，匹配相适应的控轧控冷工艺，开发出了综合性能优异的420MPa热轧H型钢；其中，利用固溶Ni的显著提高过冷奥氏体稳定性，配合万能高温轧制阶段奥氏体反复再结晶下的晶粒细化，以及万能低温轧制阶段的应变累积等复合作用，强烈地细化相变后的铁素体晶粒，实现了产品相变强韧化；严格控制V、N合金加入量与比例，复合Ni的促进第二项粒子弥散析出和万能低温轧制诱发的应变诱导析出作用，增加了V(CN)等第二项粒子析出体积、细化了第二项粒子尺寸，加强了弥散析出强化作用；严格控制轧后快速冷却+空冷工艺，利用快速冷却促进相变，细化组织，配合空冷，调配相变组织，达到产品所需的强韧化目标；通过充分发挥V、Ni、N的微合金化和控轧控冷工艺的作用，降低了产品的C含量，实现了产品的低CEV、低Pcm，极大地改善了产品的焊接性能。另外，本发明采用合理加热温度确保坯料中合金成分均匀、组织均匀细小；采用轧后快速冷却+空冷工艺提高万能轧制终轧温度，减小了轧机负荷和能耗，提高生产效率。

附图说明

图1为实施例1生产的420MPa级优异低温韧性热轧H型钢显微组织；

图2为实施例3生产的420MPa级优异低温韧性热轧H型钢显微组织；

图3为实施例5生产的420MPa级优异低温韧性热轧H型钢显微组织；

图4为对比例7生产的H型钢显微组织；

图5为对比例15生产的H型钢显微组织；

图6为对比例17生产的H型钢显微组织。

具体实施方式

实施例1-实施例6

一种420MPa级优异低温韧性热轧H型钢，包括以下重量百分比含量的化学成分：如下表1所示，表1中没有列出的余量为Fe及不可避免的杂质。

对比例7-对比例23

一种热轧H型钢，包括以下重量百分比含量的化学成分：如下表1所示，表1中没有列出的余量为Fe及不可避免的杂质。

表1实施例1-6与对比例7-23的化学成分(wt％)、厚度、CEV及Pcm值

表1、表2和表3中，序号1-6为本申请分别对应实施例1-实施例6，序号7-23分别对应对比例7-对比例23。CEV(％)＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15；Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B。

上述实施例1-实施例6所述420MPa级优异低温韧性热轧H型钢的生产方法为：

A、坯料加热：异型坯在加热炉内的加热段温度1219～1224℃，加热时间33～37min；均热段温度1218～1224℃，均热时间53～57min；加热炉内时间120～127min。

B、开坯轧制：开轧温度1125℃～1130℃，终轧温度1060～1099℃，翼缘累积变形22-26％。

C、万能轧制:两阶段轧制，高温轧制阶段：待温至开轧温度980℃～995℃，终轧温度963～979℃，本阶段翼缘变形量51～60％；低温轧制阶段：轧制温度925～929℃，完成剩余的压缩变形，翼缘累积变形量16～27％；

D、控制冷却：采用两阶段冷却，第一阶段超快冷，出精轧机后立即冷却，冷却速度32～39℃/s，轧件表面终冷温度610～634℃；第二阶段空冷，轧件在冷床上空冷至80℃以下。

实施例1-实施例6所述420MPa级优异低温韧性热轧H型钢的生产方法涉及到的主要具体工艺参数见表2。

表2实施例1-6与对比例7-23生产工艺参数

续表2实施例1-6与对比例7-23生产工艺参数

对比例7-对比例23的所述热轧H型钢的生产工艺与实施例1-实施例6相同，不同在于其工艺参数如表2所示。

实施例1-实施例6所述420MPa级优异低温韧性热轧H型钢和对比例7-对比例23所述热轧H型钢显微组织、室温拉伸和低温冲击性能测试结果见表3。

表3实施例1-6与对比例7-23的显微组织和力学性能

根据上述表1-表3可以看出，本发明生产出翼缘厚度30mm～50mm、具备高强度、高低温韧性、优异的焊接性和厚度方向性能的420MPa E级热轧H型钢。

Claims

1.一种420MPa级优异低温韧性热轧H型钢，其特征在于，所述420MPa级优异低温韧性热轧H型钢包括以下重量百分比含量的化学成分：C 0.06～0.12%、Si 0.20～0.40%、Mn 1.20～1.60%、P≤0.015%、S≤0.010%、V 0.050～0.070%、Ni 0.10～0.20%、N 0.0050～0.0100%，其余为Fe及不可避免的杂质；

V与N的含量比8:1-10:1；

H型钢翼缘宽度1/6处的组织为铁素体、珠光体和少量贝氏体，铁素体晶粒尺寸为5～20μm，铁素体体积占总体积75～85%，10-12μm铁素体占总铁素体85～95%。

2.根据权利要求1所述的420MPa级优异低温韧性热轧H型钢，其特征在于，控制各元素含量满足：碳当量CEV≤0.38%，焊接裂纹敏感性指数Pcm≤0.20%的条件。

3.一种权利要求1或2所述的420MPa级优异低温韧性热轧H型钢的生产方法，其特征在于，所述420MPa级优异低温韧性热轧H型钢的生产方法，包括以下步骤：

A、坯料加热；

B、开坯轧制；

C、万能轧制；

D、控制冷却：第一阶段快速冷却；第二阶段空冷。

4.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，步骤A坯料加热具体为：异型坯在加热炉内的加热段温度1210～1230℃，加热时间30～40min；均热段温度1215-1225℃，均热时间50-60min；加热炉内时间120～150min。

5.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，步骤B开坯轧制具体为：开轧温度1100℃～1180℃，终轧温度不低于1050℃，翼缘累积变形量20～30%。

6.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，步骤C万能轧制具体为:采用两阶段轧制，分别为高温轧制阶段和低温轧制阶段；

所述高温轧制阶段：开轧温度980℃～1000℃，终轧温度不低于960℃，本阶段压缩比不低于50％。

7.根据权利要求6 所述的生产方法，其特征在于，所述低温轧制阶段：轧件待温至930℃以下，完成剩余的压缩变形，使累积压缩比为15％以上。

8.根据权利要求3所述的生产方法，其特征在于，所述第一阶段加速快冷，出精轧机后立即冷却，冷却速度30～40℃/s，轧件表面终冷温度600～650℃。

9.根据权利要求3-8任一项所述的生产方法，其特征在于，所生产的420MPa级优异低温韧性热轧H型钢，H型钢翼缘宽度1/6处的组织为铁素体、珠光体和少量贝氏体，铁素体晶粒尺寸为5～20μm，铁素体体积占总体积75～85%，10-12μm铁素体占总铁素体85～95%。