CN112626423A - 一种提高稀土高强钢焊接性能的生产工艺 - Google Patents

一种提高稀土高强钢焊接性能的生产工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高稀土高强钢焊接性能的生产工艺，针对生产Q690D钢板，通过调整各个元素化学成分，严格控制生产工艺，研究得到一种可以满足国标要求的稀土Q690D高强钢钢板及其生产工艺，该Q690D钢板具有生产成本低，生产工艺控制严格，焊接性能好等特点。

Description

一种提高稀土高强钢焊接性能的生产工艺
技术领域
本发明涉及一种提高稀土高强钢焊接性能的生产工艺。
背景技术
二十一世纪的制造业被推向新的高度，对传统材料的性能提出了更高的要求。强度高、韧性好、综合性能优越的新型合金、复合材料等的不断涌现，为国民经济建设众多领域提供了强有力的支持。低合金高强钢以其低成本、高强度、高韧性、易焊接、易加工等优点，被广泛地应用在石油运输管道、高层建筑结构和桥梁、汽车底盘、铁路和交通设备等众多领域。在诸多性能优点中，焊接性能的优劣会直接影响到低合金高强钢产品的应用，受低合金高强钢自身特性的影响，焊接接头力学性能较差，以及焊接速度慢成为制约高强钢使用的重要因素。
稀土元素作为包头地区的特色资源，其对钢铁材料的低温冲击韧性、焊接性能、抗疲劳等综合性能有显著提升作用，随着近些年钢铁行业去产能和转型升级的推动，发挥稀土资源优势，提高稀土钢的市场地位必然成为重要课题，目前的研究多限于阐明稀土变质夹杂或者强调稀土元素的单独作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高稀土高强钢焊接性能的生产工艺，通过调整各个元素化学成分，严格控制生产工艺，研究得到一种可以满足国标要求的稀土Q690D高强钢钢板及其生产工艺。该Q690D钢板具有生产成本低，生产工艺控制严格，焊接性能好等特点。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明根据合金元素配比的特点，加入适量的稀土元素，减少C的含量，降低Q690D高强钢的碳当量和裂纹敏感系数,达到改善焊接性能的效果。低合金高强钢采用TMCP+回火的生产工艺，将生产过程中的关键工艺细化明确，严格控制，实现了较低的碳当量和低合金含量的成分设计，其基体组织由贝氏体和少量马氏体组成。
通过稀土元素的特性，同时采用系列工艺优化达到提升Q690D高强钢焊接接头力学性能，提高焊接热输入量的目的。
一种提高稀土高强钢焊接性能的生产工艺，采用工艺路线为：KR脱硫扒渣→转炉冶炼→LF精炼→RH精炼及稀土处理→连铸→加热→TMCP轧制→加速冷却→回火；
钢的化学成分百分比为C:0.06～0.08，Si:0.2～0.3，Mn:1.4～1.6，P≤0.015，S≤0.010，Als:0.015～0.03，Cr:0.1～0.2，Mo:0.15～0.25,Nb:0.015～0.025,V:0.03～0.08，Ti:0.01～0.02，Ce≥0.0003ppm；
KR脱硫及转炉炼钢：铁水预处理后铁水硫含量S≤0.010％，温度≥1280℃。铁水入转炉前将渣扒干净，转炉终点控制C-T协调出钢，P≤0.010％,S≤0.015％，出钢时间4～7min,出钢1/5时加入；加铝铁对钢液进行脱氧，除Al以外的合金按正常要求添加,出钢2/5量加完合金,出钢过程中视终点氧含量加入适量的改质剂和石灰；
炉外精炼：LF炉精炼采用氧化物冶金技术对钢液进行造渣和脱氧操作,快速造白渣，且保证白渣时间15min以上，稳定渣碱度；LF精炼出站前尽量将合金配加至目标要求范围，保证S含量低于0.003％，喂丝吹氩5min后加入B-Fe＝0.018～0.020；
RH精炼及稀土处理：RH尽量不调整成分，所有成分调整要在LF完成，RH真空处理15～17分钟在料仓中加入稀土合金，稀土合金加入量为35kg/炉，稀土加入后RH深真空循环时间保证15min以上，氩气软吹时间保证10min以上。
连铸：强化大包-中包-结晶器之间保证密闭性和中包液面覆盖剂厚度，强化中包氩气吹扫，避免连铸过程中吸气，全程增N量控制在5ppm以内；液相线1520℃,中包过热度控制23～33℃,连铸拉速采用中板铸坯生产拉速执行稳态浇铸,生产连铸坯厚度250mm,连铸全程实行保护浇铸；
加热：加热温度1220～1260℃,出炉板坯心部温度大于1180℃,确保均热段保温≥40分钟，保证钢坯烧透、均匀；
轧制工艺：两阶段控轧，一阶段开轧温度大于1100℃，压下率60％～70％；二阶段开轧温度860～900℃，每道次压下率均≥12％，最后三道次累计压下率不小于≥40％；轧后水冷：终冷温度500～600℃，堆垛缓冷；
热处理工艺：回火温度500～610℃,在炉时间按照t＝2.6min×h(厚度)mm+保温时间计算，回火后使用高压水喷洒钢板表面，钢板温度降至300℃以下出炉。
本发明的技术原理：本发明首先通过化学成分设计，严格控制碳元素含量的情况下，通过调整锰、铌、钛等合金保证钢板的强度，加入硼增加钢板的淬透性，添加稀土元素，降低Q690D高强钢碳当量，降低淬硬性和裂纹敏感性，稀土可以细化板条马氏体，从而改善马氏体组织的韧性，因此，稀土可以降低高强钢焊接前的预热温度，甚至可以达到免预热的作用。
焊接热输入对热影响区组织形态和韧性的影响很大，热输入增大使热影响区晶粒粗化，同时也促使形成上贝氏体，甚至M-A组元，使韧性降低。当热输入过小时，热影响区的淬硬性明显增强，也使韧性下降。焊接热输入的确定以抗裂性和对热影响区韧性要求为依据，从防止冷裂纹出发，要求冷却速度慢为佳，但从防止脆化来说，却要求冷却快较好，因此应兼顾两者的冷却速度范围。通过稀土元素作用，改善焊缝与热影响区的组织结构，细化粗晶区、相变结晶区和不完全重结晶区马氏体组织，从而保证在大热输入量焊接过程中焊接接头的性能。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果：
本方法通过化学成分设计及工艺路线，通过稀土元素与合金元素合理配比，降低高强钢焊前预热温度，甚至可以达到常温焊接。而且通过稀土元素作用及严格的调质工艺，提升高强钢焊接接头性能，满足大输入量焊接的要求。
附图说明
下面结合附图说明对本发明作进一步说明。
图1为图1维氏硬度HV10测试示意图；
图2为Q690D稀土高强钢在不同焊前预热条件下焊接热影响区最高硬度；
图3为稀土高强钢无预热焊接接头组织示意图；
图4为稀土高强钢预热60℃焊接接头组织示意图；
图5为稀土Q690高强钢接头组织。
具体实施方式
实施例1
生产690MPa级高强钢板生产工艺，钢的成分质量百分组成为：C:0.075,Si:0.30,Mn:1.5,P:0.013,S:0.002,Al:0.023,Nb:0.022,V:0.043,Ti:0.014,Cr:0.15,Mo:0.214。
主要工艺步骤及参数如下:
入炉铁水必须先进行铁水预处理,处理后铁水硫含量s≤0.010％，温度≥1250℃，铁水入转炉前必须将渣扒干净，转炉冶炼过程加入铁水及废钢,铁水与废钢配比为铁水85％左右,废钢15％左右。转炉终点控制C-T协调出钢，P≤0.012％,S≤0.015％，严格挡渣出钢，出钢时间4～7min,出钢1/5时加入合金,出钢2/5量加完合金,出钢过程中视终点氧含量加入适量的改质剂和石灰，氧不少于250m，并视装入量、终点C、钢水氧化性的变化进行适当调整，然后将钢水运送到LF精炼炉进行精炼操作。
LF精炼对钢液进行造白渣和脱氧操作,确保钢中氧、硫等元素的含量控制在较低的水平，快速造白渣，且保证白渣时间15min以上，稳定渣碱度；LF精炼出站前尽量将合金配加至目标要求范围，OT≤20ppm，N≤40ppm，保证S含量低于0.003％。
RH真空处理4分钟后在料仓中加入稀土合金，加入10％的铈铁合金，加入量为31.5公斤/炉，稀土加入后RH深真空循环时间保证15min以上，氩气软吹时间保证10min以上。
该钢种液相线1520℃,中包过热度控制23～33℃,连铸拉速采用中板铸坯生产拉速执行稳态浇铸,生产连铸坯厚度250mm,连铸全程实行保护浇铸；强化大包-中包-结晶器之间保证密闭性和中包液面覆盖剂厚度，强化中包氩气吹扫，防止钢液二次氧化和增氮。下线铸坯进行24小时以上的堆冷。
加热制度：加热段温度不高于1260℃，均热温度1220℃～1260℃，确保均热段保温≥40分钟，保证钢坯烧透、均匀。轧制工艺：两阶段控轧，一阶段开轧温度大于1100℃，压下率60％～70％；二阶段开轧温度860～900℃，每道次压下率均≥12％，最后三道次累计压下率不小于≥40％；轧后水冷，终冷温度650～750℃，堆垛缓冷。为减少钢材内部疏松缺陷，适当增加粗轧单道次压下量，轧后在保证板型的情况下,尽量提高冷速，通过加速冷却,控制相变组织,细化晶粒,为随后的调质处理做好组织准备。
热处理：产出成品经精准切割后走热处理工艺。钢板经抛丸机以消除钢板表面的氧化铁皮；经辊底式回火炉，回火炉保温温度为400℃以上，保温时间大于10分钟，热处理过程中应保证温度控制精确，加热均匀。回火后使用高压水喷洒钢板表面，钢板温度降至300℃以下出炉后空冷。
按上述技术方案生产的钢板性能实绩如表1
表1力学性能典型值
Figure BDA0002836758190000061
铁研实验
将稀土高强钢分别在室温下和预热至60℃进行焊接，焊后切片观察统计焊缝区域裂纹率，如表2。
表2铁研实验参数及结果
Figure BDA0002836758190000062
实验结果表明，1号样焊前预热至60℃时，焊缝及热影响区的裂纹率较高，需要焊前预热温度远高于60℃；对于2号试样，无预热条件下，焊后表面有轻微裂纹，表面和断面裂纹率均不超过50％，预热60℃后，没有裂纹产生。
最高硬度试验
低碳调质钢焊接接头可分为焊缝、熔合线、粗晶区、相变重结晶区(细晶区)、不完全重结晶区和时效脆化区，两块试板焊后12h加工硬度试样，并按图1所示进行最高硬度试验。
如图2试验结果显示Q690D稀土高强钢板在室温不预热条件下有一定的淬硬倾向，在预热60℃后，焊缝及热影响区淬硬倾有明显降低。
由图3和4组织分析可得，焊缝区域为铸态组织，主要为铁素体。过热粗晶区主要为马氏体组织，并混合有部分贝氏体，且该区域晶粒粗化严重。相变重结晶区主要细小的马氏体组织。不完全重结晶区为铁素体和马氏体的混合组织。时效脆化区为回火索氏体组织。对比无预热及预热60℃焊接接头各区域显微组织可以看出，无预热试样粗晶区马氏体组织含量更高，除粗晶区外，是否采用预热对显微组织基本没有影响。
实施例2
生产690MPa级高强钢板生产工艺，钢的成分质量百分组成为：C:0.072,Si:0.25,Mn:1.4,P:0.013,S:0.002,Al:0.023,Nb:0.022,V:0.044,Ti:0.013,Cr:0.15,Mo:0.217。
主要工艺步骤及参数如下:
入炉铁水必须先进行铁水预处理,处理后铁水硫含量s≤0.010％，温度≥1250℃，铁水入转炉前必须将渣扒干净，转炉冶炼过程加入铁水及废钢,铁水与废钢配比为铁水85％左右,废钢15％左右。转炉终点控制C-T协调出钢，P≤0.012％,S≤0.015％，严格挡渣出钢，出钢时间4～7min,出钢1/5时加入合金,出钢2/5量加完合金,出钢过程中视终点氧含量加入适量的改质剂和石灰，氧不少于250m，并视装入量、终点C、钢水氧化性的变化进行适当调整，然后将钢水运送到LF精炼炉进行精炼操作。
LF精炼对钢液进行造白渣和脱氧操作,确保钢中氧、硫等元素的含量控制在较低的水平，快速造白渣，且保证白渣时间15min以上，稳定渣碱度；LF精炼出站前尽量将合金配加至目标要求范围，OT≤20ppm，N≤40ppm，保证S含量低于0.003％。
RH真空处理4分钟后在料仓中加入稀土合金，加入10％的铈铁合金，加入量为31.5公斤/炉，稀土加入后RH深真空循环时间保证15min以上，氩气软吹时间保证10min以上。
该钢种液相线1520℃,中包过热度控制23～33℃,连铸拉速采用中板铸坯生产拉速执行稳态浇铸,生产连铸坯厚度250mm,连铸全程实行保护浇铸；强化大包-中包-结晶器之间保证密闭性和中包液面覆盖剂厚度，强化中包氩气吹扫，防止钢液二次氧化和增氮。下线铸坯进行24小时以上的堆冷。
加热制度：加热段温度不高于1260℃，均热温度1220℃～1260℃，确保均热段保温≥40分钟，保证钢坯烧透、均匀。轧制工艺：两阶段控轧，一阶段开轧温度大于1100℃，压下率60％～70％；二阶段开轧温度860～900℃，每道次压下率均≥12％，最后三道次累计压下率不小于≥40％；轧后水冷，终冷温度650～750℃，堆垛缓冷。为减少钢材内部疏松缺陷，适当增加粗轧单道次压下量，轧后在保证板型的情况下,尽量提高冷速，通过加速冷却,控制相变组织,细化晶粒,为随后的调质处理做好组织准备。
热处理：产出成品经精准切割走热处理工艺。钢板经DISA抛丸机以消除钢板表面的氧化铁皮；经LOI辊底式回火炉，回火炉保温温度为400℃以上，保温时间大于10分钟，热处理过程中应保证温度控制精确，加热均匀。回火后使用高压水喷洒钢板表面，钢板温度降至300℃以下出炉后空冷。
按上述技术方案生产的钢板性能实绩如表3。
表3力学性能典型值
Figure BDA0002836758190000091
焊接热输入量测试
对稀土高强钢分别进行不同热输入量试验研究，焊前将试样预热至60℃，具体焊接电流、焊接电压根据焊接电流进行一元化自动调整。焊接速度33.3cm/min，焊板尺寸300mm*200mm，焊接过程中保持道间温度低于200℃。
稀土Q690D高强钢分别进行15.3kJ/cm、19.6kJ/cm和24.8kJ/cm不同热输入量试验研究，由图5可以看出，热输入为15.3kJ/cm和19.6kJ/cm时，粗晶区主要为马氏体，热输入增加到24.8kJ/cm，粗晶区为马氏体与下贝氏体的混合组织。三个不同热输入试样相变结晶区均为马氏体组织，不完全重结晶区为铁素体和马氏体混合组织。
不同焊接热输入量条件下接头力学性能测试
表5稀土Q690D高强钢不同热输入量焊接接头力学性能
Figure BDA0002836758190000092
由焊接接头力学性能表5可以看出，稀土高强钢热输入量增加到24.8kJ/cm时，焊缝中心和热影响区低温冲击性能符合高强钢标准要求。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种提高稀土高强钢焊接性能的生产工艺，其特征在于，包括：
KR脱硫及转炉炼钢：铁水预处理后铁水硫含量S≤0.010％，温度≥1280℃；铁水入转炉前将渣扒干净，转炉终点控制C-T协调出钢，P≤0.010％,S≤0.015％，出钢时间4～7min,出钢1/5时加入，加铝铁对钢液进行脱氧，除Al以外的合金按正常要求添加,出钢2/5量加完合金；
炉外精炼：LF炉精炼采用氧化物冶金技术对钢液进行造渣和脱氧操作,快速造白渣，且保证白渣时间15min以上，稳定渣碱度；LF精炼出站前尽量将合金配加至目标要求范围，保证S含量低于0.003％，喂丝吹氩5min后加入B-Fe＝0.018～0.020；
RH精炼及稀土处理：RH尽量不调整成分，所有成分调整要在LF完成，RH真空处理15～17分钟在料仓中加入稀土合金，稀土加入后RH深真空循环时间保证15min以上，氩气软吹时间保证10min以上；
连铸：强化大包-中包-结晶器之间保证密闭性和中包液面覆盖剂厚度，强化中包氩气吹扫，避免连铸过程中吸气，全程增N量控制在5ppm以内；液相线1520℃,中包过热度控制23～33℃,连铸拉速采用中板铸坯生产拉速执行稳态浇铸,生产连铸坯厚度250mm,连铸全程实行保护浇铸；
加热：加热温度1220～1260℃,出炉板坯心部温度大于1180℃,确保均热段保温≥40分钟，保证钢坯烧透、均匀；
轧制工艺：两阶段控轧，一阶段开轧温度大于1100℃，压下率60％～70％；二阶段开轧温度860～900℃，每道次压下率均≥12％，最后三道次累计压下率不小于≥40％；轧后水冷：终冷温度500～600℃，堆垛缓冷；
热处理工艺：回火温度500～610℃,在炉时间按照t＝2.6min×厚度mm+保温时间计算，回火后使用高压水喷洒钢板表面，钢板温度降至300℃以下出炉。
2.根据权利要求1所述的提高稀土高强钢焊接性能的生产工艺，其特征在于，出钢过程中视终点氧含量加入适量的改质剂和石灰。
3.根据权利要求1所述的提高稀土高强钢焊接性能的生产工艺，其特征在于，稀土合金加入量为35kg/炉。
4.根据权利要求1所述的提高稀土高强钢焊接性能的生产工艺，其特征在于，钢的化学成分百分比为C:0.06～0.08，Si:0.2～0.3，Mn:1.4～1.6，P≤0.015，S≤0.010，Als:0.015～0.03，Cr:0.1～0.2，Mo:0.15～0.25,Nb:0.015～0.025,V:0.03～0.08，Ti:0.01～0.02，Ce≥0.0003ppm余量为铁及其不可避免的杂质。
5.根据权利要求4所述的提高稀土高强钢焊接性能的生产工艺，其特征在于，钢的化学成分百分比为C:0.075％，Si:0.30％，Mn:1.5％，P：0.013％，S：0.002％，Als:0.023％，Cr:0.15％，V:0.043％，Ti:0.014％，Ce：0.0008ppm，余量为铁及其不可避免的杂质。
6.根据权利要求1所述的提高稀土高强钢焊接性能的生产工艺，其特征在于，钢的化学成分百分比为C:0.072％，Si:0.25％，Mn:1.4％，P：0.013％，S：0.002％，Als:0.023％，Cr:0.15％，V:0.044％，Ti:0.013％，Ce：0.0008ppm，余量为铁及其不可避免的杂质。
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