CN112831720B

CN112831720B - 一种440MPa级极地船体用钢及其制备方法

Info

Publication number: CN112831720B
Application number: CN202011610417.1A
Authority: CN
Inventors: 王天琪; 师仲然; 柴希阳; 柴锋; 罗小兵; 杨才福; 潘涛; 梁丰瑞; 陈雪慧
Original assignee: Zhonglian Advanced Steel Technology Co ltd; Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Zhonglian Advanced Steel Technology Co ltd; Central Iron and Steel Research Institute
Priority date: 2020-12-30
Filing date: 2020-12-30
Publication date: 2022-05-13
Anticipated expiration: 2040-12-30
Also published as: CN112831720A

Abstract

本发明涉及一种440MPa级极地船体用钢及其制备方法，属于极地船舶特种钢技术领域，解决了现有技术中极地船体用钢无法同时满足高强度、高韧性、良好焊接性和良好抗撞击性能的问题。本发明提供的440MPa级极地船体用钢，其特征在于，成分以重量百分比计为C：0.07～0.12％，Si：0.30～0.40％，Mn：1.30～1.60％，Cu：0.25～0.40％，Ni：1.0～1.5％；V：0.06～0.10％，Ti：0.008～0.012％；Als：0.05～0.07％；N≤0.004％；P≤0.005％；S≤0.002％，其余为Fe及不可避免的杂质元素。实现了极地船体用钢同时满足高强度、高韧性、良好焊接性和良好抗撞击性能。

Description

一种440MPa级极地船体用钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及极地船舶特种钢技术领域，尤其涉及一种440MPa级极地船体用钢及其制备方法。

背景技术

随着常规可开采油气能源逐渐枯竭，北极地区丰富的能源储量受到了越来越多的关注。然而，极端恶劣条件对极地船舶提出了苛刻的技术要求，国际海事组织和国际船级社协会发布了相关准则和要求作为极地水域航行船舶必须遵守的国际公约，而我国仅有科考破冰船“雪龙”号满足要求，远不能适应极地活动任务，这使得我国参与北极能源开发和通过北极发展贸易受到严重制约。

极地船舶长期面临超低温的恶劣服役环境，加上极地生态环境脆弱。因此，极地船舶建造离不开适应极地恶劣服役环境的低温用钢等关键材料，高强度、高低温韧性及易焊接的高性能钢材是极地船舶安全航行的基本保障。

目前，现有的E系钢板不能完全满足极地环境温度使用条件。极地船体用钢有三方面的技术需求：(1)具有高强度；(2)具有高韧性，尤其是低温韧性；(3)具备良好的焊接性；(4)具备一定的防撞击性能。开发极地高强度、高韧性、易焊接钢是该领域探索的方向。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种440MPa级极地船体用钢及其制备方法，用以解决现有极地船体用钢无法同时满足高强度、高韧性、良好焊接性和良好抗撞击性能的问题。

本发明提供一种440MPa级极地船体用钢，成分以重量百分比计为C：0.07～0.12％，Si：0.30～0.40％，Mn：1.30～1.60％，Cu：0.25～0.40％，Ni：1.0～1.5％；V：0.06～0.10％，Ti：0.008～0.012％；Als：0.05～0.07％；N≤0.004％；P≤0.005％；S≤0.002％，其余为Fe及不可避免的杂质元素。

进一步地，所述钢中C质量百分含量[C]与固定C原子的Ti和V元素质量百分含量[Ti]、[V]之间的关系符合：[C]/12≤5×([Ti]/48+[V]/51)。

进一步地，所述钢的微观组织为铁素体和珠光体，铁素体平均晶粒尺寸≤8μm。

进一步地，所述铁素体含量大于70％。

另一方面，本发明提供一种440MPa级极地船体用钢的制备方法，用于制备上述440MPa级极地船体用钢，包括铁水预处理-转炉冶炼-精炼-连铸-控轧控冷工艺步骤，所述铁水预处理包括KR脱硫后，脱硫后S含量低于0.002％。

进一步地，所述连铸过程采取全程保护浇铸，中包钢水目标过热度≤25℃，连铸后进入缓冷坑处理。

进一步地，所述控轧控冷采用两阶段轧制，加热温度在1000～1050℃之间。

进一步地，所述两阶段轧制中，第一阶段为再结晶区轧制，开轧温度为950～1000℃，累计变形量≥45％。

进一步地，所述两阶段轧制中，第二阶段为未再结晶区轧制，开轧温度为800～850℃，累计变形量≥50％，终轧温度低于800℃。

进一步地，所述控轧控冷采用轧后快冷，冷却速度为10～15℃/s，终冷温度为500～550℃，再空冷至室温。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

1、本发明通过控制钢中V、Ti、C的元素配比，在保证在碳含量不超标的情况下，保证碳化物的析出，保证钢板的组织为铁素体和珠光体，铁素体平均晶粒尺寸≤8μm。

2、本发明通过控制钢板的轧制和冷却工艺，将控轧控冷分为两阶段轧制，主要采用的是低温大压下轧制(一阶段轧制开轧温度950～1000℃，二阶段开轧温度为800～850℃)，也就是加热温度低于常规加热温度，变形量(一阶段累计变形量≥45％，二阶段累计变形量≥50％)大于常规变形量，以产生大量的变形带和位错，给铁素体提供更多的形核质点，通过这样的轧制方法可以细化铁素体晶粒，使钢得到良好的强韧性匹配，并且在轧后选择快冷的冷却方法，能够进一步抑制铁素体晶粒的长大。

3、本发明通过控制元素种类和元素含量，尤其是V、Ti、C的元素配比，结合轧制、冷却工艺，实现钢板优良的力学性能，屈服强度≥440MPa，抗拉强度≥550MPa，延伸率≥26％，-60℃冲击功≥200J，断面纤维率％≥90％，同时钢板的焊接性良好，焊接接头-60℃冲击功≥50J，焊接接头-20℃的CTOD≥0.25mm。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为440MPa级极地船体用钢的典型显微组织图。

具体实施方式

本发明提供一种适用于极地环境的440MPa级极地船体用钢及其制备方法，该船用钢具有高强度、高低温韧性及易焊接等特点，用以解决现有钢板不能满足极地环境温度使用条件的问题。

本发明提供的440MPa级极地船体用钢，钢的屈服强度≥440MPa，抗拉强度≥550MPa，延伸率≥26％，-60℃冲击功≥200J，断面纤维率％≥90％。

具体的，钢的微观组织为铁素体和珠光体，铁素体平均晶粒尺寸≤8μm。

需要说明的是，铁素体含量不少于75％。铁素体的强度较低，但塑性、韧性较好，珠光体的强度高于铁素体，但塑性韧性低于铁素体，在此成分工艺条件下得到的组织结构比例和形态，可同时保证强度及韧性，得到较好的强韧性匹配。

具体的，所述钢的焊接接头-60℃冲击功≥50J，焊接接头-20℃的CTOD≥0.25mm。

本发明提供的440MPa级极地船体用钢的化学成分按质量百分比计为：C：0.07～0.12％，Si：0.30～0.40％，Mn：1.30～1.60％，Cu：0.25～0.40％，Ni：1.0～1.5％；V：0.06～0.10％，Ti：0.008～0.012％；Als：0.05～0.07％；N≤0.004％；P≤0.005％；S≤0.002％，其余为Fe及不可避免的杂质元素。

对本发明中440MPa级极地船体用钢及其制备方法的铸坯成分限定理由进行说明，以下仅用％表示组成中的质量百分比。

C：碳是提高强度的必要元素，也是降低材料焊接性的元素。当碳含量低于0.07％时，将会降低钢板的屈服强度，但过高的碳含量将对钢板的焊接性和低温韧性造成不利影响。综合两方面考虑，C含量应控制在0.07～0.12％。

同时，为保证获得足够的析出强化效果，经过系统的试验研究与理论分析，C含量与固定C原子的Ti和V元素含量之间的关系应满足：C/12≤5×(Ti/48+V/51)。在此配比下，可在保证在碳含量不超标的情况下，保证碳化物的析出。此处的不超标是指，碳含量过高将会导致低温韧性和焊接性的降低。但是碳含量降低，钢的强度将无法保证，此时若想提高强度，则需要通过析出强化和细晶强化来实现。其中Ti和V的含量控制在公式所示的范围内，就可以生成一定量的析出相，进而起到提高强度的作用。并且，钒的析出相在轧制过程中可以起到抑制铁素体晶粒长大的作用，进而达到细化晶粒的目的。同样使得到的钢板具有较好的强韧性匹配。

Si：硅作为脱氧元素，也是固溶强化元素，能提高钢的强度。当硅的含量大于0.6％时，会使钢的低温韧性降低，焊接性变差。因此，Si含量控制在0.30～0.40％。

Mn：锰是保证钢的强度和韧性的必要元素，不仅可以推迟铁素体相变，细化铁素体晶粒，还可以与S结合生成MnS，避免在晶界处形成FeS，进而避免热裂纹的产生。为保证获得高强度钢板，Mn的含量需控制在1.30％以上。但当锰含量过高时，将会引起中心偏析，降低韧性及焊接性。因此，Mn含量控制在1.30～1.60％。

Cu：铜是非碳化物形成元素，可用来提高钢的强度和耐蚀性。在焊接过程中，还可以减小TiN在δ区固溶，增加高温钉轧效果，减小奥氏体晶粒尺寸。Cu含量过少时，效果不明显；含量过多时，容易引起铜的偏聚，使加工性和焊接性恶化。因此，Cu含量控制在0.25～0.40％。

Ni：镍在微合金钢相变强化和固溶强化机制中起重要作用，同时能提高钢的低温韧性和耐蚀性。但加入量过高时，不仅会增加成本，还会使钢的加工性能和焊接性能恶化。因此，Ni含量控制在1.0～1.5％。

V：钒是常用的微合金化元素，沉淀强化效果显著。可与氮元素形成V(C,N)析出物，起到析出强化的作用。V的含量控制在0.06～0.10％。

Ti：钛与氮元素形成TiN，可以抑制铸坯加热过程和焊接热循环过程中的奥氏体晶粒长大过程，从而提高钢板和焊接热影响区的韧性。Ti含量过低时，作用效果减弱；含量高于0.04％时易形成大颗粒TiN而失去效果。因此，Ti的含量控制在0.008～0.012％。

Als：酸溶铝是钢的优良脱氧剂，是有细化晶粒的有效元素。当Als含量过低时，难以控制钢中的氧含量；含量高于0.08％时，容易产生铸坯热裂纹，同时降低钢的韧性。因此，Als含量控制在0.05～0.07％。

N：一定含量的N能够与Ti形成TiN，提高钢板和焊接热影响区的韧性，并与Ti、V等形成碳氮化物提高强度。但N含量过高将影响材料的低温韧性。因此，N含量控制在小于0.004％。

P：磷是钢中杂质元素，会损害钢板和焊接热影响区的韧性。因此，P含量控制在0.005％以下。

S：硫是钢中杂质元素，会形成硫化物夹杂，成为裂纹源。因此S含量控制在0.005％以下。

本发明中所述的一种适用于极地环境的440MPa级极地船体用钢及其制备方法，具体工艺如下：

(1)铁水预处理：通过铁水预处理降低钢中的杂质元素，保证KR脱硫后，S含量低于0.002％。

(2)转炉冶炼+LF精炼：添加优质废钢进行转炉冶炼，通过精炼过程中脱气、脱硫和精炼后期吹氩等技术以控制钢中夹杂物含量。最后进行喂Ti线与Ca线，以防止钢水死流，防止Ti在过高温度形成析出，避免大型钛氧化物夹杂的形成。

(3)连铸：连铸过程采取全程保护浇铸，中包钢水目标过热度≤25℃，连铸后进入缓冷坑处理。

(4)控轧控冷：铸坯采用低温加热的方式，加热温度在1000～1050℃之间，加热时间180～240min。控制轧制采用两阶段轧制法：第一阶段为再结晶区轧制，开轧温度为950～1000℃，累计变形量≥45％，通过变形促进粗大奥氏体晶粒发生再结晶。第二阶段为未再结晶区轧制，开轧温度为800～850℃，累计变形量≥50％，终轧温度低于800℃，采用低温大压下轧制，能够产生大量的变形带且在奥氏体中形成大量的位错，进一步细化铁素体晶粒。轧后快冷，冷却速度为10～15℃/s，能够抑制相变形成的铁素体晶粒长大，终冷温度为500～550℃，后空冷至室温。其中，轧后板厚≤40mm。

需要说明的是，控轧控冷分为两阶段轧制，主要采用的是低温大压下轧制，也就是加热温度低于正常加热温度，变形量大于正常变形量，增大变形量能够产生大量的变形带和位错，给铁素体提供更多的形核质点，通过这样的轧制方法可以细化铁素体晶粒，细化晶粒可使钢得到较好的强韧性匹配。并且在轧后选择快冷的冷却方法，能够进一步抑制铁素体晶粒的长大。通过上述轧制方法，可以获得细小的铁素体晶粒，尺寸≤8μm。

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例一

本实施例公开了六种(1#-6#钢)适用于极地环境的440MPa级船体用钢。

1#-5#均采用相同工艺：(1)KR脱硫后；(2)转炉冶炼+LF精炼；(3)连铸：中包钢水目标过热度≤25℃，连铸后进入缓冷坑处理；(4)控轧控冷：铸坯采用低温加热的方式，加热温度在1000～1050℃之间，加热时间180～240min，控制轧制采用两阶段轧制法：第一阶段为再结晶区轧制，开轧温度为964～995℃，累计变形量45％～50％，通过变形促进粗大奥氏体晶粒发生再结晶。第二阶段为未再结晶区轧制，开轧温度为816～846℃，累计变形量50％～52％，终轧温度785℃～796℃，采用低温大压下轧制。轧后快冷，冷却速度为10～15℃/s，终冷温度为500～550℃，后空冷至室温。轧后板厚≤40mm。

1#～4#钢的元素成分质量百分比均符合本发明的要求，5#钢的元素成分质量百分比不符合本发明的要求，其元素组成的差异见表1。1#钢显微组织图如图1所示。

1#～4#与6#钢的元素成分质量百分比均符合C：0.07～0.12％，Si：0.30～0.40％，Mn：1.30～1.60％，Cu：0.25～0.40％，Ni：1.0～1.5％；V：0.06～0.10％，Ti：0.008～0.012％；Als：0.05～0.07％；N≤0.004％；P≤0.005％；S≤0.002％，1#～4#钢的工艺参数有均符合本发明的要求，6#钢的工艺参数不符合本发明的要求，其工艺参数的差异见表2。

表1 1#-6#极地用440MPa级船体钢的化学成分(wt,％)

表2 1#-6#极地用440MPa级船体钢的工艺参数

1#-6#极地用440MPa级船体钢的力学性能及铁素体晶粒尺寸见表3。

表3 1#-6#极地用440MPa级船体钢的力学性能及晶粒尺寸

1#-6#对应的极地用440MPa级船体钢在120±5KJ/cm的线能量下进行可焊性试验，焊接前不预热，焊接后不进行热处理，焊接坡口为单边V型，其焊接接头性能如表3所示。

表4 1#-6#极地用440MPa级船体钢的焊接性

通过比对可知，1#～5#钢冶炼方法和工艺参数相同或相近，但其中1#～4#钢的元素成分质量百分比均符合本发明的要求，5#钢的元素成分质量百分比不符合本发明的要求，5#钢的-60℃冲击功、焊接接头-60℃冲击功等指标均比1#～4#具有明显的下降，其焊接性能、力学性能难以满足极地船体。1#～4#和6#钢元素成分质量百分比相同或相近，但其中1#～4#钢的冶炼方法和工艺参数均符合本发明的要求，6#钢的冶炼方法和工艺参数不符合本发明的要求，6#钢的屈服强度、延伸率、焊接接头-60℃冲击功等指标均比1#～4#具有明显的下降，其焊接性能、力学性能难以满足极地船体。

通过比对可知本发明基于特殊的刚才元素组成和轧制冷却工艺，实现钢板优良的力学性能，屈服强度≥440MPa，抗拉强度≥550MPa，延伸率≥26％，-60℃冲击功≥200J，断面纤维率≥90％，同时钢板的焊接性良好，焊接接头-60℃冲击功≥50J，焊接接头-20℃的CTOD≥0.25mm。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种440MPa级极地船体用钢，其特征在于，成分以重量百分比计为C：0.08~0.12%，Si：0.31~0.40%，Mn：1.30~1.60%，Cu：0.25~0.40%，Ni：1.0~1.5%；V：0.06~0.10%，Ti：0.008~0.012%；Als：0.05~0.07%；N≤0.004%；P≤0.005%；S≤0.002%，其余为Fe及不可避免的杂质元素；

所述C质量百分含量[C]与固定C原子的Ti和V元素质量百分含量[Ti]、[V]之间的关系符合：[C]/12≤5×([Ti]/48+[V]/51)；

所述440MPa级极地船体用钢的制备方法包括铁水预处理-转炉冶炼-精炼-连铸-控轧控冷工艺步骤，所述铁水预处理包括KR脱硫后，脱硫后S含量低于0.002%；

所述连铸过程采取全程保护浇铸，中包钢水目标过热度≤25℃，连铸后进入缓冷坑处理；

所述控轧控冷采用两阶段轧制，加热温度在1000~1050℃之间；所述两阶段轧制中，第一阶段为再结晶区轧制，开轧温度为950~1000℃，累计变形量≥45%；所述两阶段轧制中，第二阶段为未再结晶区轧制，开轧温度为800~850℃，累计变形量≥50%，终轧温度低于800℃；所述控轧控冷采用轧后快冷，冷却速度为10~15℃/s，终冷温度为500~550℃，再空冷至室温。

2.根据权利要求1所述440MPa级极地船体用钢，其特征在于，所述钢的微观组织为铁素体和珠光体，铁素体平均晶粒尺寸≤8μm。

3.根据权利要求2所述440MPa级极地船体用钢，其特征在于，所述铁素体含量大于70%。

4.一种440MPa级极地船体用钢的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1至3任一项所述440MPa级极地船体用钢，包括铁水预处理-转炉冶炼-精炼-连铸-控轧控冷工艺步骤，所述铁水预处理包括KR脱硫后，脱硫后S含量低于0.002%；

5.根据权利要求4所述440MPa级极地船体用钢的制备方法，其特征在于，所述两阶段轧制中，第一阶段为再结晶区轧制，开轧温度为964~995℃。

6.根据权利要求5所述440MPa级极地船体用钢的制备方法，其特征在于，所述两阶段轧制中，第一阶段为再结晶区轧制，累计变形量45%~50%。

7.根据权利要求4所述440MPa级极地船体用钢的制备方法，其特征在于，所述两阶段轧制中，第二阶段为未再结晶区轧制，开轧温度为816~846℃。

8.根据权利要求7所述440MPa级极地船体用钢的制备方法，其特征在于，所述两阶段轧制中，第二阶段为未再结晶区轧制，累计变形量50%~52%，终轧温度785℃~796℃。

9.根据权利要求4所述440MPa级极地船体用钢的制备方法，其特征在于，所述控轧控冷采用轧后快冷，轧后板厚≤40mm。