CN112877599B

CN112877599B - 一种低温性能优良的超高强调质海工钢板及其制造方法

Info

Publication number: CN112877599B
Application number: CN202110034958.2A
Authority: CN
Inventors: 金耀辉; 韩鹏; 赵坦; 朱隆浩; 王�华; 陈华; 王东旭; 李家安; 于浩男; 李广龙
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2021-01-12
Filing date: 2021-01-12
Publication date: 2022-06-14
Anticipated expiration: 2041-01-12
Also published as: CN112877599A

Abstract

本发明公开一种低温性能优良的超高强调质海工钢板及其制造方法。钢中含有：C：0.07％～0.12％；Si：0.15％～0.40％；Mn：1.15％～1.60％；P≤0.012％；S≤0.002％；Ni：0.15％～0.50％；Cr≤0.2％；或V≤0.040％中的一种；Mo：0.10％～0.25％；Ti：0.008％～0.025％；Alt：0.015％～0.040％，余量为铁和不可避免的杂质。板坯均热温度1130～1180℃，一阶段开轧温度1050～1150℃，前两个道次的轧制速度≤1.2m/s、且单道次压下率≥15％，二阶段开轧温度≤890℃，终轧温度≥800℃；淬火温度880～910℃，保温20～40min；回火温度600～630℃，总在炉时间3.5～4min/mm*板厚。钢板低温性能优异。

Description

一种低温性能优良的超高强调质海工钢板及其制造方法

技术领域

本发明属于钢铁材料制备领域，特别涉及一种屈服强度在 420MPa以上、低温性能优良的调质海工钢板及其制造方法。

背景技术

钢铁作为海洋工程装备的关键结构材料，广泛应用于海上风电、生产平台以及海底管道等。海上结构用钢板的服役环境恶劣，不仅要承受重力载荷，还要承受风载荷、波浪载荷、海流载荷、冰载荷、地震载荷，且海洋工程装备的服役期比船舶类长50％，对钢铁材料的要求极高，其采用的钢板逐渐向高强度、高韧性、易焊接性、良好的耐腐蚀性以及大厚度、大规格化方向发展。

420MPa级海工装备及海上环境使用的钢材，在海上结构中应用广泛。其对钢板强度、低温冲击性能、低温CTOD性能、抗层状撕裂性能、内部质量外形尺寸等方面的要求很高，生产技术难度非常大。

目前普遍采用TMCP或TMCP+T工艺生产的屈服强度420MPa 超高强度钢板，单大厚度规格(60mm以上)对轧机和矫直设备的能力要求极高，板型和钢板的性能均匀性很难保证，且已有部分业主明确提出海洋工程装备主体结构的部分关键结构材料采用调质态420MPa超高强度钢板的需求。

申请号CN20201030411.7的发明专利“一种420MPa低碳易焊接海工结构钢板及其制造方法”，通过采用较低碳、较低碳当量设计，结合控轧后快速冷却+回火，生产出10～100mm规格，易焊接、耐腐蚀，能抵御海上风浪反复冲击摆动受力以及应力腐蚀海工钢，但其同时含有Cu、Cr、Mo、Ni、V、B等多种合金元素，添加的合金元素多且复杂，加大了生产难度，降低了生产效率，提高了成本。

申请号CN20141007919.3的发明专利“一种高强度特厚钢板及其生产方法”，提供一种厚度规格为266mm，屈服强度在460MPa以上的特厚钢板及其生产方法。但其-20℃冲击韧性均值在32～45J之间，无法满足目前海工钢-40℃冲击韧性的要求。

申请号CN201310481191.3的发明专利“一种420MPa级正火态特厚规格结构用钢板及其制造方法”，结合400mm特厚连铸坯生产 100～120mm的特厚钢板，采用钢坯轧制+正火处理后采用加速冷却技术，生产的钢板强度高，屈服强度不小于420MPa，低温韧性和塑性好。但其C元素含量过高，不利于焊接。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术不足，结合大厚度连铸板坯，采用合金成分-冶炼-轧制-热处理工艺耦合设计，提出一种低温性能优良的 420MPa级调质海工钢板及其制造方法，本发明420MPa级调质海工钢板具有超高强度(屈服强度≥420MPa，抗拉强度500～640MPa，屈强比≤0.85，断后延伸率≥19％)，低温韧性(-40℃横向冲击功最小单值≥100J)和Z向性能(Z向断面收缩率≥60％，Z向抗拉强度≥500MPa)优异以及大厚度尺寸(成品厚度范围60～100mm)的特点。

本发明从合金元素筛选与配比、钢质洁净度控制、调质工艺优化、显微组织强韧性匹配等几个方面进行了大量而系统的试验研究，最终确定了可满足本发明目的成分体系及其制造工艺。具体技术方案为：

一种低温性能优良的超高强调质海工钢板，该钢板的化学成分质量百分比如下：C：0.07％～0.12％；Si：0.15％～0.40％；Mn：1.15％～1.60％；P≤0.012％；S≤0.002％；Ni：0.15％～0.50％；Cr≤0.2％或V≤0.040％中的一种；Mo：0.10％～0.25％；Ti：0.008％～0.025％；Alt： 0.015％～0.040％，余量为Fe和不可避免的杂质，碳当量Ceq≤0.42％、裂纹敏感性指数Pcm≤0.22％，其中，Ceq＝ C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5，Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+ Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B。

本发明钢中各合金成分的作用机理如下：

C：是有效提高钢板强度的廉价元素，但随着碳含量的提高，则显著降低钢板的塑性、低温韧性和抗焊接裂纹敏感性，碳含量低，在调质后钢的硬度、强度偏低，但是塑性和韧性较高。从经济性和产品性能角度考虑，优选C含量控制在0.07％～0.12％。

Si：以固溶强化形式提高钢的强度，脱氧元素，过低则影响脱氧效果，过高会对表面质量、韧性及焊接性能产生不利影响，综合考虑，本发明Si含量优选选择范围为0.15％～0.40％。

Mn：是保证钢的强度和韧性的必要元素，Mn与S结合形成MnS，避免晶界处形成FeS而导致的热裂纹，同时Mn也是良好的脱氧剂。适量的锰可以改善钢的强度和韧性，但过高则在铸坯中产生偏析，进而造成轧制后难以消除的组织带状，降低钢板横向性能和抗层状撕裂性。为了提高本发明材料的强韧性，因此本发明中Mn含量范围为 1.15％～1.60％。

P：是对冲击值带来不利影响的元素，可以在板坯中心部位偏析以及在晶界聚集等损害低温韧性，本发明中控制P含量≤0.012％。

S：是对冲击值带来不利影响的元素，可以形成硫化物夹杂，成为裂纹源，本发明中S含量控制在不高于0.002％。

Ni：Ni具有固溶强化作用，能促使合金钢形成稳定奥氏体组织，具备使Ar3点最低和碳当量或冷裂纹敏感系数Pcm的增加最小的特性，能提高钢的强度和韧性，因此本发明Ni含量控制在0.15％～0.50％。

Cr：提高钢的淬透性的重要元素，对于厚规格船板及海洋平台用钢而言添加适量Cr含量可以有效提高淬透性以弥补厚度带来的强度损失，改善厚度方向上性能的均匀性；Cr还可以增强钢的回火稳定性，Cr可以与C生成碳化物析出，增强钢的强度。但太高的铬和锰同时加入钢中，会导致低熔点Cr-Mn复合氧化物形成，在热加工过程中形成表面裂纹，同时会严重恶化焊接性能。因此本发明Cr含量控制在Cr 0～0.2％。

V：在钢中加入V可以细化组织晶粒，提高强度和韧性。添加量小于0.02％时效果不明显；V还可以提高钢的淬透性，进而提高调质钢强度，但V含量过高易形成大颗粒夹杂物，钢的韧性与可焊接性降低。在适量的N含量基础上，V可以充分析出，使钢中颗粒尺寸和间距明显减小，能够产生沉淀强化，起到提高强度的作用，本发明中V含量控制在0～0.040％。

Mo：可以提高淬透性和热强性、防止回火脆性、扩大γ相区，推迟γ→α相变时先析出铁素体形成、促进针状铁素体形成的主要元素，对控制相变组织起重要作用，能有效提高材料强度；降低相变温度，降低贝氏体转变的临界冷速，有利于在较宽的冷速范围内促进贝氏体转变，使厚钢板具有较好的工艺适应性，能有效改善钢板厚度方向上强韧性能的稳定性。因此本发明Mo含量控制在Mo： 0.10％～0.25％。

Ti：Ti与N在高温时形成TiN，板坯加热奥氏体化时，TiN会抑制奥氏体晶粒长大。Ti与C在较低温度区间形成TiC，细小的TiC颗粒有利于提高钢板的低温冲击性能。Ti含量过高，则会形成粗大的方形TiN析出，钢板在受力时应力会集中在TiN颗粒附近，成为微裂纹的形核长大源，降低钢板的疲劳性能。本发明Ti元素优选含量控制在0.008％～0.025％。

Alt：作为本发明必须添加的脱氧和细化晶粒元素Al元素在高温时形成细小的AlN析出，在板坯加热奥氏体化时抑制奥氏体晶粒长大，达到奥氏体细化晶粒、提高钢在低温下的韧性的目的。Al含量过高会导致较大的Al的氧化物形成，降低钢板的低温冲击性能，同时连铸过程中铸坯易产生边角部裂纹，因此本发明Alt优选含量范围为0.015％～0.040％。

为提高钢板的可焊性，降低钢板焊接制造成本，提高焊接效率，保证后钢板续焊接后热影响区性能，避免因控制焊接制造成本导致钢板综合性能急剧下降的问题。控制Ceq≤0.42％、Pcm≤0.22％。其中， Ceq＝C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5，Pcm＝C+Si/30+Mn/20 +Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B。

低温性能优良的超高强调质海工钢板及其制造方法包括：冶炼、连铸、轧制、调质热处理，具体如下：

(1)冶炼、连铸工艺：精选冶炼原料，采用铁水深脱硫、转炉冶炼、炉外精炼、真空处理和连铸工艺进行生产，P、S等元素含量尽可能低，按目标值控制熔炼成分，严格控制残余元素含量，控制冶炼、连铸过程中大钢坯的高洁净度及铸态组织，中包钢水过热度≤ 25～30℃，全程保护浇铸，配合轻压下工艺，轻压下量6～8mm，连铸后得到连铸坯，铸坯厚度300～360mm，连铸坯下线后堆垛缓冷，堆垛温度≥600℃，堆垛缓冷速率在5～6℃/h，连铸坯下线后评价采用热酸浸蚀并对照Mannesmann标准图谱评级，评级结果≤2级；

(2)轧制工艺：板坯均热温度控制在1130～1180℃之间，轧制过程采用两阶段控轧轧制技术，一阶段开轧温度1050～1150℃，一阶段为高温热轧，除展宽道次外，纵轧前两个道次采用低速大压下轧制，其中，轧制速度≤1.2m/s，单道次压下率≥15％，二阶段采用控制轧制，二阶段开轧温度≤890℃，终轧温度≥800℃，该阶段单道次最小压下率≥12％，轧后进缓冷槽缓冷，进槽温度不低于350℃，缓冷时间不少于24h。通过两阶段轧制控制相变组织均匀细化，为调制热处理作初始组织准备。

(3)调质热处理：包括淬火和回火工艺。其中，淬火温度控制在880～910℃之间，升温时间为1.3～1.5min/mm×板厚，保温20～40min；回火温度为600～630℃，回火在炉时间3.5～4min/mm×板厚，出炉后空冷，获得钢板成品。

有益效果：

本发明同现有技术相比，有益效果如下：

(1)本发明工艺生产的产品钢板采用低Ceq、低Pcm+微合金化成分设计，合理配比Ti、V、Ni等提高耐低温、抗冷裂纹敏感性的合金元素，通过低S、P等洁净化冶炼，特别采用合金成分-冶炼-轧制- 热处理工艺耦合设计实现钢板具有高强度、优异低温韧性和抗抗层状撕裂性能，成品钢板屈服强度≥420MPa，抗拉强度500～640MPa，屈强比≤0.85，断后延伸率≥19％。-40℃横向冲击功最小单值≥100J， -20℃CTOD≥0.25，Z向断面收缩率≥60％，Z向抗拉强度≥500MPa。

(2)本发明充分发挥宽厚板轧机的技术装备优势，结合 300～360mm大厚度连铸板坯，开发的420MPa级调质海工厚钢板成品厚度范围为60～100mm。

(3)采用合理的轧制工艺与离线调质工艺相配合，相比于同强度钢板的TMCP或TMCP+T工艺，离线淬火能够精准的控制开始淬火的温度，且整板温度均匀；与此同时，离线淬火工艺采用热轧后空冷，与在线淬火相比更容易控制板型平直度，可实现钢板2米内不平度≤5mm。

(4)钢板显微组织为回火贝氏体，晶粒度≥7.5级。

附图说明

图1为实施例3钢板的金相组织(500倍)，组织为回火贝氏体；

图2为实施例3钢板的晶粒度照片(500倍)；

具体实施方式

以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。

本发明实施例钢的化学成分见表1，本发明实施例钢的冶炼、铸坯堆垛工艺参数及评价结果见表2，本发明实施例钢板轧制工艺见表 3，本发明实施例钢板热处理工艺见表4，本发明实施例钢板不平度及晶粒度见表5，本发明实施例钢板拉伸性能见表6，本发明实施例钢板冲击性能见表7，本发明实施例钢板CTOD性能见表8。

表1本发明实施例钢化学成分 wt％

实施例	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	V	Mo	Ti	Alt	Ceq	Pcm
														1	0.118	0.28	1.19	0.007	0.002	0.48	0.14	0	0.148	0.014	0.036	0.41	0.21
2	0.075	0.36	1.5	0.009	0.001	0.47	0	0.034	0.182	0.015	0.024	0.40	0.19
														3	0.098	0.32	1.38	0.008	0.001	0.41	0	0.038	0.159	0.01	0.024	0.39	0.20
4	0.103	0.21	1.28	0.010	0.002	0.36	0.17	0	0.135	0.021	0.041	0.40	0.20
														5	0.082	0.19	1.53	0.006	0.002	0.33	0	0.029	0.198	0.018	0.019	0.40	0.19
6	0.091	0.28	1.45	0.009	0.002	0.28	0	0.024	0.221	0.016	0.039	0.40	0.19
														7	0.109	0.17	1.31	0.011	0.001	0.19	0.12	0	0.115	0.009	0.031	0.39	0.20
8	0.071	0.35	1.57	0.008	0.001	0.24	0	0.022	0.194	0.012	0.027	0.39	0.18

表2本发明实施例钢的铸坯堆垛工艺参数及铸坯评价结果

表3本发明实施例钢板轧制及冷却工艺

表4本发明实施例钢的热处理工艺

表5本发明实施例钢板不平度

实施例	钢板厚度/mm	测量长度2000mm钢板不平度/mm	晶粒度
				1	100	3	8.5
2	90	4	8.5
				3	80	3	8.5
4	80	4	8.0
				5	70	4	8.5
6	70	3	7.5
				7	60	4	8.0
8	60	4	8.0

表6本发明实施例钢拉伸性能

表7本发明实施例钢冲击性能

注：近表面位置为距钢板表面2mm以内。

表8本发明实施例钢-20℃ CTOD(裂纹尖端张开位移)性能

由表1～7可见，采用本发明技术方案生产的低温性能优良的 420MPa级调质海工钢板，钢板测量长度2000mm不平度≤5mm，晶粒度≥7.5级，屈服强度≥420MPa，抗拉强度500～640MPa，屈强比≤0.85，断后延伸率≥19％。-40℃横向冲击功最小单值≥100J。Z向断面收缩率≥60％，Z向抗拉强度≥500MPa，-20℃CTOD≥0.25。

Claims

1.一种低温性能优良的超高强调质海工钢板，其特征在于，钢中化学成分按质量百分比为：C：0.07％～0.12％；Si：0.15％～0.40％；Mn：1.15％～1.60％；P≤0.012％；S≤0.002％；Ni：0.15％～0.50％；Cr≤0.2％或V≤0.040％中的一种；Mo：0.10％～0.25％；Ti：0.008％～0.025％；Alt：0.015％～0.040％，余量为铁和不可避免的杂质，Ceq≤0.42％、Pcm≤0.22％，其中，Ceq＝C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+Mo+V)/5，Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B；

钢板的生产工艺为：冶炼、连铸、轧制、调质热处理，其中，(1)冶炼和连铸工艺：采用铁水深脱硫、转炉冶炼、炉外精炼、真空处理和连铸工艺进行生产，中包钢水过热度25～30℃，全程保护浇铸，配合轻压下工艺，轻压下量6～8mm，连铸后得到连铸坯的厚度为300～360mm，连铸坯下线后堆垛缓冷，堆垛温度≥600℃，堆垛缓冷速率在5～6℃/h；(2)轧制工艺：板坯均热温度控制在1130～1180℃，轧制过程采用两阶段控轧轧制技术，一阶段开轧温度1050～1150℃，纵轧前两个道次采用低速大压下轧制，其中，轧制速度≤1.2m/s，单道次压下率≥15％；二阶段开轧温度≤890℃，终轧温度≥800℃，该阶段单道次最小压下率≥12％，轧后进行缓冷，缓冷温度不低于350℃，缓冷时间不少于24h；(3)调质热处理：包括淬火和回火工艺；所述淬火温度控制在880～910℃之间，升温时间为1.3～1.5min/mm×板厚，保温20～40min；所述回火温度为600～630℃，在炉时间3.5～4min/mm×板厚，出炉后空冷。

2.根据权利要求1所述的一种低温性能优良的超高强调质海工钢板，其特征在于，所述钢板屈服强度≥420MPa，抗拉强度500～640MPa，屈强比≤0.85，断后延伸率≥19％，-40℃横向冲击功最小单值≥100J，Z向断面收缩率≥60％，Z向抗拉强度≥500MPa，-20℃CTOD≥0.25。

3.根据权利要求1或2所述的一种低温性能优良的超高强调质海工钢板，其特征在于，成品钢板厚度60～100mm。

4.根据权利要求1所述的一种低温性能优良的超高强调质海工钢板，其特征在于，所述连铸坯下线后评价采用热酸浸蚀并对照Mannesmann标准图谱评级，评级结果≤2级。