CN112877601B - 一种优良低温韧性的低屈强比海工钢板及其制造方法 - Google Patents

一种优良低温韧性的低屈强比海工钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种优良低温韧性的低屈强比海工钢板及其制造方法。钢中含有：C：0.06％～0.12％；Si：0.20％～0.40％；Mn：1.45％～1.65％；P≤0.01％；S≤0.002％；Ni：0.15％～0.25％；Cu：0.15％～0.30％；Nb：0.015％～0.04％；Ti：0.007％～0.025％；Alt：0.015％～0.045％，余量为铁和不可避免的杂质。铸坯加热温度1150～1180℃，一阶段开轧温度1100～1150℃，二阶段开轧温度890～940℃，单道次压下率≥9％，三阶段开轧温度800～840℃，累计压下率35％～50％，终轧温度770～810℃；开冷温度710～750℃，平均冷速≥5℃/s，返红温度280～350℃；缓冷坑保温冷却，堆垛时间≥24小时。钢板‑40℃韧性优异。

Description

一种优良低温韧性的低屈强比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≥420MPa、屈强比在0.80以下、低温韧性优良的海工钢板。
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。
海工装备及海上结构用其对钢板强度、低温冲击性能、厚度方向(Z向)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。
申请号CN201810631503.7的发明专利“一种优良CTOD特性的低温用钢及其制造方法”，通过主合金元素的组合设计、微合金元素的活用及夹杂物元素无害化处理，优化TMCP工艺，提供了一种屈服强度≥420MPa、抗拉强度≥530MPa、-40℃的CTOD≥0.15mm，Akv(-60℃)≥47J，且可大热输入焊接的钢板制造方法，但其成分中Al≤0.010％，而海洋工程用钢遵循的国际标准及相关船级社规范均对Al元素含量下限进行要求，限制该发明专利其应用范围。
申请号201410626991.4的发明专利“420MPa级海洋工程用大厚度热轧钢板及其生产方法”，提供了一种420MPa级海洋工程用大厚度热轧钢板及其生产方法，其通过调整优化钢板中其它合金元素的配比，结合两阶段控轧控冷工艺，可生产具有良好的组织、综合性能和焊接性能，但其生产的钢板未体现出心部韧性最小单值，且发明钢板最大厚度为70mm，限制使用范围。
申请号201810841006.X的发明专利“厚规格的420MPa级低屈强比低温桥梁钢及生产方法”，公开了一种厚规格的420MPa级低屈强比低温桥梁用钢板及生产方法，通过对100mm厚钢板控制合适的控轧控冷及回火热处理工艺，解决长期以来厚板性能不稳定的问题，但其屈强比高，且采用TMCP+回火生产工艺，增加生产周期与成本。
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，采用低碳合金钢成分设计以及优化TMCP工艺设计，提出一种优良低温韧性的低屈强比海工钢板及其制造方法，本发明钢板具有超高强度(屈服强度≥420MPa，抗拉强度500～640MPa，屈强比≤0.80，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、控轧控冷工艺优化、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。具体的技术方案为：
一种优良低温韧性的低屈强比海工钢板，化学成分按质量百分比计，含有C：0.06％～0.12％；Si：0.20％～0.40％；Mn：1.45％～1.65％；P≤0.01％；S≤0.002％；Ni：0.15％～0.25％；Cu：0.15％～0.30％；Nb：0.015％～0.04％；Ti：0.007％～0.025％；Alt：0.015％～0.045％，余量为Fe和不可避免的杂质，碳当量Ceq≤0.40％、裂纹敏感指数Pcm≤0.21％，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：是保证强度的必要元素，通过固溶强化和析出强化对提高钢的强度有明显作用，但碳含量增加严重影响钢材焊接性能和低温韧性，从产品性能角度考虑，本发明中C含量控制在0.06％～0.12％。
Si：是炼钢过程中主要的脱氧成分，为了得到充分的脱氧效果必须含0.10％以上，但若超过上限则会降低母材及焊接部位的韧性，本发明优选Si含量为0.20％～0.40％。
Mn：作为最重要的合金元素在钢中除提高钢板的强度外，还具有扩大奥氏体相区、降低Ar3点温度、细化铁素体晶粒而改善钢板低温韧性的作用、但当Mn元素含量过高时，Mn元素的偏析又会使得厚板心部的低温韧性较差，焊接热影响区性能下降，因此本发明将Mn含量范围控制为1.45％～1.65％。
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，本发明将P含量控制在不高于0.01％。
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，控制钢中S含量同时可防止CuS或Cu2S析出，本发明将S含量控制在不高于0.002％。
Ni：镍溶于奥氏体，抑制奥氏体再结晶，细化奥氏体晶粒，提高钢板低温韧性。但随着镍含量的增多，生产成本会显著增加，因此综合考虑钢板性能及生产成本，本发明Ni含量控制在0.15％～0.25％。
Cu：利用ε-Cu析出强化可以较大程度的提高钢的强度，另外在钢中加入适量Cu可以提高钢的耐蚀性、低温韧性，改善焊接性、成型性与机加工性等。与Ni同时使用，还可以避免热脆性，本发明控制Ni/Cu比在0.7～1.4之间。本发明中的Cu含量范围为0.15％～0.30％。
Nb：铌的加入是为了促进钢轧制显微组织的晶粒细化，可同时提高强度和韧性，铌可在控轧过程中通过抑制奥氏体再结晶和晶粒长大，降低奥氏体-铁素体转变温度。可有效细化TMCP钢的相变组织并在铁素体中析出，细化晶粒和NbC析出相的累加结果可以明显提高钢的屈服强度和冲击韧性。因此，本发明中的Nb含量控制在0.015％～0.04％。
Ti：利用Ti固N，微量Ti与C、N原子形成TiC、TiN析出物，在热变形后，这类在奥氏体区的应变诱导析出可明显地阻碍变形后再结晶，提高再结晶停止温度，固溶在奥氏体基体内的Ti利用溶质拖拽效应减缓再结晶，有利于晶粒细化，具有使晶粒微细化而提高母材强度和韧性的效果同时降低时效敏感性作用。但加入量过多会形成大尺寸TiN析出物影响钢板冲击韧性，因此，本发明优选其含量在0.007％～0.025％。
Alt：本发明必须添加的脱氧和细化晶粒元素，通过降低钢板中的O的含量，可改善钢板的时效性能，钢中加入少量的铝，还可细化晶粒，提高强度及冲击韧性，但过高容易产生铸坯热裂纹。本发明Alt优选含量控制在0.015％～0.045％。
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≤0.40％、Pcm≤0.21％。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。
一种优良低温韧性的低屈强比海工钢板的制备方法包括：冶炼、连铸、连铸坯缓冷、控轧控冷、钢板缓冷，具体如下：
(1)冶炼、连铸和连铸坯缓冷：按照本发明的成分范围进行冶炼，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，LF和RH精炼炉处理各需要10～20min，P、S等元素含量尽可能低，严格控制残余元素含量，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，连铸坯厚度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)控轧控冷工艺：连铸坯加热温度1150～1180℃，采用三阶段控轧轧制技术，一阶段开轧温度1100～1150℃，一阶段为高温热轧，改善板坯铸态组织，降低钢坯待温厚度，缩短钢板待温时间。第二、三阶段采用控制轧制，二阶段开轧温度890～940℃，单道次压下率≥9％，三阶段开轧温度800～840℃，累计压下率35％～50％，终轧温度770～810℃，以上三阶段轧制的目的是使奥氏体晶粒充分变形，为相变形核提供储能和位置，提高相变形核率，获得均匀细小的最终组织，保证钢板的低温韧性。轧后控冷采用平均冷速≥5℃/s的超快冷+层流冷却的快速冷却系统，开冷温度为710～750℃，返红温度控制在280～350℃。
(3)缓冷工艺：轧后控冷结束后立即放入缓冷坑，采用300℃以上热钢板与本发明钢板交替堆放方式，进行缓冷坑保温冷却，堆垛缓冷时间≥24小时。
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通过少量添加Ni和Nb、Ti等晶粒细化元素；控制冶炼过程硫、磷含量及连铸过程铸坯质量控制，特别采用控制轧制、控制冷却方法可以实现钢产品具有高强度、优异低温韧性和抗层状撕裂性能。钢板的屈服强度≥420MPa，抗拉强度500～640MPa，屈强比≤0.80，断后延伸率≥19％，-40℃横向冲击功最小单值≥100J，5％的塑性变形随后250℃时效热处理1h的时效冲击≥100J。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，结合大厚度连铸板坯，采用TMCP工艺过程中的低温控轧、轧后控冷等技术，开发的热机械轧制厚板成品厚度范围60～100mm。
(3)钢板的显微组织为均匀细小的铁素体+贝氏体。
附图说明
图1为实施例1钢板厚度1/4处的金相组织(200倍)，组织为铁素体+贝氏体；图2为实施例1钢板厚度1/2处的金相组织(200倍)，组织为铁素体+贝氏体。
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工艺参数见表2，本发明实施例钢板轧制和冷却工艺见表3，本发明实施例钢板拉伸性能见表4，本发明实施例钢板冲击性能见表5。
表1本发明实施例钢化学成分wt％
实施例 C Si Mn P S Cu Ni Nb Ti Alt Ceq Pcm
1 0.091 0.26 1.60 0.01 0.001 0.27 0.25 0.035 0.015 0.031 0.39 0.20
2 0.103 0.21 1.54 0.009 0.001 0.25 0.19 0.03 0.017 0.027 0.39 0.20
3 0.088 0.25 1.55 0.008 0.002 0.22 0.24 0.028 0.023 0.041 0.38 0.19
4 0.092 0.28 1.53 0.007 0.001 0.23 0.21 0.031 0.016 0.023 0.38 0.19
5 0.112 0.22 1.45 0.009 0.001 0.24 0.23 0.029 0.008 0.032 0.39 0.21
6 0.097 0.33 1.51 0.008 0.002 0.19 0.20 0.038 0.021 0.017 0.37 0.20
7 0.083 0.38 1.57 0.01 0.002 0.21 0.18 0.019 0.009 0.04 0.37 0.19
8 0.068 0.22 1.65 0.008 0.002 0.18 0.24 0.018 0.022 0.025 0.37 0.17
表2本发明实施例钢的冶炼工艺参数
Figure BDA0002894143490000071
表3本发明实施例钢板轧制及冷却工艺
Figure BDA0002894143490000072
表4本发明实施例钢拉伸性能
Figure BDA0002894143490000081
表5本发明实施例钢冲击性能
Figure BDA0002894143490000082
注：近表面位置为距钢板表面2mm以内。
由表1～5可见，采用本发明技术方案生产的优良低温韧性的低屈强比海工钢板，屈服强度≥420MPa，抗拉强度500～640MPa，屈强比≤0.80，断后延伸率≥19％。-40℃横向冲击功最小单值≥100J。5％的塑性变形随后250℃时效热处理1h的时效冲击≥100J。Z向断面收缩率≥60％，Z向抗拉强度≥500MPa。

Claims (5)

1.一种优良低温韧性的低屈强比海工钢板，其特征在于，钢中化学成分按质量百分比为：C：0.06％～0.12％；Si：0.20％～0.40％；Mn：1.45％～1.65％；P≤0.01％；S≤0.002％；Ni：0.15％～0.25％；Cu：0.15％～0.30％；Nb：0.015％～0.04％；Ti：0.007％～0.025％；Alt：0.015％～0.045％，余量为铁和不可避免的杂质，Ceq≤0.40％、Pcm≤0.21％，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、铸坯缓冷、控轧控冷、钢板缓冷，其中：
(1)冶炼、连铸和铸坯缓冷：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)控轧控冷：连铸坯加热温度为1150～1180℃，采用三阶段控轧轧制技术，一阶段开轧温度1100～1150℃；二阶段开轧温度890～940℃，单道次压下率≥9％；三阶段开轧温度800～810℃，累计压下率35％～50％，终轧温度770～810℃；轧后控冷开冷温度为710～750℃，平均冷速≥5℃/s，返红温度控制在280～350℃；
(3)缓冷工艺：控冷结束后立即采用与300℃以上热钢板交替堆放方式，进行缓冷保温冷却，缓冷时间≥24小时。
2.根据权利要求1所述的一种优良低温韧性的低屈强比海工钢板，其特征在于，钢板屈服强度≥420MPa，抗拉强度500～640MPa，屈强比≤0.80，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，5％的塑性变形随后250℃时效热处理1h的时效冲击≥100J。
3.根据权利要求1或2所述的一种优良低温韧性的低屈强比海工钢板，其特征在于，成品钢板厚度60～100mm。
4.根据权利要求1所述的一种优良低温韧性的低屈强比海工钢板的制造方法，其特征在于，所述轧后控冷采用超快冷+层流冷却。
5.根据权利要求1或4所述的一种优良低温韧性的低屈强比海工钢板，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。
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