CN114134404B - 一种经济型破冰船用fh36钢板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种经济型破冰船用FH36钢板及其制备方法，钢板横向拉伸屈服强度介于464～480MPa，抗拉强度介于558～574MPa，屈强比介于0.83～0.84，延伸率≥26％，‑60℃低温纵向冲击韧性值≥200J；钢板试样进行5％塑性变形，250℃时效1小时，‑60℃时效冲击韧性值没有明显降低；按ASTM E208进行落锤试验NDT，‑60℃试验合格，具有优异的抗低温脆断性能，韧脆转变温度TNDT＜‑60℃；微观结构为先共析铁素体、针状铁素体以及少量珠光体。

Description

一种经济型破冰船用FH36钢板及其制备方法
技术领域
本发明属于钢铁冶金领域，具体涉及一种破冰船用FH36钢板及其制备方法。
背景技术
陆上油气资源日益枯竭，而北极地区资源储量丰富，具有巨大的战略意义和研究潜力。同时北极新航道极大地缩短航行路线，燃油消耗量随之降低，由此节约航行成本。因此，破冰船的建造量日趋增长。破冰船主要通过冲击力和重力两种方式破冰。这两种方式对船板钢材性能和质量要求极为严格，又因其在极其寒冷地区服役，除需高强度之外，还需具备优异的耐低温韧性、耐腐蚀性、抗层状撕裂性、特别是需要应变时效性能及低温抗脆断性等综合性能。
目前，供破冰船用钢板一般厚度≤40mm，钢板牌号为FH36钢，交货方式为控轧控冷(TMCP)交货。为了达到F级钢-60℃冲击韧性要求，现有技术通常在钢中加入大量的如Ni、V、Cu、Cr，甚至加入B或者稀土等元素，如中国专利文献CN102851623A获得了一种80mm厚F36-Z35钢板，加入大量的Nb、V、Ni等贵重元素，中国专利文献CN102703807A获得了一种-80℃冲击吸收功≥100J海洋工程用钢及生产方法，加入稀土元素Ce。中国专利文献CN108517462获得了一种高延展性的EH40级船板钢，虽然不添加Cr、V、Ni等贵重合金，但是其冲击韧性仅到-40℃，其贵重合金Nb添入量也较高，介于0.03～0.04％之间。中国专利文献CN103695769A获得了一种高强度FH40海洋工程用钢板及其生产方法。通过加入大量的细化晶粒元素，Nb、V、Al，以及贵重合金Ni元素，且通过调质处理方法获得了一种FH40钢板，显著增加了生产成本。
又如中国专利文献CN105821314A公开了一种原油船货油舱内底板用耐腐蚀钢板及其生产方法，该方法中公开的工艺窗口宽泛，比如TMCP工艺关键控制点：精轧开轧温度与终冷温度已经覆盖整个品种钢开轧温度及终冷温度，并无针对性。该方法关注耐蚀性能，未提供其抗脆断性能、应变时效性能，具备-60℃的冲击性能，不一定具备-60℃的抗脆断性能及-60℃应变时效性能，但是满足NDT性能与应变时效性能一定满足其相应温度下的常规冲击性能。无抗脆断性能、应变时效性能也就不适用于破冰船用，所以，该文献缺乏直接生产破冰船用FH36钢板的生产技术。
除了在成分设计方面，现有技术在考虑到破冰船所需的低温应变时效性、低温抗脆断性也鲜有涉及。
发明内容
为了解决现有技术不足，本发明目的是满足破冰船用FH36钢板力学性能要求，特别是抗脆断性能与应变时效性能，同时又能进一步改善船体用钢的焊接性、韧性及耐蚀性，设计了低C成分，仅加入少量的Nb、Al、Ti作为细化晶粒元素，不添加任何Cr、Ni、Cu、Mo、V等贵重合金，利用TMCP生产，获得厚度介于20-40mm，组织为先共析铁素体、针状铁素体以及少量珠光体的低成本破冰船用钢板。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种经济性破冰船用FH36钢板，该钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.06～0.08％，Si：0.25～0.40％，Mn：1.40～1.60％，P：≤0.0070％，S：≤0.0030％，Nb：0.025～0.040％，Ti：0.008～0.020％，Alt：0.020～0.040％，N：0.0020～0.0050％，Ca：0.0005～0.0020％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。不添加其它如Cr、Ni、Cu、Mo、V等贵重合金，更不涉及稀土及B元素的加入。
本发明中钢成分的限定理由阐述如下：
C：降低钢板中的碳含量可以抑制珠光体转变，增加铁素体相分数，提高钢的低温冲击性能、低温应变时效性能、抗脆断性能，改善钢板的焊接冷裂纹敏感性，钢中碳含量越多越不利于本发明目标组织的实现。但若碳含量过低，需加入其它合金元素提升钢的强度，会显著提高成本。因此，本发明碳含量控制为0.06～0.08％。
Si：主要用于脱氧，同是硅也是一种良好的铁素体形成元素，抑制珠光体的形成，但Si过多会严重损害钢板的焊接性能，增加HAZ区的MA组元，影响热影响区的冲击韧性，若超过0.40％以上又会造成心部偏析。本发明Si含量控制介于0.25～0.40％。
Mn：在所述钢中具有推迟奥氏体向铁素体转变的作用，对细化铁素体，提高强度和韧性有利。当锰的含量较低，上述作用不显著，钢板强度和韧性偏低等。过高则又会引起连铸坯偏析、韧性差和可焊性降低等，故本发明中考虑到合金的综合加入，规定锰含量加入量介于1.40～1.60％的范围内。
P：虽能提高耐蚀性，但对本发明低温韧性、应变时效性、抗脆断性能、焊接性等诸多性能是不利的，同时考虑到脱P成本，本发明规定其控制在0.0070％以下。
S：形成MnS夹杂物，也会导致中心偏析，对低温韧性、应变时效性、抗脆断性能、焊接性都有不良影响，本发明规定在其控制在0.0030％以下。
Ti：通过形成Ti2O3粒子，可以促进晶内铁素体的生成，增加针状铁素体形成几率，同时也用来固定钢中的氮元素，在适当条件下，钛、氮形成氮化钛，阻止钢坯在加热、轧制、特别是焊接达1350℃的高温过程中奥氏体晶粒粗化，改善母材和焊接热影响区的极低温韧性，提高焊接性能。钛低于0.008％时，效果差，超过0.020％时，过剩的钛会与其它元素复合析出，使钢的韧性恶化。本发明Ti含量控制介于0.008～0.020％。
N：是本发明中的重要元素，不同于以往以有害元素来控制，而是要保证钢板中氮含量一定，当钢中的Ti、N原子之比为1：1时，此时相当于Ti、N重量之比为3.42，TiN粒子最为细小且分布弥散，对高温奥氏体晶粒的细化作用最强，可获得优良的韧性，根据Ti的加入量以及钢中氧含量、以及其它固氮元素，本发明中N含量控制为0.0020～0.0050％。
Nb：Nb起到溶质拖曳作用和Nb(C,N)对奥氏体晶界的钉扎作用，均抑制形变奥氏体的再结晶，扩大奥氏体非再结晶区间，减少特厚板生产待温时间。并在冷却或回火时形成析出物，从而使强度和韧性均得到提高，还可以增加有利于应变时效性能及抗脆断性能的针状铁素体相形成几率。添加量小于0.025％时针状铁素体形成相不够多，Nb含量过多时易导致连铸坯产生表面裂纹，且显著增加成本。因此，本发明规定铌含量应介于0.025～0.040％的范围内。
Al：是钢的优良脱氧剂，是有效的细化晶粒元素，提高钢的强度和韧性。结合Si含量的添加量，本发明规定全铝含量介于0.020～0.040％的范围内。
Ca：钙处理是本发明钢种的必要处理环节，Ca含量过高会形成大型夹杂物，过低起不到效果，本发明规定钙含量介于0.0005～0.0020％。
本发明另提供上述经济性破冰船用FH36钢板的制备方法，具体工艺如下，
冶炼连铸：选择优质原材料，采用铁水预处理，KR深脱硫，硫含量低于0.0020％；转炉出钢采用预熔精炼渣+活性石灰进行造渣；转炉终点C≤0.02％，出钢过程进行15～20min底吹氩气、氮气，150吨转炉出钢时间控制介于4～6min，进行LF、RH精炼，钢水到达LF炉后进行升温化渣，加入合金后，最后进行喂Ti线与Ca线是为了提高Ti、Ca收得率，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，随后板坯连铸，过热度控制介于10-25℃。连铸坯坯料厚度≤200mm。
轧制工艺：连铸坯与成品厚度的压缩比≥4，采用TMCP工艺，连铸坯再加热温度1180～1220℃，加热时间1.2～1.5min/mm，待心部温度到达表面温度时开始保温，保温时间不低于0.5小时。采用粗轧和精轧两阶段控制轧制，粗轧单道次压下率介于12～20％，粗轧终轧温度1000～1080℃，粗轧后所得中间坯的厚度为≥1.7倍于成品厚度；精轧开轧温度为800～830℃，精轧道次轧制压下率≥10％，轧后采用加速冷却，终冷温度600～640℃，冷却速率8～12℃/s，随后空气冷却至下线堆垛冷却。
由上述技术方案获得的钢板组织由先共析铁素体、针状铁素体及少量珠光体组成，晶粒尺寸细小，介于4-8μm。在满足船级社规范中船用FH36钢板≥355MPa、抗拉强度490～630MPa钢级的性能要求外，还具有优异的低温冲击韧性、低温应变时效性能以及抗脆断性能。具体性能为：钢板横向拉伸屈服强度介于464～480MPa，抗拉强度介于558～574MPa，屈强比介于0.83～0.84，延伸率≥26％。-60℃低温纵向冲击韧性值≥200J，具有强度高、低温应变时效性能及抗脆断性能优异，生产工艺稳定，易于批量化生产。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、采用低碳，仅通过Nb+Ti+Al作为细化晶粒元素，不添加Cr、Ni、Cu、Mo等任何贵重合金，节省成本，且该成分具有一般适用性，其连铸坯可以生产其它355Mpa级钢种，如高强度船板钢、结构钢、高层结构钢、管线钢、抗酸性管线钢等。
2、通过微合金Nb/Ti的复合添加，有效降低连铸三角区裂纹的概率，提升连铸坯内在质量，提升钢板抗脆断能力，并形成Nb/Ti复合析出，促进晶内针状铁素体的生成并阻止奥氏体晶粒粗化提高钢板的强韧性，提高应变时效性能。
3、通过连铸坯/钢板的压缩比控制，在TMCP轧制过程中，增加道次压下率，控制道次总数量，低温控制轧制，精轧温度介于800～830℃，并在较强冷却速度下获得了一种由先共析铁素体、针状铁素体以及少量珠光体组成的组织晶粒尺寸细小，介于4-8μm，可有效抑制裂纹的产生，提高抗脆断性能。
4、本技术虽然道次压下率较大，冷却速率较高，会导致钢板内应力增加；但是较高的终冷温度(600～640℃)，有助于减少钢板内应力，有利于钢板板形的控制，防止在使用过程中TMCP钢板因应力释放而强度下降。
5、本技术TMCP工艺窗口为大生产易控制的区间范围，无需额外增加生产设备，便可实现。其四倍压缩比要求，大多数钢厂的坯料设计可以满足。
附图说明
图1为本发明实施例3钢板厚度1/4处组织。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
各实施例所对应的经济性破冰船用FH36钢板化学成分见表1，表中数据为各元素的质量百分比含量，剩余为Fe及不可避免的杂质元素。
表1
Figure GDA0003613129390000051
Figure GDA0003613129390000061
钢板的生产工艺如下：
冶炼连铸：选择优质原材料，采用铁水预处理，KR深脱硫，硫含量低于0.0020％；转炉出钢采用预熔精炼渣+活性石灰进行造渣；转炉终点C≤0.02％，出钢过程进行15～20min底吹氩气、氮气，150吨转炉出钢时间控制介于4～6min，进行LF、RH精炼，钢水到达LF炉后进行升温化渣，加入合金后，最后进行喂Ti线与Ca线，随后板坯连铸，过热度控制介于10-25℃，连铸坯坯料厚度150mm。
轧制工艺：采用TMCP工艺，连铸坯再加热温度1180～1220℃，加热时间1.2～1.5min/mm，待心部温度到达表面温度时开始保温，保温时间不低于0.5小时。采用粗轧和精轧两阶段控制轧制，粗轧单道次压下率介于12～20％，粗轧终轧温度1000～1080℃，粗轧后所得中间坯的厚度为≥1.7倍于成品厚度；精轧开轧温度为800～830℃，精轧道次轧制压下率≥10％，轧后采用加速冷却，终冷温度600～640℃，冷却速率8～12℃/s，随后空气冷却至下线堆垛冷却。具体轧制工艺见表2，冷却工艺见表3，典型轧制道次压下率分配如实施例3、实施例4，具体见表4。
表2
Figure GDA0003613129390000062
表3
Figure GDA0003613129390000063
Figure GDA0003613129390000071
表4
Figure GDA0003613129390000072
按照上述各实施例的冶炼、轧制、水冷工艺制得的钢板，其典型组织如附图实施例3。
按照上述各实施例的冶炼、轧制、水冷工艺制得的钢板，其力学性能见表5。从实施例拉伸性能来看，钢板屈服强度横向拉伸性能介于464～480MPa，抗拉强度介于558～574MPa，屈强比介于0.83～0.84，延伸率优良≥26％。-60℃低温纵向冲击韧性值≥200J。
表5
Figure GDA0003613129390000073
将实施例进行5％塑性变形，250℃时效1小时，-60℃时效冲击韧性值没有明显降低，具有优异的低温应变时效性能，具体见表6。
表6
Figure GDA0003613129390000081
将实施例按ASTM E208进行落锤试验(NDT)，-60℃试验合格，具有优异的抗低温脆断性能，韧脆转变温度＜-60℃，具体见表7。
表7
Figure GDA0003613129390000082
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种经济型破冰船用FH36钢板，其特征在于：横向拉伸屈服强度介于464～480MPa，抗拉强度介于558～574MPa，屈强比介于0.83～0.84，延伸率≥26%，-60℃低温纵向冲击韧性值≥200 J；钢板试样进行5%塑性变形，250℃时效1小时，-60℃时效冲击韧性值没有明显降低；按ASTM E208 进行落锤试验NDT，-60℃试验合格，具有优异的抗低温脆断性能，韧脆转变温度TNDT＜-60℃；微观结构为先共析铁素体、针状铁素体以及少量珠光体，晶粒尺寸：4-8μm；
所述钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.06～0.08%，Si：0.25～0.40%，Mn：1.40～1.60%，P：≤0.0070%，S：≤0.0030%，Nb：0.025～0.040%，Ti：0.008～0.020%，Alt：0.020～0.040%，N：0.0020～0.0050%，Ca：0.0005~0.0020%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的钢板，其特征在于：生产厚度为20～40mm。
3.一种制备权利要求1所述钢板的方法，其特征在于：包括如下工艺，
（1）钢水冶炼和连铸钢坯：采用铁水预处理，KR深脱硫将钢水硫含量控制在≤0.0020%；转炉出钢采用预熔精炼渣+活性石灰进行造渣，转炉终点C≤0.02%，出钢过程进行15～20min底吹氩气、氮气，转炉出钢时间控制介于4～6min/150吨；出转炉后进行LF、RH精炼，钢水到达LF炉后升温化渣，加入合金后最后喂Ti线与Ca线以此提高Ti、Ca的收得率，随后板坯连铸，过热度控制在10-25℃，连铸坯坯料厚度≤200mm；
（2）轧制工艺：连铸坯到生产厚度的压缩比≥4，采用TMCP工艺，连铸坯再加热温度1180～1220℃，加热时间1.2～1.5min/mm，待心部温度到达表面温度时开始保温，保温时间不低于0.5小时；采用粗轧和精轧两阶段控制轧制，粗轧单道次压下率介于12～20%，粗轧终轧温度1000～1080℃，粗轧后所得中间坯的厚度为≥1.7倍于成品厚度；精轧开轧温度为800～830℃，精轧道次轧制压下率≥10%，轧后采用加速冷却，冷却速率8～12℃/s，终冷温度600～640℃，随后空气冷却至下线堆垛冷却。
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