CN114134407A - 一种易焊接心部低温韧性优良的蜗壳用钢板及其制造方法 - Google Patents

一种易焊接心部低温韧性优良的蜗壳用钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种易焊接心部低温韧性优良的蜗壳用钢板及其制造方法，钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.04～0.07％、Si：0.15～0.50％、Mn：1.00～1.70％、P≤0.012％、S≤0.003％、Ni：0.20～0.50％、Cr≤0.30％、Mo：0.20～0.50％、Nb:0.020～0.040％、V:0.015～0.040％、Ti≤0.020％、B：≤0.0015％，余量为Fe，满足：Pcm≤0.18％；1≤w(Nb)/w(Ti+B)≤5。钢板屈服强度ReL≥500MPa，抗拉强度Rm≥600MPa，延伸率A≥20％，屈强比≤0.83，板厚1/4处横向冲击功‑60℃KV2≥200J；板厚1/2处横向冲击功‑60℃KV2≥100J。钢板1/4厚度以及1/2厚度处为贝氏体+针状铁素体组织，其中针状铁素体的占比达到30％以上；钢板近表层为回火索氏体组织。

Description

一种易焊接心部低温韧性优良的蜗壳用钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种60～100mm厚水电站蜗壳用高强钢板及其制造方法。
背景技术
水力发电占我国内能源结构的重要地位，水力发电以污染小、可持续发展等优势得到快速发展，大江大河上出现了大型、特大型水电站，水电站设计容量和水头压力越来越大。水电站压力钢管、蜗壳、岔管等用钢材需求量日益增大，对钢材的焊接性、低温韧性等也提出了更严格的要求。600MPa水电站用调质钢，如07MnMoVR、WDL610D2等国内牌号最大生产厚度仅为60mm，且心部低温韧性不稳定，已不适合特大型高水头水电站的要求，而800MPa级高强度钢板的碳当量较高，焊接性差，焊前需预热，采用该类型钢板制造时施工现场的焊接环境恶劣。
所以，目前水电站蜗壳及压力钢管的市场需求趋向于更大厚度、高强韧性和可焊接性的方向。
专利文献CN103045965 A公开了一种600MPa级水电站蜗壳、压力钢管用钢板，其-20℃冲击韧性优良，但没有提及具体的心部低温冲击韧性，最大厚度达80mm。
专利文献CN106319376B公开了一种新型低焊接裂纹敏感性高强度钢板，该钢采用在线淬火+回火工艺生产，且不添加Ni合金，生产成本较低，但最大生产厚度仅为50mm。
专利文献CN109972032A公开了一种低焊接裂纹敏感性特厚钢板610CF及其生产方法，产品具有良好的强韧性匹配和心部冲击性能，但其最低使用温度仅为-20℃且焊接敏感系数Pcm值达到了0.23％，低温韧性不稳定，可焊性不佳。
发明内容
本发明的目的是要提供一种低焊接裂纹敏感性、心部低温韧性优良的蜗壳用高强钢及其制造方法，该钢采用超低C并辅以Ni、Mo、Nb微合金化的成分体系和淬火+回火工艺，生产成品厚度为60～100mm的超厚水电站用高强钢板，且生产工艺流程短，成本相对较低，适合批量生产。
本发明的技术方案为：一种易焊接心部低温韧性优良的蜗壳用钢板，钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.04～0.07％、Si：0.15～0.50％、Mn：1.00～1.70％、P≤0.012％、S≤0.003％、Ni：0.20～0.50％、Cr≤0.30％、Mo：0.20～0.50％、Nb:0.020～0.040％、V:0.015～0.040％、Ti≤0.020％、B：≤0.0015％，余量为Fe及不可避免的杂质元素，同时满足：
Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.18％。
1≤w(Nb)/w(Ti+B)≤5。
本发明钢板的屈服强度ReL≥500MPa，抗拉强度Rm≥600MPa，延伸率A≥20％，屈强比≤0.83，板厚1/4处横向冲击功-60℃KV2≥200J；板厚1/2处横向冲击功-60℃KV2≥100J。钢板1/4厚度以及1/2厚度处为贝氏体+针状铁素体组织，其中针状铁素体的占比达到30％以上，针状铁素体保证了高强度下优异的-60℃低温冲击要求；钢板近表层为回火索氏体组织。
本发明钢板的制造方法：工艺流程为高炉铁水→铁水KR处理→氧气转炉冶炼→LF钢包炉精炼→RH真空炉处理→连铸→铸坯加热→控轧控冷→热处理→探伤→检验。具体步骤如下：
步骤一、钢水冶炼：高炉铁水经KR脱硫，再经氧气转炉进行冶炼，控制[P]≤0.010％，[C]≤0.04％，转炉后续的冶炼过程中C、P含量会出现增加，因此在转炉冶炼时要对CP的含量控制得更低；转炉出钢后钢水在钢包炉中精炼，精炼时加入铬铁、锰铁等合金，将元素成分调整至目标值，精炼时通过精炼渣，使钢液中的S转移到精炼渣中，进一步脱硫，控制钢水中的[S]≤0.002％；钢水再在RH真空炉进行真空脱气，真空处理时间不少于20min，并对易挥发的Mn和Ti的含量再做增补以控制在设计范围内，Ti优选以钛线的形式喂入以提高收得率；
步骤二、连铸：将钢水浇注成300mm以上厚度的连铸坯，连铸坯堆垛缓冷48小时以上，连铸坯温度低于300℃以下后进行下一步骤；
步骤三、轧制：将连铸坯加热至1170～1250℃，在炉时间为0.8～1.2min/mm×板厚mm，出炉后采用高压水将铸坯表面氧化铁皮除尽；然后分两阶段进行控制轧制：Ⅰ阶段终轧温度控制在970～1010℃，前若干道次采用大压下量；Ⅱ阶段开轧温度为≤900℃，终轧温度控制在Ar3以上，末道次压下量采用小压下量以严格控制钢板平直度，轧制成60～100mm厚钢板；
步骤四、控冷：轧后进行快速冷却，冷却速度为5～10℃/s，以获得均匀的贝氏体组织，为后面的淬火作好组织准备；若不控冷，得到的是粗大的铁素体+珠光体，即使后续淬火前有充分的奥氏体化过程，但由于组织遗传效应，奥氏体晶粒大小也会较轧后冷却有所增大，不利于使100mm的厚板获得良好的心部冲击韧性。
步骤五、热处理：将钢板加热至900～950℃，使之完全奥氏体化并保温60～100min，然后水淬，最后经600～660℃回火，在炉时间为200～400min，出炉空冷至室温。
为保证本发明的目的，满足超厚水电站用钢板的优异心部低温韧性、低屈强比和优良焊接性能等特性，C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、Mo、V、B等元素的限定理由阐述如下：
碳：过量的C将降低钢板的低温韧性，恶化其焊接性，但其可明显提高钢板强度。碳含量越低，钢的低温韧性越好。较低的碳含量可促使在轧制过程中奥氏体附近形成较多的“无碳区”，促进奥氏体向含有高密度位错的贝氏体和针状铁素体转变，进一步提高钢的低温韧性。本发明钢C的含量为0.04～0.07％。
锰：提Mn降C是提高钢板强度、改善其低温韧性的重要手段，但Mn含量过高，将显著加重铸坯中心偏析，影响钢板心部低温韧性，同时显著提高钢的碳当量和恶化其焊接性。因此，Mn的含量为1.00％～1.70％。
磷和硫：P、S是不可避免的杂质元素，对钢板的成型性、腐蚀性、低温韧性都有影响，其含量越低越好，P的含量≤0.012％，S的含量≤0.003％。
铬、镍：Cr、Ni均可明显提高钢的淬透性，使淬火钢在回火后具有优良的综合性能。Cr能提高钢的回火稳定性，但过量将降低钢的塑性、伸长率和断面收缩率。Ni可降低钢的低温韧脆转变温度，改善钢的低温韧性，但加入过多Ni会使成本显著增加。因此，综合考虑，本发明Ni：0.20～0.50％、Cr≤0.30％。
Nb、V、Ti均可与C、N结合生产碳氮化物析出，从而起到细化晶粒的效果。由于铸坯凝固过程的中心偏析，TiN析出后多聚集在铸坯心部附近，而TiN夹杂不规则的形态对钢板的心部低温冲击韧性是不利的。另一方面，由于B元素过于活泼且容易偏聚，导致局部组织差异，影响力学性能的均匀性，因此，本申请控制1≤w(Nb)/w(Ti+B)，从而使更多的Nb(C、N)形成。同时，考虑到Nb价格昂贵，因此本发明w(Nb)/w(Ti+B)≤5。
钼：是提高钢的回火稳定性和细化晶粒的重要元素，在控轧控冷过程中抑制多边形铁素体形成，促进贝氏体形成，适量的Mo元素还可改善焊接接头韧性，但Mo作为贵重金属，加入量过多会显著使钢的成本上升。因此本发明钢Mo的含量为0.20～0.50％。
硼：微量B元素可显著提高钢板的淬透性，对淬火态厚钢板来说，B的加入可明显促进马氏体或贝氏体形成，从而提高其强度。但过量的B会在钢中奥氏体晶界析出而产生热脆现象。因此，本发明B的含量为≤0.0015％。
本发明采用超低C高Mn、Mo成分设计、结合控轧控冷工艺生产。冶炼时要注重钢水的纯净度，优选采用自产钢水和低硫废钢，严格控制有害元素和杂质元素含量，并严格控制[P]≤0.010％；精炼时，采用脱硫剂进一步深脱硫，控制[S]≤0.002％；采用Si-Mn合金脱氧，严格控制Alt含量，减少钢水Al2O3有害脆性夹杂物形成，钢水再经真空处理后[O]≤15ppm、[N]≤40ppm、[H]≤1ppm，钢水纯净化可明显改善钢板低温韧性。终轧后两道次严禁向钢板浇水，避免因浇水引起钢板温度不均匀，最后一道次压下量≤5mm，可保证钢板板型和平直度。轧后通过控冷获得贝氏体组织，为后序的热处理作准备。
热处理的目的是为了调控组织：淬火时结合钢板中有助于提高淬透性的Cr、Ni、B等元素促进钢中贝氏体、马氏体等硬相组织的形成，淬火后钢板近表层是马氏体，1/4处和1/2处主要是为贝氏体和针状铁素体；淬火后再经高温回火，马氏体全部转变为回火索氏体，贝氏体和针状铁素体不变，进一步改善钢的低温韧性，同时充分利用V(C、N)的弥散强化作用弱化因位错密度减少等因素引起的钢板强度大幅下降，具体原理：轧制能提高钢中的位错密度，但回火后位错密度会显著降低，这也是回火能降低钢板强度的原因之一。钢中Nb和V的析出物在粗轧阶段就会陆续析出，此时它们主要是起到细化奥氏体晶粒的作用，在后续的热处理过程中，淬火入水前的奥氏体化加热过程中Nb、V会先溶解在基体中，增加淬透性，回火时大量析出，并弥散分布在基体中，起到析出强化效应，简言之，高温回火是为了发挥Nb、V再析出而提高钢板强度的作用，弥补高温回火过程中应位错密度减少而出现强度下降，使钢板仍具有较高的强度和优良的低温韧性。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本申请针对水电站蜗壳钢板的使用要求，再考虑水电站现场焊接环境恶劣，需要钢板具有良好的焊接性，所述设计钢板的Pcm≤0.18％；对于Pcm值高达0.20％的其他钢板产品，本申请产品具有更好的焊接性。
(2)本申请采用超低碳含量设计，(C：0.04～0.07％)，C含量会直接影响着最终钢板的金相组织，结合控冷和淬火可以在组织中获得针状铁素体，该组织的低温韧性优于贝氏体，是本申请钢板低温韧性的关键。
(3)本申请钢板内部组织为贝氏体+针状铁素体，本申请针状铁素体的比例在30％以上，该组织确保了钢板的强度和韧性。
附图说明
图1为实施例2的80mm厚钢板1/4处金相组织，主要为贝氏体+针状铁素体；
图2为实施例2的80mm厚钢板1/2处金相组织，主要为贝氏体+针状铁素体。
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。
本发明各实施例和对比例的熔炼化学成分见表1(wt％)，剩余为Fe及不可避免的杂质元素。
表1实施例与对比例化学成分
Figure BDA0003100630480000051
上述实施例均在氧气转炉冶炼，铁水经KR脱硫，再经钢包炉深脱硫和精炼处理，最后在真空炉进行脱气，然后经轻压下、电磁搅拌和全过程保护浇注成厚规格铸坯。
将厚铸坯加热至1170～1250℃，在炉时间为0.8～1.2min/mm×板厚(mm)，出炉后经高压水除鳞，除尽铸坯表面氧化铁皮；然后控制轧制，终轧温度控制在970～1010℃，前3道次压下量35～40mm；精轧终轧温度为800～880℃，轧后水冷，然后热处理，淬火后，钢板表面温度均低于100℃，轧制成60～100mm厚成品钢板；再进行600～660℃回火处理，在炉时间为200～400min，出炉后空冷至室温。
表2为各实施例主要轧制和热处理工艺参数。
表2主要轧制及热处理工艺参数
Figure BDA0003100630480000052
Figure BDA0003100630480000061
回火热处理后的钢板，在板厚1/4和1/2处横向取样加工成拉伸试样、冲击试样，并进行力学性能测试，结果见表3。
表3实施例母材力学性能结果
Figure BDA0003100630480000062
由表3可见，本发明实施例试验钢板满足屈服强度ReL≥500MPa，抗拉强度Rm≥600MPa，延伸率A≥20％，屈强比≤0.83，板厚1/4处横向冲击功-60℃KV2≥200J；板厚1/2处横向冲击功-60℃KV2≥100J，且强度、延伸率、冲击韧性富裕量均较大，屈强比也较低，特别是板厚1/2处低温韧性优异。
以上表明，本发明钢强度超过600MPa，具有优良的强韧性匹配和低温韧性，实际屈强比不超过0.82，且Pcm值明显低于同类品种，说明其具有良好的焊接性；另外该钢生产控制简单，工艺流程短，生产成本低，具有广阔的市场前景。
图1所示为实施例2中80mm厚钢板在1/4厚度处的组织结构图，组织为贝氏体+针状铁素体。图2所示为实施例2中80mm厚钢板在1/2厚度处的组织结构图，组织为贝氏体+针状铁素体。该组织匹配使钢具有较好的强韧性，尤其是有利于心部低温韧性。
本发明钢工艺流程简单，可操作性强且成本较低，可在钢铁行业中厚板厂实施。本发明钢用途广泛，可应用于水电、建筑、桥梁、工程机械等行业，更适合于建造大型、特大型水电站用压力钢管、蜗壳、岔管及机座等。
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 (7)

1.一种易焊接心部低温韧性优良的蜗壳用钢板，其特征在于：钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.04～0.07％、Si：0.15～0.50％、Mn：1.00～1.70％、P≤0.012％、S≤0.003％、Ni：0.20～0.50％、Cr≤0.30％、Mo：0.20～0.50％、Nb:0.020～0.040％、V:0.015～0.040％、Ti≤0.020％、B：≤0.0015％，余量为Fe及不可避免的杂质元素，同时满足：
Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.18％。
2.根据权利要求1所述的钢板，其特征在于：化学成分满足1≤w(Nb)/w(Ti+B)≤5。
3.根据权利要求1所述的钢板，其特征在于：所述钢板的屈服强度ReL≥500MPa，抗拉强度Rm≥600MPa，延伸率A≥20％，屈强比≤0.83，板厚1/4处横向冲击功-60℃KV2≥200J；板厚1/2处横向冲击功-60℃KV2≥100J。
4.根据权利要求1所述的钢板，其特征在于：所述钢板1/4厚度以及1/2厚度处为贝氏体+针状铁素体组织，其中针状铁素体的占比达到30％以上；钢板近表层为回火索氏体组织。
5.一种易焊接心部低温韧性优良的蜗壳用钢板的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、钢水冶炼：高炉铁水经KR脱硫，再经氧气转炉进行冶炼，控制[P]≤0.010％，[C]≤0.04％，转炉出钢时的C含量要低于C设计含量的最低值；转炉出钢后钢水在钢包炉中精炼，精炼时加入铬铁、锰铁合金，将元素成分调整至目标值，精炼时进一步脱硫，控制钢水中的[S]≤0.002％；钢水再在RH真空炉进行真空脱气，真空处理时间不少于20min，并对易挥发的Mn和Ti的含量再做增补以控制在设计范围内；
步骤二、连铸：将钢水浇注成300mm以上厚度的连铸坯，连铸坯堆垛缓冷48小时以上，连铸坯温度低于300℃以下后进行下一步骤；
步骤三、轧制：将连铸坯加热至1170～1250℃，在炉时间为0.8～1.2min/mm×板厚mm，出炉后采用高压水将铸坯表面氧化铁皮除尽；然后分两阶段进行控制轧制：Ⅰ阶段终轧温度控制在970～1010℃，前若干道次采用大压下量；Ⅱ阶段开轧温度为≤900℃，终轧温度控制在Ar3以上，末道次压下量采用小压下量以严格控制钢板平直度，轧制成60～100mm厚钢板；
步骤四、控冷：轧后进行快速冷却，冷却速度为5～10℃/s，以获得均匀的贝氏体组织，为后面的淬火作好组织准备；
步骤五、热处理：将钢板加热至900～950℃，使之完全奥氏体化并保温60～100min，然后水淬，最后经600～660℃回火，在炉时间为200～400min，出炉空冷至室温。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤三中，Ⅰ阶段轧制的前3道次压下量≥35mm；Ⅱ阶段轧制的终轧温度为800～880℃，末道次压下量控制在5mm以下。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤一的钢水精炼过程中，采用Si-Mn合金脱氧；钢水经真空处理后[O]≤15ppm、[N]≤40ppm、[H]≤1ppm。
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