CN114438415A - 一种36kg级特厚低温高韧性船板钢及其生产方法 - Google Patents

一种36kg级特厚低温高韧性船板钢及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种36kg级特厚低温高韧性船板钢，其特征在于所述船板钢是由下述质量百分比含量的元素组成：C：0.14～0.16%，Si：0.25～0.35%，Mn：1.40～1.50%，P≤0.015%，S≤0.005%，Als：0.020～0.040%，Nb：0.035‑0.045%，V：0.045‑0.050%，Ti：0.010～0.015%，Ni：0.12～0.17%，As≤0.005%，N：0.0035～0.0070%，其余为Fe和不可避免的杂质；其制备方法包括：铁水预处理→转炉冶炼→LF炉精炼→RH炉真空处理→板坯浇注→铸坯缓冷→铸坯加热→轧制→层流冷却→空冷→正火→空冷；本发明生产的36kg级特厚低温高韧性的高强度船板，可用于船舶、海洋工程等对钢板强度和低温韧性有较高要求，以及对厚度方向性能有一定需求的支撑件、构件。

Description

一种36kg级特厚低温高韧性船板钢及其生产方法
技术领域
本发明涉及金属材料制造技术领域，特别是一种36kg级特厚低温高韧性船板钢及其生产方法。
背景技术
船板钢是国民经济发展不可缺少的重要钢铁材料，随着国际远洋运输与贸易的发展，船舶朝着大型化、专业化以及环保的方向发展，而船企对高强度等级船用钢的要求也在日益提高，集中体现在对超宽、特厚、适应超大输入热焊接、高耐腐蚀以及低疲劳裂纹扩展速率等船板的需求上。36kg级高强度船板是目前应用十分广泛的船板等级，但50mm以上厚度的特厚船板，受铸坯质量的影响，中心偏析和中心疏松一般比较严重，同时由于压缩比较小，钢板心部晶粒粗大，性能较差，特别是冲击韧性不稳定，极大地影响了特厚船板的整体性能，并产生较大的质量风险。因此，如何改善铸坯内部质量，控制钢板心部组织，提升低温冲击韧性，是高强度特厚船板具有稳定可靠的综合机械性能的关键。
经检索：
中国专利CN105803330A公开了一种正火船体用结构钢板及其制备方法，钢板化学成分（wt%）：C：0.12～0.18%、Si：0.20～0.50%、Mn：1.20～1.60%、P≤0.015%、S≤0.005%、Als：0.015～0.050%、Nb：0.020～0.060%、V：0.030～0.070%、Ti：0.005～0.020%，余量为Fe及不可避免的杂质。该发明采用Nb、V、Ti细化晶粒元素、300mm厚度连铸坯、正火工艺生产EH36级高强度船板。该发明生产的60～80mm厚EH36钢板虽然板厚1/4位置的性能较好，能够满足交货标准的要求，但没有改善铸坯内部质量，控制钢板心部组织的方法，轧制也以大压下量轧制为主，钢板心部性能不能得到保证，存在心部冲击韧性不稳定的质量风险。
中国专利CN103667921A公开了沿厚度方向性能均匀的高强韧性厚钢板及其生产方法，其组分及重量百分比含量为：C：0.03～0.10%、Si：0.10～0.32%、Mn：0.60～1.35%、P≤0.010%、S≤0.002%、Nb：0.012～0.032%、V：0.06～0.12%、Cu：1.25～2.75%、Ni：1.10～2.85%、Ca：0.0015～0.012%、Zr：0.0015～0.020%，[N]：10～40×10-4%，其余为Fe和不可避免的杂质。生产步骤：转炉冶炼、LF精炼、RH真空处理、浇注、对铸坯加热、在奥氏体再结晶区轧制、快速冷却、空冷至室温。该发明可以生产的80～120mm厚钢板具有高强度、高韧性、良好的焊接和冷热加工性能、通板力学性能均匀等特点。但该发明生产的船板为420MPa级的超高强度船板，含有较多Cu、Ni、Zr等合金元素，成本较高，冲击韧性试验温度也仅限定于-20℃。
中国专利CN102286693A公开了一种厚规格船板及其制备方法。该钢板按重量百分比包括以下组分：C：0.09～0.14%，Si：0.15～0.40%，Mn：1.00～1.45%，P≤0.015%，S≤0.010%，Nb：0.020～0.045%，Ti：0.010～0.025%，V：0.020～0.045%，Ni：0.20～0.45%，Cu：0.10～0.30%，Al：0.020～0.050%，其余为Fe和不可避免的杂质。该发明船板钢经粗轧轧制和精轧轧制后得到厚度为40～80mm的钢板。该发明含有较多贵重合金Cu，合金成本较高，且冲击韧性试验温度限定于-20℃，不能保证低温冲击韧性的要求。
发明内容
本发明的目的就是要解决现有特厚船板钢存在的上述问题，提供一种36kg级特厚低温高韧性船板钢及其生产方法。本发明船板钢，钢板厚度50～90mm，屈服强度ReH≥360MPa，抗拉强度Rm≥500MPa，延伸率A≥22%，钢板1/4厚度部位-40℃冲击功KV2≥150J，1/2厚度部位-40℃冲击功KV2≥120J，厚度方向断面收缩率≥35%，钢板心部组织均为F（铁素体）+P（珠光体），带状组织≤1.0级。
本发明的一种36kg级特厚低温高韧性船板钢，所述船板钢是由下述质量百分比含量的元素组成：C：0.14～0.16%，Si：0.25～0.35%，Mn：1.40～1.50%，P≤0.015%，S≤0.005%，Als：0.020～0.040%，Nb：0.035-0.045%，V：0.045-0.050%，Ti：0.010～0.015%，Ni：0.12～0.17%，As≤0.005%，N：0.0035～0.0070%，其余为Fe和不可避免的杂质。
所述船板钢的钢板厚度50～90mm，屈服强度ReH≥360MPa，抗拉强度Rm≥500MPa，延伸率A≥22%，钢板1/4厚度部位-40℃冲击功KV2≥150J，1/2厚度部位-40℃冲击功KV2≥120J，厚度方向断面收缩率≥35%，钢板心部组织均为F铁素体+P珠光体，带状组织≤1.0级。
本发明的一种36kg级特厚低温高韧性船板钢的制备方法，包括：铁水预处理→转炉冶炼→LF炉精炼→RH炉真空处理→板坯浇注→铸坯缓冷→铸坯加热→轧制→层流冷却→空冷→正火→空冷，特别是：
（1）铁水预处理：高炉铁水P≤0.13%，S≤0.035%，As≤0.008%，预处理后铁水中S≤0.005%，As≤0.005%；
（2）转炉冶炼：转炉氮氩切换复吹冶炼，控制终点成分：C0.04～0.06%、P≤0.008%，从出钢开始，钢包全程底吹氩，脱氧合金化后入氩站底吹氩，氩站成分Mn、Ni、V、Nb等合金成分达到目标要求，适量加入含N合金或废钢增N；
（3）LF炉精炼：加入铝、萤石、电石等脱氧，加入石灰脱硫，出站S≤0.002%，N：0.0040～0.0070%；
（4）RH炉真空处理：RH炉极限真空度循环次数4～6次，加入Ti等合金达到目标值；
（5）板坯浇注：连铸过程中采用动态轻压下和电磁搅拌，铸坯厚度300～350mm，电磁搅拌电流为450～480A，频率6Hz，控制过热度10～30℃，恒拉速浇注，铸坯中心偏析控制在C1.0以内；
（6）铸坯缓冷：铸坯下线后缓冷时间≥72小时，缓冷方式可以采用坑冷或者堆垛缓冷；
（7）铸坯加热：控制加热温度在 1200～1295℃范围，加热速率9～13min/cm，出炉温度在1170～1210℃范围；
（8）轧制：采用两阶段控制轧制，具体为：板坯出炉后冷却至1130～1160℃进行第一阶段轧制，道次压下量控制在15～35mm，第一阶段轧制道次数6～9次，轧至110～130mm进行温度等待；第二阶段开轧温度不大于890℃，终轧温度控制在830～850℃，第二阶段轧制道次数4～6次；轧后水冷至660±30℃；
（9）正火热处理：控制热处理炉温度在870±10℃进行正火，钢板到达该温度范围后保温时间为：产品厚度×1min/mm+50～60min，正火结束后出炉空冷至室温。
本发明船板钢中主要化学成分限定量理由如下：
碳：C是提高钢材强度最有效的元素，随着碳含量的增加，钢的强度随之提高，但会增加钢的组织偏析程度，延伸率和冲击韧性下降。为保证正火后钢板仍具有高强度及低温韧性，同时减轻铸坯中心碳偏析，本发明钢碳元素含量控制为0.14～0.16%。
硅：Si是炼钢过程的主要脱氧元素，也可以提高钢中固溶体的硬度和强度。但Si含量过高会降低母材及焊接部位的韧性。因此本发明钢的Si含量设计为0.25～0.35%。
锰：Mn是钢的强化合金元素，与碳的亲和力较强，是扩大奥氏体相区、细化晶粒和保证综合性能的有效元素，且它并不恶化钢的变形能力。但锰含量过高会造成钢板带状组织严重、韧性降低及各向异性，并对焊接性能产生不利影响，因此本发明Mn含量控制为1.40～1.50%。
磷、硫和砷：P、S、As是钢中的杂质元素。P在钢中固溶强化和冷作硬化作用强，作为合金元素能提高钢的强度和耐大气腐蚀性能，但P在钢中易出现偏聚，在钢的局部产生严重偏析，降低钢的塑性及韧性，对低温韧性极为有害。S元素在钢中易于偏析和富集，硫化物夹杂物是氢的积聚点，使金属形成有缺陷的组织，同时硫也是吸附氢的促进剂。As在钢水冶炼过程中很难去除，以夹杂物的形式存在于钢中，特别是钢中As含量过高会引起钢板热加工表面裂纹、增加钢的脆性、降低钢材的冲击性能和塑性等。本发明钢在冶金质量方面严格控制硫、磷、砷含量水平，即P≤0.015%、S≤0.005%、As≤0.005%。
铝：Al是钢中的主要脱氧元素，钢中Al可与N形成AlN，AlN可阻碍高温奥氏体长大，起到细化晶粒的作用，Al在奥氏体中的最大溶解度大约0.6%。但是当Al含量偏高时，易导致钢中夹杂增多，对钢的韧性不利。本发明钢的Als含量控制为0.020～0.040%。
铌：Nb与碳、氮都有极强的亲和力，并与之形成相应的极稳定的化合物。微量的Nb可在幅度提高再结晶度，扩大γ相区，有利于第二阶段（未再结晶区）控制轧制的进行，通过热轧过程中Nb的碳氮化物应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复、再结晶，经控制轧制和控制冷却使未再结晶区轧制的形变奥氏体组织在相变时转变为细小的相变产物，提高钢的强度和韧性。本发明Nb含量控制在0.035～0.045%。
钒：V也是强烈的碳化物和氮化物形成元素，与氮、碳有极强的亲合力，可与之形成极其稳定的碳氮化物。V可以通过细晶强化、沉淀强化和固溶强化来提高钢材的强度。在钢中当V的质量分数低于0.1%时，随着V含量的增加，钢的韧脆转变温度降低。当V的质量分数超过0.1%时，V含量增加，韧脆转变温度反而升高。而且V含量对碳当量影响较大，会影响到钢的焊接性能。在含Si、Mn的钢中，加入少量的V就可以明显减轻这两种元素对晶粒长大和提高韧脆转变温度的影响。V的碳氮化物可以在较低的温度下析出来阻碍位错运动，达到强化作用，对提升正火钢板的强度有显著效果。本发明钢V元素含量0.045～0.050%。
钛：Ti是强固氮元素，Ti/N的化学计量比为3.42，利用0.015%左右的Ti就可固定50ppm以下的N，在板坯连铸时可形成细小的高温稳定的TiN析出相。这种细小的TiN粒子可有效地钉扎奥氏体晶界，阻碍板坯再加热时的奥氏体晶粒长大，有助于提高Nb在奥氏体中的固溶度，同时大大改善焊接热影响区的低温韧性。但Ti含量较高时，会形成大颗粒的影响低温韧性的有害夹杂物。因此，本发明钢Ti含量范围为0.010～0.015%。
Ni不会形成碳化物，是扩大γ相、细化晶粒的有效元素，可通过细化铁素体晶粒来改善钢的低温韧性，明显降低钢板和焊接接头的低温韧脆转变温度。但Ni含量不宜太高，其不仅会增加炼钢成本，也会造成氧化铁皮难以脱落。本发明Ni的含量范围为0.12～0.17%。
N有固溶强化和提高淬透性的作用，但不显著。由于氮化物在晶界上析出，能提高晶界高温强度，增加钢的蠕变强度。与钢中其他元素化合，有沉淀强化作用，通过渗入方式可以与钢表面中的Cr、Al元素形成化合物，增加钢表面强度及耐蚀性。但N在钢中也有不利的一面，其可以导致时效和蓝脆等现象，含量超过一定的限度，易在钢中形成气泡和疏松，与钢中的Ti、Al等元素形成带棱角而性脆的夹杂群等。为此，本发明将N元素含量控制为0.0035～0.0070%。
本发明通过精炼均匀成分、连铸采用动态轻压下和电磁搅拌技术，以及拉速与过热度的控制，铸坯缓冷等多种手段，有效减轻铸坯中心偏析，提高铸坯质量。在LF精炼和RH真空处理过程中，通过全程底吹Ar及真空循环处理，使钢水在搅拌过程中有害夹杂充分上浮，有效成分均匀分布。动态轻压下、电磁搅拌、低过热度浇注是减轻铸坯中心偏析的有效手段，根据铸坯断面和钢种的不同，选择合适的工艺参数，才能减轻铸坯中心偏析，而拉速需要与过热度相匹配，并保持稳定，才能提高铸坯质量。铸坯缓冷有利于铸坯内部残余气体元素的扩散与析出。
同时通过对加热温度、加热时间、轧制与热处理工艺的控制，达到改善钢板心部组织与性能的目的。适当提高加热温度，延长加热时间，有利于铸坯中心C、Mn等偏析元素的扩散，减轻中心偏析对钢板性能的影响。在合适的轧制温度下，通过大压下量控制轧制，一方面可以促进钢板心部的变形，提高钢板心部组织的晶粒度，另一方面可以有效发挥微合金元素Nb、V、Ti的细化晶粒和强化作用。而合适的正火热处理工艺既能起到均匀组织、消除应力的目的，又能保证钢板具有良好的综合机械性能。
本发明船板钢的钢板厚度为50～90mm，屈服强度ReH≥360MPa，抗拉强度Rm≥500MPa，延伸率A≥22%，钢板1/4厚度部位-40℃冲击功KV2≥150J，1/2厚度部位-40℃冲击功KV2≥120J，厚度方向断面收缩率≥35%，钢板心部组织均为F（铁素体）+P（珠光体），带状组织≤1.0级。
本发明提供的是一种36kg级特厚低温高韧性的高强度船板，可用于船舶、海洋工程等对钢板强度和低温韧性有较高要求，以及对厚度方向性能有一定需求的支撑件、构件。本发明具有制造工序简单等优点，在各冶金企业均可实施。
附图说明
图1是本发明实施例1生产的钢板心部组织图像（F+P）。
具体实施方式
为了更好地解释本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进行进一步的说明，下述实施例仅仅是示例性的说明本发明的技术方案，并不以任何形式限制本发明。
下表1为本发明各实施例钢板及对比例钢板的化学成分（wt%）取值列表；
下表2为本发明各实施例钢板及对比例钢板的加热、轧制工艺参数取值列表；
下表3为本发明各实施例钢板及对比例钢板的热处理工艺参数取值列表；
下表4为本发明各实施例钢板及对比例钢板的性能测试结果列表。
本发明各实施例的一种36kg级特厚低温高韧性船板钢的生产方法，包括：铁水预处理→转炉冶炼→LF炉精炼→RH炉真空处理→板坯浇注→铸坯缓冷→铸坯加热→轧制→层流冷却→空冷→正火→空冷，特别是：
（1）铁水预处理：高炉铁水P≤0.13%，S≤0.035%，As≤0.008%，预处理后铁水中S≤0.005%，As≤0.005%；
（2）转炉冶炼：转炉氮氩切换复吹冶炼，控制终点成分：C0.04～0.06%、P≤0.008%，从出钢开始，钢包全程底吹氩，脱氧合金化后入氩站底吹氩，氩站成分Mn、Ni、V、Nb等合金成分达到目标要求，适量加入含N合金或废钢增N；
（3）LF炉精炼：加入铝、萤石、电石等脱氧，加入石灰脱硫，出站S≤0.002%，N0.0040～0.0070%；
（4）RH炉真空处理：RH炉极限真空度循环次数4～6次，加入Ti等合金达到目标值；
（5）板坯浇注：连铸过程中采用动态轻压下和电磁搅拌，铸坯厚度300～350mm，电磁搅拌电流为450～480A，频率6Hz，控制过热度10～30℃，恒拉速浇注，铸坯中心偏析控制在C1.0以内；
（6）铸坯缓冷：铸坯下线后缓冷时间≥72小时，缓冷方式可以采用坑冷或者堆垛缓冷；
（7）铸坯加热：控制加热温度在 1200～1295℃范围，加热速率9～13min/cm，出炉温度在1170～1210℃范围；
（8）轧制：采用两阶段控制轧制，具体为：板坯出炉后冷却至1130～1160℃进行第一阶段轧制，道次压下量控制在15～35mm，第一阶段轧制道次数6～9次，轧至110～130mm进行温度等待；第二阶段开轧温度不大于890℃，终轧温度控制在830～850℃，第二阶段轧制道次数4～6次；轧后水冷至660±30℃；
（9）正火热处理：控制热处理炉温度在870±10℃进行正火，钢板到达该温度范围后保温时间为：产品厚度×1min/mm+50～60min，正火结束后出炉空冷至室温。
实施例1～5的产品厚度分别为50mm、90mm、60mm、70mm、80mm，采用的铸坯厚度为300mm。对比例1～2的产品厚度分别为80mm、70mm，采用的铸坯厚度分别为300mm、295mm。
表1 本发明各实施例钢板及对比例钢板的化学成分（wt%）取值列表
Figure DEST_PATH_IMAGE002
表2 本发明各实施例钢板及对比例钢板的加热、轧制工艺参数取值列表
Figure DEST_PATH_IMAGE004
表3 本发明各实施例钢板及对比例钢板的热处理工艺参数取值列表
Figure DEST_PATH_IMAGE006
表4 本发明各实施例钢板及对比例钢板的性能测试结果列表
Figure DEST_PATH_IMAGE008
由表可知，本发明实施例1～5生产的船板钢，钢板的屈服强度ReH均在360MPa以上，抗拉强度Rm在500MPa以上，延伸率A在22%以上，钢板1/4厚度部位-40℃冲击功KV2在150J以上，1/2厚度部位-40℃冲击功KV2在120J以上，厚度方向断面收缩率在35%以上，钢板心部组织为F+P，组织均匀，带状组织级别在1.0级以下，既有较高的强度，也有较好的低温冲击韧性，同时具有良好的截面冲击稳定性。
附图1是本发明实施例1生产的钢板心部显微组织图，从图中可以看出钢板心部组织也均为F+P，组织均匀，晶粒细小，与中心偏析有关的带状组织得到基本消除，带状组织级别为0.5级，因此，钢板心部也具有良好的强韧性。
其它未详细说明的部分均为现有技术。尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范畴。

Claims (3)

1.一种36kg级特厚低温高韧性船板钢，其特征在于所述船板钢是由下述质量百分比含量的元素组成：C：0.14～0.16%，Si：0.25～0.35%，Mn：1.40～1.50%，P≤0.015%，S≤0.005%，Als：0.020～0.040%，Nb：0.035-0.045%，V：0.045-0.050%，Ti：0.010～0.015%，Ni：0.12～0.17%，As≤0.005%，N：0.0035～0.0070%，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种36kg级特厚低温高韧性船板钢，其特征在于：所述船板钢的钢板厚度50～90mm，屈服强度ReH≥360MPa，抗拉强度Rm≥500MPa，延伸率A≥22%，钢板1/4厚度部位-40℃冲击功KV2≥150J，1/2厚度部位-40℃冲击功KV2≥120J，厚度方向断面收缩率≥35%，钢板心部组织均为F铁素体+P珠光体，带状组织≤1.0级。
3.如权利要求1或2所述的一种36kg级特厚低温高韧性船板钢的制备方法，包括：铁水预处理→转炉冶炼→LF炉精炼→RH炉真空处理→板坯浇注→铸坯缓冷→铸坯加热→轧制→层流冷却→空冷→正火→空冷，其特征在于：
（1）铁水预处理：高炉铁水P≤0.13%，S≤0.035%，As≤0.008%，预处理后铁水中S≤0.005%，As≤0.005%；
（2）转炉冶炼：转炉氮氩切换复吹冶炼，控制终点成分：C0.04～0.06%、P≤0.008%，从出钢开始，钢包全程底吹氩，脱氧合金化后入氩站底吹氩，氩站成分Mn、Ni、V、Nb等合金成分达到目标要求，适量加入含N合金或废钢增N；
（3）LF炉精炼：加入铝、萤石、电石等脱氧，加入石灰脱硫，出站S≤0.002%，N0.0040～0.0070%；
（4）RH炉真空处理：RH炉极限真空度循环次数4～6次，加入Ti等合金达到目标值；
（5）板坯浇注：连铸过程中采用动态轻压下和电磁搅拌，铸坯厚度300～350mm，电磁搅拌电流为450～480A，频率6Hz，控制过热度10～30℃，恒拉速浇注，铸坯中心偏析控制在C1.0以内；
（6）铸坯缓冷：铸坯下线后缓冷时间≥72小时，缓冷方式可以采用坑冷或者堆垛缓冷；
（7）铸坯加热：控制加热温度在 1200～1295℃范围，加热速率9～13min/cm，出炉温度在1170～1210℃范围；
（8）轧制：采用两阶段控制轧制，具体为：板坯出炉后冷却至1130～1160℃进行第一阶段轧制，道次压下量控制在15～35mm，第一阶段轧制道次数6～9次，轧至110～130mm进行温度等待；第二阶段开轧温度不大于890℃，终轧温度控制在830～850℃，第二阶段轧制道次数4～6次；轧后水冷至660±30℃；
（9）正火热处理：控制热处理炉温度在870±10℃进行正火，钢板到达该温度范围后保温时间为：产品厚度×1min/mm+50～60min，正火结束后出炉空冷至室温。
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