CN114480966A - 一种适于大线能量焊接的海洋工程用钢板eh40及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于大线能量焊接的海洋工程用钢板EH40的生产方法，其包括采用如下化学成分：C、Si、Mn、P、S、Nb、V、Ti、Ni、Als、Cu、Zr，其它为Fe和残留元素。其生产方法包括：铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、VD精炼、浇铸、加热、轧制、Acc控制冷却及堆冷。通过合理的化学成分设计，利用LF+VD工艺和合理的夹杂物控制方法来保证钢质洁净，并通过加热、轧制及控制冷却等工艺有效实施，成功地研制出的钢板的屈服强度控制在420～480MPa，抗拉强度控制在550～600MPa，伸长率控制在22%～28%，V型‑60℃横、纵向冲击功控制在125～285J。本发明获得的钢板在300‑550KJ/cm的焊接线能量下，母材和热影响区‑40℃冲击韧性在90～150J。
Description
技术领域
本发明属于中厚板生产技术领域，具体涉及到一种适于大线能量焊接海洋工程用钢板EH40及其生产方法。
背景技术
EH40属于GB/T712中的高强度船舶及海洋工程用结构钢，广泛应用于远洋、沿海和内河航区航行船舶、渔船及海洋工程结构。近年来，中国已经成为世界第一造船大国，造船量占据全球造船业的三分之一，随着船舶工业快速增长，对于海洋工程用钢的需求量逐年上升。在传统的船舶制造和海洋工程领域中，焊接成本约占整个制造成本的30％-40％，焊接工时成本占焊接成本的一半以上，为了提高焊接效率，缩短工程制造周期，在船舶制造和海洋工程领域多采用大线能量焊接。但由于焊接线输入量的增大，焊接热影响区高温停留时间变长，奥氏体晶粒严重粗化；且由于焊后冷却速度缓慢，在随后的相变过程中容易形成粗大的板条铁素体、魏氏组织、上贝氏体等异常组织，M-A岛数量增加且加粗，使焊接热影响区强度和韧性严重恶化，并容易产生裂纹等缺陷，影响焊接件的安全使用性能。因此如何解决大热输入焊接钢低温韧性问题，提升船舶海工用钢的大线能量焊接已成为钢铁行业当前亟待解决的关键问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适于大线能量焊接的海洋工程用钢板EH40及其生产方法，解决钢板在大线能量焊接条件下具有细化的显微组织并保持良好的冲击韧性，所发明钢板能适应在300-550KJ/cm焊接线能量下，母材和热影响区-40℃冲击韧性在90～150J。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种适用于大线能量80-120mm厚EH40保性能、保探伤的高强度海洋工程用钢，钢板化学成分按质量百分数计(单位，wt％)C：0.06～0.09、Si：0.05～0.25、Mn：1.45～1.55、P≤0.020、S≤0.005、Nb：0.030～0.060、V:0.030～0.050、Ti：0.01～0.04、Ni:0.30～0.50、Als：0.020～0.050，Cu:0.15-0.35，Zr＜0.05，其它为Fe和残留元素，其中碳当量Cev＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，控制在0.34～0.42。通过对钢板中不同尺寸的夹杂物类型的控制，使夹杂物在钢材中细微弥散分布，实现焊接热影响区组织显著细化，同时结合控轧控冷工艺提高钢板强韧性能。
所述的适用于大线能量焊接的钢板的制造方法包括钢水冶炼、铸坯加热及轧制。其中，在钢水冶炼环节，为了在钢材中形成细微弥散分布的夹杂物，在钢液脱氧过程中应选择合适的脱氧剂和添加顺序。本发明采用的脱氧剂种类和添加顺序是Mn、Si、Al、Ti、Zr，其具体添加量分别是Mn：1.3-1.7％、Si:0.10-0.35％、Al：0.02-0.05％、Ti：0.005-0.04％、Zr：0.010-0.035％。首先使用Si、Mn脱氧，降低钢液中的自由氧含量，由于Si、Mn脱氧形成的氧化物熔点低，同时易于结合成更低熔点的复合夹杂物聚集长大，这样的夹杂物易于上浮去除，有利于提高钢液的洁净度。然后加入Al块对氧位进行调节后，再利用Ti进行脱氧。部分自由氧与Ti结合，形成Ti的氧化物，残留在钢液中。经Si、Mn、Al脱氧之后，钢液中的自由氧已大幅度降低，大部分的Ti将溶解于钢液中，而Ti可以诱发晶内铁素体从而达到细化组织提高钢的强度和韧性的效果。为了改善钢中硫化物的形态以提高钢材的横向冲击韧性，最后向钢液中添加0.010-0.035％Zr作为终脱氧剂，最终控制遗留钢液中尺寸在0.5～1.5μm夹杂物所占比例≥30％，1.5～3.0μm的夹杂物所占比例≥55％。
由于ZrO2和MnS的晶体结构相似，MnS很容易在ZrO2的表面析出，从而降低了表面能，通过Zr-Ti复合脱氧，基体钢中形成了较多的细小硫氧化物，这些硫氧化物往往呈球状，而且弥散分布，可提高钢板力学性能，可抑制焊接热影响区粗晶区奥氏体晶粒的长大。
细小弥散的锆、钛氧化物粒子具有高温稳定性，可起到较好的钉扎作用，抑制奥氏体晶粒长大。TiN，Nb(C，N)，V(C，N)，AlN，ZrN等不同析出物对焊接过程中奥氏体晶界的钉扎都有显著作用。而在大热量输入焊接条件下TiN等析出物大部分溶解，大大降低了钉扎奥氏体晶界的能力。Zr和Ti相似，都是强碳氮化物和强氧化物形成元素，Zr-Ti复合脱氧不仅起到了很好的脱氧作用，而且在凝固过程中很容易形成复合氧化物，如(Ti，Zr)xOy等，具有很好的高温稳定性。当粒子在晶界析出时，起到了对奥氏体晶粒的钉扎拖曳作用，抑制了焊接热影响区粗晶区奥氏体晶粒的长大，从而改善高强度钢的焊接性。
在焊接过程中这些粒子不仅能有效地抑制奥氏体晶粒长大、抑制粗大贝氏体的形成、还能够促进针状铁素体的析出，显著改善低合金高强钢CGHAZ的韧性。当夹杂物尺寸为1μm左右时可以成为针状铁素体的形核核心，在较大过冷温度下形成一定量的板条状晶内铁素体。这类铁素体呈放射状生长，在夹杂物上多维形核，相互连锁、是具有大角晶界和高位错密度的针状组织。这些优先形成的板条状晶内铁素体把奥氏体晶粒分割成许多细小区域，限制了后续相变只能在这些小区域中进行，可得到细化的复合组织。从而提高了焊接热影响区粗晶区的韧性，改善高强度钢的焊接性。
根据钢板成分要求调整其他合金元素含量，钢水浇注成连铸坯；连铸坯预热段温度≤1000℃，加热段温度1220-1240℃，保温时间≥30min，整体加热时间12min/cm，采用三阶段轧制工艺进行控轧，终冷温度550～580℃。
进一步地，所述钢板采用TMCP作为最终交货状态。
按上述方案获得的适于大线能量焊接的海洋工程用钢板EH40的厚度在80-120mm，屈服强度420～480MPa，抗拉强度控制在550～600MPa，伸长率控制在22％～28％，V型-60℃横、纵向冲击功控制在125～285J，钢板在300-550KJ/cm焊接线能量下，母材和热影响区-40℃冲击韧性在90～150J。
具体实施方式：
该钢板的化学成分按质量百分数计(单位，wt％)设计如下：C：0.06～0.09、Si：0.05～0.25、Mn：1.45～1.55、P≤0.020、S≤0.005、Nb：0.030～0.060、V:0.030～0.050、Ti：0.01～0.04、Ni:0.30～0.50、Als：0.020～0.050，Cu:0.15-0.35，Zr＜0.05，其它为Fe和残留元素，其中碳当量Cev＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，控制在0.34～0.42。
其工艺流程为：铁水预处理、顶底复吹转炉、LF炉精炼、真空脱气处理、铸坯至少堆冷24小时、加热、轧制、控制冷却、矫直、堆冷、精整、外检、探伤、入库。具体为：
铁水预处理：通过喷吹石灰、搅拌脱硫后保证铁水S≤0.005％，同时做好铁水保温措施避免温降过快；
转炉冶炼：采用顶底复吹转炉冶炼，入炉铁水S≤0.020％、P≤0.120％，配优质废钢，加入活性度≥300的优质石灰等造渣料，控制造渣碱度在2.8-3.2，一次命中终点出钢，转炉出钢温度1600～1650℃、出钢P≤0.017％，出钢C≤0.06％，出钢前加挡渣塞、出钢过程中全程吹氩，根据钢水氧含量加入硅铁、锰铁进行脱氧，然后按1.0-1.2Kg/t钢加铝块深脱氧，加入铝块深脱氧的同时加入铌铁、钒铁、镍板、铜块、钛铁等合金以及300-500Kg的石灰，出钢后期加挡渣锥或采用滑板挡渣尽可能减少淋渣，同时向钢包液面加入40-60Kg的电石用以提前对钢包顶渣改性；转炉脱氧及合金化后确保Mn、Ni、Cu合金成分进入内控中下限以减轻LF合金配备负担、同时确保Als达到成分内控要求；
LF精炼：精炼采取大渣量操作，石灰用量控制在8-10Kg/t钢，一加热过程加入300Kg含Al粉的预熔精炼渣，确保精炼一加热结束渣白或黄白，随后在精炼加热过程及时分多批次、少批量加入铝粒/粉、电石脱氧剂，后续全程维持白渣，精炼结束的终渣为流动性良好、粘度合适的高碱度泡沫白渣，精炼结束离站前加入Zr合金；
VD精炼：在≤67Pa下真空条件的保压时间按≥12min进行控制，破真空后添加保温剂并软吹5～8min；
浇铸：浇钢前保证铸机设备状况良好，中包过热度15±10℃，浇铸过程开启电磁搅拌，全程保护浇铸300mm厚铸坯。铸坯下线后要求堆冷≥24h。
加热：预热段温度≤1000℃，加热段温度1220-1240℃，保温段温度1200-1220℃，保温段时间＞30min，整体加热速度12min/cm；
轧制：结合炼钢化学成分，为保证钢板1/2、1/4位置晶粒均匀，采用三阶段轧制工艺进行控轧：
一阶段采用“高温、低速、大压下”轧制，开轧温度＞1050℃，道次压下量35-40mm，确保轧制力达到铸坯芯部，促使铸坯芯部变形，促进疏松等缺陷的压合，一方面促进铸坯芯部再结晶，为芯部晶粒细化奠定基础，另一方面使得大厚度铸坯内部偏析和缺陷得到大幅改善；
当坯温达到930-980℃时，开始第二阶段轧制，控制道次压下量35-40mm，使轧制力达到铸坯1/4厚度位置，促使1/4位置变形，最终达到芯部和1/4位置发生再结晶的的目的；
当达到规定厚度时，中间坯进入IC装置进行快冷至850-890℃时开始第三阶段轧制，累计压下率≥50％，以增加奥氏体晶界有效面积，为细化奥氏体晶粒提供更多的形核点，终轧温度750～800℃；
控制冷却：为避免轧制后钢板内部晶粒长大，影响冲击韧性，保证钢板具有良好的强韧性，钢板轧后进行快速冷却，芯部冷却速度控制在≥5℃/S，返红温度550～580℃，然后送往矫直机进行矫直；
堆冷：钢板矫直后及时下线堆冷，堆冷温度≥350℃，堆冷时间≥24h。通过缓冷，以避免内部应力来不及释放产生内裂，同时进一步促使钢板内部有害气体溢出。
通过转炉冶炼、LF精炼、VD真空脱气、连铸浇铸、钢坯加热、轧制、控制冷却等工艺获得如下表1所述化学成分的80-120mm厚适用于大线能量焊接海洋工程EH40钢板，其实际化学成分和力学性能见如下表1、2。
表1 80mm～120mm EH40钢板的化学成分(Wt，％)
| 厚度 | C | Si | Mn | P | S | A1s | Nb | V | Ti | Ni | Cu | Zr |
| 80 | 0.07 | 0.15 | 1.48 | 0.015 | 0.003 | 0.028 | 0.042 | 0.035 | 0.020 | 0.35 | 0.19 | 0.026 |
| 100 | 0.07 | 0.13 | 1.45 | 0.010 | 0.002 | 0.035 | 0.050 | 0.040 | 0.022 | 0.42 | 0.20 | 0.020 |
| 120 | 0.08 | 0.20 | 1.50 | 0.012 | 0.002 | 0.025 | 0.055 | 0.042 | 0.018 | 0.40 | 0.26 | 0.035 |
表2 80mm～120mm EH40钢板机械力学性能
通过对脱氧剂、合金添加种类、添加顺序调整，促使钢中形成细小弥散夹杂物，尺寸在0.5～1.5μm夹杂物所占比例≥30％，，1.5～3.0μm的夹杂物所占比例≥55％，细小弥散夹杂物成为针状铁素体的形核核心，HAZ组织中的针状铁素体含量达到50％以上，焊接热影响区呈现良好的低温韧性。Zr-Ti复合脱氧，在凝固过程中易形成具有很好的高温稳定性的复合氧化物，如(Ti，Zr)xOy等，当粒子在晶界析出时，起到了对奥氏体晶粒的钉扎拖曳作用，抑制了焊接热影响区粗晶区奥氏体晶粒的长大，从而提高了高强度钢的焊接性。
本实施例试生产80-120mm以下EH40共12批，各项性能指标均达到标准要求且富余量较大，试验钢板在300-550KJ/cm焊接线能量下，母材和热影响区-40℃冲击韧性在90～150J。
以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种适于大线能量焊接的海洋工程用钢板EH40，其特征在于：该钢板厚度为80-120mm，包含如下质量百分比的化学成分(单位，wt%)：C： 0.06～0.09、Si：0.05～0.25、Mn：1.45～1.55、P≤0.020、S≤0.005、Nb：0.030～0.060、V:0.030～0.050、Ti：0.01～0.04、Ni:0.30～0.50、Als：0.020～0.050，Cu:0.15-0.35，Zr＜0.05，其它为Fe和残留元素，其中碳当量Cev=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15，控制在0.34～0.42。
2.根据权利要求1所述的适于大线能量焊接的海洋工程用钢板EH40，其特征在于：该钢板的屈服强度控制在420～480MPa，抗拉强度控制在550～600MPa，伸长率控制在22%～28%，V型-60℃横、纵向冲击功控制在125～285J，钢板在300-550KJ/cm焊接线能量下，母材和热影响区-40℃冲击韧性在90～150J。
3.一种如权利要求1所述的适用于大线能量焊接的海洋工程用钢板EH40的生产方法，其特征在于：所述生产方法包括钢水冶炼、铸坯加热及轧制，具体为：
1）在钢水冶炼环节，通过控制脱氧剂的种类及添加顺序，促使钢水中尺寸在0.5～1.5µm的弥散夹杂物所占比例≥30%，1.5～3.0µm的夹杂物所占比例≥55%；所述脱氧剂包括Mn、Si、Al、Ti、Zr；其添加顺序及添加量为：先加入1.3-1.7%的Mn和0.10-0.35%的Si，再加入0.02-0.05%的Al，然后加入0.005-0.04%的Ti，最后加入0.010-0.035%的Zr作为终脱氧剂；
2）铸坯加热：预热段温度≤1000℃，加热段温度1220-1240℃，保温时间≥30min，整体加热时间12min/cm；
3）轧制：采用三阶段轧制工艺进行控轧，终冷温度550～580℃。
4.根据权利要求3所述的适用于大线能量焊接的海洋工程用钢板EH40的生产方法，其特征在于，所述钢板采用TMCP作为最终交货状态。
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| CN101831588A (zh) * | 2009-03-11 | 2010-09-15 | 株式会社神户制钢所 | 焊接热影响部的韧性和母材疲劳特性优异的钢材及其制造方法 |
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