CN114908295A - 一种Z向性能优良的36kg级特厚船板钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Z向性能优良的36kg级特厚船板钢及其生产方法，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：0.030～0.040%，Nb：0.03～0.035%，V：0.045～0.050%，Ni：0.13～0.15%，As≤0.010%，P+S+As≤0.025%，N≤45ppm、O≤30ppm、H≤1.5ppｍ，N+O≤70ppm，其余为Fe和不可避免的杂质；本发明的钢板厚度60～85mm，拉伸性能：屈服强度ReH≥370MPa，抗拉强度Rm≥520MPa，延伸率A≥24%，冲击性能：‑50℃纵向冲击功KV2≥150J，Z向拉伸性能：Z向屈服强度ZRel≥360MPa，Z向抗拉强度ZRm≥500MPa，Z向断面收缩率Zz≥55%，钢板组织为铁素体+珠光体，铁素体晶粒度≥9级,可用于船舶、海洋工程等对钢板强度、低温韧性、厚度方向性能有较高要求的支撑件、构件。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料制造技术领域，特别是一种Z向性能优良的36kg级特厚船板钢及其生产方法。
背景技术
海上丝绸之路促进了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性能要求也在日益提高，主要体现在高强度、抗冲击、耐疲劳、适应超大输入热焊接、高耐腐蚀以及Z向拉伸性能优良等。36kg级高强度船板是目前应用十分广泛的船板等级，应用于关键部位的特厚船板对Z向拉伸性能要求较高，但是受铸坯质量的影响，中心偏析和中心疏松一般比较严重，同时较小的压缩比，使钢板心部晶粒粗大，性能较差，特别是冲击韧性不稳定、Z向拉伸性能较低，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，提高铸坯内部质量，改善钢板心部组织，提升低温冲击韧性和Z向拉伸性能，是高强度特厚船板能够应用于海洋工程和船体结构重要结构件的关键。
经检索：
中国专利申请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%。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，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，冲击韧性试验温度为-20℃，厚度方向性能仅限于不同厚度位置的拉伸与冲击性能，不能实现较高的Z向拉伸性能的要求。
中国专利申请CN105648329A公开了一种控轧高强度船板钢及其生产方法。所述船板钢厚度规格为6～30mm，化学成分质量百分比为：C：0.10～0.18%，Si：0.10～0.40%，Mn：1.20～1.60%，P≤0.012%，S≤0.005%，Als：0.015～0.055%，Ti：0.005～0.020%，其余为Fe和不可避免的杂质。该发明采用Al+Ti细化晶粒元素、230mm厚度连铸坯、控轧工艺生产355MPa高强度船板，可达到力学性能：上屈服强度360～430MPa，抗拉强度500～570MPa，断后伸长率24～33%，-20℃纵向冲击功平均在150J以上，Z向拉伸断面收缩率平均在40%以上。该发明钢为控轧状态，化学成分构成只有五大元素及Als、Ti，强韧性和Z向拉伸性能只能满足一般性要求，仅采用Al+Ti作为细化晶粒元素，钢板应力应变作用突出，时效应变对性能影响很大，存在强度下降、Z向拉伸断面收缩率下降的风险，只能生产≤30mm以下厚度的薄钢板，冲击温度也只能达到-20℃的试验温度要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Z向性能优良的36kg级特厚船板钢及其生产方法。本发明船板钢厚度60～85mm，拉伸性能：屈服强度ReH≥370MPa，抗拉强度Rm≥520MPa，延伸率A≥24%，冲击性能：-50℃纵向冲击功KV2≥150J，Z向拉伸性能：Z向屈服强度ZRel≥360MPa，Z向抗拉强度ZRm≥500MPa，Z向断面收缩率Zz≥55%，钢板组织为铁素体+珠光体，铁素体晶粒度≥9级。
本发明的一种Z向性能优良的36kg级特厚船板钢，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：0.030～0.040%，Nb：0.03～0.035%，V：0.045～0.050%，Ni：0.13～0.15%，As≤0.010%，P+S+As≤0.025%，N≤45ppm、O≤30ppm、H≤1.5ppｍ，N+O≤70ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明的一种Z向性能优良的36kg级特厚船板钢的制备方法，包括铁水预处理→BOF顶底复吹冶炼→LF炉精炼→RH炉真空处理→板坯浇注→铸坯缓冷→铸坯加热→轧制→冷却→正火→回火→空冷；其中：
（1）铁水预处理：高炉铁水P≤0.14%，S≤0.05%，As≤0.009%，加入石灰等脱硫剂进行深脱硫，并扒除高含硫渣，预处理后铁水中S≤0.003%。
（2）BOF转炉顶底复吹冶炼：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，氩站加入Ni、V、Nb等合金，脱氧合金化后入氩站底吹氩≥3min；
（3）炉外精炼：LF炉加入铝、萤石、电石等脱氧，加入石灰脱硫，出站S≤0.002%，Mn、Ni、V、Nb等合金成分达到目标要求，RH极限真空保持时间≥18min，使N≤45ppm、O≤30ppm、H≤1.5ppｍ；
（4）连铸：采用电磁搅拌和动态轻压下，铸坯厚度300～350mm；采用2对电搅辊，电磁搅拌电流为460A，频率6Hz，电搅辊分布在2段末和3段末；控制过热度15～25℃，恒拉速浇注，铸坯中心偏析控制在C1.5以内、中心疏松1.0以内，铸坯下线后在缓冷坑冷缓冷时间≥72小时；
（5）铸坯加热：控制加热温度在 1180～1280℃范围，加热速率8～12min/cm，均热时间≥45min，出炉温度在1150～1180℃范围；
（6）控制轧制：板坯出炉后表面温度降至1130±20℃进行粗轧，横轧道次压下量8～15mm，纵轧道次压下量20～25mm，轧至120～140mm进行温度等待；精轧开轧温度不大于860℃，终轧温度控制在820±20℃，精轧末三道次压下量12～16mm；轧后水冷至625±20℃；
（7）热处理：正火温度865±5℃，总在炉时间：产品厚度×1min/mm+（55～60）min，正火结束后出炉水冷至650±30℃，再空冷至室温；回火温度440±5℃，总在炉时间：产品厚度×1min/mm+（40～45）min，回火结束后出炉空冷至室温。
本发明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，降低冲击韧性。为保证热处理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，因此本发明Mn含量控制为1.40～1.50%。
磷、硫和砷：P、S、As是钢中的有害杂质元素。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，对低温韧性和Z向性能极为有害。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，对低温韧性和Z向性能极为有害。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≤0.010%，P+S+As≤0.025%。
铝：Al是钢中的主要脱氧元素，钢中Al可与N形成AlN，消除N的不利影响，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0.030～0.040%。
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可以显著提高奥氏体再结晶温度，扩大轧制工艺范围，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。但铌合金价格很高，过多的铌也易形成大颗粒夹杂，影响钢板Z向性能，因此，本发明Nb含量控制在0.03～0.035%。
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。但钒合金价格很高，因此，本发明钢V元素含量0.045～0.050%。
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0.13～0.15%。
N与钢中Nb、V、Al等固氮元素化合，有析出强化和沉淀强化作用，可以提升钢板强度。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元素含量控制在45ppm以下。
O、H是钢中有害气体元素，氧化物夹杂对钢的塑性、韧性、Z向性能极为有害，H在钢中易产生白点，形成氢脆现象，聚集在钢中影响延伸性能和Z向性能，因此O、H是需要严格控制的元素，本发明为保证钢板的塑性、韧性与Z向性能，控制钢中O≤30ppm、H≤1.5ppｍ，N+O≤70ppm。
本发明通过铁水预处理脱硫、转炉吹炼脱磷与合金化、LF炉精炼控硫与调温、RH真空处理脱气与均匀成分，达到所设计的成分要求。连铸采用电磁搅拌和动态轻压下技术，以及恒拉速控制与低过热度浇注、铸坯缓冷等多种手段，有效减轻铸坯中心偏析，达到所要求的铸坯质量。
本发明以C、Si、Mn作为基本强化元素，通过微合金元素Nb、V在控轧控冷过程中的复合强化作用，以及对P、S、As有害元素及N、O、H气体元素的有效控制，同时轧钢过程中通过对温度制度、压下制度、控轧控冷工艺以及正火工艺、回火工艺的严格控制，达到所需要钢板组织与性能的目的。
本发明生产方法中主要工艺参数的控制理由如下：
由于铌的溶解度随着加热温度的提高而增加，铌在碳锰钢中的一般溶解度关系：lg[Nb][C]=-6770/T+2.26。当含铌的硅锰钢在1200℃下加热2h，钢中90%的铌都可固溶到奥氏体基本中，加热到1260℃保温30min，则Nb（C、N）全部溶解，考虑到出钢过程温降和铸坯断面温差，本发明控制加热温度在 1180～1280℃范围，加热速率8～12min/cm，均热时间≥45min，出炉温度在1150～1180℃范围。
板坯出炉后表面温度下降比心部快，而温度越高，变形抗力越低，特厚板的轧制受压缩比小的限制，心部难以发生大的变形，适当降低板坯表面温度有利于让轧制力渗透到心部，促进板坯心部晶粒破碎与变形。但是受轧机负荷和变形极限的影响，不能无限地增加道次压下量，而多道次的轧制同样能够达到破碎晶粒，提高晶粒度的目的，因此本发明在粗轧阶段将表面温度降至1130±20℃进行粗轧，横轧道次压下量8～15mm，纵轧道次压下量20～25mm，轧至120～140mm进行温度等待。
精轧阶段在奥氏体未再结晶区进行。由于在900℃变形时Nb的析出质点比较小，为3～5nm，奥氏体未再结晶区进行多道次压下变形，可以加速C和Nb的扩散速度，具有较高畸变能，位错密度高，而Nb（C、N）颗粒的析出部位既在晶界上，也在晶内和亚晶界上，颗粒细小，有利于Z向性能的提升。随着温度降低，析出质点变小，长大也慢，在820℃左右时析出质点长大不超过30nm。因而，本发明精轧开轧温度不大于860℃，终轧温度控制在820±20℃，精轧末三道次压下量12～16mm。随后的控制冷却是为了相变后剩余在铁素体中的固溶铌和钒在铁素体中继续析出，但冷却速度过快时，碳氮化物的析出量达不到平衡转变时的析出量，会降低析出强化的效果，因此，轧后将钢板水冷至625±20℃即可。
本发明钢的AC3温度为862℃，因此达到奥氏体化的正火温度按865±5℃控制，为达到消除应力，均匀组织的目的，总在炉时间按产品厚度×1min/mm+（55～60）min控制。正火结束后出炉水冷至650±30℃，是为了促进V（C、N）析出相变细，并在铁素体基体内形核，阻止γ晶粒长大，从而使铁素体得到细化，起到析出强化作用，有利于提高钢板强度。
进一步在440±5℃回火，可以减小脆性，提高钢板的塑性和低温韧性，特别是厚钢板的心部冲击性能和Z向拉伸断面收缩率，回火温度建立在多次实验室热处理试验和工业炉热处理试验的基础上，得到所需要的稳定的力学性能和组织。
本发明的有益效果如下：
本发明的钢板厚度60～85mm，拉伸性能：屈服强度ReH≥370MPa，抗拉强度Rm≥520MPa，延伸率A≥24%，冲击性能：-50℃纵向冲击功KV2≥150J，Z向拉伸性能：Z向屈服强度ZRel≥360MPa，Z向抗拉强度ZRm≥500MPa，Z向断面收缩率Zz≥55%，钢板组织为铁素体+珠光体，铁素体晶粒度≥9级。
本发明是一种Z向拉伸性能优良的36kg级特厚高强度船板及其生产方法，可用于船舶、海洋工程等对钢板强度、低温韧性、厚度方向性能有较高要求的支撑件、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生产的钢板在100um下的金相组织图；
图2是本发明实施例1生产的钢板在20um下的金相组织图。
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为本发明各实施例及对比例钢板的加热、轧制工艺的主要参数取值列表；
下表3为本发明各实施例及对比例钢板的热处理工艺的主要参数取值列表；
下表4为本发明各实施例及对比例钢板力学性能测试结果列表。
本发明各实施例的一种Z向性能优良的36kg级特厚船板钢的制备方法，包括铁水预处理→BOF顶底复吹冶炼→LF炉精炼→RH炉真空处理→板坯浇注→铸坯缓冷→铸坯加热→轧制→冷却→正火→回火→空冷；其中：
（1）铁水预处理：高炉铁水P≤0.14%，S≤0.05%，As≤0.009%，加入石灰等脱硫剂进行深脱硫，并扒除高含硫渣，预处理后铁水中S≤0.003%。
（2）BOF转炉顶底复吹冶炼：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，氩站加入Ni、V、Nb等合金，脱氧合金化后入氩站底吹氩≥3min；
（3）炉外精炼：LF炉加入铝、萤石、电石等脱氧，加入石灰脱硫，出站S≤0.002%，Mn、Ni、V、Nb等合金成分达到目标要求，RH极限真空保持时间≥18min，使N≤45ppm、O≤30ppm、H≤1.5ppｍ；
（4）连铸：采用电磁搅拌和动态轻压下，铸坯厚度300～350mm；采用2对电搅辊，电磁搅拌电流为460A，频率6Hz，电搅辊分布在2段末和3段末；控制过热度15～25℃，恒拉速浇注，铸坯中心偏析控制在C1.5以内、中心疏松1.0以内，铸坯下线后在缓冷坑冷缓冷时间≥72小时；
（5）铸坯加热：控制加热温度在 1180～1280℃范围，加热速率8～12min/cm，均热时间≥45min，出炉温度在1150～1180℃范围；
（6）控制轧制：板坯出炉后表面温度降至1130±20℃进行粗轧，横轧道次压下量8～15mm，纵轧道次压下量20～25mm，轧至120～140mm进行温度等待；精轧开轧温度不大于860℃，终轧温度控制在820±20℃，精轧末三道次压下量12～16mm；轧后水冷至625±20℃；
（7）热处理：正火温度865±5℃，总在炉时间：产品厚度×1min/mm+（55～60）min，正火结束后出炉水冷至650±30℃，再空冷至室温；回火温度440±5℃，总在炉时间：产品厚度×1min/mm+（40～45）min，回火结束后出炉空冷至室温。
表1 本发明各实施例及对比例钢板的化学成分（wt%）取值列表
表2 本发明各实施例及对比例钢板的加热、轧制工艺的主要参数取值列表
表3 本发明各实施例及对比例钢板的热处理工艺的主要参数取值列表
表4 本发明各实施例及对比例钢板力学性能测试结果列表
由表可知，本发明实施例的屈服强度ReH均在370MPa以上，抗拉强度Rm在520MPa以上，延伸率A在24%以上，钢板-50℃纵向冲击功KV2在150J以上，Z向屈服强度ZRel在360MPa以上，Z向抗拉强度ZRm在500MPa以上，Z向断面收缩率Zz在55%以上，钢板组织为F+P，组织均匀，铁素体晶粒度9级以上，既有较高的强度和塑性，也有较好的低温冲击韧性，同时Z向拉伸性能良好。
附图1和附图2分别是本发明实施例1制得的钢板放大至100μm和放大至20μm的金相组织图，从图中可以看出钢板组织为F+P，组织均匀，带状组织基本消除，晶粒细小，铁素体晶粒度9.5级。
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Z向性能优良的36kg级特厚船板钢，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：0.030～0.040%，Nb：0.03～0.035%，V：0.045～0.050%，Ni：0.13～0.15%，As≤0.010%，P+S+As≤0.025%，N≤45ppm、O≤30ppm、H≤1.5ppｍ，N+O≤70ppm，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Z向性能优良的36kg级特厚船板钢，其特征在于：所述船板钢的钢板厚度60～85mm，拉伸性能：屈服强度ReH≥370MPa，抗拉强度Rm≥520MPa，延伸率A≥24%，冲击性能：-50℃纵向冲击功KV2≥150J，Z向拉伸性能：Z向屈服强度ZRel≥360MPa，Z向抗拉强度ZRm≥500MPa，Z向断面收缩率Zz≥55%，钢板组织为铁素体+珠光体，铁素体晶粒度≥9级。
3.如权利要求1所述的一种Z向性能优良的36kg级特厚船板钢的制备方法，包括铁水预处理→BOF顶底复吹冶炼→LF炉精炼→RH炉真空处理→板坯浇注→铸坯缓冷→铸坯加热→轧制→冷却→正火→回火→空冷；其特征在于其中：
（1）铁水预处理：高炉铁水P≤0.14%，S≤0.05%，As≤0.009%，加入石灰等脱硫剂进行深脱硫，并扒除高含硫渣，预处理后铁水中S≤0.003%；
（2）BOF转炉顶底复吹冶炼：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，氩站加入Ni、V、Nb等合金，脱氧合金化后入氩站底吹氩≥3min；
（3）炉外精炼：LF炉加入铝、萤石、电石等脱氧，加入石灰脱硫，出站S≤0.002%，Mn、Ni、V、Nb等合金成分达到目标要求，RH极限真空保持时间≥18min，使N≤45ppm、O≤30ppm、H≤1.5ppｍ；
（4）连铸：采用电磁搅拌和动态轻压下，铸坯厚度300～350mm；采用2对电搅辊，电磁搅拌电流为460A，频率6Hz，电搅辊分布在2段末和3段末；控制过热度15～25℃，恒拉速浇注，铸坯中心偏析控制在C1.5以内、中心疏松1.0以内，铸坯下线后在缓冷坑冷缓冷时间≥72小时；
（5）铸坯加热：控制加热温度在 1180～1280℃范围，加热速率8～12min/cm，均热时间≥45min，出炉温度在1150～1180℃范围；
（6）控制轧制：板坯出炉后表面温度降至1130±20℃进行粗轧，横轧道次压下量8～15mm，纵轧道次压下量20～25mm，轧至120～140mm进行温度等待；精轧开轧温度不大于860℃，终轧温度控制在820±20℃，精轧末三道次压下量12～16mm；轧后水冷至625±20℃；
（7）热处理：正火温度865±5℃，总在炉时间：产品厚度×1min/mm+（55～60）min，正火结束后出炉水冷至650±30℃，再空冷至室温；回火温度440±5℃，总在炉时间：产品厚度×1min/mm+（40～45）min，回火结束后出炉空冷至室温。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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