CN115786806B - 一种具有良好低温韧性的高强度低碳当量特厚钢板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有良好低温韧性的高强度低碳当量特厚钢板及其制造方法，钢板的生产厚度为300‑360mm，组织为铁素体和珠光体以及少量贝氏体，晶粒度为8.0‑9.0级。板厚1/4和1/2处屈服强度均＞355MPa、抗拉强度均＞470MPa、延伸率均＞20％、‑40℃夏比V型缺口冲击功均＞100J，板厚1/2处的Z向断面收缩率＞35％。本发明采取了更低的碳和锰含量设计，结合添加总量不超过0.11％的微合金元素Nb、V和Ti细化晶粒和沉淀强化，以及0.40‑0.50％的Ni元素提高低温韧性和强度，碳当量CEV≤0.44％。方法中采取正火加热后入水加速冷却至返红温度500‑540℃，使钢的冷却相变经过珠光体转变区和贝氏体转变区，而后在630‑650℃进行回火，以适当降低强度和硬度，获得塑性和韧性上的提高。
Description
技术领域
本发明属于铁基合金技术领域，尤其涉及一种特厚钢板及其制造方法。
背景技术
对于厚度300mm以上的特厚钢板，受限于连铸坯厚度，采用连铸坯轧制时压缩比偏小，导致内部质量、Z向性能和-40℃低温冲击性能均难以保证，故一般采用锻造坯、大厚度扁锭和电渣重熔扁锭进行生产，这些坯料具有大单重、小批量的优势，但存在项目投资大、生产流程长、能耗高、成材率低、难以大批量生产的缺点。近年来，本领域研发人员开展了采用复合坯生产大厚度特厚钢板的研究，有效的攻克了特厚钢板生产能耗高、成材率低和难以大批量生产的问题，同时还具备大单重和生产组织灵活的优点，大大降低了特厚钢板的生产成本。
专利公开号为CN106191658A的发明专利“一种三坯复合生产特厚低温冲击钢板的工艺”，提供了一种采用200mm断面连铸坯作为基坯三坯复合，通过真空电子束焊接、加热、轧制和热处理工序生产最大厚度为220mm的特厚钢板生产工艺。在板厚1/4处检测力学性能，屈服强度≥295MPa，-40℃低温冲击≥100J，Z向性能≥50％，但未提及板厚1/2处力学性能和钢板探伤性能，且基坯和钢板厚度较小，板厚1/4处强度值偏低，不能完全满足行业需要。
专利公开号为CN105274433A的发明专利“一种特厚钢板及其复合生产方法”，其含有C0.16-0.20％、Si0.35-0.65％、Mn1.2-1.6％、V0.05-0.09％、Ti0.01-0.03％、N0.008-0.012％、Als0.015-0.035％，提供一种采用连铸坯作为基坯，经炼钢、连铸、真空复合焊接、加热和轧制生产厚度为150-450mm钢板的工艺，探伤合格，Z向性能40％以上，但未提及板厚1/4和1/2处的常温和低温冲击性能，不能满足行业对300mm以上特厚钢板的韧性要求。
专利公开号为CN107177793A的发明专利“一种厚度400-610mm的低合金特厚结构钢板及其制造方法”，提供了一种采用370mm断面连铸坯作为基坯三坯复合，复合坯厚度为1050-1090mm，通过真空电子束焊接、复合坯加热、轧制和正火处理工序，生产厚度为＞400-610mm的低合金特厚钢板，钢板厚度方向断面收缩率≥50％，-20℃低温冲击可满足单值≥100J，但未提及-40℃低温冲击要求，且屈服强度偏低(最大为315MPa)，不能完全满足下游行业对特厚钢板高强韧性匹配和低温环境使用的需要。
专利公开号为CN107385328A的发明专利“两坯复合生产的具有优良内部质量、低温冲击韧性和抗层状撕裂性能的低合金特厚钢板”，提供了一种采用370mm-450mm断面连铸坯作为基坯两坯复合，通过复合坯加热、轧制和正火处理工序，生产厚度为＞150-400mm的低合金特厚钢板，厚度方向性能可满足Z35,低温冲击韧性满足-40℃冲击单值≥100J,且320和400mm厚钢板屈服强度最大仅为313MPa，不能满足下游行业对高强韧性匹配的要求。
发明内容
本发明提出一种整板性能均匀的300-360mm厚高强度高韧性易焊接钢板及其制造方法，采用450mm以上厚度的连铸坯两坯复合或365mm以上厚度的连铸坯三坯复合，通过对复合坯加热、轧制、正火加速冷却和回火等工序，生产厚度为300-360mm、具有-40℃冲击韧性、整板性能均匀的高强度易焊接钢板，钢板探伤可满足EN 10160S1E1级要求；具备高强度和低温韧性，拉伸性能可以达到GB/T 1591-2018中355级钢板厚度扩大至360mm而强度不降低的水平，板厚1/4和1/2处的-40℃夏比V型缺口冲击功均＞100J，板厚1/2处的Z向断面收缩率＞35％，有效满足了风电、水电、桥梁和工程机械等行业对内部质量良好、整板性能均匀、具备高强韧性匹配、适用于低温环境使用且具有易焊接特性的特厚钢板的需求。
本发明所采用的技术方案为：本申请300-360mm厚具有良好低温韧性的高强度低碳当量特厚钢板的化学成分质量百分比为C0.10-0.13％、Si0.20-0.30％、Mn1.50-1.60％、P≤0.010％、S≤0.005％、Ni 0.40-0.50％、Nb0.035-0.045％、V0.020-0.040％、Ti0.010-0.020％、Alt0.020-0.040％，其余Fe和不可避免杂质；由熔炼分析成分计算的碳当量CEV≤0.44％，碳当量计算公式为CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。
本发明选择以上合金元素种类及其含量是因为：
碳：钢中提高强度的最重要元素，通过间隙固溶强化可显著提高钢板的强度和硬度，但碳含量过高会使钢板的塑性和韧性变差。本发明综合考虑对强度和韧性的影响，结合钢板的可焊性要求，碳含量选择范围为0.10-0.13％。
硅：炼钢过程中主要的还原剂和脱氧剂，通过间隙固溶强化提高钢的强度，但含量过高会对表面质量、韧性及焊接性能产生不利影响。本发明重点考虑对强度的影响，硅含量的选择范围为0.20-0.30％。
锰：良好的脱氧剂和脱硫剂，以置换固溶强化为主，能提高钢板的强度和韧性，但含量过高会导致连铸坯中心偏析严重，影响冲击韧性和整板性能均匀性。本发明综合考虑强度、韧性和整板均匀性的影响，锰含量的选择范围为1.50-1.60％。
磷：一般情况下是钢中的有害元素，增加钢的冷脆性，使塑性和焊接性能变差，应在控制成本合理的情况下，尽量降低磷含量。本发明重点考虑对焊接性能的影响，磷含量控制在≤0.010％。
硫：硫是钢中的有害元素，增加钢的热脆性，降低钢的延展性和韧性，对焊接性能不利，在锻造和轧制时容易产生裂纹，但硫能增加钢的易切削性能，除非有特殊要求，否则应尽量降低硫含量。本发明重点考虑韧性和焊接性能，硫含量控制在≤0.005％。
镍：钢中的一种固溶强化剂，也是较好的淬透性添加剂，能显著提高低温冲击韧性，但是金属镍属于稀缺资源，成本较高。本发明综合考虑强度、低温冲击韧性要求和成本因素，镍含量的选择范围为0.40-0.50％。
铌、钒和钛：钢中常用的微合金化元素，在热加工过程中抑制奥氏体的形变再结晶并阻止其晶粒长大，通过其碳氮化合物的应变诱导析出实现沉淀强化；铌能显著提高奥氏体再结晶温度，扩大未再结晶范围，便于实现高温轧制，钒在钢中通过形成V(C,N)影响钢的组织和性能，主要在奥氏体晶界的铁素体中沉淀析出，铌的完全固溶温度较高，钒的固溶温度低，本发明将铌和钒进复合添加，达到同时提高强度和韧性的目的，铌含量的选择范围为0.035-0.045％，钒含量的选择范围为0.020-0.040％；钛是强碳化物形成元素,TiC在1000℃以上时才开始缓慢的融入固溶体中，能有效阻止铸坯加热时奥氏体晶粒粗化，同时综合考虑Nb(C,N)的有效析出和V的固溶强化作用，钛含量的选择范围为0.010-0.020％。
铝：钢中常用的脱氧剂，可通过形成AlN起到细化晶粒的作用，提高冲击韧性。本发明重点考虑AlN的细化晶粒作用，Al含量选择范围为0.020-0.040％。
本发明在成分设计上，综合考虑整板性能均匀性、高强韧性匹配、服役于-40℃低温环境和易焊接等要求，适当降低C和Mn元素的使用，加入Nb、V、Ti和Al等微合金元素细化晶粒和沉淀强化，加入Ni元素提高低温冲击韧性和强度，设计碳当量CEV≤0.44％。
上述具有良好低温韧性的高强度低碳当量特厚钢板的制造方法，包括如下步骤：
1)钢水冶炼和浇铸：采用KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气冶炼钢水，钢水目标成分按照质量百分为：C0.10-0.13％、Si0.20-0.30％、Mn1.50-1.60％、P≤0.010％、S≤0.005％、Ni 0.40-0.50％、Nb0.035-0.045％、V0.020-0.040％、Ti0.010-0.020％、Alt0.020-0.040％，其余Fe和不可避免杂质的元素成分冶炼钢水；由熔炼分析成分计算的碳当量CEV≤0.44％，碳当量计算公式为CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15；钢水浇铸成365mm以上或者450mm以上厚度的铸坯，对铸坯进行加罩堆垛缓冷以扩氢，堆垛缓冷时间≥120小时，出罩温度≤200℃；
2)基坯复合：以多块钢坯作为基坯，基坯表面铣磨去除缺陷后焊接组合成复合坯，复合坯厚度为860-1060mm；
3)复合坯加热和轧制：均热炉500℃以下装钢，焖钢2小时以上；低温段以不大于65℃/h的加热速度加热到800℃±(0～100)℃，并保温3-4小时；中温段以不大于80℃/h的速度加热到1000℃±(0～100)℃，保温1小时以上；高温段升温速度不限，升温至1250-1290℃，保温15-17小时；
复合坯出炉后经高压水除鳞，采用奥氏体再结晶区轧制，设置开轧温度为1050～1120℃，终轧温度为840-880℃，为防止混晶，前6个道次中至少确保4个道次压下率＞5.5％，剩余道次中至少确保4个道次的单道次压下率＞7％；轧后钢板加罩缓冷72小时以上，至温度≤150℃出罩，降低钢中H含量以改善钢板内部质量和芯部性能；
4)钢板热处理：对缓冷后的钢板进行正火加速冷却+回火处理，正火温度为890-910℃，在炉时间2.2-2.5min/mm，出炉后在800-850℃整板入水10-16min加速冷却，确保返红温度为500-540℃，尔后空冷至室温；回火温度为630-650℃，在炉时间3.0-3.5min/mm，出炉后空冷至室温。
本发明的有益效果为：钢板的生产厚度为300-360mm，晶粒度为8.0-9.0级，板厚1/4和1/2处屈服强度均＞355MPa，板厚1/4和1/2处抗拉强度均＞470MPa，板厚1/4和1/2处延伸率均＞20％，板厚1/4和1/2处-40℃夏比V型缺口冲击功均＞100J，板厚1/2处的Z向断面收缩率＞35％，钢板成品的金相组织为铁素体+珠光体+贝氏体(少量)。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1)为使所述钢具有良好的焊接性能，同时具备高强度和良好-40℃低温冲击韧性的匹配，本发明采取了更低的碳和锰含量设计，结合添加总量不超过0.11％的微合金元素Nb、V和Ti细化晶粒和沉淀强化，以及0.40-0.50％的Ni元素提高低温韧性和强度，碳当量CEV≤0.44％。
2)为避免厚度300mm以上特厚钢板正火空冷过程中由于晶粒长大造成强度和韧性降低，本发明采取正火加热后入水加速冷却至返红温度500-540℃，使钢的冷却相变经过珠光体转变区和贝氏体转变区，最终得到细化的铁素体+珠光体+贝氏体(少量)组织；而后在630-650℃进行回火，以适当降低强度和硬度，获得塑性和韧性上的提高，以得到综合性能好的钢板。
附图说明
图1为本发明实施例360mm厚钢板的板厚上1/4处的显微组织图；
图2为本发明实施例360mm厚钢板的板厚下1/4处的显微组织照片。
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。
实施例
本实施例钢板的厚度为360mm，其化学成分按重量百分比计为：C0.11％、Si0.23％、Mn1.53％、P0.007％、S0.0006％、Ni0.437％、V0.022％、Alt0.030％、Ti0.015％、H0.00009％、N0.00306％、Nb0.037％、CEV0.42％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
该钢板的制造工艺为：KR铁水预处理—转炉冶炼—LF精炼—RH真空脱气—连铸—缓冷—检查清理—真空焊接—坯料加热—轧制—正火加速冷却—回火等工序。
主要工序的具体操作如下：
1)基坯炼钢和连铸：采用KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气处理生产出高纯净钢水，然后通过特厚连铸板坯生产工艺生产出365mm厚连铸板坯，对连铸坯进行加罩堆垛缓冷扩氢处理，堆垛缓冷时间≥120小时，出罩温度≤200℃；
2)基坯复合：以3块365mm厚连铸坯作为基坯，表面铣磨后在真空室内通过电子束焊接组合成复合坯，复合坯厚度为1060mm，连铸坯厚度为365mm，三坯复合前，需要清理连铸坯表面缺陷，有一定的厚度损耗；
3)复合坯加热和轧制：均热炉500℃以下装钢，焖钢2小时；低温段以不大于65℃/h的加热速度加热到800℃，在该温度保温3-4小时；中温段以不大于80℃/h的速度加热到1000℃，保温约1小时；高温段升温速度不限，升温至1250-1290℃，保温15-17小时。
经高压水除鳞后，开轧温度为1050～1120℃，终轧温度为840-880℃，总轧制道次为18次，前6个道次中有4个道次压下率＞5.5％，其他道次中有4个道次的单道次压下率＞7％；轧后钢板加罩缓冷≥72小时，至温度≤150℃出罩，降钢板中H含量以改善钢板内部质量和芯部性能。
4)钢板热处理：对缓冷后的钢板进行正火加速冷却+回火处理，正火温度为890-910℃，在炉时间2.5min/mm，出炉后800℃整板入水14-16min进行加速冷却，确保返红温度为500℃左右，而后空冷至室温；回火温度为630-650℃，在炉时间3.5min/mm，出炉后空冷至室温。
经由上述制造工艺制得的一种性能均匀的360mm厚高强度高韧性易焊接钢板，UT探伤满足EN 10160S1E1级，具有内部质量良好、整板性能均匀、具备高强度和高韧性匹配、适用于-40℃低温环境且易焊接的特性，详见表1。
表1实施例所生产的钢板的力学性能
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 (4)
1.一种具有良好低温韧性的高强度低碳当量特厚钢板的制造方法，其特征在于：包括如下步骤，
1)钢水冶炼和浇铸：按照质量百分比为：C0.10-0.13％、Si0.20-0.30％、Mn1.50-1.60％、P≤0 .010％、S≤0 .005％、Ni0.40-0.50％、Nb0.035-0.045％、V0.020-0.040％、Ti0.010-0.020％、Alt0.020-0.040％，其余Fe和不可避免杂质的元素成分冶炼钢水；由熔炼分析成分计算的碳当量CEV≤0.44％，碳当量计算公式为CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15；将钢水浇铸成钢坯；
2)基坯复合：以多块钢坯作为基坯，基坯表面铣磨去除缺陷后焊接组合成复合坯，复合坯厚度为860-1060mm；
3)复合坯加热和轧制：均热炉500℃以下装钢，焖钢2小时以上；低温段以不大于65℃/h的加热速度加热到800℃±(0～100)℃，并保温3-4小时；中温段以不大于80℃/h的速度加热到1000℃±(0～100)℃，保温1小时以上；高温段升温速度不限 ，升温至1250-1290℃，保温15-17小时；
复合坯出炉后经高压水除鳞，采用奥氏体再结晶区轧制，设置开轧温度为1050～1120℃，终轧温度为840-880℃，为防止混晶，前6个道次中至少确保4个道次压下率＞5.5％，剩余道次中至少确保4个道次的单道次压下率＞7％；轧后钢板加罩缓冷72小时以上，至温度≤150℃出罩；
4)钢板热处理：对缓冷后的钢板进行正火加速冷却+回火处理，正火温度为890-910℃，在炉时间2.2-2.5min/mm，出炉后在800-850℃整板入水10-16min加速冷却，确保返红温度为500-540℃，而后空冷至室温；回火温度为630-650℃，在炉时间3.0-3.5min/mm，出炉后空冷至室温；
钢板的生产厚度为300-360mm。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述钢板的金相组织为铁素体和珠光体以及少量贝氏体，晶粒度为8.0-9.0级。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述钢板板厚1/4和1/2处屈服强度均＞355MPa，板厚1/4和1/2处抗拉强度均＞470MPa，板厚1/4和1/2处延伸率均＞20%，板厚1/4和1/2处-40℃夏比V型缺口冲击功均＞100J，板厚1/2处的Z向断面收缩率＞35%。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1)中，采用KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气冶炼钢水，钢水浇铸成365mm以上厚度的铸坯，对铸坯进行加罩堆垛缓冷以扩氢，堆垛缓冷时间≥120小时，出罩温度≤200℃。
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