CN118086788A - 一种tmcp态低成本大线能量焊接用船板钢及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及TMCP态钢技术领域，具体涉及一种TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢及其制造方法。以重量百分比计，TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢的化学成分包括C：0.05%~0.18%，Si：0.10%~0.35%，Mn：0.90%~1.60%，P≤0.015%，S≤0.010%，V：0.015%~0.040%，Alt：0.020%~0.050%，Ti：0.005%~0.020%，Ca：0.0005%~0.0040%，B：0.0005%~0.0025%，其余为Fe及不可避免的杂质。本发明不添加Nb、Ni、Mo、Cu等贵重合金元素，不需要对矫直后钢板进行热处理，制造成本低，生产效率高。

Description

一种TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及TMCP态钢技术领域，具体涉及一种TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢及其制造方法。

背景技术

近年来，高速化、大型化和轻型化成为船舶建造的发展趋势，高强度、高韧性、易焊接性、耐蚀性成为造船及海洋工程用钢的研究方向。焊接是船体制造的关键环节，采用大线能量焊接来提高造船效率已成为造船企业的首选，船舶用钢大型化迫使船板厚度规格显著增加，如何提高厚规格船板的焊接效率成了造船的关键问题，大线能量焊接船板用钢的开发可以显著提高生产效率，降低生产成本，具有巨大的经济效益。

中国专利CN116426822A公开了一种TMCP态低成本大线能量焊接用低温结构钢及制造方法，该方法采用了贵重金属元素Ni，整体生产周期较长，成本较高；中国专利CN111926259A公开了一种大线能量焊接用低合金钢及其制备方法，采用了Nb、Ni、Mo、Cu等贵重合金，经济性较差；中国专利CN110835711A、CN109321846A等都含有合金元素Nb，成本偏高。其次，上述专利使用的Nb元素在一定范围内可提高母材钢板的强度和韧性，但在大线能量焊接的条件下，Nb元素不利于保证焊接热影响区的强度及韧性，甚至起到劣化的效果。

发明内容

针对大线能量焊接船板用钢中含有Nb、Ni、Mo、Cu等贵重合金，成本高的技术问题，本发明提供一种TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢及其制造方法，不添加Nb、Ni、Mo、Cu等贵重合金元素，不需要进行热处理，制造成本低，生产效率高。

第一方面，本发明提供一种TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢，以重量百分比计，化学成分包括C：0.05%~0.18%，Si：0.10%~0.35%，Mn：0.90%~1.60%，P≤0.015%，S≤0.010%，V：0.015%~0.040%，Alt：0.020%~0.050%，Ti：0.005%~0.020%，Ca：0.0005%~0.0040%，B：0.0005%~0.0025%，其余为Fe及不可避免的杂质；

TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢的屈服强度≥355MPa，抗拉强度≥490~630MPa，断后伸长率≥21%，适合焊接线能量为50-300kJ/cm，在300kJ/cm焊接条件下钢板焊接热影响区（HAZ）的-40℃平均冲击功≥150J。

进一步的，TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢的Ceq≤0.42%。

进一步的，TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢的厚度为20~80mm。

第二方面，本发明提供一种上述TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢的制造方法，至少包括如下步骤：

连铸坯加热时间为4.5~6.5h，加热后出炉温度控制在1160~1250℃；轧制采用粗轧+精轧的模式，粗轧阶段始终保持纵向延展，高温大压下、大变形，充分再结晶，减少道次，粗轧阶段开轧温度≥1050℃，至少2道次的轧制压下率≥25%，粗轧成≥2.0倍成品厚度的中间坯；精轧开轧温度为810~960℃，精轧终轧温度为720~860℃；轧后控制冷却，对钢板进行ACC水冷，开冷温度≥680℃，终冷温度≥200℃。

进一步的，按照如下工序制造TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢：

铁水脱硫预处理→转炉冶炼→LF精炼→RH精炼→连铸→铸坯切割→铸坯下线缓冷→板坯加热→高压水除鳞→粗轧→精轧→水冷→矫直，无需对矫直后的钢板进行回火热处理。

进一步的，铁水脱硫预处理后控制S≤0.002%。

进一步的，转炉冶炼控制金属液面扒渣裸露≥90%，转炉冶炼控制终点C≤0.05%，终点P≤0.015%。

进一步的，采用Si-Mn合金在钢包中进行脱氧，氧含量控制在100ppm以下，待氧含量达到要求后，严格按照Ti铁→包芯线→Al线→V铁→锰铁→B铁的顺序添加，每添加一种合金需搅拌2~4min后填入另一种合金，包芯线的成分包括但不限于Si、Ti、Al、Mn、Mg、Ce，作为辅料添入钢液。

进一步的，RH精炼工序添加Ca线，最大程度降低Ca元素的烧损，且抽真空处理控制真空度≤500Pa，保压时间15~20min。

进一步的，连铸过程控制中间包过热度12~30℃，连铸坯入缓冷坑缓冷24h以上，保证铸坯中心偏析不超过C1.0级。

本发明TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢的化学成分设计原理：

碳（C）：碳是间隙固溶元素，钢中含碳量增加时，屈服和抗拉强度升高，但塑性和冲击韧性会降低，母材和焊接热影响区的韧性和焊接性能变差，为有效改善大线能量焊接热影响区的韧性，降低焊接裂纹敏感性，将碳含量设计为0.05%~0.18%范围；

硅（Si）：硅能溶于铁素体和奥氏体中从而提高钢的硬度和强度，弥补低碳含量造成的部分强度损失，同时硅也是钢水中脱氧所需的化学元素，因此硅含量设计为0.10%~0.35%范围；

锰（Mn）：锰能溶于铁素体和奥氏体中，可提高钢的强度和硬度，同时MnS的析出有利于晶内针状铁素体的生成，一定程度上可提高钢的焊接性能；锰也是良好的脱氧剂和脱硫剂，与硅共同添加进行复合脱氧，锰含量设计为0.90%~1.60%范围；

钒（V）：钒在钢中主要以碳化物和氮化物的形式存在，通过析出强化提高强度，抑制奥氏体晶粒长大，改善钢的焊接性能，钒含量设计为0.015%~0.040%；

铝（Al）：铝是脱氧元素，在钢中可形成细小的氧化物弥散分布，有效的细化晶粒，含量超过0.070%时，脱氧作用达到饱和，含量增加则对母材及焊接热影响区韧性有害，铝含量设计范围为0.020%~0.050%；

钛（Ti）：钛在钢中易形成细小的碳氮化物颗粒，通过阻碍奥氏体长大，抑制焊接热影响区的晶粒粗化，钛的氧化物作为形核质点，促进针状铁素体的生成，进而提高热影响区的低温韧性，钛含量的设计为0.005%~0.020%；

钙（Ca）：钙在钢中可以细化晶粒、脱硫、改变非金属夹杂的数量、成分和形态，同时也作为钢水的脱氧剂，但钙含量过高，已形成大尺寸夹杂物，影响焊接性能，钙含量设计为0.0005%~0.0040%；

硼（B）：微量硼可与钛形成硼化钛、与氮形成氮化硼，促进焊接过程中针状铁素体的形成，提高焊接性能。同时硼也能使钢中的淬透性显著提高，但过量硼会增加钢板脆性，因此硼含量的设计范围为0.0005%~0.0025%。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明简化了大线能量焊接用钢的生产工艺，生产效率得到大幅提高，且实现了钢板在大线能量焊接条件下，保持低温韧性的特点；

（2）本发明利用氧化物冶金技术，在LF精炼工序添加适量的合金元素，促使钢中生成复合氧化物，同时，将含有Si、Ti、Al、Mn、Mg、Ce等元素的包芯线作为辅料加入，进一步形成弥散的高熔点氧化物，诱导晶内形成针状铁素体，同时细化分割奥氏体晶粒，进而显著提高钢板的焊接性能；

（3）本发明制造方法未添加Nb、Ni、Mo、Cu等贵重合金元素，避免Nb等对焊接热影响区韧性的影响，降低了合金成本，大线能量焊接条件下性能优异，利于推广应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是实施例1的TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢的显微组织照片。

图2是实施例1的TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢氧化物粒子的照片。

图3是实施例1的TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢在300kJ/cm大线能量条件下，焊接接头冲击断口形貌照片。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1

一种30mm厚TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢，以重量百分比计，化学成分包括C：0.12%，Si：0.25%，Mn：1.56%，P：0.010%，S：0.008%，V：0.030%，Alt：0.030%，Ti：0.018%，Ca：0.0030%，B：0.015%，其余为Fe及不可避免的杂质，Ceq：0.38%。

该TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢按照如下工序进行制造：

铁水脱硫预处理→转炉冶炼→LF精炼→RH精炼→CCM连铸→铸坯切割→铸坯下线缓冷→板坯加热→高压水除鳞→粗轧→精轧→水冷→矫直→探伤→切割→检验、喷号→入库，无需对矫直工序后的钢板进行回火热处理。

其中，铁水脱硫预处理后S：0.002%，金属液面扒渣裸露90%，转炉冶炼终点C：0.05%，终点P：0.013%；LF精炼过程对钢水的合金成分进行调整，采用Si-Mn合金在钢包中进行脱氧，脱氧后氧含量为100ppm，氧含量达到要求后，严格按照Ti铁→包芯线→Al线→V铁→锰铁→B铁的顺序添加，每添加一种合金搅拌2~4min后填入另一种合金；RH精炼工序添加Ca线，最大程度降低Ca元素的烧损，抽真空处理真空度为200Pa，保压时间16min；连铸过程中间包过热度为15℃，连铸坯入缓冷坑缓冷36h，铸坯中心偏析为C1.0级；连铸坯加热时间5.5h，加热后出炉温度为1210℃；轧制采用粗轧+精轧的模式，粗轧阶段始终保持纵向延展，高温大压下、大变形，充分再结晶，减少道次，粗轧阶段开轧温度1080℃，其中2道次的轧制压下率25%以上，粗轧成2.5倍成品厚度的中间坯；精轧开轧温度为880℃，精轧终轧温度为830℃；轧后控制冷却，对钢板进行ACC水冷，开冷温度为810℃，终冷温度为500℃。

该TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢的力学性能如下表1所示。

表1 实施例1钢板的性能情况

实施例2

一种45mm厚TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢，以重量百分比计，化学成分包括C：0.10%，Si：0.20%，Mn：1.60%，P：0.008%，S：0.005%，V：0.033%，Alt：0.035%，Ti：0.020%，Ca：0.0025%，B：0.0012%，其余为Fe及不可避免的杂质，Ceq：0.38%。

该TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢按照如下工序进行制造：

铁水脱硫预处理→转炉冶炼→LF精炼→RH精炼→CCM连铸→铸坯切割→铸坯下线缓冷→板坯加热→高压水除鳞→粗轧→精轧→水冷→矫直→探伤→切割→检验、喷号→入库，无需对矫直工序后的钢板进行回火热处理。

其中，铁水脱硫预处理后S：0.002%，金属液面扒渣裸露90%，转炉冶炼终点C：0.05%，终点P：0.013%；LF精炼过程对钢水的合金成分进行调整，采用Si-Mn合金在钢包中进行脱氧，脱氧后氧含量为66ppm，氧含量达到要求后，严格按照Ti铁→包芯线→Al线→V铁→锰铁→B铁的顺序添加，每添加一种合金搅拌2~4min后填入另一种合金；RH精炼工序添加Ca线，最大程度降低Ca元素的烧损，抽真空处理真空度为200Pa，保压时间17min；连铸过程中间包过热度为25℃，连铸坯入缓冷坑缓冷36h，铸坯中心偏析为C1.0级；连铸坯加热时间6.0h，加热后出炉温度在1220℃；轧制采用粗轧+精轧的模式，粗轧阶段始终保持纵向延展，高温大压下、大变形，充分再结晶，减少道次，粗轧阶段开轧温度1050℃，其中2道次的轧制压下率25%以上，粗轧成2.0倍成品厚度的中间坯；精轧开轧温度为900℃，精轧终轧温度为840℃；轧后控制冷却，对钢板进行ACC水冷，开冷温度为830℃，终冷温度为480℃。

该TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢的力学性能如下表2所示。

表2 实施例2钢板的性能情况

实施例3

一种60mm厚TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢，以重量百分比计，化学成分包括C：0.12%，Si：0.25%，Mn：1.54%，P：0.006%，S：0.003%，V：0.030%，Alt：0.035%，Ti：0.017%，Ca：0.0030%，B：0.0016%，其余为Fe及不可避免的杂质，Ceq：0.38%。

该TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢按照如下工序进行制造：

铁水脱硫预处理→转炉冶炼→LF精炼→RH精炼→CCM连铸→铸坯切割→铸坯下线缓冷→板坯加热→高压水除鳞→粗轧→精轧→水冷→矫直→探伤→切割→检验、喷号→入库，无需对矫直工序后的钢板进行回火热处理。

其中，铁水脱硫预处理后S：0.002%，金属液面扒渣裸露90%，转炉冶炼终点C：0.05%，终点P：0.013%；LF精炼过程对钢水的合金成分进行调整，采用Si-Mn合金在钢包中进行脱氧，脱氧后氧含量为40ppm，氧含量达到要求后，严格按照Ti铁→包芯线→Al线→V铁→锰铁→B铁的顺序添加，每添加一种合金搅拌2~4min后填入另一种合金；RH精炼工序添加Ca线，最大程度降低Ca元素的烧损，抽真空处理真空度为200Pa，保压时间16min；连铸过程中间包过热度20℃，连铸坯入缓冷坑缓冷48h，铸坯中心偏析为C1.0级；连铸坯加热时间5.5h，加热后出炉温度在1230℃；轧制采用粗轧+精轧的模式，粗轧阶段始终保持纵向延展，高温大压下、大变形，充分再结晶，减少道次，粗轧阶段开轧温度1080℃，其中2道次的轧制压下率25%以上，粗轧成2.0倍成品厚度的中间坯；精轧开轧温度为880℃，精轧终轧温度为840℃；轧后控制冷却，对钢板进行ACC水冷，开冷温度为820℃，终冷温度为550℃。

该TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢的力学性能如下表3所示。

表3 实施例3钢板的性能情况

尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢，其特征在于，以重量百分比计，化学成分包括C：0.05%~0.18%，Si：0.10%~0.35%，Mn：0.90%~1.60%，P≤0.015%，S≤0.010%，V：0.015%~0.040%，Alt：0.020%~0.050%，Ti：0.005%~0.020%，Ca：0.0005%~0.0040%，B：0.0005%~0.0025%，其余为Fe及不可避免的杂质；

TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢的屈服强度≥355MPa，抗拉强度≥490~630MPa，断后伸长率≥21%，适合焊接线能量为50-300kJ/cm，在300kJ/cm焊接条件下钢板焊接热影响区的-40℃平均冲击功≥150J。

2.如权利要求1所述的TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢，其特征在于，TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢的Ceq≤0.42%。

3.如权利要求1所述的TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢，其特征在于，TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢的厚度为20~80mm。

4.一种如权利要求1~3任一所述的TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢的制造方法，其特征在于，至少包括如下步骤：

连铸坯加热时间为4.5~6.5h，加热后出炉温度控制在1160~1250℃；轧制采用粗轧+精轧的模式，粗轧阶段开轧温度≥1050℃，至少2道次的轧制压下率≥25%，粗轧成≥2.0倍成品厚度的中间坯；精轧开轧温度为810~960℃，精轧终轧温度为720~860℃；轧后控制冷却，对钢板进行ACC水冷，开冷温度≥680℃，终冷温度≥200℃。

5.如权利要求4所述的制造方法，其特征在于，按照如下工序制造TMCP态低成本大线能量焊接用船板钢：

铁水脱硫预处理→转炉冶炼→LF精炼→RH精炼→连铸→铸坯切割→铸坯下线缓冷→板坯加热→高压水除鳞→粗轧→精轧→水冷→矫直。

6.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，铁水脱硫预处理后控制S≤0.002%。

7.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，转炉冶炼控制金属液面扒渣裸露≥90%，转炉冶炼控制终点C≤0.05%，终点P≤0.015%。

8.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，LF精炼过程采用Si-Mn合金在钢包中进行脱氧，氧含量控制在100ppm以下，待氧含量达到要求后，严格按照Ti铁→包芯线→Al线→V铁→锰铁→B铁的顺序添加，每添加一种合金搅拌2~4min后填入另一种合金。

9.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，RH精炼工序添加Ca线，抽真空处理控制真空度≤500Pa，保压时间15~20min。

10.如权利要求5所述的制造方法，其特征在于，连铸过程控制中间包过热度12~30℃，连铸坯入缓冷坑缓冷24h以上，保证铸坯中心偏析不超过C1.0级。