WO2017185668A1 - 一种易焊接低温抗层状撕裂性能优异的钢板及其制备方法 - Google Patents

一种易焊接低温抗层状撕裂性能优异的钢板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

提供一种易焊接低温抗层状撕裂性能优异的钢板,该钢板的化学成分质量百分含量为C 0.05-0.09%;Si 0.2-0.4%;Mn 0.9-1.3%;Al 0.02-0.04%;Nb 0.01-0.03%;V 0.03-0.05%;Cr 0.3-0.5%;Ni 1.0-1.4%;Mo 0.3-0.6%;Cu 0.2-0.6%;Ti 0.01-0.02%;B 0.001-0.002%;P≤0.015%;S≤0.003%;N≤0.007%;余量为Fe及不可避免的杂质,碳当量≤0.60;焊接裂纹敏感系数为:Pcm≤0.28。经KR铁水预处理-转炉冶炼-LF精炼-RH真空脱气-连铸-轧制-矫直-钢板堆缓冷-淬火回火等工艺步骤,制造厚度分别70-100mm的高强高韧性易焊接钢板。

Description

一种易焊接氏温抗层状撕裂性能优异的钢板及其制备方 法
技术领域
[0001] 本发明涉及 690MPa级中厚钢板锻造技术领域, 具体涉及一种易焊接的抗层状 撕裂性能优异的 690MPa级钢板及其制造方法。
背景技术
[0002] 自升式钻井平台桩腿主弦管主要由齿条板与半圆板焊接而成, 因此, 半圆板作 为自升式钻井平台的一个关键部位, 不仅要求具有高强度高韧性, 还要求具有 良好的易焊接性和抗层状撕裂性能以满足平台建造过程中的焊接要求。 通常, 要求半圆板的屈服强度≥690MPa, 抗拉强度 770〜940MPa, 延伸率≥14<¾, 钢板 1 /4厚度处 -40°C的夏比冲击功≥69J。 随着深海油气勘探的不断发展, 为满足超恶 劣环境下海洋平台的安全需要, 除了上述要求意外, 对半圆板在低温下的冲击 功韧性、 焊接性和抗层状撕裂性能提出了更高的要求, 要求 -60°C下夏比冲击功≥ 69 J , 。在≤0.12<¾的情况下, Pcm≤0.30, Z向断面收缩率≥35<¾。 目前, 低碳设计 的低裂纹敏感性易焊接的可在 -60°C下使用的 70-100mm厚度的高强高韧性钢板在 国内还未见有报道。
[0003] 专利公告号为 CN103014541A的发明专利提出了一种 690MPa级厚规格海洋工程 用钢及其制造方法, 可制造最大厚度 120mm的钢板, -60°C下夏比冲击功满足≥6 9J的要求。 但是, 该技术 C含量 0.08-0.15%, 120mm厚度 C含量达到 0.13%, 碳当 量约为 0.73, 使得该钢板不满足易焊接的要求。
[0004] 专利公告号为 CN101418418A的发明专利提出了一种屈服强度 690MPa级低裂纹 敏感性钢板及其制造方法。 但是, 其最大厚度为 60mm, 同吋未披露 -60°C冲击性 能。
[0005] 专利公告号为 CN105039865A的发明专利提出了一种高强度高韧性钢板及其制 造方法, C含量在 0.12-0.17%, -40°C夏比冲击功≥100J, 未明确 Ceq和 Pcm值, C 含量较高, 不满足易焊接要求, 同吋也没有明确 -60°C低温冲击功情况。 技术问题
[0006] 本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种可在 -60°C条件下使 用的 70-100mm厚度、 碳当量≤0.60、 冷裂纹敏感系数 (Pcm) ≤0.28的易焊接高强 高韧性抗层状撕裂性能优异的 690MPa钢板及其制造方法。
[0007] 为了提高钢板的强度, 钢板中的碳含量一般要保持在较大含量上, 但是随着碳 含量的提高, 钢材的焊接性能会变得较差; 特别地, 在需要增加钢板厚度的情 况下, 在保证钢板强度不下降的前提下, 更加需要提高成分中的碳含量, 也就 进一步导致钢材焊接性能、 抗层状撕裂性能的恶化, 使钢板在结构钢应用领域 受到限制。
问题的解决方案
技术解决方案
[0008] 本发明解决上述问题所采用的技术方案为: 一种易焊接低温抗层状撕裂性能优 异的钢板, 钢板的化学成分质量百分含量为 C 0.05-0.09%; Si 0.2-0.4%; Mn 0.9-1.3%; Al 0.02-0.04%; Nb 0.01-0.03%; V 0.03-0.05%; Cr 0.3-0.5%; Ni 1.0-1.4%; Mo 0.3-0.6%; Cu 0.2-0.6%; Ti 0.01-0.02%; B
0.001-0.002%; P<0.015%; S<0.003%; N<0.007%; 余量为 Fe及不可避免的杂质 , 碳当量≤0.60; 焊接裂纹敏感系数为 Pcm≤0.28, Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20 +Ni/60+Mo/15+V/10+5B。
[0009] 与发明专利公幵号 103014541A相比, 本发明采取了更低的碳含量设计, 并从元 素成分总体上压低碳当量和裂纹敏感系数, 在不降低钢板强度的前提下保证钢 板具有优异的焊接性。 钢板的冶炼流程为: KR铁水预处理 -转炉 -LF精炼 -RH真空 脱气-板坯连铸-缓冷-轧制-调质热处理-精检-性能检测 -包装入库。
[0010] 成品钢板的厚度为 70〜100mm, 屈服强度 690MPa以上, 抗拉强度 770〜940MP a, 延伸率≥16%, -60°C下钢板的 1/4厚度和 1/2厚度处夏比冲击功均≥100J, Z向断 面收缩率≥35%, 可满足在 -60°C超低温环境下服役。
[0011] 本发明中所含有所有组分的作用及其含量选择理由具体说明如下:
[0012] C: 影响强度、 淬透性和焊接性的主要元素, 以固溶强化形式提高钢的强度; 碳含量过高会对钢的韧性及焊接性产生不利影响, 碳含量过低则会导致钢板淬 透性不足, 强度偏低。 综合考虑, 本发明 C含量选择范围为 0.05-0.09%。
[0013] Si: 脱氧元素, 以固溶强化形式提高钢的强度, 过低则影响脱氧效果, 过高会 对表面质量、 韧性及焊接性能产生不利影响, 综合考虑, 本发明 Si含量选择范围 为 0.2-0.4%。
[0014] Mn: 影响强度、 淬透性和焊接性的主要合金元素, 以固溶强化形式提高钢的 强度, 弥补 C降低而导致的不足; Mn含量在低于 0.8%吋则无法起到固溶强化的 作用, 过高会提高钢的碳当量和裂纹敏感系数, 对钢的焊接性产生不利影响; 同吋, Mn容易在钢板心部产生偏析, 对钢板心部的低温冲击韧性产生不利影响
。 本发明 Mn含量的选择范围为 0.9-1.30%;
[0015] A1: 起脱氧和固氮的作用, 并通过形成 A1N起到细化晶粒的作用。 本发明 A1含 量的选择范围为 0.02-0.04%。
[0016] Nb: 能够在轧制过程中通过钉扎作用和沉淀强化作用显著细化奥氏体晶粒, 有 利于强度和韧性的提高。 过高的 Nb会使得生产成本显著提高, 同吋对焊接性不 禾 1J。 本发明 Nb含量的选择范围为 0.01-0.03%。
[0017] V: 碳氮化物形成元素, 通过形成 V (C, N) , 以弥散强化的形式提高钢的强 度和韧性, 细化铁素体晶粒度, 含量过高则会对焊接性产生不利影响。 本发明 V 含量的选择范围为 0.03-0.05%。
[0018] Cr: 中等碳化物形成元素, 能够提高钢的淬透性和强度, 弥补 C含量较低导致 强度和淬透性下降的不足。 添加过量, 则会对钢的低温冲击韧性和焊接性产生 不利影响。 本发明 Cr含量的选择范围为 0.3-0.5%。
[0019] Ni: 能够同吋提高钢的强度和改善低温冲击韧性, 在 Cu元素含量过高吋改善材 料的热裂倾向。 Ni含量过高吋, 在连铸坯加热过程中会产生黏度较高的氧化铁 皮, 影响钢板表面质量。 同吋, 太高的 Ni提高钢板的碳当量和裂纹敏感系数, 影响钢板的焊接性。 本发明 Ni含量的选择范围为 1.0-1.4%。
[0020] Mo: 能够显著提高钢的淬透性和强度, 适量的 Mo可以克服调质处理吋钢的回 火脆性从而提高钢的冲击韧性。 过多则会对钢的焊接性产生不利影响, 同吋导 致成本增加。 本发明 Mo含量的选择范围为 0.2-0.6%。
[0021] Cu: 能够提高钢的淬透性、 强度和耐腐蚀性能, 降低钢板的氢致裂纹敏感性; 过高会对钢板的焊接性产生不利影响, 同吋需要加入更多的 Ni来避免产生铜脆 现象。 本发明 Cu含量的选择范围为 0.2-0.6%。
[0022] Ti: 通过形成 TiN起到析出强化的作用, 有效细化晶粒, 含量过高则会对韧性 产生不利影响。 本发明 Ti含量的选择范围为 0.01-0.02%。
[0023] B: 提高淬透性的最显著的元素, 含量过高则会对焊接性和低温韧性产生非常 不利的影响。 本发明 B含量的选择范围为 0.001-0.002%。
[0024] P、 S: 作为钢中的主要杂质元素, 对钢板尤其是钢板心部的低温冲击韧性会产 生不利影响, 含量控制越低越好。 根据现有实际生产条件, 本发明 P、 S含量的 选择范围为 P≤0.015<¾, S≤0.003<¾。
[0025] 上述易焊接 690MPa级钢板的制备方法包含如下工艺步骤:
[0026] (1) 在炼钢工序中, 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 370-450mm厚度 连铸板坯, 对连铸坯进行加罩堆垛缓冷扩氢处理, 堆垛缓冷吋间≥120小吋; [0027] (2) 将连铸坯加热至 1150-1250°C, 保温 150-180min, 使钢中的合金元素充分 固溶以保证性能的均匀性, 连铸坯出炉后使用高压水除鳞;
[0028] (3) 将连铸坯进行两阶段轧制, 第一阶段为粗轧阶段, 幵轧温度在 1100-1180
°C, 单道次平均压下率≥15%; 第二阶段为精轧阶段, 幵轧温度为 840-900°C, 累 计道次压下率≥40%; 轧后进行热矫直;
[0029] (4) 热矫直后钢板下线堆缓冷扩氢处理, 降低钢板中 H的含量以保证钢板心部 低温冲击韧性, 堆缓冷吋间≥72小吋;
[0030] (5) 对缓冷后的钢板进行淬火 +回火处理, 淬火和回火均在连续炉中进行, 淬 火温度为 910-930°C, 淬火在炉吋间 1.8-2.2min/mm; 回火温度为 630-680°C, 回火 在炉吋间 3.0-4.0min/mm, 出炉后空冷即得钢板成品。
[0031] 本发明针对在 -60°C条件下使用的易焊接高强高韧性钢板的要求, 成分上采用 低碳、 低碳当量和低裂纹敏感系数的成分设计, 工艺上, 采用高纯净钢的冶炼
、 以 370-450mm厚度特厚连铸板坯作为原料, 采取控制轧制加调质热处理的方法 生产出厚度在 70-100mm易焊接高强高韧性钢板。
发明的有益效果 有益效果
[0032] 与现有技术相比, 本发明的优点在于:
[0033] 本发明所涉及 690MPa级钢板其成分上实现了低碳、 低碳当量和低裂纹敏感性
, CO.05-0.09% , 碳当量≤0.60, 裂纹敏感系数 Pcm≤0.28, 在不牺牲钢板强度的前 提下, 使钢板的焊接性得到了显著优化, 易于焊接操作。 按照本申请工艺生产 的钢板, 在具有良好焊接性基础上, 具有优良的高强高韧性, 屈服强度≥690MP a, 抗拉强度在 770-940MPa之间, 延伸率≥16<¾, -60°C下钢板的 1/4厚度和 1/2厚 度处夏比冲击功均≥100J, Z向断面收缩率≥35%, 能够满足在 -60°C的低温条件下 使用。
对附图的简要说明
附图说明
[0034] 图 1为本发明实施例 70mm厚度钢板的显微组织图;
[0035] 图 2为本发明实施例 100mm厚度钢板的显微组织图。
实施该发明的最佳实施例
本发明的最佳实施方式
[0036] 以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
[0037] 实施例 1-2:
[0038] 两实施例所涉及钢板制造方法: KR铁水预处理 _转炉冶炼一LF精炼 _RH真空 脱气 _连铸 _连铸坯加罩缓冷_连铸坯检査清理_铸坯加热_高压水除鳞 _轧 制_矫直 _钢板堆缓冷 _粹火 _回火等工艺步骤, 制造厚度分别 70 (实施例 1) 和 100mm (实施例 2) 的高强高韧性易焊接钢板。
[0039] 上述加热、 轧制和缓冷阶段的具体工艺为: 将 370mm厚度连铸坯加热至 1200°C , 保温 180min (实施例 1) 或加热至 1250°C, 保温 150min (实施例 2) , 连铸坯 出炉后使用高压水除鳞; 然后进行两阶段轧制, 第一阶段幵轧温度 1100°C (实施 例 1) 或 1150°C (实施例 2) , 中间坯厚度 200mm, 单道次平均压下率 15.5%; 第 二阶段幵轧温度为 860°C, 累计道次压下率 65% (实施例 1) 或第二阶段幵轧温度 850°C, 累计道次压下率 50% (实施例 2) , 最终成品钢板厚度为 70mm (实施例 1 ) 和 100mm (实施例 2) 。 轧后热矫直; 热矫直后钢板进行下线堆缓冷扩氢, 堆 缓冷吋间 72小吋 (实施例 1) 和 84小吋 (实施例 2) 。
[0040] 缓冷完成后的钢板进入连续炉进行淬火处理, 实施例 1 : 加热温度 910°C, 在炉 吋间 2.2min/mm, 使用淬火机水淬。 实施例 2: 加热温度 930°C, 在炉吋间 1.8min/ mm, 使用淬火机水淬。 对完成淬火处理的钢板在连续炉中继续进行回火处理, 实施例 1:加热温度 660°C, 在炉吋间 4.0min/mm, 实施例 2: 加热温度 680°C, 在炉 曰寸间 3.0min/mm。
[0041] 实施例 1和 2对应钢板化学成分见表 1, 钢板的力学性能见表 2, 钢板的显微组织 如图 1和图 2所示。
[0042] 表 1实施例 1和 2中易焊接高强高韧性抗层状撕裂钢板的化学成分 (wt.%)
[] [表 1]
Figure imgf000008_0001
[0043] Ceq=C+Mn/6+ (Cr+Mo+V) /5+ (Ni+Cu) /15
[0044] Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B
[0045] 表 2实施例 1和 2中易焊接高强高韧性抗层状撕裂钢板的力学性能
Figure imgf000008_0002
[0046]
[0047] 本发明通过独创的超低碳、 低碳当量和低裂纹敏感性成分设计, 通过调质工艺 成功制造了 70-100mm厚度易焊接高强高韧性抗层状撕裂钢板。 在 70-100mm大厚 度钢板领域, 采用超低碳成分设计以保证钢板焊接性, 采用调质工艺设计实现 了 -60°C超低温韧性等力学性能。
本发明的实施方式
[0048] 在此处键入本发明的实施方式描述段落。
工业实用性
[0049] 在此处键入工业实用性描述段落。
序列表自由内容
[0050] 在此处键入序列表自由内容描述段落。

Claims

权利要求书
[权利要求 1] 一种易焊接低温抗层状撕裂性能优异的钢板, 其特征在于: 该钢板的 化学成分质量百分含量为 C 0.05-0.09%; Si 0.2-0.4%; Mn
0.9-1.3%; Al 0.02-0.04%; Nb 0.01-0.03%; V 0.03-0.05%; Cr
0.3-0.5%; Ni 1.0-1.4%; Mo 0.3-0.6%; Cu 0.2-0.6%; Ti
0.01-0.02%; B 0.001-0.002%; P<0.015%; S<0.003%; N<0.007%; 余量为 Fe及不可避免的杂质, 碳当量≤0.60; 焊接裂纹敏感系数为 Pc m<0.28, Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。
[权利要求 2] 根据权利要求 1所述的易焊接低温抗层状撕裂性能优异的钢板, 其特 征在于: 该钢板的厚度为 70〜100mm, 屈服强度 690MPa以上, 抗拉 强度 770〜940MPa, 延伸率≥16<¾, -60°C下钢板的 1/4厚度和 1/2厚度 处夏比冲击功均≥1001, Z向断面收缩率≥35%, 可在 -60°C下服役。
[权利要求 3] —种制造权利要求 1所述易焊接低温抗层状撕裂性能优异钢板的方法
, 其特征在于: 包含以下工艺步骤:
(1) 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 370-450mm 厚度连铸板坯, 对连铸坯进行加罩堆垛缓冷扩氢处理, 堆垛缓冷吋间 ≥ 120小吋;
(2) 将连铸坯加热至 1150-1250°C, 保温 150-180min, 使钢中的合金 元素充分固溶, 连铸坯出炉后使用高压水除鳞;
(3) 将连铸坯进行两阶段轧制, 第一阶段为粗轧阶段, 幵轧温度在 1 100-1180°C, 单道次平均压下率≥15%; 第二阶段为精轧阶段, 幵轧 温度为 840-900°C, 累计道次压下率≥40%; 轧后进行热矫直;
(4) 热矫直后钢板下线堆缓冷扩氢处理, 堆缓冷吋间≥72小吋;
(5) 对缓冷后的钢板进行淬火 +回火处理, 淬火和回火均在连续炉中 进行, 淬火温度为 910-930°C, 淬火在炉吋间 1.8-2.2min/mm; 回火温 度为 630-680°C, 回火在炉吋间 3.0-4.0min/mm, 出炉后空冷即得钢板 成品。
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