專利背景
2007年12月前,在
鋼板套用領域隨著結構件日益大型化、
壓力容器日益高能率化、石油天然氣輸氣管大口徑和高輸氣壓力化,以及套用環境低溫化發展趨勢,要求在提高鋼板強度、降低鋼結構重量的同時,要求鋼板具有更高的韌性指標,特別是其低溫韌性,以保證鋼板使用過程的安全性。此外,對一些焊接鋼板還要求有良好的焊接性能,以降低鋼結構和管線等的製造成本。以中國即將開工年輸氣量達300億立方米的“西氣東輸二線”為例,該管線全長7000多公里,幹線長4000公多公里,輸氣壓力12兆帕、輸氣管直徑1219毫米、鋼級X80,壁厚18.4毫米以上,其中2類地區以上會採用壁厚22毫米以上直縫焊管。採用大口徑輸氣管和高輸送壓力主要是為了提高管線運行的經濟效率,但這要求採用大壁厚和大寬度鋼板,並有高強度、高韌性和可焊性的性能保證。在大口徑管線工程中,25%~40%的工程成本與材料有關,因此,降低材料成本對工程成本有舉足輕重的影響。
截至2007年12月,通過微合金化結合控軋控冷工藝生產高強韌性鋼是近20年來的一大主流技術。採用純潔淨鋼煉鋼技術,以及鈮、釩、鈦等元素微合金化和控軋控冷技術,生產的具有高性能的新型低合金高強韌性工程結構用鋼具有以下屬性:(1)含碳量低,具有良好的冷熱成型性和焊接性;(2)鋼中添加少量的碳、氮化合物形成元素鈮、釩、
鈦、鋁等,採用了晶粒細化和析出強化提高鋼的強韌化性;(3)鋼的屈服強度大於345兆帕;(4)採用熱軋狀態交貨,而無需其它熱處理過程進行調質處理,從而減少工序和能耗,達到降低製造成本。該鋼種由於高效、節約合金元素和能源及在生產過程中向大氣釋放二氧化碳量少,是一種環境友好型的鋼鐵材料,已廣泛地套用於
橋樑、建築、船舶、車輛、
壓力容器、採油平台、輸油管道等各種工程結構。由於上述用途鋼材的需求量一般占社會對鋼材總需求量的60%左右,所以微合金鋼的套用前景廣闊,是現代鋼鐵工業中的主力產品。但現有技術中,這種高強度、高韌性、可焊性好的熱軋鋼板中所含的鉬、釩和鎳等微量金屬元素,其價格大多比較昂貴,因此使得該產品的成本較高。
發明內容
專利目的
《高強度高韌性熱軋鋼板及其生產方法》的目的在於提供一種採用低成本微合金元素配方,即採用低碳、高錳、高鈮、無鉬、無釩、無鎳或低鎳配方生產成本的高強度高韌性熱軋鋼板。
該發明的另一目的在提供一種採用低成本微合金元素配方,並通過控軋控冷等工藝生產高強度低合金的高控軋控冷鋼。
技術方案
一種高強度高韌性熱軋鋼板,其化學成份及各成份的重量百分比為:碳:0.03~0.09%,矽:0.15~0.35%,錳:1.40~2.0%,鋁:0.02~0.05%,鈮:0.05~0.13%,鈦:0.010~0.025%,
銅:≤0.30%,鉻:≤0.30%,磷:≤0.012%,硫:≤0.004%,氮:≤0.004%,其餘均為鐵,且碳當量Ceq應不大於0.44,裂紋敏感指數Pcm應不大於0.23;鎳:≤0.25%;釩:≤0.06%。
為實現《高強度高韌性熱軋鋼板及其生產方法》的另一目的,一種高強度高韌性熱軋鋼板的生產方法包括步驟為:設計成份進行配比備料,然後鐵水預脫硫、轉爐冶煉、LF精煉、RH(VD)處理、板坯連鑄、板坯再加熱、溫度控制軋制、控制冷卻、熱矯直、冷床冷卻、堆冷,在溫度軋制及冷卻控制中,軋制過程中坯料的平均溫度最有價值,利用表面測量溫度受厚度的影響,以下溫度控制皆為平均溫度;板坯再加熱溫度控制在:1180-1260攝氏度;粗軋結束溫度1100-1220攝氏度;精軋開始溫度840-1000攝氏度,精軋階段總的壓縮比≥65%,其結束溫度800-930攝氏度;終冷溫度500-600攝氏度,冷卻速率8-25攝氏度/秒。
改善效果
《高強度高韌性熱軋鋼板及其生產方法》的優點是:
1、由於採用高Nb低C,充分利用Nb的析出強化及對鋼的相變的影響,獲得細小的具有高密度位錯的針狀鐵素體+貝氏體+第二相組織,從而代替Mo對相變的影響,達到不加入Mo的效果,降低了合金成本;
2、由於該發明中的Ni元素可加可不加,因此,Ni的加入量對強度的影響不大,加入的Ni主要是減少因Cu導致的鑄坯及鋼板表面熱脆傾向,但該發明中Cu的含量亦不是很高,因而可以考慮不加,達到降低成本的效果;
3、由於採用了低碳、高鈮和微鈦處理的簡單合金化設計,降低了鋼板的冷裂紋的敏感性,在一定程度上簡化了焊接工藝,減小了焊接加工的製造成本;鋼中氮化鈦以及鈦鈮氮碳化物的高溫穩定性將起到釘扎晶界、阻止晶粒長大的作用,能夠使鋼板承受的焊接線能量提高;
4、由於利用Nb對奧氏體再結晶的抑制作用,提高再結晶終止溫度,使得軋制可以在較高的溫度進行,降低軋制力及軋制能量消耗,提高了軋機的效率,保證了良好的板形;
5、由於採用了鋼板的平均溫度作為軋制過程溫度的控制點,避免因表面溫度存在測量誤差,以及表面溫度控制受制於軋制過程中鋼板的厚度變化,很難對軋制的各個階段的軋制溫度進行精確把握;採用平均溫度則避免了以上不確定因素,實現了該發明鋼製造工藝的精確控制;
6、由於通過終止冷卻溫度控制,充分利用了Nb對相變的影響及析出作用,達到控制組織類型、細化組織及析出強化效果,提高強度和韌性作用;同時這一因素決定該發明的終冷溫度與以往的高強度、高韌性鋼板製造工藝中有了很大的提高,這樣可以保證鋼板在冷卻之後進行熱矯的溫度,降低熱矯直機的負荷和矯直能耗。
技術領域
《高強度高韌性熱軋鋼板及其生產方法》屬於冶金技術領域,涉及一種微合金化高強度低合金控軋控冷鋼的技術領域,尤其涉及到一種高強度、高韌性和可焊性的熱軋鋼板,如大口徑X70以上管線鋼、壓力容器用鋼板、海洋結構用鋼板、高強度橋樑板和工程機械用鋼等生產方法。
權利要求
1、一種高強度高韌性熱軋鋼板,其化學成份及各成份的重量百分比為:碳:0.03~0.09%;矽:0.15~0.35%;錳:1.40~2.0%;鋁:0.02~0.05%;鈮:0.05~0.13%;鈦:0.010~0.025%;銅:≤0.30%;鉻:≤0.30%;磷:≤0.012%;硫:≤0.004%;氮:≤0.004%;其餘均為鐵,且碳當量Ceq應不大於0.44,裂紋敏感指數Pcm應不大於0.23。
2、根據權利要求1所述的一種高強度高韌性熱軋鋼板,其特徵在於:所述的化學成份中還含有鎳,鎳的重量百分比為:≤0.25%。即為進一步降低成本,可不用鎳,也可使用少量的鎳。
3、根據權利要求1或2所述的一種高強度高韌性熱軋鋼板,其特徵在於:所述的化學成份中還含有釩,釩的重量百分比為:≤0.046%。
4、一種高強度高韌性熱軋鋼板的生產方法包括步驟為:設計成份進行配比備料,然後鐵水預脫硫、轉爐冶煉、LF精煉、RH(VD)處理、板坯連鑄、板坯再加熱、溫度控制軋制、控制冷卻、熱矯直、冷床冷卻、堆冷。其特徵在於:在溫度軋制及冷卻控制中,軋制過程中坯料的平均溫度最有價值,利用表面測量溫度受厚度的影響,以下溫度控制皆為平均溫度;板坯再加熱溫度控制在:1180-1260攝氏度;粗軋結束溫度1100-1220攝氏度;精軋開始溫度840-1000攝氏度,精軋階段總的壓縮比≥65%,其結束溫度800-930攝氏度;終冷溫度500-600攝氏度,冷卻速率8-25攝氏度/秒。
實施方式
操作內容
《高強度高韌性熱軋鋼板及其生產方法》的高強度高韌性可焊性熱軋鋼板是一種新型的低成本微合金化高強度低合金控軋控冷鋼,採用低碳、高錳、高鈮無鉬、無釩(或加入少量釩)和無鎳(或加入少量鎳)的低成本合金化設計。鋼中主要元素的設計依據如下:
碳(C):碳是影響管線鋼強度、韌性、硬度及焊接性能的主要元素,碳含量的增加,對提高鋼的強度有明顯作用。但碳含量的增加會對鋼的延性、韌性及焊接性能有負面影響。所以,該發明選擇的碳含量為0.03-0.09%,一方面主要是考慮過低的碳會使得鋼板的屈強比增高,另一方面主要是考慮鋼板的韌性及優良的焊接性能。
錳(Mn):固溶強化元素,既可以提高鋼的強度也能夠改善鋼的韌性。適度提高鋼的淬透性,擴大γ相區,降低鋼的γ→α相變溫度,有助於獲得細小的相變產物。此外,錳還能提高微合金元素鈮(Nb)在鋼中的溶解度,抑制碳氮化鈮的析出。因此,該發明鋼採用的錳含量為1.4~2.0%。
鈮(Nb):鈮是有效的晶粒細化元素,能夠明顯的抑制奧氏體晶粒長大,延遲γ→α轉變,從而獲得更加細小的組織。在熱軋過程中,析出的碳氮化鈮可以延遲再結晶及晶粒的長大過程,碳氮化鈮通過釘扎位錯,使得基體中可以保留更多的位錯密度,提高鋼的強度和韌性。固溶狀態的鈮可以延遲γ→α轉變,細化鐵素體晶粒,提高鋼的韌性,在冷卻過程中固溶的鈮可以繼續以Nb(CN)析出,進一步提高鋼的強度。該發明中,採用0.05-0.13%的高鈮設計,體現了以上的分析精神,達到替代Mo的細化組織、沉澱強化的作用,降低鋼的成本。
鈦(Ti):鈦是強的固氮元素,可以與氮形成TiN顆粒,從而可以在坯料加熱過程中抑制奧氏體晶粒的粗化,起到細化晶粒的作用,提高鋼的低溫韌性;同樣,TiN顆粒對焊接熱影響區晶粒的長大能夠起到很好的抑制作用,改善焊接性能。此外,鈦可以與鈮複合析出,提高(TiNb)(CN)的熱穩定性,對加熱過程中坯料奧氏體晶粒的長大及焊接熱影響區晶粒的粗化起到很好的抑制作用,改善鋼板的韌性,提高鋼板的焊接性能。鈦的加入量一般不低於氮的3.4倍,該發明中鈦的加入量為0.01-0.025%。
銅(Cu):銅能夠提高鋼板及焊接熱影響區的強度,銅的沉澱作用還可以提高鋼的抗疲勞性能;此外,銅的另一個作用是提高鋼板的耐腐蝕性能,近加入0.1%的銅就可以顯著提高鋼的耐大氣腐蝕性。但過量的銅對焊接熱影響區及焊接區的韌性是不利的,該發明鋼採用了不大於0.3%的加入量。
鉻(Cr):鉻同樣是碳化物形成元素,能夠提高鋼板硬度,起到沉澱強化的作用;鉻作為鐵素體形成元素,在高Nb鋼中可以得到更多的針狀鐵素體組織;鉻還能夠提高鋼的抗腐蝕及耐氫致開裂性能。然而,過量的鉻將降低鋼板的延伸性能,促進晶粒的長大而影響韌性,導致焊接區域的冷裂紋的產生。因此,該發明中只採用了相對較安全的加入量,該發明鋼採用了不大於0.3%的加入量。
鎳(Ni):鎳通過固溶強化提高鋼的強度,和Mo相比,加入的鎳傾向於形成更少的硬化相,從而對低溫韌性有利;同時,鎳還有助於改善鋼中加銅引起的熱脆性。該發明鋼採用了不大於0.25%的加入量,也可不加入鎳。
釩(V):析出強化及細化晶粒元素,能夠與C、N元素形成VC和VN析出相,提高鋼的強度,該發明中V為輔助添加元素,該發明鋼採用了不大於0.06%的加入量,或乾脆不加入釩元素。
該發明的特點之一採用了低成本的合金化設計,不添加鉬,不添加或少量添加釩和鎳這些成本昂貴的元素,採用了低碳、高鈮的基本成分設計思路,輔以錳、銅、鉻等元素及微鈦處理,結合精確的軋製冷卻工藝控制,實現性能穩定的高強度高強韌性和可焊性熱軋鋼板的生產。其化學成分重量百分比為:碳:0.03~0.09%;矽:0.15~0.35%;錳:1.40~2.0%;鋁:0.02~0.05%;鈮:0.05~0.13%;鈦:0.010~0.025%;銅:≤0.30%;鎳:≤0.25%;鉻:≤0.30%;磷:≤0.012%;硫:≤0.004%;氮:≤0.004%;釩:≤0.06%,其餘均為鐵。
《高強度高韌性熱軋鋼板及其生產方法》的微合金化高強度低合金控軋控冷鋼鋼板主要套用於輸送管線、海洋平台、鍋爐和壓力容器、橋樑和工程機械等重要場合,因此具有良好的焊接性能,包括廣泛的焊接工藝適應性,高抗裂紋性,適用於大線能量焊接。鋼板焊接裂紋敏感性與焊接後自淬性有關,碳當量Ceq和裂紋敏感指數Pcm決定了鋼板的淬硬傾向。由於微合金化高強度低合金控軋控冷鋼成分設計簡單,合金總量減少,特別是碳含量低,為提高該鋼種的抗冷裂性提供了保證。為提高焊接效率,埋弧自動焊、氣電焊(單絲、多絲、熔嘴)、電渣焊(KES、SES)廣泛套用,隨焊接線能量的增加對焊接熱影響區韌性的損傷越來越明顯。這就要求新型微合金鋼能有效阻止HAZ晶粒粗化的技術。鋼中氮化鈦和其它的鈦鈮碳氮化物具有高溫穩定性,對釘扎晶界、阻止晶粒長大的作用,能夠使鋼板承受的焊接線能量提高。
該發明的特點之二是採用了較低的碳當量Ceq和裂紋敏感指數Pcm,發明鋼中的碳當量Ceq[=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15]不大於0.45,裂紋敏感指數Pcm[=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B]不大於0.23。由於降低了冷裂紋的敏感性,在一定程度上簡化了焊接工藝,減小了焊接加工的製造成本。同時微合金化也提高了焊接熱影響區的綜合性能,焊接線能量得以提高,可實現高效焊接。
該發明的高強度高韌性鋼的熱軋鋼板的製造方法,軋制及冷卻過程中的溫度控制,採用坯料的平均溫度作為最終的參考依據,坯料表面溫度為參考量。鋼板製造工藝設計中,利用流變應力隨溫度的變化,來精確把握再結晶區、非再結晶區及混晶區,從而得到比較精確的溫度控制,達到溫度控制軋制的目的。以往的工藝規定的鋼板粗軋結束溫度、精軋結束溫度基本上都是表面溫度控制,其溫度控制往往受制於軋制過程中鋼板的厚度變化,這樣使得軋制的各個階段比較難於把握;該發明則克服以上的缺點,採用鋼板的平均溫度作為控制軋制各階段的起點和終點,消除厚度的影響,達到精確控制的目的。
在鋼板軋後冷卻方面,該發明的終止冷卻溫度控制範圍在500-600攝氏度,充分利用高Nb對γ→α相變的延遲來獲得更多的針狀鐵素體組織,以及這一終冷溫度下仍能使固溶Nb繼續析出而提高強度的特點,達到提高鋼的強度和韌性的目的。這使得該發明既保證了鋼板強度和韌性,又避免鋼板冷卻之後進行熱矯所需的溫度,降低熱矯直機的負荷和矯直能耗。
高強度高韌性熱軋鋼板的具體製造方法,工藝步驟包括:按照權利要求1的成分進行配比備料、鐵水預脫硫、轉爐冶煉、LF精煉、RH(VD)處理、板坯連鑄、板坯再加熱、溫度控制軋制、控制冷卻、熱矯直、冷床冷卻、堆冷,溫度軋制及冷卻控制中,軋制過程中坯料的平均溫度最有價值,利用表面測量溫度受厚度的影響,以下溫度控制皆為平均溫度;板坯再加熱溫度控制在:1180-1260攝氏度;粗軋結束溫度1100-1220攝氏度;精軋開始溫度840-1000攝氏度,精軋階段總的壓縮比≥65%,其結束溫度800-930攝氏度;終冷溫度500-600攝氏度,冷卻速率8-25攝氏度/秒。
採用以上合金成分和生產工藝生產的高強度高韌性可焊性的熱軋鋼板的寬度最大達4400毫米,厚度達42毫米。
以上所述高強度高韌性熱軋鋼板屈服強度大於500兆帕,抗拉強度大於630兆帕,屈強比小於0.90,延伸率大於23%(採用直徑12.7毫米圓棒試驗,標距50.8毫米);—20攝氏度的V型缺口夏比衝擊試驗吸收功大於250焦,剪下面積大於90%;—20攝氏度落錘撕裂試驗(DWTT)的剪下面積大於90%。
實施案例
表1給出了《高強度高韌性熱軋鋼板及其生產方法》的高強度高韌性可焊性熱軋鋼板化學成分的8個實例。
表2給出了表1中所列8個不同成分鋼板的主要控制控冷工藝軋制工藝參數。
在上述實施例中,這種熱軋鋼板的焊接工藝採用4絲埋弧焊,電流在450~1000安,電壓在20~30伏之間,熱輸入45千焦/厘米,焊絲移動速度1.7米/分鐘,一道填充。
表3給出了《高強度高韌性熱軋鋼板及其生產方法》強度高韌性鋼板的焊縫及熱影響區的力學性能測試結果。
表3:上述兩種熱軋鋼板的焊縫及熱影響區的拉伸斷口及夏比衝擊韌性值
硬度試驗:在焊接橫截面上進行硬度試驗,硬度測試點焊接的接縫處。
榮譽表彰
2013年,《高強度高韌性熱軋鋼板及其生產方法》獲得第八屆江蘇省專利項目獎優秀獎。