CN103436811B - 一种500MPa级工程结构用高性能特厚钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于低合金钢及其生产工艺的技术领域，具体涉及一种500MPa级工程结构用高性能特厚钢板及其制造方法。该钢板包含的成分及其重量百分比为：C0.020%-0.070%、Si0.30%-0.60%、Mn1.35%-1.60%、P0.010%-0.020%、S≤0.005%、Nb0.030%-0.060%、Ti0.010%-0.030%、Als0.020%-0.050%、Cu0.35%-0.45%、Cr 0.20%-0.40%、Ni0.30%-0.60%、Mo0.05%-0.10%；以及余量的Fe和不可避免的杂质，此外还满足焊接冷裂纹敏感性系数Pcm≤0.20%，ASTM G101-01耐腐蚀指数I＞6.0。采用低C，Cu-Ni-Cr-Mo-Nb-Ti成分体系，Nb-Ti复合添加比单独用V具有更强的细化晶粒作用，防止焊接热影响区（HAZ）晶粒长大，提高钢板基体和HAZ强韧性，也有助于提高焊接线能量。

Description

一种500MPa级工程结构用高性能特厚钢板及其制造方法

技术领域

本发明属于低合金钢及其生产工艺的技术领域，具体涉及一种500MPa级工程结构用高性能特厚钢板及其制造方法。

背景技术

大型工程结构向全焊接结构和高参数方向发展，结构的安全可靠性对钢材的强韧性、焊接性和抗震性能等提出了更高的要求，因此，国内外材料工作者提出了高性能钢（High Performance Steel）的概念。高性能钢材是指材料的某项或几项性能较传统钢材得到明显改善的钢材，除了具备较高强度外，钢材的焊接性能、低温韧性、耐腐蚀性能、屈强比和厚度方向性能有较大幅度提高。按我国钢材品种分类，一般称厚度大于60mm的中厚板为特厚板。高性能特厚钢板在高层建筑、大跨度公路和铁路桥梁、石油海洋平台等领域有迫切需求。

经检索，以下一些专利申请涉及工程结构用高性能特厚钢板及其制造方法，它们的化学成分、工艺制度和力学性能见表1。

表1现有专利申请涉及的工程结构用高性能钢具体情况

CN102304668A公开了一种高性能特厚钢板的制造方法，碳含量0.14%，碳当量0.41%-0.43%，Nb、V、Ti微合金化成分体系，屈服强度是420MPa级，只满足-20℃冲击要求。

CN101921953A公开了耐腐蚀高强度超厚钢板的生产方法，碳含量范围为0.05%-0.13%，除Nb、V、Ti微合金化外，用Cu、Ni合金化提高钢的强韧性，屈服强度430-445MPa，达不到500Pa级的要求。采用轧后正火热处理工艺。

CN101684538A公开了一种桥梁用结构钢及其制造方法，采用低C，Cu、Ni、Cr、Mo、V成分体系，不添加Nb和Ti元素。含有0.02%-0.07%的V，在焊后冷却过程中会析出钒的碳氮化物，从而影响钢的焊接韧性。工艺特点是加热温度1150-1200℃，精轧终轧温度850-875℃，终冷温度350-550℃。实例提供钢板最大厚度20-60mm。

上述三项专利申请文件中记载的钢板，其综合性能差，如焊接性能差、屈强比高、耐侯性不足，不能满足目前对于工程结构用高性能钢特厚钢板的实际需求，因此需要一种综合性能好，工艺成本低，生产周期短的工程结构用高性能钢特厚钢板。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种500MPa级工程结构用高性能特厚钢板。

本发明的第二个目的在于提供所述500MPa级工程结构用高性能特厚钢板的制造方法。

本发明的技术方案如下：

一种500MPa级工程结构用高性能特厚钢板，该钢板包含的成分及其重量百分比为：C 0.020%-0.070%、Si 0.30%-0.60%、Mn 1.35%-1.60%、P 0.010%-0.020%、S≤0.005%、Nb 0.030%-0.060%、Ti 0.010%-0.030%、Als 0.020%-0.050%、Cu 0.35%-0.45%、Cr 0.20%-0.40%、Ni 0.30%-0.60%、Mo 0.05%-0.10%；以及余量的Fe和不可避免的杂质，此外还满足焊接冷裂纹敏感性系数Pcm≤0.20%，ASTM G101-01耐腐蚀指数I＞6.0。

作为优选，本发明的钢板包含的成分及其重量百分比为：C 0.020%-0.060%、Si 0.30%-0.50%、Mn 1.40%-1.60%、P 0.010%-0.020%、S≤0.005%、Nb 0.040%-0.060%、Ti 0.015%-0.030%、Als 0.020%-0.050%、Cu 0.35%-0.45%、Cr 0.20%-0.40%、Ni 0.40%-0.60%、Mo 0.05%-0.10%；以及余量的Fe和不可避免的杂质。

作为进一步优选，本发明的钢板包含的成分及其重量百分比为：C 0.030%-0.050%、Si 0.30%-0.40%、Mn 1.40%-1.50%、P 0.010%-0.015%、S≤0.002%、Nb 0.040%-0.050%、Ti 0.015%-0.020%、Als 0.020%-0.030%、Cu 0.35%-0.40%、Cr 0.25%-0.35%、Ni 0.45%-0.55%、Mo 0.07%-0.10%；以及余量的Fe和不可避免的杂质。

其中，Pcm=C+(Mn+Cu+Cr)/20+Mo/15+V/10+Si/30+Ni/60+5/B；

I=26.01(%Cu)+3.88(Ni%)+1.20(%Cr)+1.49(%Si)+17.28(%P)-7.29(%Cu)(%Ni)-9.1(%Ni)(%P)-33.39(%Cu)²。

本发明所述的钢板厚度为60mm-100mm。

以下详述本发明中采用上述成分及其重量百分比的理由。

C对强度、韧性、焊接性能影响很大。C在钢材中一般充当强化组元，如果溶入基体起固溶强化作用，增加C含量会促进形成碳化物和马氏体。本发明确定的C含量0.020%-0.070%。

Si是炼钢脱氧必要元素，也有一定的固溶强化作用，Si还能提高钢的耐候性，但太高对钢的焊接性和冷成形性产生不良影响。本发明确定的Si含量0.30%-0.60%。

Mn也是炼钢脱氧的必要元素，且Mn合金成本低廉，是提高强度的有效元素，此外，Mn是扩大奥氏体区的元素，可降低过冷奥氏体的转变温度，是控制钢组织中相当有效的元素之一，但Mn含量过高，厚板坯中心偏析会增加，降低厚钢板厚度方面的性能不均匀性。本发明确定的Mn含量1.35%-1.60%。

P能显著提高钢材的耐大气腐蚀性能，并可通过P的偏聚，提高低碳钢晶间强度的不足。但P在钢中是强偏析元素，还会严重降低钢的低温韧性，对特厚钢板组织性能极为不利。本发明P含量不大于0.020%，但不为零。

S是钢中有害杂质元素，含量过高会恶化钢的韧塑性、冷成形性和焊接性，还能引起钢板纵横向性能差异，大大恶化特厚钢板厚度方向性能。因此应尽量降低钢中S含量。本发明S含量不大于0.005%。

Nb是强碳氮化物形成元素，能有效的延迟变形奥氏体的再结晶，阻止奥氏体晶粒长大，提高奥氏体再结晶温度，细化晶粒，提高钢的强韧性。通过在轧后冷却过程中析出碳氮化物，产生细晶强化和析出强化作用来提高钢的综合机械性能。本发明Nb含量0.030%-0.060%。

Ti是一种强碳氮化物形成元素，其碳氮化物具有较高的熔点，对加热时奥氏体晶粒长大有阻碍作用。钢中TiN或TiC粒子能显著组织焊接热影响区的晶粒长大，从而改善其焊接接头的力学性能。本发明钢中Ti含量0.010%-0.030%。

Al是钢的主要脱氧元素，Al含量大于0.05%，将导致Al的氧化物夹杂增加，降低钢的纯净度，不利于钢的韧性及耐候性能，AlN熔点较高，可以阻止板坯加热时的奥氏体晶粒长大。本发明Als含量0.020%-0.050%。

Cu能提高钢的淬透性，在钢中主要起固溶及沉淀强化作用，同时还可以通过Cu-Cr-Ni适宜配比，提高钢的耐候性能，此外还有利于获得良好的低温韧性，增加钢的抗疲劳裂纹扩展能力。Cu含量小于0.35%，其沉淀强化作用不明显，大于0.45%时会影响焊接热影响区韧性。本发明Cu含量0.35%-0.45%。

Cr是提高淬透性元素，能够抑制多边形铁素体和珠光体的形成，促进贝氏体或马氏体转变，从而使钢的强硬度增加，但Cr过高将影响钢的韧性，并引起回火脆性。本发明Cr含量0.20%-0.40%。

Ni能提高淬透性，具有一定的强化作用，还能显著地改善钢的低温韧性，使得母材和焊接热影响区低温韧性大幅度提高。Ni也显著提高钢的耐候性能，尤其是耐海水腐蚀性能。Ni的添加主要阻止含铜钢坯在加热和热轧时网裂倾向。含铜钢中加入Ni，有助于抑制含铜钢热加工过程中的热裂现象，提高含铜钢的高温蠕变性能。本发明Ni含量0.30%-0.60%。

Mo能增加淬透性，提高钢的强度，并能有效推迟铁素体和珠光体的转变，从而促进贝氏体的获得，使得钢在较宽的冷却速度范围内获得较完全的针状组织，但过高的Mo会使钢的低温韧性显著恶化，也会在焊接时形成过多的马氏体，导致焊接接头脆性增加。同时Mo是贵重金属元素。本发明Mo含量0.05%-0.10%。

本发明500MPa级工程结构用高性能特厚钢板的制造方法，包括炼钢工序和轧钢工序，工艺步骤依次为：铁水预处理、转炉冶炼、LF/RH联合精炼、连铸、铸坯缓冷、板坯加热、轧制、冷却、检查检验、入库；采用洁净钢冶炼连铸工艺，利用铁水预处理、顶底复吹转炉、LF/RH、中间包各冶金设备功能，全流程控制S、H、N有害杂质含量；连铸机投用凝固末端动态轻压下、铸坯缓冷工艺技术措施保证铸坯低倍组织。

本发明500MPa级工程结构用高性能特厚钢板的制造方法，具体步骤如下：

炼钢工序：

铁水采用脱硫预处理，顶底复吹转炉冶炼；

所述LF/RH联合精炼工序中，LF钢水出站[S]≤0.0050%，RH真空度100Pa以下的处理时间10-15min，RH出站钢水[H]≤0.0002%, RH出站钢水[S]≤0.0020%；

连铸中间包采用碱性覆盖剂，结晶器采用低碳微合金保护渣，全程采用钢包加盖、钢包保护套筒、中包浸入式水口保护浇注，控制连铸过程增N不大于0.0003%；

连铸机切割后的铸坯入缓冷坑缓冷，铸坯入坑温度500-900℃，缓冷时间48h-72h，出坑温度200-300℃；

轧钢工序：采用在线TMCP工艺技术，轧后无需热处理；

为保证合金元素的充分固溶，防止奥氏体晶粒过分长大，铸坯加热温度控制在1200-1250℃；

采用两阶段轧制，粗轧开轧温度范围1050-1150℃，在奥氏体再结晶温度范围完成第一阶段轧制，累计压下量60-65%；第二阶段精轧在奥氏体未再结晶温度范围内轧制，精轧开轧温度850-920℃，终轧温度800-830℃；

所述冷却工序中，采用MULPIC快速水冷，冷却速度5-15℃/S，终冷温度200-350℃。

作为优选，炼钢工序中，铸坯入坑温度700-800℃，缓冷时间60h-72h，出坑温度230-300℃。

轧钢工序中MULPIC水冷冷却速度7-10℃/S，终冷温度250-350℃。

本发明的有益效果为：

1.本发明采用低C，Cu-Ni-Cr-Mo-Nb-Ti成分体系，Nb-Ti复合添加比单独用V具有更强的细化晶粒作用，防止焊接热影响区（HAZ）晶粒长大，提高钢板基体和HAZ强韧性，也有助于提高焊接线能量。本发明制造的厚度60～100mm的特厚钢板较高强度级别（500MPa级）下，屈强比不大于0.85，钢板焊接冷裂纹指数低（Pcm≤0.20），耐候性优良（I≥6.0），厚度方向性能高（断面收缩率Ψz达到Z35水平），钢板1/2厚度-40℃纵向夏比V型冲击功达到150J以上。本发明利用所述制造方法，得到综合性能更好的特厚钢板，满足高层建筑、桥梁、海洋平台等领域对特厚板各项性能要求。这一点是背景技术中任何一个对比文件所不能达到的。

2、本发明采用洁净钢冶炼连铸工艺技术，充分发挥铁水预处理、顶底复吹转炉、LF/RH、中间包等各冶金设备功能，全流程控制S、H、N等有害杂质含量。总之，通过钢水洁净度控制、投用连铸机动态轻压下、铸坯缓冷等工艺技术措施保证钢的洁净度和铸坯低倍组织，[S]≤0.0020%、[N]≤0.0030%,[H]≤0.0002%,中心偏析C≤1.5。

3、本发明铸坯加热温度控制在1200-1250℃之间，采用两阶段轧制，粗轧开轧温度范围1050-1150℃，在奥氏体再结晶温度范围完成第一阶段轧制，累计压下60-65%；精轧开轧温度850-920℃，终轧温度800-830℃。采用MULPIC快速水冷，冷却速度5-15℃/S，终冷温度200-350℃。前述铸坯经过该加热、粗轧、精轧、冷却工艺，得到晶粒细小、组织均匀的针状铁素体组织，从而实现设计的性能指标。

4、本发明采用在线TMCP工艺，无需离线热处理，工艺成本低，生产周期短。

总之，本发明考虑目前工程结构用高性能钢特厚钢板的实际需求，设计并制造了一种500MPa级易焊接、高韧性、低屈强比、厚度方向性能优良、1/2厚度综合性能好、具有耐大气腐蚀性能的特厚钢板，具备突出的实质性特点和显著的进步。

附图说明

图1是实施例1中所述厚度64mm钢板近表面的金相组织。

图2是实施例1中所述厚度64mm钢板中心的金相组织。

图3是实施例２中所述厚度80mm钢板近表面的金相组织。

图4是实施例２中所述厚度80ｍｍ钢板中心的金相组织。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

在210吨转炉炼钢厂和4300mm宽厚板厂实施本发明。

本发明采用低C，Cu-Ni-Cr-Mo-Nb-Ti成分体系，该钢包含的成分及其重量百分比为：C 0.020%-0.070%、Si 0.30%-0.60%、Mn 1.35%-1.60%、P 0.010%-0.020%、S≤0.005%、Nb 0.030%-0.060%、Ti 0.010%-0.030%、Als 0.020%-0.050%、Cu 0.35%-0.45%、Cr 0.20%-0.40%、Ni 0.30%-0.60%、Mo 0.05%-0.10%；以及余量的Fe和不可避免的杂质，此外还需满足焊接冷裂纹敏感性系数Pcm≤0.20%，ASTM G101-01耐腐蚀指数I＞6.0。具体实施成分见表2。

表2熔炼成分，wt%

 实施例1计算的Pcm=0.17，I=6.56；实施例2计算的Pcm=0.19，I=6.78。

本发明钢板生产的工艺流程为：铁水预处理→转炉冶炼→LF/RH精炼→连铸→铸坯缓冷→板坯加热→轧制→冷却→检查、检验→入库。

炼钢工序:采用洁净钢冶炼连铸工艺。铁水采用脱硫预处理，顶底复吹转炉冶炼。LF钢水出站[S]≤0.005%，RH真空度100Pa以下的处理时间≥10min，RH出站钢水[H]≤0.0002%，RH出站钢水[S]≤0.0020%。连铸中间包采用碱性覆盖剂，结晶器采用低碳微合金保护渣，全程采用钢包加盖、钢包保护套筒、中包浸入式水口保护浇注，控制连铸过程增N不大于0.0003%。投用动态轻压下，铸坯入缓冷坑缓冷，铸坯入坑温度500-900℃，缓冷时间48-72h，出坑温度200-300℃。具体实施炼钢工艺参数见表3。

表3炼钢工艺参数

        轧钢工序：铸坯加热温度控制在1200-1250℃之间。采用两阶段轧制，粗轧开轧温度范围1050-1150℃，在奥氏体再结晶温度范围完成第一阶段轧制，累计压下量60-65%；精轧开轧温度850-920℃，终轧温度800-830℃。采用MULPIC快速水冷，冷却速度5-15℃/S，终冷温度200-350℃。具体实施炼钢工艺参数见表4。

表4轧钢工艺参数

具体实施钢板实物检验结果见表5。

表5钢板实物检验结果

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Claims (5)

1.一种500MPa级工程结构用高性能特厚钢板，该钢板包含的成分及其重量百分比为：C 0.030%-0.050%、Si 0.30%-0.40%、Mn 1.40%-1.50%、P 0.010%-0.015%、S≤0.002%、Nb 0.040%-0.050%、Ti 0.015%-0.020%、Als 0.020%-0.030%、Cu 0.35%-0.40%、Cr 0.25%-0.35%、Ni 0.45%-0.55%、Mo 0.07%-0.10%；以及余量的Fe和不可避免的杂质，此外还满足焊接冷裂纹敏感性系数Pcm≤0.20%，ASTM G101-01耐腐蚀指数I＞6.0；所述的钢板厚度为60mm-100mm。

2.如权利要求1所述的500MPa级工程结构用高性能特厚钢板的制造方法，包括炼钢工序和轧钢工序，工艺步骤依次为：铁水预处理、转炉冶炼、LF/RH联合精炼、连铸、铸坯缓冷、板坯加热、轧制、冷却、检查检验、入库；采用洁净钢冶炼连铸工艺，利用铁水预处理、顶底复吹转炉、LF/RH、中间包各冶金设备功能，全流程控制S、H、N有害杂质含量；连铸机投用凝固末端动态轻压下、铸坯缓冷工艺技术措施保证铸坯低倍组织。

3.根据权利要求2所述的500MPa级工程结构用高性能特厚钢板的制造方法，具体步骤如下：

炼钢工序：

铁水采用脱硫预处理，顶底复吹转炉冶炼；

所述LF/RH联合精炼工序中，LF钢水出站[S]≤0.0050%，RH真空度100Pa以下的处理时间10-15min，RH出站钢水[H]≤0.0002%, RH出站钢水[S]≤0.0020%；

连铸中间包采用碱性覆盖剂，结晶器采用低碳微合金保护渣，全程采用钢包加盖、钢包保护套筒、中包浸入式水口保护浇注，控制连铸过程增N不大于0.0003%；

连铸机切割后的铸坯入缓冷坑缓冷，铸坯入坑温度500-900℃，缓冷时间48h-72h，出坑温度200-300℃；

轧钢工序：采用在线TMCP工艺技术，轧后无需热处理；

为保证合金元素的充分固溶，防止奥氏体晶粒过分长大，铸坯加热温度控制在1200-1250℃；

采用两阶段轧制，粗轧开轧温度范围1050-1150℃，在奥氏体再结晶温度范围完成第一阶段轧制，累计压下量60-65%；第二阶段精轧在奥氏体未再结晶温度范围内轧制，精轧开轧温度850-920℃，终轧温度800-830℃；

所述冷却工序中，采用MULPIC快速水冷，冷却速度5-15℃/S，终冷温度200-350℃。

4.根据权利要求2所述的500MPa级工程结构用高性能特厚钢板的制造方法，其特征在于，炼钢工序中，铸坯入坑温度700-800℃，缓冷时间60h-72h，出坑温度230-300℃。

5.根据权利要求2所述的500MPa级工程结构用高性能特厚钢板的制造方法，其特征在于，轧钢工序中MULPIC水冷冷却速度7-10℃/S，终冷温度250-350℃。