CN111996462B - 一种纵向变厚度超高强船板及生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种纵向变厚度超高强船板及生产方法，钢板化学成分为：C:0.060％‑0.120％，Si:0.15％‑0.50％，Mn:1.10％‑1.70％，V:0.040％‑0.070％，Cu:0.20％‑0.50％，Ni:0.10％‑0.50％，Ti:0.005％‑0.020％，N:0.0120％‑0.0180％，P≤0.010％，S≤0.005％，Als:0.015％‑0.030％。钢水在转炉或RH吹氮处理，铸坯加热至1130℃‑1250℃，保温40min‑240min；开轧温度1040‑1120℃，将铸坯厚度轧至最终LP钢板最大厚度的2.0‑3.0倍；将中间坯待温至850‑910℃进行轧制，轧制厚度至最终LP钢板最大厚度的1.5‑2.0倍；采用变厚度轧制，控制钢板终轧温度800‑850℃；钢板空冷至室温得最终纵向变厚度钢板。本发明钢板沿长度方向力学性能均匀性良好，厚、薄位置的强度差在15MPa以内，韧性、塑性达到一致，适用于任意形状的纵向变厚度高强船板。
Description
技术领域
本发明属于金属材料生产技术领域，特别涉及到一种纵向变厚度超高强船板及其生产方法。
背景技术
纵向变厚度(LP)钢板是沿长度方向厚度存在变化的钢板，是通过轧制过程中连续改变轧辊的开口度来改变纵向厚度的钢板，按照厚度变化方式的不同，可以分为10种不同的形状。由于LP钢板可根据承受载荷的情况来改变其厚度，因而在优化船体等结构断面的设计方面具有独特的优势，LP钢板的应用，不仅可以减少钢材用量、减少焊接次数，而且还可以通过连接处的等厚化改善其操作性，如省略垫板和锥度加工等，近年来，随着对船只轻量化的需求增加，LP钢板的用量正在不断增加。因此，LP钢板是一种减量化、节约型钢板，受到国内外厂家和用户的青睐。并产生了一些相关的生产及控制技术。
名为“一种纵向变厚度钢板的生产方法”的专利，申请号：201010282876.1，该专利提供了一种纵向变厚度钢板的生产方法，通过控制出炉时钢坯上、下表面温度差和高压水除鳞道次，配辊时控制值上、下工作辊直径差，并根据钢板的实际厚度调整数学模型零点自适应数值，控制钢板轧制速度、开、终轧温度、最后两道的单道次变形量等工艺技术措施，生产出合格的纵向变厚度钢板。但是该专利没有对纵向变厚度钢板的力学性能进行控制及评价。名为“一种低合金纵向变厚度钢板的生产方法”的专利，申请号：201710809565.8，该专利公开了一种低合金纵向变厚度钢板的生产方法，采用双机架中厚板生产线，利用轧机HGC快速的响应功能，通过粗轧、精轧等工序，生产出纵向变厚度钢板，该专利同样没有对纵向变厚度钢板的力学性能进行控制及评价。发表于2017年第四期《钢结构》，名为“纵向变厚度钢板力学性能试验研究”的文献，对牌号为Q345GJC的纵向变厚度钢板的力学性能进行了研究，该文献公开的Q345GJC钢板，其化学成分中含有较高的Nb、V等合金元素，生产成本较高，并且沿厚度方向的力学性能差别大，即力学性能均质性较差。名为“一种345MPa级LP钢板及其生产方法”的专利，申请号：201710068867.4，该专利公开了一种345MPa级的一端薄、一端厚的楔形钢板，该钢板通过采用两罐不同成分的钢水浇铸成化学成分沿长度变化的连铸坯，然后进行轧制，从而使其轧制的楔形钢板的力学性能趋于均匀，但是其工艺过程复杂，且只适用于一端薄、一端厚的楔形钢板。名为“一种390MPa级LP钢板及其生产方法，申请号：201710068896.0”、“一种420MPa级LP钢板及其生产方法，申请号：201710068882.9”的专利，采用的是同样的工艺过程，分别制备出390MPa级、420MPa级的楔形钢板，也存在工艺复杂，且仅适用于楔形钢板的不足。而对于纵向变厚度船板的生产，目前未见报道。
综上所述，目前纵向变厚度钢板的生产主要存在以下问题。
1)合金元素偏高，生产成本高。
2)钢板沿长度方向力学性能均匀性差。
3)生产工艺复杂。
发明内容
针对以上问题和不足，本发明的目的在于提供一种成分设计合理、工艺适用性强、长度方向力学性能均匀的纵向变厚度超高强船板。
本发明的技术方案为：
1、本发明制备的纵向变厚度超高强船板的化学成分，按照重量百分比为：C:0.060％-0.120％，Si:0.15％-0.50％，Mn:1.10％-1.70％，V:0.040％-0.070％，Cu:0.20％-0.50％，Ni:0.10％-0.50％，Ti:0.005％-0.020％，N:0.0120％-0.0180％，P≤0.010％，S≤0.005％，Als:0.015％-0.030％，余量为Fe及不可避免杂质。
下面对本发明中各化学成分的作用做详细介绍。
C：钢中主要强化元素，是提高钢淬透性的主要元素；其含量偏低时会使碳化物等的生成量降低，影响轧制时细化晶粒的效果。当含量偏高时，对钢板的低温韧性与焊接性能不利。因此综合考虑成本、性能等因素，本发明控制C的范围为0.060％-0.120％
Si：炼钢脱氧的必要元素，在钢中固溶能力较强，可以起到一定的强化作用，但含量过高会严重损害钢的低温韧性和焊接性能。本发明控制Si的范围为0.15％-0.50％
Mn：可以延缓钢中铁素体和珠光体转变，大幅增加钢的淬透性，降低钢的脆性转变温度，改善冲击韧性，但是Mn含量过高，容易在钢中形成偏析，对钢的塑性和韧性有不利影响。综合考虑，本发明控制Mn的范围为1.10％-1.70％
V：强碳化物形成元素，本发明的主要合金元素，对奥氏体再结晶影响较小，低温时V的碳、氮化物大量析出可以起到细化、强化晶粒的作用，进而提高钢板的强度，同时利用其与本发明另一重要元素N的配合作用，控制纵向变厚度钢板薄、厚位置的析出量，弥补长度方向上由于厚度差别而带来的力学性能不均匀，从而实现长度方向的性能均匀性。本发明控制V的范围为0.040％-0.070％。
Cu：不仅对焊接热影响区硬化性和韧性没有不良影响，又可使母材的强度提高，并使低温韧性大大提高，在一定温度下会析出ε-Cu，从而对钢产生沉淀强化；但是Cu含量较高时会使钢坯在加热或者轧制时产生裂纹，本发明控制Cu的范围为0.20％-0.50％。
Ni：对钢的焊接热影响区硬化性和韧性没有不良影响，并且能提高钢的韧性，另外Ni的加入可以阻止Cu含量较高时由于加热及轧制时产生裂纹的倾向，本发明控制Ni的范围为0.10％～0.50％。
Ti：能产生强烈的沉淀强化作用，提高钢的强度，还能阻止奥氏体再结晶；同时，能够产生晶粒细化的作用，提高钢材的屈服强度；另外，钛的加入可以阻止钢坯在加热、轧制、焊接过程中晶粒的长大，改善母材和焊接热影响区的韧性。综合考虑，本发明控制Ti的范围为0.005％-0.020％。
N：本发明的又一重要强韧化元素，在钢中N主要以游离态和化合物两种状态存在，前者的存在对钢板的韧性不利，后者的存在则对钢板的综合性能有好的影响作用。对于含V的钢中，钢中缺氮的情况下，大部分的V没有充分发挥其析出强化作用。另外，含氮钢不仅消除了炼钢过程中因脱气和精炼去氮引起的成本增加，而且钢中增氮更能充分发挥微合金元素的作用，节约合金化元素的用量，从而大大降低生产成本。本发明控制N的范围为0.0120％-0.0180％。
Al：强脱氧剂，在钢中生产高度细碎的、超显微的氧化物，起到细化晶粒的作用。本发明控制Als的范围为0.015％-0.030％。
2、本发明具体工艺方法为：包括冶炼、连铸、加热炉加热和轧制，其特征在于：
(1)按照上述成分的钢进行冶炼，采用的冶炼工艺路线为：铁水预处理—转炉冶炼—LF—RH—连铸，在转炉或RH进行吹氮处理，以控制冶炼钢中的氮含量，处理时间≥10min。
(2)将步骤(1)所得钢水经连铸制得连铸坯，控制中间包过热度20℃-30℃。
(3)将步骤(2)所得铸坯加热至1130℃-1250℃，保温40min-240min。
(4)轧制
a)粗轧阶段：对加热完成的铸坯进行轧制，将铸坯厚度轧至最终LP钢板最大厚度的2.0-3.0倍，铸坯开轧温度1040℃-1120℃。轧制完成后得中间坯。
b)中间轧阶段：将a)得到的中间坯进行待温，待温至850℃-910℃后进行轧制，轧制厚度至最终钢板最大厚度的1.5-2.0倍。
c)精轧阶段：采用变厚度轧制，按照所需的厚度及斜度进行轧制，控制钢板终轧温度800℃-850℃，温度按照钢板厚度为
mm处的温度进行控制，其中：tmax为最终钢板的最大厚度，tmin为最终钢板的最小厚度。
(5)将轧制完成的钢板进行加速冷却，开冷温度为700℃-780℃，返红温度为550℃-720℃，温度按照钢板厚度为
mm处的温度进行控制。
(6)将(5)得到的钢板空冷至室温，得最终的纵向变厚度钢板。
本发明通过设计纵向变厚度钢板的化学成分、轧制工艺，实现了纵向变厚度高强钢板的低成本生产，并具有优良的力学性能。其屈服强度达460MPa以上，断后延伸率25.0％以上，-40℃冲击吸收能量在150J以上，-60℃冲击吸收能量在100J以上，-40℃时效冲击性能在110J以上，-60℃时效冲击性能在80J以上。通过控制LP长度方向不同位置析出相数量的变化，弥补钢板长度方向上由于厚度差别而带来的力学性能不均匀，从而实现控制长度方向力学性能均匀性的目的，最终钢板沿长度方向力学性能均匀性良好，厚、薄位置的强度差在15MPa以内，韧性、塑性达到一致，本发明适用于任意形状的纵向变厚度超高强船板。
附图说明
图1实施例3钢板薄端金相组织；
图2实施例3钢板厚端金相组织；
图3实施例3钢板薄端析出相分布；
图4实施例3钢板厚端析出相分布。
具体实施方式
以下实施例仅为本发明的一些最优实施方式，并不对前述发明范围和技术手段有任何限制。
根据本发明所设计的化学成分范围进行冶炼，化学成分如表1所示，冶炼工艺如表2所示。
表1本发明实施例钢的化学成分(wt％)
| 编号 | C | Si | Mn | P | S | V | Cu | Ni | Ti | N | Als |
| 1 | 0.064 | 0.18 | 1.63 | 0.006 | 0.002 | 0.068 | 0.48 | 0.41 | 0.016 | 0.0174 | 0.021 |
| 2 | 0.076 | 0.23 | 1.46 | 0.003 | 0.001 | 0.054 | 0.32 | 0.33 | 0.013 | 0.0165 | 0.023 |
| 3 | 0.088 | 0.32 | 1.38 | 0.001 | 0.003 | 0.048 | 0.43 | 0.18 | 0.009 | 0.0154 | 0.027 |
| 4 | 0.112 | 0.48 | 1.12 | 0.005 | 0.002 | 0.043 | 0.24 | 0.22 | 0.011 | 0.0148 | 0.017 |
| 5 | 0.103 | 0.37 | 1.26 | 0.002 | 0.004 | 0.052 | 0.27 | 0.26 | 0.007 | 0.0133 | 0.029 |
| 6 | 0.092 | 0.29 | 1.52 | 0.007 | 0.001 | 0.062 | 0.37 | 0.36 | 0.018 | 0.0126 | 0.019 |
表2实施例钢冶炼工艺
| 编号 | 吹氮处理时间/min | 过热度/℃ |
| 1 | 36 | 22 |
| 2 | 32 | 26 |
| 3 | 28 | 21 |
| 4 | 29 | 27 |
| 5 | 19 | 29 |
| 6 | 17 | 28 |
将所得连铸坯经加热、轧制等工艺制得本发明的纵向变厚度钢板。加热工艺如表3所示，轧制工艺如表4所示。
表3本发明实施例钢的加热工艺
| 编号 | 最小厚度/mm | 最大厚度/mm | 加热温度/℃ | 保温时间/min |
| 1 | 15 | 45 | 1150 | 42 |
| 2 | 20 | 50 | 1180 | 60 |
| 3 | 14 | 30 | 1240 | 210 |
| 4 | 40 | 60 | 1210 | 235 |
| 5 | 35 | 60 | 1190 | 150 |
| 6 | 30 | 55 | 1160 | 100 |
表4本发明实施例钢的轧制工艺
对应本发明实施例钢的力学性能如表5所示。其中时效工艺为：变形5％，250℃保温1h。
表5本发明实施例钢的力学性能
附图1-2为实施例3钢板薄端和厚端的金相组织照片，图示钢板薄端晶粒尺寸小于厚端，因此细晶强化对薄端强度的贡献大于厚端。附图3-4为实施例3钢板薄端和厚端的析出相分布图，图示钢板薄端析出相的尺寸大于厚端、数量少于厚端，因此析出强化对薄端强度的贡献小于厚端。在上述两种强化机制的综合作用下，本发明钢沿长度方向的强度分布具有很好的均匀性。
Claims (5)
1.一种纵向变厚度超高强船板，其特征在于钢板化学成分按照重量百分比为：C:0.060％-0.120％，Si:0.15％-0.50％，Mn:1.10％-1.70％，V:0.040％-0.070％，Cu:0.20％-0.50％，Ni:0.10％-0.50％，Ti:0.005％-0.020％，N:0.0120％-0.0180％，P≤0.010％，S≤0.005％，Als:0.015％-0.030％，余量为Fe及不可避免杂质；生产方法包括冶炼、连铸、加热炉加热和轧制，具体为：
(1)按照上述成分的钢进行冶炼，采用的冶炼工艺路线为：铁水预处理—转炉冶炼—LF—RH—连铸，在转炉或RH进行吹氮处理，以控制冶炼钢中的氮含量；
(2)将步骤(1)所得钢水经连铸制得连铸坯，控制中间包过热度20℃-30℃；
(3)将步骤(2)所得铸坯加热至1130℃-1250℃，保温40min-240min；
(4)轧制
a)粗轧阶段：对加热完成的铸坯进行轧制，铸坯开轧温度1040℃-1120℃，将铸坯厚度轧至最终钢板最大厚度的2.0-3.0倍，轧制完成后得中间坯；
b)中间轧阶段：将a)得到的中间坯进行待温，待温至850℃-910℃后进行轧制，轧制厚度至最终钢板最大厚度的1.5-2.0倍；
c)精轧阶段：采用变厚度轧制，按照所需的厚度及斜度进行轧制，控制钢板终轧温度800℃-850℃；
(5)将轧制完成的钢板进行加速冷却，开冷温度为700℃-780℃，返红温度为550℃-720℃；
(6)将(5)得到的钢板空冷至室温，得最终的纵向变厚度钢板。
2.根据权利要求1所述的一种纵向变厚度超高强船板，其特征在于钢板屈服强度达460MPa以上，断后延伸率25.0％以上，-40℃冲击吸收能量在150J以上，-60℃冲击吸收能量在100J以上，-40℃时效冲击性能在110J以上，-60℃时效冲击性能在80J以上。
3.根据权利要求1所述的一种纵向变厚度超高强船板，其特征在于钢板最大厚度、最小厚度的强度差在15MPa以内，韧性、塑性达到一致。
4.根据权利要求1所述纵向变厚度超高强船板，其特征在于：所述步骤(1)转炉或RH吹氮处理时间≥10min。
5.根据权利要求1所述纵向变厚度超高强船板，其特征在于：所述终轧温度、开冷温度、返红温度按照钢板厚度为
处的温度进行控制，其中：tmax为最终钢板的最大厚度，tmin为最终钢板的最小厚度。
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