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CN117265417B - 一种非均质高强度耐止裂性结构用钢板及其制造方法 - Google Patents

一种非均质高强度耐止裂性结构用钢板及其制造方法 Download PDF

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CN117265417B CN202311291745.3A CN202311291745A CN117265417B CN 117265417 B CN117265417 B CN 117265417B CN 202311291745 A CN202311291745 A CN 202311291745A CN 117265417 B CN117265417 B CN 117265417B
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Abstract

本发明公开了一种非均质高强度耐止裂性结构用钢板及其制造方法，采用特定化学成分设计和钢板调制工艺获得具有贝氏体组织的高性能钢板，通过冶炼和连铸控制技术进一步提高钢质纯净度，消除偏析、疏松等内部缺陷，降低非金属夹杂物，均匀化铸态组织，从而具有大厚度、高强韧性、非均质性、高模焊性及优异的止裂性，且其屈强比为0.69‑0.74，安全性能高；所以本发明结构用钢板能够用于桥梁、高层建筑等钢结构制作，有效解决常规钢铁材料因强度和耐止裂性能不足，不能满足风电用钢需求的问题。

Description

一种非均质高强度耐止裂性结构用钢板及其制造方法
技术领域
本公开涉及黑色金属材料领域，特别涉及高强度止裂性结构用钢及其制造方法。
背景技术
随着中国风电机组建设的发展，诸多风力稳定并且地域广阔的区域正在大力建设风电机组，由于风电一直处于运营环中，常规的钢铁材料在使用过程中容易发生断裂，所以对耐止裂风电用钢的需求不断加强。
风电主体承重部分多为钢结构，在风能载荷的持续推动下，钢板本身极易发生疲劳断裂，这些都会极大影响钢结构的安全服役。近些年，希望风电钢结构件实施最少量维护的呼声不断提高，通过高强度和耐止裂性进而提高风电用钢的需求十分迫切。如CN101987330A公开了“一种超厚抗层状撕裂钢板制造方法”，其包括冶炼、铸锭、锻造、轧制、热处理，生产厚度为130～400mm的抗层状撕裂钢板。其特征是，在铸锭工序之间设置有锻造工序，将钢锭锻造成钢板坯料并进行锻后热处理。所述锻造工序始锻温度为1225～1250℃，终锻温度为850～900℃，压缩比不小于3。其不足在于：浇注采用模铸，并进行锻造，比当前成熟的板坯连铸方式成本高。
CN 109797342 A公开了一种用于钢结构制作的高强度、高韧性、耐大气腐蚀钢板及其制造方法，元素成分wt％：C：0.03～0.10％，Si：0.30～0.50％，Mn：1.10～1.50％，P<0.010％，S<0.003％，Cr：0.45～0.70％，Cu：0.25～0.40％，Ni：0.30～0.40％，Alt：≥0.030％，Ti：0.006～0.030％,V：0.040～0.080％，Mo：0.02～0.08％，Ca：0.0010～0.0030％，N：0.0020～0.0080％，B：0.0002～0.0030％，Ce：0.001～0.010％，耐大气腐蚀指数I>6.5，CEV<0.54，Pcm<0.27，余量为Fe和不可避免的杂质。但该发明专利申请的缺点是钢板不具有较低的屈强比，安全性能不好，且采用调质热处理工艺，提高生产生产成本；碳当量过高，焊接性能较差，需要调质处理，工艺复杂。
CN101343685公开了一种420MPa级建筑用钢板控轧控冷和正火控冷生产方法，但其要求Nb含量达到0.03％以上才满足相应的力学性能，其目的是通过高Nb来扩大未再结晶区温度，提高精轧终轧温度的目的，此方法利于控制钢板板形，但终轧温度提高以后，会减弱超快冷效果，不利于钢板心部快速通过奥氏体区到达相变区，从而不利于钢板心部Nb在相变过程中的析出，该种工艺不利于大厚度钢板的生产。
发明内容
有鉴于此，本公开提供一种非均质高强度耐止裂性结构用钢板，解决常规钢铁材料因强度和耐止裂性能不足，不能满足风电用钢需求的问题。
另外，本公开还提供非均质高强度耐止裂性结构用钢板的制造方法。
第一方面，所述的非均质高强度耐止裂性结构用钢板，按重量百分比计其化学成分为：
C：0.09％-0.15％，Mn：1.01％-1.39％，P≤0.010％，S：0.005％-0.015％，Cr：0.001％-0.020％，Ni：0.2％-0.9％，Mo：0.08％-0.75％，Cu：0.002％-0.040％，Nb：0.002％-0.050％，V:0.001％-0.029％，Ti：0.001％-0.029％，N：0.001％-0.030％，Ca:0.01％-0.035％，Ce：1ppm-15ppm，La:1ppm-15ppm，B：0-0.0010％，余量为Fe和不可避免的杂质。
第二方面，第一方面所述非均质高强度耐止裂性结构用钢板的制造方法，包括冶炼、连铸、铸坯加热、轧制及快冷工序，其中：
在所述冶炼工序中，钢水冶炼在转炉中进行，采用废钢和铁水作为原料，所述铁水含量控制在50～80％；在LF精炼炉进行造还原渣，下渣渣层厚度为100～150mm；脱气在RH炉内完成，净循环时间为16～21min，真空度为40-65Pa，开浇前镇静时间为3-9min，控制气体氢含量≤0.0001％，氧含量≤0.0012％，氮含量≤0.0015。
在本公开及可能的实施例中，在所述连铸工序中，浇铸中控制中间包过热度为25～40℃，二冷水温度为20～30℃，流量为160-250t/h，结晶器冷却水温度为15-25℃，流量为160-230t/h。
在本公开及可能的实施例中，在连铸末端采用重压下方式，压下量为20～30mm，控制拉坯速度为0.6～1.2m/min；连铸坯厚度为200～360mm，下线后堆垛缓冷24小时以上。
在本公开及可能的实施例中，在所述铸坯加热工序中，将修磨及喷涂抗氧化涂料的铸坯送入步进式加热炉内进行加热，所述喷涂的厚度为0.9-1.5mm；
所述铸坯依次经预热段、加热段和均热段处理后出炉；
所述预热段的温度区间为700-850℃；所述加热段的温度区间为850-1230℃；所述均热段的温度区间为1180-1250℃；
所述铸坯在所述加热炉内的均热段时间控制在3-6小时。
在本公开及可能的实施例中，在所述轧制工序中，采用两阶段控制轧制，第一阶段开轧温度为1100-1200℃，前4道次平均压下率控制在15-25％；第二阶段开轧温度为970-1030℃，后5道次平均压下率2-5％；终轧温度为940-990℃，轧后钢板厚度为16-80mm。
在本公开及可能的实施例中，在所述快冷工序中，钢板轧制后开冷温度为730-770℃，终冷温度为500-550℃，冷却速度20-31℃/s；
钢板出控冷后侧喷开启，侧喷压力为2-7MPa，侧喷水量为55-83m3/h；
通过热矫进行2道次矫直，导入辊位置1.0mm-1.9mm，导出辊位置2.6mm-3.5mm。
本发明具有如下有益效果：
本发明的非均质高强度耐止裂性结构用钢板，采用特定化学成分设计和钢板调制工艺获得具有贝氏体组织的高性能钢板，通过冶炼和连铸控制技术进一步提高钢质纯净度，消除偏析、疏松等内部缺陷，降低非金属夹杂物，均匀化铸态组织，非金属夹杂物A类≤0.5，B类≤0.5，C类≤0.5，D类≤0.5，非金属夹杂物总和≤1.0；气体氢含量≤0.0001％，氧含量≤0.0012％，氮含量≤0.0015。；连铸坯中心疏松≤1.0，中心裂纹≤1.0，连铸坯细晶比例：8-15％，等轴晶比例：15-25％；具有大厚度(80-120mm)、屈服强度≥407MPa，抗拉强度≥570MPa，延伸率≥20％；-35℃冲击功≥53J，铁素体含量：25-40％，-20℃CTOD≥0.45mm的高强韧性、非均质性、高模焊性及优异的止裂性，且其屈强比为0.69-0.74，安全性能高；所以本发明结构用钢板能够用于桥梁、高层建筑等钢结构制作，有效解决常规钢铁材料因强度和耐止裂性能不足，不能满足风电用钢需求的问题。
具体实施方式
以下基于实施例对本公开进行描述，但是值得说明的是，本公开并不限于这些实施例。在下文对本公开的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。然而，对于没有详尽描述的部分，本领域技术人员也可以完全理解本公开。
同时，除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包含但不限于”的含义。
本公开的下述实施例采用如下的成分设计及工艺设计，制造本发明的非均质高强度耐止裂性结构用钢板，具体如下：
一、成分设计
本发明下述实施例的非均质高强度耐止裂性结构用钢板，按重量百分含量计其化学成分为：
C：0.09％-0.15％，Mn：1.01％-1.39％，P≤0.010％，S：0.005％-0.015％，Cr：0.001％-0.020％，Ni：0.2％-0.9％，Mo：0.08％-0.75％，Cu：0.002％-0.040％，Nb：0.002％-0.050％，V:0.001％-0.029％，Ti：0.001％-0.029％，N：0.001％-0.030％，Ca:0.01％-0.035％，Ce：1ppm-15ppm，La:1ppm-15ppm，B：0-0.0010％，余量为Fe和不可避免的杂质。
采用上述成分设计的理由如下：
(1)碳：为了保证钢板具有多边形铁素体和针状铁素体，需要相当的碳含量做保证。同时碳可以和Nb、Cr等合金元素形成碳化物析出，增加强韧性。碳含量过高则低温韧性下降，为了保证钢板具有高的强韧性及良好止裂性，因此本发明C:0.09％-0.15％
(2)锰：以固溶强化形式提高钢的强度，弥补C降低而导致的不足，是影响强度、淬透性和焊接性的主要合金元素，同时成本低廉，但含量过高，容易在形成中心产生偏析，还会对钢的焊接性产生不利影响，故设定控制范围为1.01％-1.39％
(3)P、S：在本发明钢中均为有害元素，对钢板的低温冲击韧性和抗层状撕裂性能会产生不利影响，增加钢的脆性。磷使焊接性能降低，降低塑性，使冷弯性能变差；硫降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。因此，控制含量越低越好，但考虑到炼钢条件和成本，本发明要求控制钢中的P≤0.010％，S：0.005％-0.015％。
(4)铬：Cr是奥氏体不锈钢的重要元素，Cr元素在提高钢板抗高温氧化性能和高温耐腐蚀性能的主要元素，同时也是形成M23C6碳化物的关键元素。然后其添加过量将导致碳化物粗化，进而造成钢板高温强度及韧性的降低，本发明中Cr含量控制在13.9％-16.9％。
(5)镍：Ni可以有效提高钢的低温韧性，也可以改善铜在钢中引起的热脆性，同时Ni还可以提高钢板的各向同性。但是大量添加会急剧增加成本，且影响焊接性能，根据性能要求添加合适量，本发明Ni的含量控制在0.2％-0.9％。
(6)钼：强淬透性元素，有助于大厚度钢板沿厚度方向上淬透，提高钢板性能稳定性，可使钢板在较高温度下进行回火，进而提高钢板的塑韧性；可提高微合金元素在奥氏体中的溶解度，减少微合金元素的碳氮化物析出，使微合金元素在较低温度下由铁素体中析出，增强析出强化效果。因此本发明要求Mo：0.08％-0.75％。
(7)铜：Cu是奥氏体形成元素，同时利用铜在钢板心部的支持能够补偿强度因厚度增加的损失，Cu：0.002％-0.040％。
(8)铌：作为强碳化物形成元素在钢种形成弥散度大，高温稳定性良好的NbC相，起沉淀强化作用，通过多阶段轧制可有效细化晶粒，改善因析出强化造成的韧性降低，从而使钢板获得高强度、高韧性的综合性能。另外在Nb-Mo复合添加的钢中，Mo还能在NbC基体界面上偏聚，阻止了NbC颗粒的粗化，从而大大提高了钢的高温强度，因此Nb含量控制在0.002％-0.050％。
(9)钒：本发明添加了较多的钒元素，主要是利用其与碳、氮形成稳定难熔的碳化物，使钢在高温时仍保持细晶组织，保证钢的高温性能，另外由于钒将碳固定于钒碳化物中，大大提高了钢在高温高压下的抗氢稳定性，V：0.001％-0.029％。
(10)钛：可以发挥固氮效果，形成以TiN为主的析出相，能抑制高温条件下奥氏体的晶粒长大，也可以改善焊后热影响区韧性，在焊接过程中，TiN粒子阻止热影响粗晶区晶粒长大，提高焊接接头低温韧性。另外Ti由于较低的固溶度，易在奥氏体到铁素体的转变过程中以相间析出的形式出现，提高强度。但过多的Ti会降低钢的韧性，因此Ti含量控制在0.001％-0.029％。
(11)氮：N与Nb、V、Ti等元素形成氮化物，在晶界析出，钉扎晶界细化晶粒，起到提高晶界高温强度作用，N：0.001％-0.030％。
(12)钙：钙在炼钢中起到一定的脱氧作用，还有利于细化晶粒，能够改善抗层状撕裂性和疲劳强度。所以本发明要求Ca:0.01％-0.035％。
(13)铈：元素在冶炼过程中进行夹杂物改性，将其改性为软质细小的夹杂物，细小的稀土夹杂物可作为高温铁素体的形核质点，细化枝晶组织，进而减轻显微偏析，减小一次碳化物的尺寸，还可以使一次碳化物分布更均匀，因此本发明要求钢中Ce：1ppm-15ppm。
(14)镧：净化钢质并使钢中夹杂变质，起到提高钢质纯净度的作用；具有一定捕氢能力，减少超厚板中白点等缺陷；形成的析出物可作为形核基础，进而起到细晶强化的作用，故本发明中其含量为La:1ppm-15ppm
(15)硼：B能降低奥氏体至铁素体相的转变温度，促使晶粒内针状铁素体的形成，起到细化晶粒的作用。因此本发明中其含量为B：0-0.0010％。
二、工艺设计
(1)冶炼工艺：钢水冶炼在转炉中进行，采用优质废钢和铁水作为原料，铁水含量控制在50～80％，在LF精炼炉进行造还原渣，下渣渣层厚度100～150mm，确保夹杂物充分上浮；脱气在RH炉内完成，净循环时间16～21min，真空度40-65Pa，开浇前镇静时间3-9min，严格控制气体氢含量≤0.0001％，氧含量≤0.0012％，氮含量≤0.0015，该种冶炼工艺设计可以有效降低钢中轧制，减少钢中非金属夹杂物的形成。
(2)连铸工艺：浇铸过程中，控制中间包过热度为25～40℃，二冷水温度为20～30℃，流量160-250t/h，结晶器冷却水温度15-25℃，流量160-230t/h，在连铸末端采用重压下方式，压下量为20～30mm，并控制拉坯速度为0.6～1.2m/min。
本发明方法，通过上述冶炼和连铸控制工艺设计，可以控制各阶段结晶的过程，保证柱状晶和等轴晶结晶的快速转变、连铸坯中柱状晶发达，减少心部等轴晶的生成，这样碳化物在连铸坯凝固过程中易在柱状晶和等轴晶的交界处聚集，同时等轴晶的减少在一定程度上能降低中心偏析程度，对轧制后的钢板Z向性能也有提高，最终可以得到：铸坯细晶比例8-15％，等轴晶比例15-25％，这种晶粒比例控制能够有效改善了铸态组织，提高了组织均匀性，为钢板获得优异的性能奠定了基础。连铸坯优选厚度为200～360mm，下线后堆垛缓冷24小时以上，进一步促进组织和析出物均匀化，降低成分偏析。
(3)铸坯加热：将修磨及喷涂抗氧化涂料的铸坯送入步进式加热炉内进行加热，喷涂厚度为0.9-1.5mm，铸坯依次经预热段、加热段和均热段处理后出炉。预热段温度区间为700-850℃；所有厚度板坯加热段温度区间为850-1230℃；均热段温度区间为1180-1250℃。板坯在加热炉内的均热段时间控制在3-6小时，能够有效保证钢板内部加热的均匀性和钢板表面脱碳层厚度≤20μm，脱碳层的降低能够避免表面因碳含量降低在快冷时超细铁素体的形成，能够降低钢板表面的强度，保证钢板强度的均匀性。
本发明通过坯料的表面喷涂及除磷工艺对轧制影响很大，温度过高会造成铸坯严重氧化和脱碳，连铸坯表面喷涂能够有效降低脱碳层厚度≤20μm，保证钢板表面组织的稳定性和均匀性，双向除磷技术能够保证钢板质量的提高，避免单向除磷表面缺陷的产生。
(4)轧制工艺：钢板轧制采用两阶段控制轧制，第一阶段开轧温度为1100-1200℃，前4道次平均压下率控制在15-25％，低温塑性变形，促进动态再结晶和增加变形抗力破碎晶粒。第二阶段开轧温度为970-1030℃，后5道次采用小变形量，平均压下率2-5％，有利于消除晶粒的轧制取向。终轧温度940-990℃。轧后钢板厚度16-80mm。
(5)快冷工艺：钢板轧制后开冷温度为730-770℃，终冷温度为500-550℃，控制冷却速度20-31℃/s，钢板出控冷后侧喷开启，侧喷压力为2-7MPa，侧喷水量为55-83m3/h，再通过热矫进行2道次矫直，导入辊位置1.0mm-1.9mm，导出辊位置2.6mm-3.5mm；
实施例
一、本公开实施例1-10的成分设计及工艺设计
1、本公开实施例1-10的钢板成分设计见表1：
表1各实施例钢的化学成分(wt％)
2、本公开实施例1-10采用的冶炼工艺如表2：
表2实施例钢的冶炼工艺制度
3、本公开实施例1-10采用的连铸工艺如表3：
表3实施例连铸工艺参数
4、本公开实施例1-10采用的连铸坯加热工艺如表4：
表4实施例连铸坯加热工艺参数
实施例 铸坯厚度/mm 喷涂厚度/mm 预热段温度/℃ 加热段温度/℃ 均热段温度/℃ 均热时间/h
1 200 0.90 700 850 1180 5.6
2 220 0.95 710 900 1190 3.3
3 240 1.00 730 1000 1200 4.5
4 260 1.10 750 1100 1210 3.9
5 280 1.15 760 1200 1220 4.2
6 300 1.20 780 880 1230 3.6
7 320 1.30 800 950 1240 4.8
8 340 1.35 820 1050 1250 5.1
9 350 1.45 835 1150 1235 3.0
10 360 1.50 850 1230 1245 6.0
5、本公开实施例1-10采用的轧制工艺如表5：
表5实施例钢的轧制工艺
6、本公开实施例1-10采用的快冷工艺如表6：
表6实施例钢的快冷工艺
二、本公开实施例1-10及对比例钢的质量及性能对比
1、本公开实施例1-10及对比例钢的内部质量评价见表7：
表7实施例及对比钢的非金属夹杂物和连铸坯低倍评级
从表7可以看出，各实施例所制钢板非金属夹杂物A类≤0.5，B类≤0.5，C类≤0.5，D类≤0.5，非金属夹杂物总和≤1.0；连铸坯中心疏松≤1.0，中心裂纹≤1.0。
2、本公开实施例1-10及对比例钢(Q420ME)的性能评价见表8：
表8实施例及对比钢的性能
从表8可以看出，各实施例所制钢板平均力学性能为：屈服强度≥407MPa，抗拉强度≥570MPa，延伸率≥20％；-45℃冲击功≥53J，铁素体含量：25-40％，-20℃CTOD≥0.45mm。
以上所述实施例仅为表达本公开的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本公开专利范围的限制。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开构思的前提下，还可以做出若干变形、同等替换、改进等，这些都属于本公开的保护范围。因此，本公开专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (1)

1.一种非均质高强度耐止裂性结构用钢板，其特征在于，按重量百分比计其化学成分为：
C：0.09％～0.149％，Mn：1.01％-1.39％，P≤0.010％，S：0.005％-0.015％，Cr：0.001％-0.020％，Ni：0.2％-0.9％，Mo：0.08％-0.75％，Cu：0.002％-0.040％，Nb：0.002％-0.050％，V:0.001％-0.029％，Ti：0.013％-0.029％，N：0.020％～0.030％，Ca:0.024％～0.035％，Ce：1ppm-15ppm，La:1ppm-15ppm，B：0.00060-0.0010％，余量为Fe和不可避免的杂质；
所述非均质高强度耐止裂性结构用钢板的制造方法，包括冶炼、连铸工序、铸坯加热、轧制及快冷工序；
在所述冶炼工序中，钢水冶炼在转炉中进行，采用废钢和铁水作为原料，所述铁水含量控制在50～80％；在LF精炼炉进行造还原渣，下渣渣层厚度为100～150mm；脱气在RH炉内完成，净循环时间为16～21min，真空度为40-65Pa，开浇前镇静时间为3-9min，控制气体氢含量≤0.0001％，氧含量≤0.0012％，氮含量≤0.0015；
在所述连铸工序中，浇铸中控制中间包过热度为25～40℃，二冷水温度为20～30℃，流量为160-250t/h，结晶器冷却水温度为15-25℃，流量为160-230t/h；
在连铸末端采用重压下方式，压下量为20～30mm，控制拉坯速度为0.6～1.2m/min；连铸坯厚度为200～360mm，下线后堆垛缓冷24小时以上；
在所述铸坯加热工序中，将修磨及喷涂抗氧化涂料的铸坯送入步进式加热炉内进行加热，所述喷涂的厚度为0.9-1.5mm；
所述铸坯依次经预热段、加热段和均热段处理后出炉；
所述预热段的温度区间为700-850℃；所述加热段的温度区间为850-1230℃；所述均热段的温度区间为1180-1250℃；
所述铸坯在所述加热炉内的均热段时间控制在3-6小时；
在所述轧制工序中，采用两阶段控制轧制，第一阶段开轧温度为1100-1200℃，前4道次平均压下率控制在15-25％；第二阶段开轧温度为970-1030℃，后5道次平均压下率2-5％；终轧温度为940-990℃，轧后钢板厚度为16-80mm；
在所述快冷工序中，钢板轧制后开冷温度为730-770℃，终冷温度为500-550℃，冷却速度20-31℃/s；
钢板出控冷后侧喷开启，侧喷压力为2-7MPa，侧喷水量为55-83m3/h；
通过热矫进行2道次矫直，导入辊位置1.0mm-1.9mm，导出辊位置2.6mm-3.5mm。
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