CN101096738A - 低焊接裂纹敏感性钢板及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低焊接裂纹敏感性钢板及其生产方法，由以下重量百分含量的化学成分组成：C≤0.07％，Si 0.15-0.40％，Mn 1.00-1.60％，P≤0.015％，S≤0.010％，Cu≤0.30％，Ni≤0.50％，Cr≤0.30％，Mo≤0.30％，V≤0.08％，Nb≤0.08％，Ti 0.010-0.020％，B≤0.003％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明具有以下优点：(1)具有较低的焊接裂纹敏感性组分，Pcm≤0.20％；(2)强度和韧性匹配合理，屈强比适中；(3)钢板的价格、性能比优于同类进口产品；(4)钢板最大宽度可达到4000mm；(5)钢板不需淬水处理，工艺简单，有利于保证较高的平直度。

Description

低焊接裂纹敏感性钢板及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种低焊接裂纹敏感性WDB620钢板，同时，还涉及一种该钢板的生产方法。

背景技术

目前，国内、外水电站压力钢管制作的60Kg级低焊接裂纹敏感性高强钢均采用调质状态(淬火+回火)交货，多年来，水电站压力钢管制作用高强钢的设计均采用调质型，在材料的招标文件书中也明确规定：高强钢管所选用钢板的交货状态为调质状态(淬火+回火)，或者明确指定为××牌号的调质钢，典型的有武汉钢铁公司按GB150和JIS G3106标准生产的07MnCrMoVR和SM570Q，日本NKK公司按企业标准生产的NK-HITEN590U2、NK-HITEN610U2等牌号钢板，其组织为经淬火+回火后的低C回火马氏体组织。该类型钢板实际使用时存在着以下不足之处：(1)较高的C含量和C当量(Ceq)：通常C含量≤0.09％，Ceq≤0.42％；(2)生产工序复杂，难以批量生产；(3)冲击韧性有待提高：所提供钢板可满足-15℃AKV(纵向)≥47J；(4)焊接工艺较复杂，需焊前预热和焊后热处理；(5)组织对温度敏感性较强，施工现场不能随意引弧和开灌浆孔等，使用起来很不方便。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种具有良好的强韧性匹配的低焊接裂纹敏感性钢板。

同时，本发明的目的还在于提供了一种该低焊接裂纹敏感性钢板的生产方法，以做到冷加工性能良好、焊前不预热，焊后不需热处理、满足水电站不同现场施工工艺条件的要求。

为了实现上述目的，本发明的技术方案在于采用了一种低焊接裂纹敏感性钢板，由以下重量百分含量的化学成分组成为：C≤0.07％，Si 0.15-0.40％，Mn 1.00-1.60％，P≤0.015％，S≤0.010％，Cu≤0.30％，Ni≤0.50％，Cr≤0.30％，Mo≤0.30％，V≤0.08％，Nb≤0.08％，Ti 0.010-0.020％，B≤0.003％，其余为Fe和不可避免的杂质。

所述的各化学成分为：C≤0.05％，Si 0.20-0.35％，Mn 1.45-1.60％，P≤0.012％，S≤0.005％，Ni 0.25-0.30％，Mo 0.25-0.30％，V 0.040-0.055％，Nb 0.05-0.06％，Ti 0.013-0.020％，B 0.0007-0.0012％，其余为Fe和不可避免的杂质。

同时，本发明的技术方案还在于采用了一种低焊接裂纹敏感性钢板的生产方法，包括以下步骤：

(1)冶炼工艺：钢坯先经电炉冶炼，然后送入VD/VOD炉真空脱碳，再送入LF精炼炉精炼，大包温度≥1600℃时，吊包VD炉真空处理，抽真空时间≥12分钟，真空度为2托时破坏真空，并喂Al线600-800米，然后吊LF炉精炼，解决了单靠电炉冶炼增加吹氧去C、延长电炉冶炼时间而造成的电炉生产周期增加；

(2)加热工艺：钢坯在保证合金元素充分固溶，r晶粒细小的前提下，采用了低温加热工艺：加热温度1180-1200℃，均热温度1160-1180℃，加热段和均热段总时间≥4h；

(3)轧制工艺：采用III型控轧工艺，第一阶段为奥氏体再结晶阶段，约在950-1150℃之间，此阶段大多数道次压下量为8-25％，累计压下率≥60％，使奥氏体发生完全再结晶，以细化奥氏体晶粒；第二阶段为奥氏体非再结晶阶段，开轧温度为≤950℃，在这一阶段内，奥氏体晶粒被拉长，在伸长而未再结晶的奥氏体内形成高密度形变孪晶和形变带，同时微合金碳、氮化物因形变诱导析出，因而增加了铁素体的形核位置，细化了铁素体晶粒，此阶段压下率应尽量大，累计压下率≥50％；第三阶段为两相区(α+γ)阶段，开轧温度约为780-840℃，在这一阶段内在铁素体内形成大量位错亚结构，变形量越大，亚结构密度越大，钢板的脆性转变温度越低，此阶段与单道次变形量无关，累计压下率应≥30％；

(4)水冷工艺：经轧制后的钢板在ACC快速冷却装置进行在线冷却，开冷温度为750-780℃，终冷温度为550-620℃，冷却速度为6-10℃/s，使钢板在这一温度范围内发生贝氏体组织转变。

(5)热处理工艺：对钢板进行快速回火处理，回火温度为600-620℃，时间为0.8-1.5min/mm。

本发明的钢板的化学成分设计采用低C或超低C，Mn-Mo-Nb-B系低C贝氏体钢，是通过低C贝氏体型成分的设计及控轧控冷+回火生产工艺，生产出符合低焊接裂纹敏感性的要求(Pcm≤0.20％)的60Kg级低C贝氏体型高强WDB620钢板，将其应用于水电站压力钢管制作，可做到冷加工性能良好、焊前不预热焊后不需热处理、满足水电站不同现场施工工艺条件的要求，做到生产制造工序简单、可实现批量生产，以产顶进。应用的强化机理为组织强化、细晶强化、固溶强化和沉淀强化。当C≤0.05％时，C含量对钢板的性能不产生影响，当C≥0.06％时，随C含量提高钢板强度增加，冲击韧性降低，同时较高的C含量，使焊接裂纹敏感性指数Pcm增大，但C含量太低，电炉冶炼周期太长，生产效率低，尤其在大生产合金加入时，碳含量回升0.02％-0.03％，Pcm≤0.20％难以控制，因此C含量优选≤0.05％；Mn的含量在1.00-1.60％，Mn主要起固溶强化和降低相变温度提高钢板强度的作用，当钢中C≤0.05％时，其固溶强化作用更加显著，因此内控按成分上限1.45-1.60％控制；Mo含量为≤0.30％，Mo的主要作用为在钢板的CCT曲线中推迟铁素体转变，将铁素体转变区与贝氏体转变区明显分离，有利于贝氏体转变，降低贝氏体转变临界冷却速度，降低钢板的回火脆性，但Mo作为贵重合金元素不宜加入太多；Nb含量为≤0.08％，为有效通过控轧工艺实现钢板细晶强化，须加入Nb元素，以达到提高钢板再结晶温度，加热固溶Nb阻止奥氏体晶粒长大，冷却时高温析出Nb的C、N化物；B含量为≤0.003％，B作为廉价合金，在贝氏体转变中发挥着显著推迟铁素体转变，保证钢在较宽的冷却速度范围内得到均匀的组织的作用，同时提高钢板的淬透性，尤其是Nb、B的复合加入，固溶的铌、硼原子在冷却及相变后，将在贝氏体内析出Nb(C，N，B)化物，强化贝氏体，但B作为易氧化元素，在冶炼操作中较难以控制；本发明成分设计的另一特点是微合金元素V-Ti复合强化贝氏体钢中的应用，V：0.04-0.05％，Ti：0.010-0.020％，其中Ti既脱氧保护硼，又通过微细主要为确保焊接热影响区TiN析出控制奥氏体晶粒在加热和焊接过程中的快速长大，提高钢板实物性能和焊接质量。V为降低去Cu后的强度损失而加入，尤其是高温回火后，V的C、N化物析出，强烈提高钢板得强度，但加入较多时，韧性降低；杂质元素P、S等含量下线不做限制，在工艺设备能力下尽可能降低，以达到钢质纯净、力学性能均匀的目的。本发明的交货状态为控轧+回火，采用控轧+回火工艺生产的WDB620钢板经充分晶粒细化，在较宽的冷却速度范围内得到了低C贝氏体组织，其性能指标明显优于调质型高强钢，而且大大增加了控轧钢生产的厚度规格，控轧+回火工艺生产的低C贝氏体型高强钢在该行业内的应用尚无先例。

由于采用III型控轧工艺，解决了轧机轧制压力不足而造成的晶粒粗大不均、冲击韧性减低现象，且增大了可生产钢板的厚度规格，适合其它钢厂低轧制压力轧机生产控轧型高强钢。

本发明所生产的钢板板型明显优于调质钢，不平度达到≤5mm/m，减少了制作方的制作钢板矫平费用50元/吨，较低的屈强比，一般达到≤0.90，同调质钢比有明显降低，可节约卷制费用150元/吨。

采用本发明钢替代进口，进口价按每吨11000元，如按平均生产成本8500元/吨，本发明钢比进口每吨节约2500元/吨。生产厂生产本发明的控轧+回火钢板和调质钢相比，可节约成本250元/吨，节能降耗80元/吨，合计可降低成本330元/吨。

本发明的钢具有良好的机械性能、冷热加工性、焊接性能，因生产工艺简单、价格低廉，在各冶金钢厂均可实施，还可用于制造海洋设施、船舶、储油罐、气输管线等，可以大大缓解水电站60Kg级低焊接裂纹敏感性高强钢的进口压力。

本发明具有以下优点：(1)具有较低的焊接裂纹敏感性组分，Pcm≤0.20％；(2)强度和韧性匹配合理，屈强比适中；(3)钢板的价格、性能比优于同类进口产品；(4)钢板最大宽度可达到4000mm；(5)钢板不需淬水处理，工艺简单，有利于保证较高的平直度。

试验结果表明：采用本发明的方法所生产的钢板具有纯净度较高、成分均匀、内部致密的特点，钢的冶金水平较高，力学性能完全满足国际上对CF62的标准要求，钢板具有良好的强度、塑性和韧性，并具有较大的富裕量；其焊接性能良好，一般情况下无需考虑预热或后热，焊接接头的强度、冷弯及韧性满足技术要求，并具有较大的富裕量；  据调查，我国近年来每年建造数十座水电站，对60kg以上强度级别钢板的需求在50000吨以上，因此WDB620宽厚板在我国“西电东送”等工程中将有广阔的市场前景。由于WDB620钢板优良的质量和较低的价格，将为国家水电建设降低造价、减少投资做出贡献。

钢板特性：WDB620钢板按低碳贝氏体钢设计，具有良好的强韧性匹配。实物Ceq≤0.40％、Pcm≤0.20％，焊接评定试验表明WDB620具有比CF钢标准更低的焊接裂纹敏感性指数，适合于制造大型工程结构件。

具体实施方式

本发明的低C贝氏体高强钢的实际成分(按重量百分比)为：C 0.05％、Si 0.29％、Mn 1.45％、P 0.008％、S 0.005％、Mo 0.27％、Nb 0.056％、V 0.047％、B 0.0010％、Ti 0.012％、Pcm为0.18％，轧成25mm钢板。其力学性能：屈服强度560MPa，抗拉强度：665MPa，屈强比＝0.84，δ5≥28％，-20℃冲击功AKV(横向)231、226、223J，冷弯试验D＝3a，180°完好，-20℃10％应变实效冲击功AKVs(横向)105、108、115J，厚度方向拉伸断面收缩率Ψ为68、74、49％，采用GB6803-86进行无塑性转变温度落锤试验NDT温度为-55℃，该钢板由北京钢铁研究总院焊接试验室进行可焊性试验，其中焊接热影响区最高硬度HV≤306，斜Y坡口焊接裂纹试验在焊前不预热、焊后不热处理的情况下，手工焊、气保焊、埋弧焊三种方式表面、根部、断面裂纹率均为0％，焊接接头试验全部满足供货要求。

本发明的生产方法如下：(1)冶炼工艺：钢坯先经电炉冶炼，然后送入VD/VOD炉真空脱碳，再送入LF精炼炉精炼，大包温度≥1600℃时，吊包VD炉真空处理，抽真空时间≥12分钟，真空度为2托时破坏真空，并喂Al线700米，然后吊LF炉精炼，解决了单靠电炉冶炼增加吹氧去C、延长电炉冶炼时间而造成的电炉生产周期增加；经过该工序后，既缩短了电炉冶炼周期，也保证了C含量≤0.05％的概率达到100％，较好实现了低C或超低C的要求。

(2)加热工艺：钢坯在保证合金元素充分固溶，r晶粒细小的前提下，采用了低温加热工艺：加热温度1180℃，均热温度1160℃，加热段和均热段总时间≥4h；比传统调质型钢板加热温度低50-80℃，节约了燃油消耗。

(3)轧制工艺：采用III型控轧工艺，第一阶段为奥氏体再结晶阶段，约在1050℃之间，此阶段大多数道次压下量为8-25％，累计压下率≥60％，使奥氏体发生完全再结晶，以细化奥氏体晶粒；第二阶段为奥氏体非再结晶阶段，开轧温度为≤950℃，在这一阶段内，奥氏体晶粒被拉长，在伸长而未再结晶的奥氏体内形成高密度形变孪晶和形变带，同时微合金碳、氮化物因形变诱导析出，因而增加了铁素体的形核位置，细化了铁素体晶粒，此阶段压下率应尽量大，累计压下率≥50％；第三阶段为两相区(α+γ)阶段，开轧温度约为800℃，在这一阶段内在铁素体内形成大量位错亚结构，变形量越大，亚结构密度越大，钢板的脆性转变温度越低，此阶段与单道次变形量无关，累计压下率应≥30％；通过以上轧直工艺，以达到细化晶粒的目的，提高冲击韧性，采用III型控轧工艺的应用解决了轧机轧制压力不足而造成的晶粒粗大不均、冲击韧性减低现象，且增大了可生产钢板的厚度规格。

(4)水冷工艺：经轧制后的钢板在ACC快速冷却装置进行在线冷却，开冷温度为765℃，终冷温度为580℃，冷却速度为6-10℃/s，使钢板在这一温度范围内发生贝氏体组织转变；

(5)热处理工艺：对钢板进行快速回火处理，回火温度为600℃，时间为0.8-1.5min/mm；其回火保温时间较传统钢3.0-4.5mim/mm大大缩短，降低了燃气损耗，提高了生产效率。

实验证明：本发明的钢板具有强韧性匹配良好、冷成型性、焊接性良好，现场施工简单，达到焊前不预热、焊后不需热处理的要求，也完全满足焊接裂纹敏感性钢Pcm≤0.20％的设计要求，本发明采用控轧+回火工艺生产，不进行淬火热处理，简化了生产工序，减少了钢板中间工序的调运转移，缩短生产周期，适合大批量生产。

本发明钢板由于Pcm≤0.20％，具有良好的可焊性，可焊前不预热、焊后不需热处理，在制作厂使用时，简化了焊接工艺，确保了焊接热影响区性能良好，且可根据施工需要开灌浆孔、引弧，满足多种焊接方法的焊接。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1、一种低焊接裂纹敏感性钢板，其特征在于：由以下重量百分含量的化学成分组成：C≤0.07％，Si 0.15-0.40％，Mn 1.00-1.60％，P≤0.015％，S≤0.010％，Cu≤0.30％，Ni≤0.50％，Cr≤0.30％，Mo≤0.30％，V≤0.08％，Nb≤0.08％，Ti 0.010-0.020％，B≤0.003％，其余为Fe和不可避免的杂质。

2、根据权利要求1所述的低焊接裂纹敏感性钢板，其特征在于：所述的各化学成分为：C≤0.05％，Si 0.20-0.35％，Mn 1.45-1.60％，P≤0.012％，S≤0.005％，Ni 0.25-0.30％，Mo 0.25-0.30％，V 0.040-0.055％，Nb 0.05-0.06％，Ti 0.013-0.020％，B 0.0007-0.0012％，其余为Fe和不可避免的杂质。

3、一种如权利要求1-2中任一条所述的低焊接裂纹敏感性钢板的生产方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)冶炼工艺：钢坯先经电炉冶炼，然后送入VD/VOD炉真空脱碳，再送入LF精炼炉精炼，大包温度≥1600℃时，吊包VD炉真空处理，抽真空时间≥12分钟，真空度为2托时破坏真空，并喂Al线600-800米，然后吊LF炉精炼，解决了单靠电炉冶炼增加吹氧去C、延长电炉冶炼时间而造成的电炉生产周期增加；

(2)加热工艺：钢坯在保证合金元素充分固溶，r晶粒细小的前提下，采用了低温加热工艺：加热温度1180-1200℃，均热温度1160-1180℃，加热段和均热段总时间≥4h；

(3)轧制工艺：采用III型控轧工艺，第一阶段为奥氏体再结晶阶段，约在950-1150℃之间，此阶段大多数道次压下量为8-25％，累计压下率≥60％，使奥氏体发生完全再结晶，以细化奥氏体晶粒；第二阶段为奥氏体非再结晶阶段，开轧温度为≤950℃，在这一阶段内，奥氏体晶粒被拉长，在伸长而未再结晶的奥氏体内形成高密度形变孪晶和形变带，同时微合金碳、氮化物因形变诱导析出，因而增加了铁素体的形核位置，细化了铁素体晶粒，此阶段压下率应尽量大，累计压下率≥50％；第三阶段为两相区(α+γ)阶段，开轧温度约为780-840℃，在这一阶段内在铁素体内形成大量位错亚结构，变形量越大，亚结构密度越大，钢板的脆性转变温度越低，此阶段与单道次变形量无关，累计压下率应≥30％；

(4)水冷工艺：经轧制后的钢板在ACC快速冷却装置进行在线冷却，开冷温度为750-780℃，终冷温度为550-620℃，冷却速度为6-10℃/s，使钢板在这一温度范围内发生贝氏体组织转变；

(5)热处理工艺：对钢板进行快速回火处理，回火温度为600-620℃，时间为0.8-1.5min/mm。