CN101643885B

CN101643885B - 抗层状撕裂性能优良的工程用钢及其生产方法

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Publication number: CN101643885B
Application number: CN2009100637220A
Authority: CN
Inventors: 陈颜堂; 李具中; 张光新; 范植金; 黄成红; 朱丛茂; 桂洲; 罗国华; 朱玉秀; 付勇涛; 陈炜; 严翔
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Priority date: 2009-08-25
Filing date: 2009-08-25
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2029-08-25
Also published as: CN101643885A

Abstract

本发明公开了一种能抗层状撕裂的工程用钢及生产方法，其组分及重量百分比为：C：0.24～0.35％，Si：0.66％～0.85％，Mn：0.30％～1.50％，P≤0.015％，S≤0.008％，Cr：0.15％～0.85％，Ni：0.10％～0.55％，Zr：0.005～0.055％，余Fe和不可避免的杂质，且化学成分满足以下关系式：C+Cr≤2Mn+Ni≤3.50％，C+S≤Zr+Cr≤0.85％；生产方法：在常规冶炼中吹氩、真空***精炼，均热温度1150℃～1300℃，保温至少为3小时；可逆轧制：开轧温度至少为1100℃，终轧温度在850℃～950℃，在860℃～960℃下进行正火热处理，自然冷却至常温。本发明钢抗拉强度达≥520MPa，厚度方向拉伸断面收缩率Zz≥55％，抗层状撕裂性能良好。

Description

抗层状撕裂性能优良的工程用钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及合金高强钢制造领域，具体属于用于海洋钻井平台、远洋船舶、大型桥梁、高层建筑等钢结构工程并能抗层状撕裂的钢种及其生产方法。

背景技术

海洋钻井平台、远洋船舶、大型桥梁、高层建筑等钢结构工程对钢材的性能要求越来越高，不仅要求钢材具有良好的基本力学性能，还要求具有优良的层状抗撕裂性能，即Z向性能。一般地，采用钢板厚度方向标准拉伸试样的断面收缩率Zz来衡量钢板抗层状撕裂性能的优劣，对于厚度大于15mm的钢板，通常要求Zz≥15％(记为Z15)、Zz≥25％(记为Z25)、Zz≥35％(记为Z35)。钢结构工程如果用抗撕裂性能钢建造，可以保证工程质量，提高工程使用寿命，经济效益和社会效益巨大。因此，本发明的目的在于提供一种具有良好抗撕裂性能钢及其制造技术，满足巨型船舶、海上钻井平台、大型桥梁、高层建筑用钢的需求。

在本发明申请以前，中国专利申请号为200810119506.9公开了一种“控轧控冷海洋平台用钢及其生产方法”，其化学组分及重量百分比含量为：C 0.05～0.09％，Mn 1.20～1.60％，Si 0.20～0.50％，Nb 0.03～0.05％，Ti 0.010～0.020％，V 0.03～0.06％，S≤0.005％，Als 0.020～0.040％，P≤0.015％，余量为Fe及杂质。采用热机械控制工艺过程(TMCP)进行生产，将按成分冶炼好的钢水浇铸成220～250mm厚板坯；将坯料装入板坯加热炉加热，出炉进行轧制。粗轧开轧温度在1060～1160℃；精轧开轧温度在840～940℃；终轧温度在780～820℃；轧制钢板厚度10～60mm。开始冷却温度在760～810℃；终止冷却温度在550～650℃；冷却速率在10～17℃/s。其不足在于：采用TMCP工艺生产的钢板微观组织结构不均匀，带状组织严重，虽然可应用于海洋平台钢结构建造，但不是一种理想的抗层状撕裂钢，因为其Zz≥35％，仅满足基本技术要求，富裕量较小，在施工中仍会发生层状撕裂的问题。另一项中国专利申请号为94115981.7的文献，其公开了一种“适于高温多湿环境的耐海水腐蚀钢及其制造方法”，通过铸造、热轧后以3～20℃/sec的冷速加速冷却，在400℃～600℃温度范围停止加速冷却，然后空冷。其不足在于：微合金化元素太多，包括难于控制的元素N、REM等，冶炼过程中不易操作，难于控制其成分精度，增加了生产难度，提高了成本，并且成形过程中采用轧后控制冷速冷却工艺，降低了设备利用率和生产效率，难于在实际生产过程中推广应用。中国专利申请号为200610024963.0公开了“一种抗海水和潮湿环境腐蚀钢”，其化学成分为：C：0.06％～0.09％，Si：0.20％～0.50％，Mn：0.30％～0.40％，Cr：1.00％～1.20％，Al：0.40％～0.60％，Mo：0.25％～0.35％，P≤0.015％，S≤0.010％，Cu≤0.15％，Ni≤0.20％，Ti≤0.020％，Sn≤0.020％，As≤0.020％，Pb≤0.0025％，Bi≤0.010％，Sb≤0.004％，[N]≤0.030％，[0]≤0.0025％，[H]≤0.00015％，余为Fe和不可避免的杂质。类似的，另一项中国专利申请200610024179.X公开了“一种耐海水腐蚀钢及其生产方法”，该两项耐海水腐蚀钢专利技术的化学成分十分复杂，而且对难于控制的合金元素提出了精度要求，显著增加了生产难度和成本。钢中价格昂贵的合金元素Mo含量较高，是一种不经济的钢种，且钢中Al含量很高，给生产该钢种带来很大困难，尤其是在浇铸过程中，形成的含Al氧化物及氮化物容易堵塞浇铸水口，造成生产事故。

发明内容

本发明的目的在于克服现有专利技术及服役的同类钢板的不足，提供一种具有优异抗层状撕裂性能，并依据本申请所述的生产方法使钢的抗拉强度≥520MPa，厚度方向拉伸断面收缩率Zz≥55％、组分及工艺简单，成本较低的能抗层状撕裂的工程用钢及其生产方法

实现上述目的的技术措施：

抗层状撕裂性能优良的工程用钢，其化学成分按重量百分比为：C：0.24～0.35％，Si：0.66％～0.85％，Mn：0.30％～1.50％，P≤0.015％，S≤0.008％，Cr：0.15％～0.85％，Ni：0.10％～0.55％，Zr：0.005～0.055％，余Fe和不可避免的杂质，且化学成分满足以下关系式：

(1)：C+Cr≤2Mn+Ni≤3.50％

(2)：C+S≤Zr+Cr≤0.85％。

生产抗层状撕裂性能优良的工程用钢的方法：其在于：在常规的冶炼过程中：采用吹氩、真空***精炼，钢坯均热温度：1150℃～1300℃，保温时间至少为3小时；可逆轧机轧制过程：开轧温度控制至少为1100℃，终轧温度控制在：850℃～950℃，在860℃～960℃条件下进行正火热处理，自然冷却至常温。

本发明主要合金元素含量的设定及制造方法，依据以下原理：

对于采用连铸板坯轧制厚度大于15mm的钢板，由于铸坯中心偏析、夹杂物或有害元素的影响导致钢板抗撕裂性能降低，有的甚至不能满足施工要求。海洋钻井平台、大型远洋船舶、桥梁、高层建筑等用钢厚度一般高于15mm，且在施工过程中钢板冷变形量较大，如果钢板抗撕裂性能低劣，钢结构在使用过程中就会开裂，造成事故。

本发明解决钢板撕裂缺陷的关键在于采用适量Zr处理，对钢中不可避免存在的杂质进行有效变质，形成颗粒细小、弥散分布且呈圆形的夹杂物，消除集中分布、颗粒较大(一般直径≥5μm)的有害夹杂物，同时，降低钢坯合金元素偏析程度，提高钢质，避免成品钢板在加工和使用过程中出现撕裂现象。设定化学成分满足关系式C+Cr≤2Mn+Ni，目的在于通过合金元素Mn和Ni的作用，降低钢中C、Cr的偏析程度，反之，如果C、Cr偏析严重，经轧制后会形成严重的带状组织，易在晶界形成Cr_xC_y系列化合物，弱化晶界，导致抗撕裂性能变低劣。设定2Mn+Ni≤3.50％，目的在于在满足抗撕裂性能的前提下，尽可能减少钢中合金元素Mn、Ni的含量，降低生产成本，提高钢种冶炼效率。

钢中非金属硫化物夹杂容易变形，沿轧制方向拉长，破坏了钢中金属的连续性，极易造成钢板撕裂，因此设定C+S≤Zr+Cr，通过添加适量的合金元素Zr、Cr，一方面遏制钢中C的偏析，另一方面，对钢中硫化物进行有效变质，变有害夹杂物为无害夹杂物，可大幅度提高钢的抗撕裂性能，但Zr属于贵金属元素，故设定Zr+Cr≤0.85％，目的在于在满足生产条件和钢板质量的前提下，尽可能减少钢中合金元素含量，降低生产难度，另一方面，降低生产成本。

以下简述本发明钢中选定各合金元素及成分范围的理由。

抗撕裂性能工程用钢种一般要求钢板厚度大于15mm，最大厚度可达300mm。众所周知，钢的强度一般随厚度的增加而降低。而C是钢中较为有效、经济的间隙强化元素，控制钢中一定C含量可保障钢的强度，但是过高的C含量会增加偏析程度，降低抗撕裂性能，且使钢的断裂韧性显著降低，综合平衡钢的力学性能和抗撕裂性能，故将C含量的取值范围确定为：0.05-0.35％。

Si是一种廉价的置换强化元素，加入钢中可显著提高钢的强度，虽对钢的抗撕裂性能影响不大，但如果钢中Si含量偏高，会使钢的韧性，尤其使低温韧性明显降低，综合钢的强度及韧性两方面的考虑，将Si的成分范围确定为0.01-0.85％.

Mn不仅可以增加钢的强度，还可以降低钢的相变温度，通过控制轧制过程，细化晶粒，在提高钢的强度同时提高其断裂韧性，但若钢中Mn含量偏高，则会形成数量较多的MnS，降低钢的抗撕裂性能，故将Mn含量的范围设定为0.30-1.50％。

钢中添加适量Cr，可抑制环C原子扩散，降低C的偏析，有利于抗撕裂性能的提高，另一方面，适量的Cr可提高钢的强度。但过量的Cr含量，会形成沿晶界分布的网状Cr的碳化物，导致钢的脆性增加，降低钢的抗撕裂性能，故将℃r含量范围设定为0.15％～0.85％。

钢中Ni对强度贡献不大，但可提高钢的韧性，尤其是低温韧性，且钢中添加适量的Ni，可抑制其它合金元素的扩散，减少合金元素偏析，提高抗撕裂性能。因Ni是贵重元素，且资源紧缺，若加入量过多，增加生产成本，造成不必要的浪费，故将Ni含量范围设定为0.10％～0.55％。

Zr是对钢中有害夹杂物变质作用十分有效的合金元素，可将钢中粗大、集中分布和非圆形夹杂物变质成无害夹杂物，显著提高钢的抗撕裂性能。Zr的熔点较高，若过量加入，增加生产难度，提高生产成本，故将Zr的范围设定为0.005～0.055％。

P、S是钢中有害的杂质元素，降低钢的韧性，含量越低越好，但若将其含量限定得过低，会增加生产难度，提高生产成本，因此在不影响钢的抗冲刷磨蚀性能的前提下，将钢得P、S含量分别限定在P≤0.015％及S≤0.010％常规范围。

以下简述生产方法所依据的原理：

钢的制造方法冶炼过程采用吹氩、真空精练，目的在于减少钢中[O]、[N]、[H]等有害气体，均匀成分，通过真空循环精练，钢中有害夹杂物充分上浮到钢水表面渣中，净化钢水。

钢坯均热温度：1150℃～1300℃，保温时间至少3小时，足够高的温度和时间确保钢坯表层及中心部位全部奥氏体化，便于轧制，使高温下形成的粗大晶粒充分细化，改善钢的性能。将开轧温度设定为至少为1100℃，一般在1100℃-1280℃开始粗轧，因为设定过低，会有一些第二相沉淀析出，在轧制过程中产生裂纹，造成废品。另一方面，若开轧温度过低必将导致精轧温度降低，过低的终轧温度易形成部分特别粗大的晶粒，使得钢的机械性能降低。终轧温度设定在850℃～950℃范围，因为该温度范围处于非再结晶区轧制过程，在该温度范围轧制可以获得良好的微观组织和理想的综合力学性能。最后在860℃～960℃温度范围进行正火热处理，改善微观组织结构，使组织进一步均匀化，提高钢的抗层状撕裂性能。

本发明钢及其制造技术具有如下优点：

1.化学成分相对简单，生产工艺过程容易操作，生产成本较低。

2.具有优良的抗撕裂性能。

具体实施方式

按照本申请生产抗层状撕裂性能优良的工程用钢的方法：在常规的冶炼过程中：采用吹氩、真空***精炼，钢坯均热温度：1150℃～1300℃，保温时间至少为3小时；可逆轧机轧制过程：开轧温度控制至少为1100℃，终轧温度控制在：850℃～950℃，在860℃～960℃条件下进行正火热处理，自然冷却至常温，在组分设计要求范围，冶炼了6批本发明实施例钢，其组分取值数据见表1，表2为生产本发明钢的工艺过程、对抗层状撕裂性能Zz及抗拉强度的检测结果表。从表2可见，本发明钢的层状撕裂性能Zz≥55％，表明其具有良好的抗层状撕裂性能。对比钢7由于化学成分不满足关系式(1)，不仅抗拉强度低于520MPa，且抗层状撕裂性能Zz较低，仅为33％，未达到一般技术要求的35％.对比钢8由于化学成分不满足关系式(2)，虽然抗拉强度高于520MPa，但抗层状撕裂性能Zz很低，为28％，在工程建造过程中容易发生层状撕裂，工程质量难于保障。

表1.本发明实施例化学成分(质量分数％)

表2.生产本发明实施例钢的主要工艺条件及抗撕裂性能

Claims

1.抗层状撕裂性能优良的工程用钢，其化学成分按重量百分比为：C：0.24～0.35％，Si：0.66％～0.85％，Mn：0.30％～1.50％，P≤0.015％，S≤0.008％，Cr：0.15％～0.85％，Ni：0.10％～0.55％，Zr：0.005～0.055％，余Fe和不可避免的杂质，且化学成分满足以下关系式：

(1)：C+Cr≤2Mn+Ni≤3.50％

(2)：C+S≤Zr+Cr≤0.85％。

2.生产权利要求1所述的抗层状撕裂性能优良的工程用钢的方法：其特征在于：在常规的冶炼过程中：采用吹氩、真空***精炼，钢坯均热温度：1150℃～1300℃，保温时间至少为3小时；可逆轧机轧制过程：开轧温度控制至少为1100℃，终轧温度控制在：850℃～950℃，在860℃～960℃条件下进行正火热处理，自然冷却至常温。