CN102400045A - 大规格高强度d40船用热轧球扁钢及生产工艺 - Google Patents

Abstract

一种大规格高强度D40船用热轧球扁钢及生产工艺，属于船用结构钢技术领域，所述大规格是指40号及以上。该钢化学成分组成按重量百分比计为C：0.08～0.15，Si：0.10～0.50，Mn：1.15～1.75，S、P≤0.020，V：0.08～0.15，Ni：0.10～0.50，Ti：0.01～0.03，Mg：0.001～0.01，Ca：0.001～0.01，0：0.001～0.01，N：0.016～0.025，其中Mn/C≥14.0，Ni/Mn≥0.15，(Mg+Ca)/O≥1.0，余量为Fe和不可避免的杂质。生产工艺包括真空结束时采用直径13mm的钒氮合金丝和直径10mm的Mg-Ca合金丝喂入钢液中并底吹氩搅拌，热轧采用低温坯料加热、终轧大变形以及轧后冷却。优点在于，可以满足屈服强度和-40℃低温冲击韧性的要求，用于大型船舶舭龙骨部位扶强材，在不提高船体重量的条件下显著提高船体刚度和低温下使用安全系数。

Description

大规格高强度D40船用热轧球扁钢及生产工艺

技术领域

本发明属于船用结构钢技术领域，特别是涉及一种大规格高强度D40船用热轧球扁钢及其生产工艺，所述的大规格是指40号及以上。

背景技术

球扁钢是一种主要应用于各类大中型船舶建造的辅助型材，其用量仅次于船用钢板。研究表明，当剖面模数相同或者相近时，球扁钢的贯性矩一般都比不等边角钢、等边角钢、扁钢和T型材大，而截面面积则更小，因此其成为提高主船体贯性矩、保证船体刚度，降低船体重量必不可少的构件。随着船体建造大型化、高速化以及自动化方向发展，对船用球扁钢提出了高强度、高低温韧性以及大规格化的需求。

球扁钢属于截面极度不对称的异型截面钢，一般采用孔型轧制，和板材轧制不同，型钢轧制往往受装备条件、孔型设计等影响，在生产时无法采用在奥氏体未再结晶区的大压下，只能采用在奥氏体再结晶区多道次的轻压下，一次的加工变形量和累计的压下量均比较小，粗大的原始奥氏体晶粒很难细化，轧后又以空冷为主，整个截面均匀加速冷却也很困难，导致组织粗化，无法得到细晶组织，因而无法像板材通过控轧控冷产生晶粒细化来获得较好的强韧性配合。

在高强度要求方面，传统民用球扁钢主要采用C-Mn合金设计，屈服强度一般不高于355MPa，如国内生产的各类A32、A36高强度船用球扁钢。对于其它各类屈服强度要求更高的军用球扁钢，如10CrNi3MoV球扁钢，虽然屈服强度可以达到390MPa，但交货状态为调质热处理态，组织状态为低碳回火马氏体组织，同时还要添加较高含量Ni、Cr、Mo等合金元素，成分较高。专利“高强度球扁钢的生产工艺”(公开号：CN101229565A)介绍了一种高强度球扁钢及其生产工艺，通过添加0.01～0.025％的Nb来细化最终的组织来提高钢的强度，但生产的球扁钢最高强度级别为A/D36。

在低温韧性要求方面，传统民用高强度球扁钢最低考核-20℃冲击韧性。专利“提高高强度球扁钢低温冲击性能合格率的生产方法”(公开号：CN101229564B)介绍了通过控制终轧后组织状态来提高高强度球扁钢低温冲击韧性的方法，但是该专利面向的是A/D36球扁钢，也仅仅可以提高球扁钢-20℃低温冲击功。

在大规格需求方面，传统球扁钢球头尺寸均小于400mm(37号及以下)，为提高船体结构的整体贯性矩，减轻船体结构的重量，通常10万吨级以上的船体舭龙骨部位需要40号及以上的大规格高强度球扁钢，但是大规格球扁钢由于坯料总体变形量小，终轧温度高等特点，无法实现高强度和高低温韧性的要求。

因此，现有技术无法同时满足球扁钢高强度(390MPa及以上)、高韧性(最低考核-40℃冲击功)以及大规格(40号及以上)的使用要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种40号及以上大规格高强度D40船用球扁钢及其生产工艺，用于解决40号及以上大规格船用球扁钢的高屈服强度和-40℃低温冲击功问题；可以满足10万吨级以上船体结构对于40号及以上大规格球扁钢高屈服强度和-40℃低温冲击功的要求。

本发明所述问题由以下技术方案解决：

本发明的40号及以上大规格高强度D40球扁钢的化学成分按重量百分比为：C：0.08～0.15，Si：0.10～0.50，Mn：1.15～1.75，S、P≤0.020，V：0.08～0.15，Ni：0.10～0.50，Ti：0.01～0.03，Mg：0.001～0.01，Ca：0.001～0.01，0：0.001～0.01，N：0.016～0.025，其中Mn/C≥14.0，Ni≥0.15，(Mg+Ca)/O≥1.0，余量为Fe和不可避免的杂质。

对本发明中使用的40号及以上大规格高强度D40球扁钢的成分组成的限定理由进行说明，以下仅用％表示组成中的质量百分比。

C是提高钢强度的有效成分，下限规定为0.08％，碳含量过低钢的屈服强度、抗拉强度不能满足要求。此外，过量的碳会生产大量碳化物，增加珠光体的数量，显著降低钢的低温韧性以及提高韧脆转变温度，因此上限规定为0.15％。

Si作为脱氧元素而添加，也是固溶强化元素，最低添加为0.10％。Si含量大于0.50％时，促进组织粗化，低温韧性降低，焊接性变差。本发明Si控制在0.10～0.50％。

Mn是保证钢板强度的重要元素，也是增加碳氮量的重要元素。当Mn含量低于1.15％时，无法满足钢板屈服强度和抗拉强度的下限要求，同时S化物的有害作用增强。当Mn含量高于1.75时，低温韧性显著降低。此外，Mn和C含量需要满足Mn/C≥14.0，是本发明中重要控制因素，这主要基于本研究中的新发现：Mn/C低于14.0时，组织中会得到少量粒状贝氏体组织，显著降低钢的低温韧性。

P含量越少是本专利中所希望的，但工业上降低P含量需要花费较大的成本，因此含量范围规定为0.02％以下。

S含量越少是本专利中所希望的，但工业上降低S含量需要花费较大的成本，因此含量范围规定为0.02％以下。

V是一种沉淀强化效果显著的微合金化元素，也是本发明中的重要元素。当钒含量低于0.08％时，钢的强度偏低，无法满足屈服强度最低要求。同时，钒的析出还能促进晶内铁素体的形成，可在提高强度的同时提高钢的韧性。但是，随着钒含量的增加，析出物尺寸显著增多，粒子增大，反而降低钢的低温韧性，同时促进了钢中M-A岛状组织的形成，因此钒含量应控制在0.15％。

Ni是本发明中的重要元素，需要添加最少0.10％，出于成本考虑，上限应控制在0.50％。同时应严格控制Ni/Mn≥0.15，这主要是由于Mn的增加会使组织中增加粒状贝氏体，从而使Ni带来的韧性的提高效果消失。

Ti可以和钢中的氮结合生成TiN颗粒，有利于抑制再加热奥氏体晶粒的粗化，钢中最低Ti含量应控制在0.01％。但是，过量的Ti会使得大量大颗粒Ti的氮化物存在，降低钢的低温韧性，因此上限规定为0.03％。

Mg，Ca是本发明中的关键元素，其均为钢中强脱氧元素，会和钢中O结合形成细小的氧化物颗粒，VN粒子在细小的MgCa氧化物上形核析出，复合粒子能较好的促进晶内铁素体的形核，细化铁素体晶粒尺寸，显著的提高低温韧性。为保证大量细小粒子的析出，Mg、Ca、O下限均控制为0.001％。但是过量的Mg、Ca和O均会使得钢中氧化物夹杂数量增多，尺寸增大，且无法起到细化钢中组织作用，降低钢的低温韧性。因此，钢中Mg、Ca、O含量的上限均控制为0.01％。同时，(Mg+Ca)/O≥1时，钢中形成的氧化物数量较多，尺寸较小，且能使得VN粒子大量在氧化物上复合析出，显著的细化最终的显微组织，提高低温韧性。

N是本发明中的一种关键微合金化元素。N会和钢中的V和Ti结合形成第二相析出物粒子，其中VN粒子会显著的提高钢的屈服强度以及促进晶内铁素体形核，细化最终的铁素体晶粒尺寸。因此，要充分发挥钢中V和Ti的作用，含量不宜低于0.016％。过高的增N，出对连铸操作和铸坯质量有负面影响外，还会在钢中形成大量有力的氮，增加时效脆性，显著降低钢的低温韧性，其含量不宜超过0.025％。

本发明的40号及以上大规格高强度D40船用球扁钢，主要面向的球头尺寸400-430mm，腹板厚度18-25mm的尺寸规格。球头尺寸低于400mm或者腹板厚度低于18mm的球扁钢采用常规合金设计技术即可获得。

本发明的40号及以上大规格高强度D40船用球扁钢，主要面向的是屈服强度大于或等于390MPa，腹板1/3部位纵向-40℃夏比冲击功大于或等于41J性能要求。屈服强度低于390MPa或冲击韧性低于上述要求的球扁钢采用常规合金设计技术即可获得。

本发明的生产工艺步骤及控制的技术参数如下：

冶炼：在炼钢过程中采用直径为12mm的钒氮合金丝在真空结束后喂入钢液中，并底吹氩搅动钢液。由于真空处理会显著降低钢液中自由氮的含量，因此在真空后喂入钒氮合金丝有利于提高钒和氮的回收率，同时底吹氩气搅拌，避免N原子相互结合生成氮气，降低钢中氮的回收率。随后采用直径10mm的Mg-Ca合金丝喂入钢液中，主要为了获得大量细小的Mg、Ca氧化物颗粒，采用氩气搅拌可以让氧化物颗粒均匀、细小的分部在钢液中。

热轧：其坯料加热温度为1150～1200℃，主要放置原始奥氏体晶粒尺寸显著粗大化。采用低温(终轧温度850～950℃)以及终轧道次大变形量(15～20％)均会显著的细化最终的铁素体晶粒尺寸，提高低温韧性。终轧后采用喷雾冷却，冷速为2～10℃/s，可以进一步的细化最终的铁素体晶粒尺寸，提高钢的低温韧性。

本发明具有以下优点：

1、本发明所述的40号及以上大规格高强度D40船用球扁钢及生产工艺，可以同时满足大规格(球头尺寸400-430mm，腹板厚度18-25mm)、高屈服强度(≥390MPa)、高低温冲击韧性(Akv-40℃≥41J)的要求；

2、本发明所述的40号及以上大规格高强度D40船用球扁钢及生产工艺，可用于大型船舶扶强材，可在不大幅度提高船体重量的条件下显著提高船体刚度和低温条件下的使用安全系数。

3、本发明所述的40号及以上大规格高强度D40船用球扁钢及生产工艺，操作工艺简便，特别适用于要求大规格、高强度、高低温韧性球扁钢的生产。

具体实施方式：

下面将通过不同的实施例和对比例的比较来描述本发明。这些实施例仅用于解释的目的，本发明不限于这些实施例中。

表1为实施例和对比例中各种球扁钢的化学成分，其中实施例钢4种，对比例钢4种。这些球扁钢采用100吨转炉冶炼，经冶炼、连铸、轧制工艺流程，分别制备成40号、43号，腹板厚度为18mm、20mm的钢种，冶炼和连铸时按照以下工艺要点控制：

1)采用LF+RH炼钢工艺，RH结束后喂入直径12mm的钒氮合金丝，吹氩搅拌3min；随后喂入直径10mm的Mg-Ca合金丝，吹氩搅拌5min。

2)连铸过程中控制过热度低于20℃，连铸坯矫直温度高于920℃；

3)钢坯加热温度1180±20℃，均热段加热时间3h；

4)开轧温度1100～1150℃，终轧温度880±20℃，终轧道次变形量15％；

5)轧后喷雾冷却，冷速2～10℃/s。

从表1可以看出，按照本发明制备的5种试验钢，化学成分均符合本发明所述要求范围，其中Mn/C、Ni/Mn、(Mg+Ca)/O比也均满足本发明要求。对比例1中V和N含量均不满足发明要求，对比例2中Mn/C比不满足本发明要求，对比例3中Ni/Mn比不满足本发明要求，对比例4中(Mg+Ca)/O比不满足本发明要求。

对各实施例试验钢板和对比例钢取样，按照GB/T 13239-2006标准，采用MTSNEW810型拉伸试验机，以3mm/min恒定的夹头移动速率进行拉伸，测试纵向拉伸性能，取样部位为板厚的1/2处，试验结果取2个试样的平均值。按照GB/T 229-2007标准，采用NCS系列500J仪器化摆锤式冲击试验机，测试腹板1/3部位-40℃夏比冲击功，取样部位为板厚的1/2处，试验结果取3个试样的平均值。球扁钢力学性能测试结果见表2。

从表2结果可以看出，实施例1～4钢分别轧制成40、40号，厚度18mm、20mm时，均能满足屈服强度大于390MPa、抗拉强度510～660MPa，腹板Akv-40℃大于41J的使用要求。对比例1屈服强度、抗拉强度以及低温冲击韧性不能满足要求，对比例2～4的低温冲击韧性均不能满足41J的使用要求。

表1 实施例与对比例球扁钢的化学成分(wt，％)

表2 实施例与对比例球扁钢力学性能

Claims (3)

1.一种大规格高强度D40球扁钢，其特征在于，化学成分按重量百分比为：C：0.08～0.15，Si：0.10～0.50，Mn：1.15～1.75，S、P≤0.020，V：0.08～0.15，Ni：0.10～0.50，Ti：0.01～0.03，Mg：0.001～0.01，Ca：0.001～0.01，0：0.001～0.01，N：0.016～0.025，其中Mn/C≥14.0，Ni/Mn≥0.15，(Mg+Ca)/O≥1.0，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的大规格高强度D40球扁钢，其特征在于：所述D40球扁钢球头宽度为400-430mm，腹板厚度为18-25mm；

满足腹板1/3部位纵向屈服强度不低于390MPa，纵向-40℃夏比冲击功不低于41J。

3.一种根据权利要求1或2所述的大规格高强度D40球扁钢的生产工艺，其特征在于：工艺步骤及控制的技术参数如下：

冶炼：炼钢过程中采用直径12mm的钒氮合金丝在真空结束后喂入钢中，并底吹氩气搅拌；随后采用直径10mm的Mg-Ca合金丝喂入钢液中，并底吹氩气搅拌；

热轧：坯料加热温度1150～1200℃，终轧温度850～950℃，终轧道次变形量15％～20％，终轧后采用喷雾冷却，冷速为2～10℃/s。