CN103882297A - 具有优异韧性390MPa级低温船用钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有优异韧性390MPa级低温船用钢，C：0.05～0.12%，Si：0.08～0.30%，Mn：1.0～1.40%，P：≤0.01%，S：≤0.01%，Als：0.01～0.05%， Nb：0.02～0.04%，Ti：0.005～0.020%，其余为Fe和不可避免的杂质；第一阶段开轧温度1050～1100℃，总压下率≥60％，终轧温度900～940℃；第二阶段开轧温度850～900℃，总压下率≥60％，终轧温度790～880℃；先采用冷速为大于30℃/s的超快速冷却，然后进入冷速为大于10℃/s的层流冷却，返红温度580～640℃；终冷温度控制在500～630℃，后空冷至室温。
Description
技术领域
本发明属于钢铁材料制备领域，特别涉及一种具有优异韧性的390MPa级低温船用钢及其基于超快冷（UFC）工艺的TMCP制造方法。
背景技术
北极的生存条件恶劣，但是蕴藏着丰富的油气资源、渔业资源和各类矿产；南极则有着丰富的渔业资源。随着全球能源和自然资源的日益紧缺、国际能源价格上涨，越来越多的国家把目光投向这些低温海域，所以，对低温海域的船用钢的需求和要求与日俱增。具有高强度、特别是低温高韧性船板钢是市场的迫切需求，然而按照常规生产方法制造高强度、低温高韧性船板钢必然需要添加大量的合金元素以及进行复杂的热处理工艺进行强化，但这又增加了生产的成本。那么如何以较低的综合成本生产出优异的低温高韧性船板钢是生产企业迫切需要解决的问题。
目前，生产高强高韧性船用钢采用较为流行的轧制方法为控轧控冷工艺（TMCP），一般是在热轧过程中，分别在再结晶区和未再结晶区轧制；在控制冷却过程中，一般采用层流冷却，冷却速度通常小于25℃/S。采用常规TMCP工艺生产的钢板由于冷却能力低和不均匀等先天性不足已经难以满足低温海域船用钢的需求，而且要生产高强度高韧性船板钢则需要增加钢中的合金元素及含量，然而合金含量的增加会提高生产成本，给钢厂带来巨大成本压力，以下举例说明：
公开号为CN101255528A的发明专利所提出一种超低温韧性优异的含铌钢板及其轧制方法，制备该种钢板所需Nb含量较高，增加了生产成本，而且在粗轧和精轧之间加入喷水冷却工艺，这在生产中加大了控制的难度。
公开号为CN101781737A的发明专利所提出一种船用40公斤级热机械控制轧制厚板钢及其制造方法，其化学成分含有Mo、Cu、Ni、Cr、B合金元素，合金含量多，且终轧温度低。
公开号为CA1182721A的发明专利“method of producing steelhaving high strength and toughness”提出的制造方法，其化学成分含有Ni、Mo、Cu合金元素，增加了制造成本；同时终轧温度要求小于750℃，这必然增加了轧制等待时间，影响轧制效率。
公开号为CN101705434A的发明专利所提出一种具有超高强度和冲击韧性的船板钢及其制备方法，其化学成分中含有Mo、Cu、Ni、Cr合金元素，增加了合金成本；同时轧制的钢板进行了热处理，这又增加了制造成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有优异韧性、屈服强度390MPa级的船用钢及其基于超快冷（UFC）工艺的TMCP制造方法，该船用钢具有低碳当量、高强度及优异低温冲击韧性的特点，适用于建造低温海域航行船舶。
本发明通过如下技术方案实现：
一种具有优异韧性390MPa级低温船用钢，其特征在于按重量百分比计，包括以下组分C：0.05~0.12%，Si：0.08~0.30%，Mn：1.0~1.40%，P：≤0.01%，S：≤0.01%，Als：0.01~0.05%， Nb：0.02~0.04%，Ti：0.005~0.020%，其余为Fe和不可避免的杂质；钢板组织为多边形铁素体+针状铁素体+珠光体+贝氏体，其中贝氏体体积百分含量范围7~25%。
船板钢屈服强度≥390MPa，抗拉强度≥500MPa，-60℃夏氏冲击功≥200J；船板钢经过粗轧和精轧后得到的成品厚度为10~40mm。
以下阐述本发明的优异低温韧性船板钢中各合金成分作用机理，其中百分符号%代表重量百分比：
C：是保证钢强度的必要元素，通过固溶强化和析出强化对提高钢的强度有明显作用，但是过高的C含量对钢的延性、韧性和焊接性有负面影响。从经济性和产品性能角度考虑，优选C含量控制在0.05~0.12%。
Si：是炼钢过程中主要的脱氧成分，为了得到充分的脱氧效果必须含0.05%以上。但若超过上限则会降低母材及焊接部位的韧性，以固溶形式存在的Si在提高强度的同时也能提高韧脆转变温度，因此优选Si含量为0.08~0.30%。
Mn：是保证钢的强度和韧性的必要元素，Mn与S结合形成MnS，避免晶界处形成FeS而导致的热裂纹，同时Mn也是良好的脱氧剂。为了提高本发明材料的强韧性，因此优选Mn含量为1.0~1.40%。
P：是对冲击值带来不利影响的元素，可以在板坯中心部位偏析以及在晶界聚集等损害低温韧性，本发明材料控制在不高于0.01重量%。
S：是对冲击值带来不利影响的元素，可以形成硫化物夹杂，成为裂纹源，本发明材料控制在不高于0.01重量%。
Al：作为本发明必须添加的脱氧和细化晶粒元素，添加含量在0.01%以上，但超过0.08%时容易产生铸坯热裂纹，同时钢的韧性降低。更优选含量范围为0.01~0.05%。
Nb：有效细化钢的晶粒尺寸，作为提高钢的强度和韧性而添加的元素。当Nb含量小于0.01%时对钢的性能作用效果小，而超过0.05%时，钢的焊接性能和韧性均降低，因此Nb含量0.02~0.04%为本发明的优选范围。
Ti：作为提高钢的韧性和焊接部位韧性而添加的成分，以TiN形式存在而发挥作用，小于0.005%时效果小，超过0.04%时易形成大颗粒TiN而失去效果，因此添加Ti含量优选范围为0.005~0.02%。
上述优异低温韧性船板钢的制造工艺技术方案说明如下：
转炉冶炼，再经LF精炼炉精炼，连铸得到连铸坯，并将该板坯经加热、保温处理后进行热轧成形，轧制成形的钢板经超快冷（UFC）和层流冷却（ACC）控冷，随后空冷到室温，最终形成成品船用钢。
连铸过程中，中包钢水过热度≤30℃，全程保护浇铸；铸坯加热温度1170~1200℃，加热时间180～240min。
对钢坯进行两阶段控制轧制，第一阶段为再结晶区轧制，开轧温度1050～1100℃，总压下率≥60％，一阶段终轧温度900~940℃，得到中间坯，中间坯厚度为2~3倍成品厚度；第二阶段为未再结晶区轧制，开轧温度850～900℃，总压下率≥60％，终轧温度790～880℃。
采用超快速冷却和层流冷却双***，在控制冷却过程中，先采用冷速为大于30℃/s的超快速冷却，然后进入冷速为大于10℃/s的层流冷却，返红温度580～640℃；终冷温度控制在500~630℃，后空冷至室温，以TMCP状态直接交货。
采用本发明的优异低温韧性和高强度船用钢，具有如下效果：
（1）在成分设计方面，Nb和Ti微合金元素含量减少，不使用Cr、Mo、Cu、Ni和V等合金元素，降低合金成本；通过控制轧制和控制冷却（UFC+ACC）工艺可以有效提升材料强度和低温韧性。
（2）在显微组织结构方面，珠光体片层间距减小，组织内部有贝氏体存在，这是提高强度的主要原因；铁素体晶粒尺寸均匀且细小，尺寸一般小于12μm，因此提高了材料的韧性。
（3）在析出强化方面：可以析出尺寸小于20nm的NbC、TiC等析出相，能够有效钉扎在晶粒间界和内部，与位错产生相互作用，使钢的强度提高。
综上所述，采用本发明的制备方法，可以降低碳当量，能够有效提高材料强度，尤其大幅度提高低温韧性。
附图说明
图1是本发明钢实施例1的显微组织图；
图2是本发明钢实施例2的显微组织图；
图3是本发明钢实施例3的显微组织图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
实施例1、 2和3号的实验钢化学成分如下：
本发明的低温高韧性船板钢的生产方法，包括如下步骤：
铁水预处理→转炉冶炼→炉外精炼（LF炉）→板坯连铸→板坯加热→TMCP轧制→控制冷却（超快速冷却，层流冷却）→成品下线。
本发明是将以上成分的铸坯进行两阶段轧制，并在控制冷却时采用超快速冷却+层流冷却***，实施例1、2和3制备方案工艺参数如下：
对本发明实验钢的实施例1、2和3制得的成品钢板进行力学性能测试，测试结果如下：
由上表可以看出，本发明制备的船板钢具有高强度，低温（-60℃）高韧性，合金含量较少，实现了成本减量化，节约生产成本。
由附图1至图3可以看出，钢板组织为多边形铁素体+针状铁素体+珠光体+贝氏体。这种组织强化机理主要依靠钢中的贝氏体、针状铁素体和具有细小片间距的珠光体，而韧性和延展性主要依靠钢中的多边形铁素体，两种微观组织的平衡即可获得优异的强韧性综合性能。
Claims (3)
1.一种具有优异韧性390MPa级低温船用钢，其特征在于按重量百分比计，包括以下组分C：0.05~0.12%，Si：0.08~0.30%，Mn：1.0~1.40%，P：≤0.01%，S：≤0.01%，Als：0.01~0.05%， Nb：0.02~0.04%，Ti：0.005~0.020%，其余为Fe和不可避免的杂质；钢板组织为多边形铁素体+针状铁素体+珠光体+贝氏体，其中贝氏体体积百分含量范围7~25%。
2.一种根据权利要求1所述的具有优异韧性390MPa级低温船用钢的制造方法，包括转炉冶炼， LF精炼炉精炼，连铸，热轧，控冷，其特征在于：
对钢坯进行两阶段控制轧制，第一阶段为再结晶区轧制，开轧温度1050～1100℃，总压下率≥60％，一阶段终轧温度900~940℃，得到中间坯，中间坯厚度为2~3倍成品厚度；第二阶段为未再结晶区轧制，开轧温度850～900℃，总压下率≥60％，终轧温度790～880℃；
在控制冷却过程中，先采用冷速为大于30℃/s的超快速冷却，然后进入冷速为大于10℃/s的层流冷却，返红温度580～640℃；终冷温度控制在500~630℃，后空冷至室温。
3.根据权利要求2所述的具有优异韧性390MPa级低温船用钢的制造方法，其特征在于：连铸过程中，中包钢水过热度≤30℃，全程保护浇铸；铸坯加热温度1170~1200℃，加热时间180～240min。
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