CN105177420A - 一种s275nl高韧性细晶粒结构钢板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种S275NL高韧性细晶粒结构钢板及其制备方法，所述钢板的化学成分为：C：0.07～0.15wt％、Si：0.20～0.40wt％、Mn：0.75～1.00wt％、P：≤0.025wt％、S：≤0.020wt％、Nb/Ti：0.05～0.10wt％、Als：≤0.050wt％，其余为Fe和不可避免的杂质。其制备方法包括以下步骤：优质铁水熔炼—KR铁水预处理—转炉冶炼—LF炉精炼—真空脱气处理—连铸—加热—轧制—ACC快速冷却—正火热处理。该高韧性细晶粒结构钢板，通过调整C、Mn合金元素含量和比例，适当添加Nb/Ti合金元素，严格控制P、S含量，配合本发明的轧制和正火工艺，使其既避免了添加Ni、Mo等贵重合金元素，又能保证钢板的低碳当量、高韧性和良好焊接性能等要求，简化了生产工艺，降低了生产成本，适合大生产操作。

Description

一种S275NL高韧性细晶粒结构钢板及其制备方法

技术领域

本发明属于钢板制造技术领域，具体涉及一种S275NL高韧性细晶粒结构钢板及其制备方法。

背景技术

宽厚板是钢铁产品类别中归属于中厚板的一类主导产品，一般泛指采用宽厚板轧机生产的宽度在2500mm以上，厚度在5mm以上的钢板。宽厚板平面尺寸及厚度范围都比较大，产品适应性强，在制作大型容器、设备和钢结构时比其它产品利用率高，更经济合理，属于资源节约型钢材，同时也是比较典型的高技术含量、高附加值产品，广泛用于能源、交通、建筑、工程机械等国民经济各个重要领域，具有很大的市场潜力。低合金高强度宽厚板产品是钢铁产业发展政策中明确提出要鼓励生产的产品，主要用于焊接结构，因此不仅要求钢材具有高的强度及塑韧性，还必须具有焊接性和工艺加工性，其中高纯净度、高韧性并具有良好焊接性能的宽厚钢板是总的发展方向。

高韧性细晶粒结构钢S275NL是一种微合金低碳铁素体及珠光体钢，它具有低温韧性优良、加工性能和焊接性能好等特点，主要应用在桥梁钢、防洪闸用钢、供水坦克用钢等室温和低温条件下的领域。近年来，针对S275NL高韧性细晶粒结构钢生产难度大、工艺装备要求特殊等问题，目前国内钢厂普遍采用TMCP+正火方式进行生产，为保证低温冲击韧性，还需添加Ni、Mo等贵重合金元素，生产成本居高不下，严重制约着该系列钢种的经济效益和批量生产。

发明内容

本发明目的是针对现有技术生产高韧性细晶粒结构钢板工艺复杂、生产效率低，合金成本高等问题，提供了一种S275NL高韧性细晶粒结构钢板，该钢板采用合理的化学成分设计以及轧制和热处理工艺，避免添加Ni、Mo等贵重合金元素，既能保证高韧性和良好的焊接性能等要求，又能简化生产工艺、缩短生产流程、降低合金成本，适合大生产操作。

为达到上述发明的目的，本发明所采取的技术方案是：

一种S275NL高韧性细晶粒结构钢板，是由如下质量百分比的化学成分冶炼轧制而成：C：0.07～0.15wt％、Si：0.20～0.40wt％、Mn：0.75～1.00wt％、P：≤0.025wt％、S：≤0.020wt％、Nb/Ti：0.05～0.10wt％、Als：≤0.050wt％，其余为Fe和不可避免的杂质。

所述的S275NL高韧性细晶粒结构钢板碳当量≤0.40wt％。

本发明还提供了一种生产所述S275NL高韧性细晶粒结构钢板的生产方法，所述方法包括以下步骤：

优质铁水熔炼—KR铁水预处理—转炉冶炼—LF炉精炼—真空脱气处理—连铸—加热—轧制—ACC快速冷却—正火热处理；

其中：

所述KR铁水预处理步骤中，到站铁水必须扒前渣与扒后渣，保证液面渣层厚度≤20mm，铁水经KR搅拌脱硫，脱硫周期≤21min，脱硫温降≤20℃，达到铁水中按质量百分比含S≤0.005wt％；

所述转炉冶炼步骤中，采用120吨顶底复吹转炉，入炉铁水中按质量百分比含S≤0.005wt％，含P≤0.080wt％，铁水温度≥1270℃，铁水装入量误差控制在±1t，造渣碱度R控制在2.5～4.0范围内，出钢铁水中按质量百分比含C≤0.03～0.04wt％，含P≤0.012w％，含S≤0.010％wt％，点吹次数≤2次；

所述LF炉精炼步骤中，精炼过程中全程吹氩，加入精炼渣料的碱度为4.0～6.0，加热时间按两次控制，第一次加热7～12min，第二次加热6～10min，粘渣次数≥6次，加硅钙线前必须关闭氩气，不采用真空脱气上钢温度为1565±15℃或采用真空脱气上钢温度为1610±15℃；

所述真空脱气步骤中，VD真空度≤67Pa，保压时间≥15min，破真空后软吹2～5min或不吹，软吹过程中钢水不得裸露，在线包抽真空1.7min关闭氩气，加覆盖剂，保证铺满钢液面，上钢温度1565±15℃；

所述连铸步骤中，中间包预热的过热度控制在15±10℃，拉矫机拉速控制在0.7m/min，比水量为0.8L/kg，电磁搅拌中电磁***控制参数为：900A、5Hz、30s～3～30s，连铸浇钢全程保护浇铸，大包开浇后1min内套保护管，浇钢过程中进行塞棒吹氩，铸坯下线后堆冷温度≥200℃，堆冷时间≥12h；

所述加热步骤中，加热温度及加热时间如下：预热段温度控制在900～1000℃，加热段温度控制在1200～1260℃，加热速度控制在8～13min/cm，均热段温度控制在1180～1240℃。

所述轧制步骤中，分2个阶段轧制，粗轧开轧温度控制在1100℃～1150℃，粗轧终轧温度控制在950℃～1020℃，待温厚度控制在成品厚度的2.2～2.5倍，精轧开轧温度控制在900℃，精轧阶段保证单道次压下率≥15％，累计压下率≥60％，精轧终轧温度控制在800℃～880℃；

所述ACC快速冷却步骤中，通过调整冷却集管组数，冷却速度控制在2～8℃/S，返红温度控制在600～720℃，快速冷却后送往矫直机矫直，矫直后下线的钢板进行堆垛缓冷，堆冷温度≥200℃，堆冷时间≥24h。

所述正火热处理步骤中，正火目标温度控制在860～890℃，钢板达到目标温度后的保温时间控制在20～40min，钢板出炉后自然冷却至室温。

本发明的S275NL高韧性细晶粒结构钢板，通过适当调整C、Mn、Nb、Ti合金元素含量和比例，严格控制P、S含量，配合本发明的轧制和热处理工艺，使其既能保证钢板的低碳当量、高韧性和良好的焊接性能等要求，又能简化生产工艺，缩短生产流程、降低生产消耗，适合大生产操作。在上述设计方案中，各化学元素的作用是：

C：是钢中最基础的强化元素，可提高强度，但影响韧性和焊接性能，综合考虑，C的含量应控制的低一些。

Si：是固溶强化元素，对提高钢板的强度有利。

Mn：是固溶强化元素，对提高钢板的强度和韧性均有利。

P：对焊接不利，具有一定的冷脆性，在本钢种中属于有害元素，应控制的尽量低。

S：易形成MnS类夹杂物，具有一定的热脆性，在本钢种中属于有害元素，应控制的尽量低。

Nb、Ti：在钢中能够与C、N结合，形成微细碳化物或碳氮化物，能起细化晶粒和弥散强化的作用，从而达到提高钢材强韧性的综合效果。

Al：可以起到细化晶粒强化作用。

本发明的S275NL高韧性细晶粒结构钢板，通过适当调整C、Mn、Nb、Ti合金元素的含量和比例，严格控制P、S含量，配合本发明的生产工艺，使其既能保证钢板的低碳当量、高韧性和良好的焊接性能等要求，又能简化生产工艺，缩短生产流程、降低生产消耗，适合大生产操作。

具体实施方式

本发明的S275NL高韧性细晶粒结构钢板，是在长期实践经验的基础上，创造性地通过适当调整C、Si、Mn、Nb、Ti合金元素含量和比例，不添加Ni、Mo等贵重合金元素，洁净钢冶炼，严格控制P、S含量，同时配合本发明的轧制和正火工艺，使其既能保证低碳当量、高韧性和良好的焊接性能等要求，又能简化生产工艺、缩短生产流程，降低生产消耗，适合批量生产宽度≤4300mm、厚度≤80mm的保性能、保探伤的高韧性结构钢板。

本发明的S275NL高韧性细晶粒结构钢板，包括如下质量百分比的化学成分：C：0.07～0.15wt％、Si：0.20～0.40wt％、Mn：0.75～1.00wt％、P：≤0.025wt％、S：≤0.020wt％、Nb/Ti：0.05～0.10wt％、Als：≤0.050wt％，其余为Fe和不可避免的杂质；碳当量CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.40。

本发明的S275NL高韧性细晶粒结构钢板生产工艺采用转炉冶炼、连铸浇注、4300mm宽厚板轧机轧制的方法生产。其工艺流程包括：优质铁水、KR铁水预处理、转炉冶炼、LF炉精炼、真空脱气处理、连铸、步进式加热炉、4300mm宽厚板轧机轧制、ACC快速冷却、正火热处理。

下面结合实施例对S275NL高韧性细晶粒结构钢板的生产方法做进一步说明。

实施例1

所述S275NL高韧性细晶粒结构钢板，制造宽度为3000mm，厚度70mm，采用下列质量百分比的化学成分制造：C：0.07wt％、Si：0.20wt％、Mn：0.75wt％、P：0.025wt％、S：0.020wt％、Nb/Ti：0.05wt％、Als：0.050wt％，其余为Fe和不可避免的杂质。碳当量CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15＝0.40。其生产方法按照下述步骤进行：

1)将高炉冶炼的优质铁水进行KR预处理：当铁水到站时必须扒前渣与扒后渣，铁水液面渣层厚度为20mm，铁水经KR搅拌脱硫，脱硫周期为21min，脱硫温降20℃，脱硫后的铁水按质量百分比含S量为0.005wt％；

2)转炉冶炼：将预处理后的铁水导入120吨顶底复吹转炉，必须保证入炉铁水按质量百分比含S量0.005wt％，含P量0.080wt％，铁水温度为1270℃，铁水装入量误差按照±1t控制，废钢严格采用优质边角料，造渣碱度R控制值为2.5，出炉铁水中按质量百分比含C量0.035wt％，含P质量百分比为0.012wt％，含S质量百分比为0.010％wt％，点吹次数为2次，以避免出钢过程下渣。

3)LF炉精炼：将装炉冶炼的铁水导入LF精炼炉内，精炼过程中全程吹氩，吹氩强度根据不同环节需要进行调节。加入精炼渣料的碱度按4.0控制；精炼脱氧剂以电石、铝粒、硅铁粉为主，加入量根据钢水中氧含量及造白渣情况适量加入；精炼加热过程根据节奏富余和温度情况选择适当电流进行加热，加热时间按两次控制，第一次加热7min，第二次加热6min，粘渣次数6次，第二次加热过程中要求根据造渣情况补加脱氧剂；粘渣次数6次，离站前加入硅钙线，加硅钙线前必须关闭氩气；上钢温度为1610±15℃。

4)真空脱气处理：VD真空度为67Pa，保压时间为15min，同时包底吹氩搅拌，破真空后软吹2min，软吹过程中钢水不得裸露，正常在线包抽真空时间(抽真空前钢水温度～目标离站温度)控制在1.7min，然后加覆盖剂，保证铺满钢液面，加覆盖剂前必须关闭氩气，上钢温度为1565±15℃。

5)连铸：浇钢前保证铸机设备状况良好，将精炼好的钢水通过大包注入中间包，中间包预热的过热度控制在15±10℃，拉矫机拉速控制在0.7m/min，比水量控制在0.8L/kg，电磁搅拌中电磁***控制参数为：900A、5Hz、30s～3～30s，连铸浇钢全程氩气保护浇铸，大包开浇后1min内套保护管，中间包浇铸过程中保证钢液面不见红；浇钢过程中合理控制塞棒吹氩量，保证结晶器液面波动轻微；铸坯下线后堆冷，堆冷温度200℃，堆冷时间为12h；

6)加热：将铸坯送入步进式加热炉内进行加热，按分段加热：预热段温度900℃，加热段温度控制在1200℃，加热速度8min/cm，均热段温度1180℃。

7)轧制：将加热的铸坯送入4300mm轧机进行轧制，在轧制过程中，为防止混晶和晶粒粗大，要严格坚持“高温、低速、大压下”的轧制要求，粗轧开轧温度控制在1100℃，粗轧终轧温度控制在950℃，待温厚度控制在成品厚度的2.2倍，精轧开轧温度控制在900℃，精轧阶段保证单道次压下率15％，累计压下率60％，由此确保了变形渗透是奥氏体内部晶粒被压扁拉长，增大晶界有效面积并有效形成大量变形带，为奥氏体相变提供更多的形核点，达到了细化奥氏体晶粒的目的，精轧终轧温度控制在800℃；

8)ACC快速冷却：根据板厚的不同，轧后采用不同的快速冷却，通过调整冷却集管组数，控制冷却速度2℃/S，控制返红温度600℃，快速冷却后送往矫直机矫直，矫直后下线的钢板进行堆垛缓冷，堆冷温度为200℃，堆冷时间为24h；通过缓冷，可避免内部应力来不及释放而产生内裂，同时进一步促使钢板内部有害气体溢出。

9)正火热处理：为获得优良的综合力学性能，正火目标温度为860℃，钢板达到目标温度后保温时间为20min，钢板出炉后自然冷却至室温。

实施例2

所述S275NL高韧性细晶粒结构钢板，制造宽度为3000mm，厚度70mm，采用下列质量百分比的化学成分制造：C：0.11wt％、Si：0.30wt％、Mn：0.90wt％、P：0.020wt％、S：0.015wt％、Nb/Ti：0.07wt％、Als：0.040wt％，其余为Fe和不可避免的杂质。碳当量CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15＝0.35。

其生产方法与实施例1基本相同，其区别在于：

步骤1)中，铁水液面渣层厚度为15mm，脱硫周期为18min，脱硫温降18℃，脱硫后的铁水按质量百分比含S量为0.004wt％；

步骤2)中，入炉铁水按质量百分比含S量0.004wt％，含P量0.070wt％，铁水温度为1300℃，造渣碱度R控制值为3.0，出炉铁水中按质量百分比含C量0.035wt％，含P质量百分比为0.010wt％，含S质量百分比为0.008％wt％，点吹次数为2次；

步骤3)中，加入精炼渣料的碱度按5.0控制；第一次加热9min，第二次加热8min，粘渣次数7次，不采用真空脱气上钢温度为1565±15℃；

步骤5)中，铸坯下线后堆冷，堆冷温度250℃，堆冷时间为18h；

步骤6)中，预热段温度950℃，加热段温度控制在1230℃，加热速度10min/cm，均热段温度1210℃；

步骤7)中，粗轧开轧温度1130℃，粗轧终轧温度1000℃，待温厚度控制在成品厚度的2.3倍，精轧开轧温度控制在900℃，精轧阶段保证单道次压下率16％，累计压下率65％，精轧终轧温度控制在840℃；

步骤8)中，冷却速度5℃/S，控制返红温度660℃，堆冷温度为250℃，堆冷时间为28h；

步骤9)中，正火热处理：正火目标温度为880℃，钢板达到目标温度后保温时间为30min。

实施例3

所述S275NL高韧性细晶粒结构钢板，制造宽度为2500mm，厚度80mm，采用下列质量百分比的化学成分制造：C：0.15wt％、Si：0.40wt％、Mn：1.00wt％、P：0.015wt％、S：0.010wt％、Nb/Ti：0.10wt％、Als：0.030wt％，其余为Fe和不可避免的杂质。碳当量CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15＝0.30。

其生产方法与实施例1基本相同，其区别在于：

步骤1)中，铁水液面渣层厚度为12mm，脱硫周期为16min，脱硫温降14℃，脱硫后的铁水按质量百分比含S量为0.002wt％；

步骤2)中，入炉铁水按质量百分比含S量0.003wt％，含P量0.060wt％，铁水温度为1360℃，造渣碱度R控制值为4.0，出炉铁水中按质量百分比含C量0.040wt％，含P质量百分比为0.008wt％，含S质量百分比为0.006％wt％，点吹次数为1次；

步骤3)中，加入精炼渣料的碱度按6.0控制；第一次加热12min，第二次加热10min，第二次加热过程中要求根据造渣情况补加脱氧剂；粘渣次数8次；

步骤4)中，VD真空度为60Pa，保压时间为20min，破真空后不吹氩气；

步骤5)中，铸坯下线后堆冷，堆冷温度300℃，堆冷时间为24h；

步骤6)中，预热段温度1000℃，加热段温度控制在1260℃，加热速度13min/cm，均热段温度1240℃；

步骤7)中，粗轧开轧温度1150℃，粗轧终轧温度1020℃，待温厚度控制在成品厚度的2.5倍，精轧开轧温度控制在900℃，精轧阶段保证单道次压下率18％，累计压下率70％，精轧终轧温度控制在880℃；

步骤8)中，冷却速度8℃/S，控制返红温度720℃，堆冷温度为300℃，堆冷时间为36h；

步骤9)中，正火热处理：正火目标温度为890℃，钢板达到目标温度后保温时间为40min。

对本发明所得40～80mm规格S275NL高韧性细晶粒结构钢板试验80批次，各项性能指标均达到标准且富余量合理，其中屈服强度控制在335～440MPa，平均达到380MPa；抗拉强度控制在420MPa～470MPa，平均达到435MPa；伸长率控制在27％～32％，平均达到29％；-50℃冲击控制在180～194J，平均达到186J；对本发明所得钢板按照欧标EN10160标准进行探伤，符合标准S3E4的最高质量等级，对钢板按照欧标EN10164标准进行厚度方向性能试验，符合标准Z35最高质量等级。机械性能具体见下表1。

表1S275NL钢板力学性能

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照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该理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种S275NL高韧性细晶粒结构钢板，其特征在于，所述钢板的化学成分为：C：0.07～0.15wt％、Si：0.20～0.40wt％、Mn：0.75～1.00wt％、P：≤0.025wt％、S：≤0.020wt％、Nb/Ti：0.05～0.10wt％、Als：≤0.050wt％，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种S275NL高韧性细晶粒结构钢板，其特征在于，所述钢板的碳当量≤0.40wt％。

3.一种S275NL高韧性细晶粒结构钢板的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

优质铁水熔炼—KR铁水预处理—转炉冶炼—LF炉精炼—真空脱气处理—连铸—加热—轧制—ACC快速冷却—正火热处理；

其中，所述ACC快速冷却步骤中，通过调整冷却集管组数，冷却速度控制在2～8℃/S，钢板返红温度控制在600～720℃，快速冷却后送往矫直机矫直，矫直后下线的钢板进行堆垛缓冷，堆冷温度≥200℃，堆冷时间≥24h；

所述正火热处理步骤中，正火目标温度控制在860～890℃，钢板达到目标温度后的保温时间控制在20～40min，钢板出炉后自然冷却至室温。

4.根据权利要求3所述的一种S275NL高韧性细晶粒结构钢板的制备方法，其特征在于，所述KR铁水预处理步骤中，到站铁水必须扒前渣与扒后渣，保证液面渣层厚度≤20mm，铁水经KR搅拌脱硫，脱硫周期≤21min，脱硫温降≤20℃，达到铁水中按质量百分比含S≤0.005wt％。

5.根据权利要求3所述的一种S275NL高韧性细晶粒结构钢板的制备方法，其特征在于，所述转炉冶炼步骤中，采用顶底复吹转炉，入炉铁水中按质量百分比含S≤0.005wt％，含P≤0.080wt％，铁水温度≥1270℃，铁水装入量误差控制在±1t，造渣碱度R控制在2.5～4.0范围内，出钢铁水中按质量百分比含C≤0.03～0.04wt％，含P≤0.012w％，含S≤0.010％wt％，点吹次数≤2次。

6.根据权利要求3所述的一种S275NL高韧性细晶粒结构钢板的制备方法，其特征在于，所述LF炉精炼步骤中，精炼过程中全程吹氩，加入精炼渣料的碱度为4.0～6.0，加热时间按两次控制，第一次加热7～12min，第二次加热6～10min，粘渣次数≥6次，加硅钙线前必须关闭氩气，不采用真空脱气上钢温度为1565±15℃或采用真空脱气上钢温度为1610±15℃。

7.根据权利要求3所述的一种S275NL高韧性细晶粒结构钢板的制备方法，其特征在于，所述真空脱气步骤中，VD真空度≤67Pa，保压时间≥15min，破真空后软吹2～5min或不吹，软吹过程中钢水不得裸露，在线包抽真空1.7min关闭氩气，加覆盖剂，保证铺满钢液面，上钢温度1565±15℃。

8.根据权利要求3所述的一种S275NL高韧性细晶粒结构钢板的制备方法，其特征在于，所述连铸步骤中，中间包预热的过热度控制在15±10℃，拉矫机拉速控制在0.7m/min，比水量为0.8L/kg，电磁搅拌中电磁***控制参数为：900A、5Hz、30s～3～30s，连铸浇钢全程保护浇铸，大包开浇后1min内套保护管，浇钢过程中进行塞棒吹氩，铸坯下线后堆冷温度≥200℃，堆冷时间≥12h。

9.根据权利要求3所述的一种S275NL高韧性细晶粒结构钢板的制备方法，其特征在于，所述加热步骤中，加热温度及加热时间如下：预热段温度控制在900～1000℃，加热段温度控制在1200～1260℃，加热速度控制在8～13min/cm，均热段温度控制在1180～1240℃。

10.根据权利要求3所述的一种S275NL高韧性细晶粒结构钢板的制备方法，其特征在于，所述轧制步骤中，分2个阶段轧制，粗轧开轧温度控制在1100℃～1150℃，粗轧终轧温度控制在950℃～1020℃，待温厚度控制在成品厚度的2.2～2.5倍，精轧开轧温度控制在900℃，精轧阶段保证单道次压下率≥15％，累计压下率≥60％，精轧终轧温度控制在800℃～880℃。