CN105256095B

CN105256095B - 一种大热输入焊接热影响区性能优异的钢板的冶炼方法

Info

Publication number: CN105256095B
Application number: CN201510700964.1A
Authority: CN
Inventors: 董利明; 张宇; 李小宝; 周云
Original assignee: Institute Of Research Of Iron & Steel shagang jiangsu Province
Current assignee: Institute Of Research Of Iron & Steel shagang jiangsu Province
Priority date: 2015-10-26
Filing date: 2015-10-26
Publication date: 2017-09-26
Anticipated expiration: 2035-10-26
Also published as: CN105256095A

Abstract

本发明公开了一种大热输入焊接热影响区性能优异的钢板冶炼方法，工艺流程依次为铁水预处理、复吹转炉炼钢、LF精炼、RH真空精炼、合金包芯线喂丝、连铸。本发明对关键工位钢液中的氧含量和关键合金材料的添加条件进行控制，使钢中Ti、O、Mg、Zr的含量达到设计要求，并能满足5＜Ti/O＜12，(Mg+Zr)/(Ti+Al)＞0.02，从而使钢中含有大量尺寸小于1μm的Ti‑Mg、Ti‑Zr、Ti‑Mg‑Zr复合氧化物夹杂中的一种或两种，并且夹杂物的化学组成质量百分比满足2％＜Ti＜40％，2％＜Mg＜30％，2％＜Zr＜30％，5％＜O＜50％，面密度大于300个/mm²。这些夹杂物能有效钉扎焊接热影响区的奥氏体晶粒长大，同时促进晶内针状铁素体形核，从而保证大热输入焊接时的热影响区优异性能。

Description

一种大热输入焊接热影响区性能优异的钢板的冶炼方法

技术领域

本发明属高焊接性能钢板生产领域，特别涉及一种大热输入焊接热影响区性能优异的钢板的冶炼方法。

背景技术

近年来，造船、建筑、石油天然气管道及海洋平台等领域使用的钢材逐渐向高强度化、厚壁化发展，为了提高焊接效率，缩短建造周期，在焊接施工中采用多丝埋弧焊、气电立焊、电渣焊等高效的大热输入焊接。从确保安全性的观点考虑，要求焊接结构中的薄弱环节——焊接热影响区也需具备足够的强韧性能。

然而，通常已知，随着焊接热输入量的增大，则焊接热影响区奥氏体晶粒严重长大，冷却后得到晶粒粗大的过热组织，导致热影响区塑性和韧性下降。已有研究表明，利用钢中弥散分布的夹杂物不仅可以作为钉扎粒子在焊接热循环中钉扎奥氏体晶界，抑制奥氏体晶粒长大，而且可以作为形核核心，促进晶内铁素体转变，从而提高大热输入焊接热影响区性能。

基于上述理论，前人进行了大量的研究工作。如专利JP5116890、CN101586220B等揭示了钢材中添加一定量的Ti、N，利用TiN粒子抑制焊接热影响区韧性的恶化，使钢板满足100kJ/cm的大热输入焊接。此后，JP3722044、CN100523255C等技术提出在熔敷金属或钢板中添加一定量的B，通过B在融合线附近对N的固定来限制高温下TiN的溶解，可使热输入量提高到200kJ/cm。

为使钢板能适应更大热输入量焊接，研究者试图利用具有更佳高温稳定性的氧化物粒子作为晶界钉扎粒子和晶内形核中心。如CN100523255C、CN102108467A等技术采用Al终脱氧，使钢水中形成TiO、Al₂O₃粒子，这些粒子的钉扎作用能在高温下稳定存在，但Al₂O₃粒子易在软搅拌过程中聚集长大，失去弥散分布钉扎奥氏体晶界的效果。为此，日本专利JP517300控制炼钢初期脱氧的Al含量，同时提高钢中Ti含量来提高TiO的数量，但同样存在大型钛夹杂物形成和难以弥散分布两大问题，因此难以保证200kJ/cm以上热输入时的热影响区韧性。

近年来的研究表明，TiO、TiN、Al₂O₃、MnO、SiO和MnS等高熔点相都有高的表面能，带有多相成分的夹杂物粒子可以促进铁素体的多维形核。基于上述结果，利用复合型夹杂物细化大热输入焊接时钢板热影响区晶粒的技术也广泛被开发，例如特开2007-277681公布的技术利用含TiO的钢中增大Mn的添加量而增大铁素体相变驱动力，使TiO-MnS复合析出物作为晶内相变核的效果增大，使得晶粒微细化而提高热影响区韧性。此外，特开2010-77494、CN101545077B、CN101985719A、CN104404369A等公布的技术利用Ti、Al、Mg、Ca、Zr等元素复合脱氧，控制这些元素与S、O含量及其相互间的比例，在钢水中形成一定数量并弥散分布的硫化物和氧化物的复合粒子，这些细小密布的粒子通过阻碍晶界运动、抑制奥氏体在高温下长大，从而大幅提高热影响区的大热输入焊接性能。

但以上技术也存在以下问题：

1.O作为复合夹杂物的关键元素，在不同冶炼工位上受钢水合金化的影响较大，过高或者过低的O含量都会影响后一工位的合金化，并导致钢板中难以形成有效尺寸和足够数量的夹杂物粒子。而上述技术并未公布冶炼过程中的O含量控制方法和量化指标。

2.Ti、B、Mg、Zr等微量元素在钢中作用重大，但上述技术没有公布炼钢过程中的工艺参数，如合金添加方式(包括包芯线尺寸，喂丝速度等)，合金添加前的钢水温度、钢水中的溶解氧含量等；上述工艺参数直接决定了钢中夹杂物类型、尺寸、密度、分布，进而直接决定了钢板的焊接性能。

3.利用氧硫化物夹杂作为钉扎粒子的上述技术中S含量工艺窗口小，冶炼难度大。当含量小于0.005％时，难以形成足够数量的氧硫化物夹杂，难以达到细化晶粒组织的目的；当含量超过0.008％时，则会形成粗大的硫化物，这些粗大的硫化物会作为裂纹形成的起点，降低母材和焊接热影响区的韧性，同时过高S含量还将导致板坯的中心偏析。

4.上述专利公布的复合夹杂物技术以氧硫化物、氧氮化物为主，这些粒子多为尺寸＞1μm的夹杂物粒子，而对更小尺寸的纯氧化物夹杂粒子的冶炼技术以及其化学组分、尺寸、面密度、比例等特征缺乏定量描述。

发明内容

本发明的目的是提供一种大热输入焊接热影响区性能优异的钢板的冶炼方法。该冶炼方法可使钢板中形成细小弥散的复合型氧化物夹杂，有效钉扎焊接热影响区奥氏体晶粒长大，促进晶内细小铁素体形成，从而使工业化大热输入焊接(300～600kJ/cm)后，焊接热影响区抗拉强度≥490MPa，-40℃冲击冲击韧性≥100J。

本发明通过以下技术方案来实现：

一种大热输入焊接热影响区性能优异的钢板的冶炼方法，采用铁水预处理，复吹转炉炼钢、LF精炼、RH真空精炼、合金包芯线喂丝、连铸生产工艺，其特征在于：冶炼工艺中控制关键工位上钢液溶解氧含量，转炉出钢的氧含量为600～800ppm，严禁使用Al脱氧，终渣碱度为3.0～4.0；LF精炼工位造白渣脱氧，终渣成分控制为CaO/SiO₂＝1.8～2.5，出钢氧含量为100～150ppm。

进一步，所述的冶炼方法中，RH精炼工位加入钛铁前定氧为10～120ppm，软搅拌3分钟以后加入硼铁；待钢液温度达到1600～1630℃，破空出钢时氧含量为5～60ppm时，向钢水中以4～5m/s速度喂入共200～400m镁合金、锆合金包芯线的一种或两种，并保证底吹氩软搅拌不少于5分钟。

所述大热输入焊接热影响区性能优异的钢板的冶炼方法冶炼制得的钢板的化学组成按照质量百分比计为C 0.04～0.1％，Si 0.1～0.2％，Mn 1.0～2.0％，P≤0.008％，S≤0.005％，Ni 0.2～0.4％，Nb 0.01～0.03％，V 0.01～0.03％，Al＜0.01，Ti 0.01～0.05％，B 0.001～0.005％，O 0.001～0.005％以及Mg 0.0002～0.02％，Zr0.0002～0.02％中的一种或两种，其余为铁和不可避免的杂质元素，同时5＜Ti/O＜12，(Mg+Zr)/(Ti+Al)＞0.02。

进一步，所述的冶炼方法制得的钢板中含有Ti-Mg、Ti-Zr、Ti-Mg-Zr复合氧化物夹杂中的一种或两种，夹杂中Ti、Mg、Zr和O的化学组成的质量百分比为2％＜Ti＜40％，2％＜Mg＜30％，2％＜Zr＜30％，5％＜O＜50％，面密度大于300个/mm²，且80％以上夹杂物尺寸小于1μm。

更进一步，所述的冶炼方法制得的钢板在焊接热输入量为300～600kJ/cm条件下，焊接热影响区抗拉强度≥490MPa，-40℃冲击冲击韧性≥100J。

在本发明钢的成分设计中：

C，增强钢材强度的元素。对TMCP钢板而言，为了保证特定的强度，C含量的下限为0.04％。同时为了抑制热影响区岛状马氏体组织的含量，因此取上限为0.1％。

Si，重要的预脱氧元素，并且对母材具有强化作用，因此需要0.1％以上，本发明中在转炉出钢约1/5时以硅铁加入。但当超过0.2％，则会使大热输入焊接热影响区中生成过多岛状马氏体而是韧性变差，因此设定上限为0.2％。进一步优选为0.1～0.15％。

Mn，预脱氧和母材强化元素。为使母材强度不过多依赖其它贵金属元素，需要含有1.0％以上。另一方面，过量Mn会导致板坯中心偏析，同时导致大热输入焊接热影响区的硬化和岛状马氏体生产，降低热影响区韧性，因此Mn的上限控制为2％。

P，钢中的有害元素，应尽量降低。过高的P含量将导致中心偏析，降低热影响区韧性，因此控制上限为0.008％。

S，本发明中作为杂质元素存在。过高S含量不仅易导致板坯中心偏析，还会形成部分大尺寸的硫化物复合夹杂，抑制本发明中细小弥撒氧化物复合夹杂的形成，不利于母材和焊接热影响区的韧性的改善。因此控制上限为0.005％。

Ni，提高强度和低温韧性的有效元素，其下限为0.2％。但由于其价格昂贵，鉴于成本考虑，其上限为0.4％。

Nb，确保母材强度、韧性和接头强度的有效元素。但低于0.01％时，效果并不显著。但是，过量地添加Nb，也会促进热影响区岛状马氏体形成而恶化韧性，因此控制其上限为0.03％。

V，具有提高淬火性和抗回火软化效果的元素，对提高大热输入焊接热影响区强度有利。但低于0.01％时，上述效果并不显著。但是若V过量，则母材韧性和热影响区韧性劣化，因此将其上限取为0.03％。

Al，本发明中作为杂质元素存在。将Al(酸溶态)的含量限制在0.01％以下，从而减小钢中氧化铝夹杂物的数量，并能一定程度上增加氧化物夹杂的含钛量，有利于复合型氧化物夹杂的细小弥散化，从而提高焊接性能；此外酸溶铝的减少，也减少了晶界侧板条铁素体的产生，也利于低温韧性的提高。

Ti，在凝固时形成作为二次脱氧产物的Ti氧化物并呈弥散分布，这些粒子将作为后续Mg、Zr复合氧化物夹杂形成的中心，从而有助于抑制焊接热影响区中的奥氏体粗大化，或促进晶内铁素体相变形核而提高韧性。已有研究证明，含Ti氧化物粒子尺寸越小，则钉扎奥氏体晶界和促进细小晶内铁素体形核的效果越好。本发明中保证尺寸＜1.0μm以下的复合氧化物夹杂含量是确保大热输入焊接热影响区性能的关键措施。因此，若Ti的添加量低于0.01％，则无法确保含Ti夹杂物的量，另一方面，当Ti过剩时，易形成尺寸粗大的氧化钛夹杂，不利于复合氧化物夹杂的尺寸控制。因此，Ti的含量上限为0.05％。

B，提高淬透性的元素，可细化钢板组织并提高强度。在本发明中，微量B的添加有利于钢板在焊接热循环过程中的相转变行为，抑制晶界魏氏体、侧板条铁素体的产生，从而为复合夹杂物促进晶内铁素体形核创造先决条件。同时，B易与钢中自由氧和氮发生作用而丧失上述有益效果，因此RH工位上先加钛铁固氧和残余氮元素，再加入适量硼铁，才能保证微量B的收得率。另一方面，过高的B会使大热输入焊接时形成粗大的贝氏体组织，反而恶化热影响区韧性。综上考虑，限制B含量为0.001～0.005％。

O，形成复合氧化物夹杂的关键元素。形成大量细小弥散的复合氧化物夹杂是本发明中钉扎奥氏体晶界，促进晶内铁素体形核，从而确保大热输入焊接热影响区强韧性能的关键技术。为了发挥这样的效果，O含量不低于0.001％。另一方面，过量O易在Ti脱氧时就形成粗大的含Ti氧化物粒子，反而恶化热影响区的韧性。因此，限制O含量上限为0.005％。

同时，从Ti的脱氧平衡考虑，当Ti/O＜5时，一方面使含Ti氧化物粒子数量急剧降低，另一方面脱氧不足也影响后续微量合金元素的收得率，最终影响复合夹杂物粒子的数量；当Ti/O＞12时，TiO粒子粗大化，同时过剩的Ti易与C结合形成独大的TiC粒子，这些都有可能成为裂纹发生的起点，降低母材和热影响区的韧性。

因此，严格控制关键工位上的O含量，是保证钢板中有益复合夹杂物粒子尺寸和数量的前提。在本发明中，转炉出钢的氧含量为500～800ppm，LF精炼工位造白渣脱氧，出钢氧含量为100～150ppm，RH精炼工位脱气时间不少于10分钟，并保证破空出钢时氧含量为5～60ppm。

Mg、Zr，形成复合氧化物夹杂的重要元素，有利于促进铁素体的多维形核。本发明中RH工位破空后，以合金包芯线加入，Mg、Zr的高温还原性比Ti强，在TiO夹杂粒子表面被氧化从而形成Mg-Ti、Zr-Ti或Mg-Zr-Ti复合夹杂物。通过Mg、Zr在TiO夹杂表面析出，一方面可以使氧化物粒子弥散化，另一方面也可细化氧化物粒子的尺寸。为了发挥这一效果，Mg、Zr含量均应在0.0002％以上，但当超过0.02％时，上述效果也会饱和。

高熔点的复合型氧化物粒子具有可以促进晶内铁素体的多维形核，从而细化晶粒尺寸提高韧性。本发明确定了这些有益粒子的成分、尺寸和数量。对样品进行研磨和镜面抛光后，利用蔡司扫描电镜(SEM)对夹杂物进行观察与分析，每个样品夹杂物的评价成分是对于10个任意选取夹杂物分析结果的平均值。利用SEM在1500倍放大倍率下对于40个连续选取的视场进行夹杂物扫描统计，所统计的视场面积大于0.2mm²。夹杂物的面密度是所观察到的夹杂物数量和视场面积的计算结果。

当(Mg+Zr)/(Ti+Al)＞0.2时，钢板中含有Ti-Mg、Ti-Zr、Ti-Mg-Zr复合氧化物夹杂中的一种或两种，这些夹杂物的化学组成质量百分比满足2％＜Ti＜40％，2％＜Mg＜30％，2％＜Zr＜30％，5％＜O＜50％，面密度大于300个/mm²，并满足80％以上夹杂物尺寸小于1μm。这些亚微米级夹杂物一方面容易在软搅拌过程中弥散分布，有利于夹杂物数量的增加；另一方面，可以促进以细小夹杂物为核心的铁素体形成，从而改善热影响区的大热输入焊接性能。

与现有技术相比较，本发明的有益效果：

本发明采取合适的O含量控制和合金元素控制技术，通过对钢中Ti/O和(Mg+Zr)/(Ti+Al)的合理控制，使钢中形成尺寸小于1μm的Mg-Ti、Zr-Ti、Mg-Zr-Ti复合夹杂物，并合理控制这些夹杂物的成分和数量，利用这些夹杂物的奥氏体晶界钉扎作用和晶内铁素体形核的促进作用，大幅提高了大热输入焊接时热影响区的性能。按照本发明冶炼的钢板，母材抗拉强度≥550Mpa，在焊接热输入为300～600kJ/cm条件下，焊接热影响区抗拉强度≥490MPa，-40℃冲击冲击韧性≥100J。

附图说明

图1典型Mg-Ti复合氧化物夹杂形貌及组分面分布。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明公布的钢水冶炼工序如下：

铁水预处理→180t复吹转炉冶炼→LF精炼→RH精炼→合金包芯线喂丝→连铸。具体为：

1.转炉炼钢铁水量和洁净废钢比例为7.5，铁水温度1400℃，以重量百分比计S≤0.003％，转炉终渣碱度3.0～4.0，其中MgO比例为8.0～10.0％。定氧出钢，约1/3炉时依次加入锰铁、硅铁、石灰。

2.LF精炼过程使用电石调白渣，终渣控制为CaO/SiO₂＝1.8～2.5，然后加入金属锰、铌铁、钒铁、硅铁等调整钢液成分，通电后5分钟测温、取样，继续扩散脱氧，调整温度，最后取样、定氧、出钢。

3.RH精炼要求真空度小于2mbar条件下，脱气大于10分钟。钢包到站后定氧，真空度到位后加入钛铁，3分钟后加入硼铁，并根据取样微调锰、硅等合金。合金化后，净循环5分钟后测温、定氧，最后破空出钢。

4.向RH出站钢包中喂入总计200～400米的镍镁包芯线、硅锆合金包芯线的一种或两种，包芯线尺寸为10～15mm，喂丝速度为4～5m/s；喂线后保证不小于5分钟的软搅拌时间，出钢前加入超低碳化稻壳保温。

5.浇铸温度控制在1540～1560℃，拉速控制为1.2m/min，制得厚度为320mm的连铸板坯。

采用洁净钢轧制工艺把上述板坯轧制成30～60mm钢板，采用电渣焊对不同厚度的钢板实施一道次焊接，焊接热输入为300～600kJ/cm。

表1是本发明实施例和对比例的化学成分，Ti/O和(Mg+Zr)/(Ti+Al)比值。表2是本发明实施例和对比例的复合夹杂物特性和大热输入焊接热影响区力学性能。图1为典型复合氧化物夹杂粒子的形貌及组分面分布。

表1本发明实施例和对比例的化学成分

由表1和表2可见，实施例1～3中根据本发明所确定的化学成分范围进行控制，使得钢板中5＜Ti/O＜12，(Mg+Zr)/(Ti+Al)＞0.02，并使尺寸小于1μm的复合氧化物夹杂占80％以上，面密度≥300个/mm²，典型氧化物夹杂粒子的形貌、尺寸和成分面分布如图1所示。这些夹杂物的化学组成质量百分比满足2％＜Ti＜40％，2％＜Mg＜30％，2％＜Zr＜30％，5％＜O＜50％。而对比例1～3中未能达到Ti/O和(Mg+Zr)/(Ti+Al)的比例范围，因此在钢板中的夹杂物种类、尺寸和面密度均不能达到本发明的要求。

力学试验结果表明，实施例和对比例的母材强度没有明显差异，都能满足抗拉强度≥550MPa的要求，但经300～600kJ/cm的热输入焊接后，实施例的热影响区抗拉强度均能满足≥490MPa的要求，而对比例软化较为严重。另一方面，实施例的热影响区-40℃冲击韧性≥100J，而对比例不能达到上述要求。因此，依照本发明的冶炼方法，可生产大热输入焊接热影响区性能优异的钢板。

上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

表2本发明实施例和对比例的夹杂物特性和热影响区力学性能

以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，但并不能因此理解为对本发明专利范围的限制。本领域的技术人员在本发明构思的启示下对本发明所做的任何变动均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种大热输入焊接热影响区性能优异的钢板的冶炼方法，其特征在于：采用铁水预处理，复吹转炉炼钢、LF精炼、RH真空精炼、合金包芯线喂丝、连铸生产工艺，其特征在于：冶炼工艺中控制关键工位上钢液溶解氧含量，转炉出钢的氧含量为600～800ppm，严禁使用Al脱氧，终渣碱度为3.0～4.0；LF精炼工位造白渣脱氧，终渣成分控制为CaO/SiO₂＝1.8～2.5，出钢氧含量为100～150ppm；冶炼制得的钢板的化学组成按照质量百分比计为C 0.04～0.1％，Si 0.1～0.2％，Mn 1.0～2.0％，P≤0.008％，S≤0.005％，Ni 0.2～0.4％，Nb0.01～0.03％，V 0.01～0.03％，Al＜0.01%，Ti 0.01～0.05％，B 0.001～0.005％，O0.001～0.005％以及Mg 0.0002～0.02％，Zr0.0002～0.02％中的一种或两种，其余为铁和不可避免的杂质元素，同时5＜Ti/O＜12，(Mg+Zr)/(Ti+Al)＞0.02。

2.根据权利要求1所述的大热输入焊接热影响区性能优异的钢板的冶炼方法，其特征在于：所述的冶炼方法中，RH精炼工位加入钛铁前定氧为10～120ppm，软搅拌3分钟以后加入硼铁；待钢液温度达到1600～1630℃，破空出钢时氧含量为5～60ppm时，向钢水中以4～5m/s速度喂入共200～400m镁合金、锆合金包芯线的一种或两种，并保证底吹氩软搅拌不少于5分钟。

3.根据权利要求1所述的大热输入焊接热影响区性能优异的钢板的冶炼方法，其特征在于：所述的冶炼方法制得的钢板中含有Ti-Mg、Ti-Zr、Ti-Mg-Zr复合氧化物夹杂中的一种或两种，夹杂中Ti、Mg、Zr和O的化学组成的质量百分比为2％＜Ti＜40％，2％＜Mg＜30％，2％＜Zr＜30％，5％＜O＜50％，面密度大于300个/mm²，且80％以上夹杂物尺寸小于1μm。

4.根据权利要求1所述的大热输入焊接热影响区性能优异的钢板的冶炼方法，其特征在于：所述的冶炼方法制得的钢板在焊接热输入量为300～600kJ/cm条件下，焊接热影响区抗拉强度≥490MPa，-40℃冲击冲击韧性≥100J。