CN105420632B - 一种q690cf热轧钢板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种Q690CF热轧钢板及其制备方法，热轧钢板化学成分按质量百分比为：C:0.05～0.08％，Si:0.22～0.30％，Mn:1.6～2.0％，Al:0.2～0.35％，Cr:0.10～0.35％，Mo:0.20～0.35％，Ni:0.1～0.4％，Cu:0.15～0.3％，Nb:0.025～0.045％，V:0.01～0.03％，Ti:0.005～0.03％，P≤0.010％，S≤0.008％，余量为Fe和不可避免的杂质。制备方法：熔炼；预处理；热轧：多道次粗轧和精轧；快速冷却。本发明热轧钢板，具有高强度，良好低温韧性和焊接性能，实现无预热焊接；制备成本低，工艺简单。

Description

一种Q690CF热轧钢板及其制备方法

技术领域

本发明属于高强钢生产技术开发领域，特别涉及了一种Q690CF热轧钢板及其制备方法。

背景技术

近年来，钢结构工程均向大型化、轻量化、高参数化发展，如大跨度桥梁、大型水电站、重型工程机械等。这要求结构用钢具有更高强度、更好韧性、塑性和焊接性能。大型工程建造采用高强度结构钢，意味着可在满足高负荷条件的同时降低原料成本、减轻材料重量。但是，高强度结构钢往往会带来韧性的降低。此外，对于高强度调质钢来说，大量合金元素的添加会严重恶化其焊接性能。尤其在低热输入量下，高强钢焊接接头容易形成焊接冷裂纹而破坏工程体系的结构完整性。为了预防焊接冷裂纹的形成，需要对钢板进行焊前预热处理，且焊接裂纹敏感系指数Pcm越大，预热温度越高。然而，预热工序的增加不仅影响了生产效率、增加能耗，而且会导致焊接工况变差，焊接接头性能不稳定，甚至会影响结构件的安全服役性能。因此，开发出一种无需预热的低焊接裂纹敏感性高强钢是极具社会、经济效益的。

随着热机械控制技术(TMCP)和微合金化技术的发展，各类高级别钢种均采用微合金化技术来降低合金元素总含量，以析出强化机制进一步提高钢板强度，利用TMCP技术细化奥氏体晶粒，形变奥氏体的高位错密度有利于提高相变产物的强度，结合在线快速冷却(ACC)工艺来精确控制显微组织配比，‘以水代合金’的思想可以减少合金元素含量，显著降低原料成本，同时也保证了低焊接裂纹敏感性指数，改善钢板的可焊性。

低焊接裂纹敏感性钢，国际上又称CF(Crack Free)钢，是一类具有低碳当量，低Pcm值，焊接性能优异的钢种，一般认为在不预热或低预热条件下焊接也不出现裂纹；为了进一步提高其强度，同样需要采用TMCP和微合金化技术；YB/T 4137黑色冶金行业标准也规定其供货状态有TMCP、TMCP+回火或调质处理。

目前，已有一些关于低焊接裂纹敏感性钢板的发明专利，但这些发明专利中往往只涉及了强度级别较低的钢种(如屈服强度在550MPa左右)，一般需要采用额外的热处理工艺来改善其韧性，这种生产方式不仅增加了生产成本，而且降低了生产效率。个别发明专利也涉及到屈服强度690MPa级热轧钢板的制造，但是其成分中需要添加较多的B元素，‘硼脆’现象是非常难以预料和控制的。现对已公开的相关专利进行如下说明。

专利CN101476080A、CN101812634A、CN104195429A均采用了轧后离线调质工艺(淬火+回火)来制备低焊接裂纹敏感性高强钢板，生产工艺复杂，生产效率低。如后两个专利所述，当目标抗拉强度较高时(大于700MPa)，成分设计还需要添加一定量的B来提高钢板的淬透性，保证其抗拉强度。

专利CN1932063A、CN101096738A、CN102888571A均采用了轧后高温回火(600～650℃)工艺，且回火时间较长。显然，这种生产方式同样能耗大，不利于提高生产效率。此外，这三个专利所涉及的目标钢种屈服强度级别远低于690MPa。

对于专利CN101481774A、CN101353759A来说，尽管这两个专利都采用TMCP工艺制备低焊接裂纹敏感性钢，但其所涉及的钢种屈服强度级别仅为500MPa和550MPa级别。专利CN101418418A“屈服强度690MPa级低裂纹敏感性钢板及其制造方法”涉及了屈服强度大于690MPa的高强结构钢，但其实例成分体系中，大多数采用了较高Nb(0.06～0.08％)，高V(0.04～0.12％)，并且添加了0.001～0.002％B。高的微合金元素含量，一定程度上增加了成本；B元素是一种易偏聚的元素，硼脆相Fe₂₃(CB)₆的析出会导致钢板的冲击韧性不稳定，同时焊接母材的B含量较高，提高了热影响区的淬硬性，增大了焊接冷裂纹形成的倾向性。

由上分析可知，目前极少有专利涉及到屈服强度为690MPa级别的低焊接裂纹敏感性钢板的开发；然而，在大型工程机械等焊接用结构钢的发展需求下，保证高强钢板的可焊性和焊接产品的安全服役性能是尤为关键的，因此，必须开发一种高强度高韧性的低焊接裂纹敏感性钢。为了解决这一难题，本发明将提供一种新型的成分设计，采用TMCP+快冷工艺制备出综合性能优良的低焊接裂纹敏感性热轧钢板。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种Q690CF热轧钢板及其制备方法。基于多元微合金化技术，设计合理的化学组分，通过两阶段控制轧制和在线快速冷却技术，制备出综合力学性能优良的热轧钢板。

Q690CF钢是指屈服强度级别高于690MPa且具有低焊接裂纹敏感性的一类钢种。

本发明的Q690CF热轧钢板，化学成分按质量百分比为：C：0.05～0.08％，Si：0.22～0.30％，Mn：1.6～2.0％，Al：0.2～0.35％，Cr：0.10～0.35％，Mo：0.20～0.35％，Ni：0.1～0.4％，Cu：0.15～0.3％，Nb：0.025～0.045％，V：0.01～0.03％，Ti：0.005～0.03％，P≤0.010％，S≤0.008％，余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明的Q690CF热轧钢板，焊接裂纹敏感性指数Pcm值不大于0.20％。

本发明的Q690CF热轧钢板，显微组织中贝氏体型铁素体和针状铁素体的面积百分含量≥90％，贝氏体和铁素体的板条宽度均分布在0.1～0.7μm。

本发明的Q690CF热轧钢板，力学性能为：750MPa≥屈服强度(Rp0.2)≥690MPa，940MPa≥抗拉强度(Rm)≥810MPa，22.5％≥延伸率(A)≥17％，250J≥-20℃冲击吸收功(Akv)≥180J，屈强比(Rp0.2/Rm)≤0.93。

本发明的Q690CF热轧钢板，热轧成品钢板的厚度范围为12～25mm。

本发明的Q690CF热轧钢板中，对化学成分配比设计作详细叙述：

C：是低碳钢中最主要的固溶元素，甚至可过饱和固溶于高位错密度的贝氏体基体中，起到固溶强化的作用；此外，还与强碳氮化合物形成元素结合形成弥散细小析出相，起到析出强化的作用；但是碳含量的增加会明显恶化钢的焊接性能，也不利于冲击韧性，因此本发明中碳含量控制在0.05～0.08％。

Si：是炼钢中脱氧的重要元素之一，在钢中可以固溶于铁素体基体，起到固溶强化的作用，同时还可以抑制渗碳体析出，但是过多加入会恶化塑性、提高韧脆转变温度，因此其含量控制为0.22～0.30％。

Mn：是稳定奥氏体元素，可有效降低Ar3温度，促进贝氏体相变，细化显微组织，提高强度并且一定程度上可改善韧性，尤其在低碳条件下，Mn的固溶强化作用更为显著。但Mn含量过高会降低钢的韧性，且不利于钢的抗焊接冷开裂性能，综合考虑，Mn含量定在1.6～2.0％。

Al：同样是炼钢时的重要脱氧元素，还可以降低钢种N含量，形成AlN阻止奥氏体晶粒粗化，但Al加入过多时，会影响钢板表面质量，因此其含量应在0.2～0.35％。

Cr、Mo：均可以提高钢的淬透性，其置换固溶于铁素体中，可替代Mn元素的作用，复合添加优化其强化作用效果，但是Cr、Mo均可提高Pcm值，过多会导致可焊性变差，同时也会增加成本，因此其含量应分别控制在0.10～0.35％，0.20～0.35％。

Ni、Cu：Ni可显著改善钢的低温韧性，但其价格昂贵；Cu可以起到析出强化的效果，但容易引起晶界热裂纹，二者复合添加可以消除Cu所引起的晶界裂纹同时可以达到强韧化的效果，其含量分别在0.1～0.4％，0.15～0.3％

Nb、V、Ti：均属于强碳氮化合物形成元素，Nb可以提高奥氏体的再结晶终止温度，细化奥氏体晶粒尺寸；Ti与N形成TiN，可以有效组织奥氏体晶粒的粗化，同时也可以改善母材焊接热影响区的冲击韧性；VC或V(CN)的弥散析出可以有效强化相变产物相；三者的微量复合添加可以产生‘协同沉淀强化效应’，同时改善钢板的强韧性，若含量过高，会粗化析出相而导致强韧性降低，因此其含量分别控制在Nb：0.025～0.045％，V：0.01～0.03％，Ti：0.005～0.03％为最适宜。

P、S：属于杂质元素，易偏聚于晶界而损坏强韧性，本发明P、S含量控制为P≤0.010％，S≤0.008％。

Pcm：焊接裂纹敏感性指数Pcm是基于化学成分设计来评估钢种可焊性的重要指标，Pcm越小，钢的可焊性越好，一般认为，当Pcm不大于0.20％时，钢种可以在不预热条件下焊接也不会产生焊接冷裂纹。在此前提下，优化化学成分配比可以提高强韧性。

多元、微量强碳氮化物形成元素(Nb、V、Ti)的复合添加，不同元素之间‘竞争’结合C、N原子而形成细小且弥散的析出相，如以Nb或V为主的复合型碳氮化合物，细小析出相的强‘钉扎’作用有效阻碍位错运动，对热轧钢板起到‘协同沉淀强化效果’；而若仅单独添加某一种微合金元素，其含量的增加，势必会粗化析出相，对强度提高不明显，并会恶化韧性；同时，强碳氮化合物元素与其他置换元素，如Mn、Mo等复合添加，有利于提高钢板的淬透性，协同促进贝氏体相变。

本发明的Q690CF热轧钢板的制备方法，采用TMCP+快速冷却工艺直接制备热轧钢板，包括如下步骤：

步骤1，熔炼：

按Q690CF热轧钢板化学成分，电炉或转炉冶炼，熔炼温度为1550～1670℃，并浇铸成钢锭或铸坯；

步骤2，预处理：

将钢锭或铸坯加热至1150～1200℃，保温时间60～120min；

步骤3，热轧：

采用两阶段控制轧制：

粗轧的开轧温度为1050～1120℃，多道次轧制，累计道次压下率为45～60％，终轧温度为1000～1080℃，得到中间坯厚度为40～75mm；

精轧的开轧温度为810～860℃，多道次轧制，累计道次压下率为60～80％，终轧温度不低于780℃，得到钢板厚度为12～25mm；

步骤4，快速冷却：

采用层流加速冷却方式，钢板开始冷却温度不低于750℃，冷却速度为15～30℃/s，终冷温度控制在350～500℃之间，然后空冷至室温，得到成品Q690CF热轧钢板。

上述步骤3中，精轧的终轧温度不低于780℃，是因为显著增加了奥氏体中由机械变形所产生的缠结位错密度，不利于提高韧性，此外，终轧温度太低会形成应变诱导铁素体组织，降低强度；步骤4中，钢板开始冷却温度不低于750℃，是因为钢板刚入水时，冷却速度的不均匀导致局部出现晶界铁素体组织，破坏了轧后钢板力学性能的均匀性。

与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：

(1)本发明的Q690CF热轧钢板，不添加B元素，易于保证热轧钢板力学性能的均匀性，同时利用合金元素之间的协同效应，尽可能少的添加贵重元素，降低了原料成本。

(2)本发明的Q690CF热轧钢板，是高强韧性匹配的低焊接裂纹Q690CF热轧钢板，热轧钢板各部位的力学性能稳定，具有高强度，良好低温韧性和焊接性能，可实现无预热焊接，完全满足大型工程结构的焊接需求；可应用于低温、重载等服役条件苛刻的工况，如制备大型低温储油罐、水电站压力钢管、矿山机械等构件。

(3)本发明的Q690CF热轧钢板的制备方法，采用TMCP工艺直接制备高强韧热轧钢板，轧后无需任何热处理工艺，生产工艺简单，大幅度节约能源，提高生产效率且降低了制造成本。

附图说明

图1为实施例2的Q690CF热轧钢板横截面的显微组织照片；

图2为实施例2的Q690CF热轧钢板显微组织的精细板条结构照片。

具体实施方式

结合附图对本发明的具体实施例进行更详实的描述，这些实施例仅仅是对本发明实施方式进行描述，并不对本发明的范围作任何限制。

表1 本发明实施例1～7的三种化学成分的质量百分比

	C	Si	Mn	Al	Cr	Mo	Cu	Ni	Nb	V	Ti	S	P	*
															1	0.063	0.25	1.83	0.03	0.10	0.21	0.22	0.3	0.04	0.01	0.02	0.004	0.008	余量
2	0.058	0.30	1.70	0.029	0.23	0.20	0.23	0.2	0.03	0.028	0.005	0.003	0.005	余量
															3	0.07	0.22	1.68	0.034	0.20	0.22	0.18	0.18	0.04	0.022	0.028	0.003	0.007	余量

注：*为Fe和不可避免的杂质。

表2 本发明实施例1～7的三种化学成分的Pcm值

序号	1	2	3
				Pcm	0.199	0.195	0.200

注：Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Cr/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B

实施例1

本发明的Q690CF热轧钢板的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，熔炼：

按表1中1号Q690CF热轧钢板化学成分，电炉冶炼，熔炼温度为1670℃，浇铸成厚度为110mm的钢锭；

步骤2，预处理：

将钢锭加热至1200℃，保温时间80min；

步骤3，热轧：

采用两阶段控制轧制：

粗轧的开轧温度为1080℃，3道次轧制，累计道次压下率为55％，终轧温度为1060℃，得到中间坯厚度为50mm；

在辊道上待温至860℃后进行精轧，7道次轧制，累计道次压下率为76％，终轧温度为800℃，得到钢板厚度为12mm；

步骤4，快速冷却：

采用层流加速冷却方式，钢板开始冷却温度不低于750℃，冷却速度为26℃/s，终冷温度控制为480℃，然后空冷至室温，得到成品Q690CF热轧钢板。

实施例2

本发明的Q690CF热轧钢板的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，熔炼：

按表1中1号Q690CF热轧钢板化学成分，转炉冶炼，熔炼温度为1560℃，浇铸成130mm的铸坯；

步骤2，预处理：

将铸坯加热至1150℃，保温时间120min；

步骤3，热轧：

采用两阶段控制轧制：

粗轧的开轧温度为1100℃，3道次轧制，累计道次压下率为46％，终轧温度为1050℃，得到中间坯厚度为70mm；

在辊道上待温至840℃后进行精轧，6道次轧制，累计道次压下率为69％，终轧温度为810℃，得到钢板厚度为22mm；

步骤4，快速冷却：

采用层流加速冷却方式，钢板开始冷却温度不低于750℃，冷却速度为18℃/s，终冷温度控制为400℃，然后空冷至室温，得到成品Q690CF热轧钢板。

实施例3

本发明的Q690CF热轧钢板的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，熔炼：

按表1中2号Q690CF热轧钢板化学成分，转炉冶炼，熔炼温度为1600℃，浇铸成厚度为110mm的铸坯，；

步骤2，预处理：

将铸坯加热至1180℃，保温时间60min；

步骤3，热轧：

采用两阶段控制轧制：

粗轧的开轧温度为1070℃，2道次轧制，累计道次压下率为45％，终轧温度为1000℃，得到中间坯厚度为60mm；

在辊道上待温至830℃后进行精轧，7道次轧制，累计道次压下率为77％，终轧温度为790℃，得到钢板厚度为14mm；

步骤4，快速冷却：

采用层流加速冷却方式，钢板开始冷却温度不低于750℃，冷却速度为20℃/s，终冷温度为430℃，然后空冷至室温，得到成品Q690CF热轧钢板。

实施例4

本发明的Q690CF热轧钢板的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，熔炼：

按表1中2号Q690CF热轧钢板化学成分，电炉冶炼，熔炼温度为1650℃，浇铸成厚度为130mm的钢锭，；

步骤2，预处理：

将钢锭加热至1150℃，保温时间120min；

步骤3，热轧：

采用两阶段控制轧制：

粗轧的开轧温度为1050℃，3道次轧制，累计道次压下率为48％，终轧温度为1000℃，得到中间坯厚度为68mm；

在辊道上待温至850℃后进行精轧，6道次轧制，累计道次压下率为71％，终轧温度为800℃，得到钢板厚度为20mm；

步骤4，快速冷却：

采用层流加速冷却方式，钢板开始冷却温度不低于750℃，冷却速度为15℃/s，终冷温度为380℃，然后空冷至室温，得到成品Q690CF热轧钢板。

实施例5

本发明的Q690CF热轧钢板的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，熔炼：

按表1中3号Q690CF热轧钢板化学成分，转炉冶炼，熔炼温度为1600℃，浇铸成厚度为110mm的铸坯，；

步骤2，预处理：

将铸坯加热至1200℃，保温时间60min；

步骤3，热轧：

采用两阶段控制轧制：

粗轧的开轧温度为1120℃，3道次轧制，累计道次压下率为55％，终轧温度为1080℃，得到中间坯厚度为50mm；

在辊道上待温至860℃后进行精轧，7道次轧制，累计道次压下率为76％，终轧温度为810℃，得到钢板厚度为12mm；

步骤4，快速冷却：

采用层流加速冷却方式，钢板开始冷却温度不低于780℃，冷却速度为30℃/s，终冷温度为500℃，然后空冷至室温，得到成品Q690CF热轧钢板。

实施例6

本发明的Q690CF热轧钢板的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，熔炼：

按表1中3号Q690CF热轧钢板化学成分，转炉冶炼，熔炼温度为1580℃，浇铸成厚度为110mm的铸坯，；

步骤2，预处理：

将铸坯加热至1200℃，保温时间60min；

步骤3，热轧：

采用两阶段控制轧制：

粗轧的开轧温度为1100℃，3道次轧制，累计道次压下率为45％，终轧温度为1080℃，得到中间坯厚度为60mm；

在辊道上待温至820℃后进行精轧，6道次轧制，累计道次压下率为73％，终轧温度为790℃，得到钢板厚度为16mm；

步骤4，快速冷却：

采用层流加速冷却方式，钢板开始冷却温度不低于780℃，冷却速度为24℃/s，终冷温度为410℃，然后空冷至室温，得到成品Q690CF热轧钢板。

实施例7

本发明的Q690CF热轧钢板的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，熔炼：

按表1中3号Q690CF热轧钢板化学成分，转炉冶炼，熔炼温度为1630℃，浇铸成厚度为130mm的铸坯，；

步骤2，预处理：

将铸坯加热至1200℃，保温时间80min；

步骤3，热轧：

采用两阶段控制轧制：

粗轧的开轧温度为1100℃，2道次轧制，累计道次下压率为46％，终轧温度为1050℃，得到中间坯厚度为70mm；

在辊道上待温至830℃后进行精轧，6道次轧制，累计道次压下率为64％，终轧温度为820℃，得到钢板厚度为25mm；

步骤4，快速冷却：

采用层流加速冷却方式，钢板开始冷却温度不低于750℃，冷却速度为17℃/s，终冷温度为400℃，然后空冷至室温，得到成品Q690CF热轧钢板。

实施例2制备的Q690CF热轧钢板的横截面显微组织见图1，由图可以看出，显微组织主要为细小贝氏体型铁素体和针状铁素体，其显微组织的精细板条结构见图2，板条宽度平均尺寸为0.3μm。

各实施例获得的Q690CF热轧钢板的力学性能见表3。

表3 本发明实施例1～7的Q690CF热轧钢板的力学性能

实施例	H(mm)	Rp0.2(MPa)	Rm(MPa)	A(％)	Rp0.2/Rm	Akv(-20℃/J)
							1	12	700	815	18.2	0.86	224，233，214
2	22	730	875	17.8	0.85	192，187，196
							3	14	725	890	17.5	0.84	188，190，182
4	20	750	910	17.2	0.82	181，193，186
							5	12	735	860	18	0.85	220，198，206
6	16	740	905	17.3	0.82	192，181，189
							7	25	715	865	17.4	0.83	190，215，182

注：H表示钢板厚度；Rp0.2表示屈服强度；Rm表示抗拉强度；A表示延伸率，Akv表示-20℃冲击吸收功。

从本发明的实施例结果可以看出，在实例钢种化学成分保证Pcm值不大于0.20％的条件，采用TMCP工艺直接制备高强度高韧性的热轧钢板，力学性能完全满足屈服强度大于690MPa，低温冲击吸收功大于180J(-20℃)，且各单值非常稳定。

对本发明实施例3所获得的钢种进行单道次平板焊接实验，焊接热输入为1.08kJ/mm，在室温约为15℃、无任何预热条件下焊接，焊后测量热影响区的维氏硬度值，其最高硬度为310HV，小于易出现焊接冷裂纹的临界硬度值350HV，表明该钢种具有较好的焊接性能，在室温，无任何预热条件下实施小线能量焊接工艺。

对本发明实施例2所获得的钢种进行小铁研实验，同样在室温约为15℃、无任何预热条件下焊接，坡口形式采用斜Y型坡口，保留2mm间隙，采用焊接热输入量为1.30kJ/mm时，焊接冷裂纹率为0；但当热输入量为0.9kJ/mm时，局部热影响区出现少量裂纹，表明该钢种在无预热、室温条件下能够采用的最小热输入量应在1kJ/mm附近。

Claims (3)

1.一种Q690CF热轧钢板，其特征在于，所述的热轧钢板的化学成分按质量百分比为：C:0.05～0.08％，Si:0.22～0.30％，Mn:1.6～2.0％，Al:0.2～0.35％，Cr:0.10～0.35％，Mo:0.20～0.35％，Ni:0.1～0.18％，Cu:0.15～0.18％，Nb:0.025～0.045％，V:0.01～0.03％，Ti:0.005～0.03％，P≤0.010％，S≤0.008％，余量为Fe和不可避免的杂质；所述的热轧钢板的焊接裂纹敏感性指数Pcm值不大于0.20％；

步骤为：

步骤1，熔炼：

按Q690CF热轧钢板化学成分，电炉或转炉冶炼，熔炼温度为1550～1670℃，并浇铸成钢锭或铸坯；

步骤2，预处理：

将钢锭或铸坯加热至1150～1200℃，保温时间60～120min；

步骤3，热轧：

采用两阶段控制轧制：

粗轧的开轧温度为1050～1120℃，多道次轧制，累计道次压下率为45～60％，终轧温度为1000～1080℃，得到中间坯厚度为40～75mm；

精轧的开轧温度为810～860℃，多道次轧制，累计道次压下率为60～80％，终轧温度不低于780℃，得到钢板厚度为12～25mm；

步骤4，快速冷却：

采用层流加速冷却方式，钢板开始冷却温度不低于750℃，冷却速度为15～30℃/s，终冷温度控制在350～500℃之间，然后空冷至室温，得到成品Q690CF热轧钢板。

2.根据权利要求1所述的Q690CF热轧钢板，其特征在于，所述的热轧钢板的显微组织中贝氏体型铁素体和针状铁素体的面积百分含量≥90％，贝氏体和铁素体的板条宽度均分布在0.1～0.7μm。

3.根据权利要求1所述的Q690CF热轧钢板，其特征在于，所述的热轧钢板，力学性能为：750MPa≥屈服强度≥690MPa，940MPa≥抗拉强度≥810MPa，22.5％≥延伸率≥17％，250J≥-20℃冲击吸收功≥180J，屈强比≤0.93。