CN105755369B - 一种易焊接低温抗层状撕裂性能优异的钢板及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种易焊接低温抗层状撕裂性能优异的钢板，该钢板的化学成分质量百分含量为C 0.05‑0.09%；Si 0.2‑0.4%；Mn 0.9‑1.3%；Al 0.02‑0.04%；Nb 0.01‑0.03%；V 0.03‑0.05%；Cr 0.3‑0.5%；Ni 1.0‑1.4%；Mo 0.3‑0.6%；Cu 0.2‑0.6%；Ti 0.01‑0.02%；B 0.001‑0.002%；P≤0.015%；S≤0.003%；N≤0.007%；余量为Fe及不可避免的杂质，碳当量≤0.60；焊接裂纹敏感系数为：Pcm≤0.28。经KR铁水预处理—转炉冶炼—LF精炼—RH真空脱气—连铸—轧制—矫直—钢板堆缓冷—淬火回火等工艺步骤，制造厚度分别70‑100mm的高强高韧性易焊接钢板。

Description

一种易焊接低温抗层状撕裂性能优异的钢板及其制备方法

技术领域

本发明涉及690MPa级中厚钢板锻造技术领域，具体涉及一种易焊接的抗层状撕裂性能优异的690MPa级钢板及其制造方法。

背景技术

自升式钻井平台桩腿主弦管主要由齿条板与半圆板焊接而成，因此，半圆板作为自升式钻井平台的一个关键部位，不仅要求具有高强度高韧性，还要求具有良好的易焊接性和抗层状撕裂性能以满足平台建造过程中的焊接要求。通常，要求半圆板的屈服强度≥690MPa，抗拉强度770～940MPa，延伸率≥14%，钢板1/4厚度处-40℃的夏比冲击功≥69J。随着深海油气勘探的不断发展，为满足超恶劣环境下海洋平台的安全需要，除了上述要求意外，对半圆板在低温下的冲击功韧性、焊接性和抗层状撕裂性能提出了更高的要求，要求-60℃下夏比冲击功≥69J，C在≤0.12%的情况下，Pcm≤0.30，Z向断面收缩率≥35%。目前，低碳设计的低裂纹敏感性易焊接的可在-60℃下使用的70-100mm厚度的高强高韧性钢板在国内还未见有报道。

专利公告号为CN103014541A的发明专利提出了一种690MPa级厚规格海洋工程用钢及其制造方法，可制造最大厚度120mm的钢板，-60℃下夏比冲击功满足≥69J的要求。但是，该技术C含量0.08-0.15%，120mm厚度C含量达到0.13%，碳当量约为0.73，使得该钢板不满足易焊接的要求。

专利公告号为CN101418418A的发明专利提出了一种屈服强度690MPa级低裂纹敏感性钢板及其制造方法。但是，其最大厚度为60mm，同时未披露-60℃冲击性能。

专利公告号为CN105039865A的发明专利提出了一种高强度高韧性钢板及其制造方法，C含量在0.12-0.17%，-40℃夏比冲击功≥100J，未明确Ceq和Pcm值，C含量较高，不满足易焊接要求，同时也没有明确-60℃低温冲击功情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种可在-60℃条件下使用的70-100mm厚度、碳当量≤0.60、冷裂纹敏感系数（Pcm）≤0.28的易焊接高强高韧性抗层状撕裂性能优异的690MPa钢板及其制造方法。

为了提高钢板的强度，钢板中的碳含量一般要保持在较大含量上，但是随着碳含量的提高，钢材的焊接性能会变得较差；特别地，在需要增加钢板厚度的情况下，在保证钢板强度不下降的前提下，更加需要提高成分中的碳含量，也就进一步导致钢材焊接性能、抗层状撕裂性能的恶化，使钢板在结构钢应用领域受到限制。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种易焊接低温抗层状撕裂性能优异的钢板，钢板的化学成分质量百分含量为C 0.05-0.09%；Si 0.2-0.4%；Mn 0.9-1.3%；Al0.02-0.04%；Nb 0.01-0.03%；V 0.03-0.05%；Cr 0.3-0.5%；Ni 1.0-1.4%；Mo 0.3-0.6%；Cu0.2-0.6%；Ti 0.01-0.02%；B 0.001-0.002%；P≤0.015%；S≤0.003%；N≤0.007%；余量为Fe及不可避免的杂质，碳当量≤0.60；焊接裂纹敏感系数为Pcm≤0.28，Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B。

与发明专利公开号103014541A相比，本发明采取了更低的碳含量设计，并从元素成分总体上压低碳当量和裂纹敏感系数，在不降低钢板强度的前提下保证钢板具有优异的焊接性。钢板的冶炼流程为：KR铁水预处理-转炉-LF精炼-RH真空脱气-板坯连铸-缓冷-轧制-调质热处理-精检-性能检测-包装入库。

成品钢板的厚度为70～100mm，屈服强度690MPa以上，抗拉强度770～940MPa，延伸率≥16%，-60℃下钢板的1/4厚度和1/2厚度处夏比冲击功均≥100J，Z向断面收缩率≥35%，可满足在-60℃超低温环境下服役。

本发明中所含有所有组分的作用及其含量选择理由具体说明如下：

C：影响强度、淬透性和焊接性的主要元素，以固溶强化形式提高钢的强度；碳含量过高会对钢的韧性及焊接性产生不利影响，碳含量过低则会导致钢板淬透性不足，强度偏低。综合考虑，本发明C含量选择范围为0.05-0.09%。

Si：脱氧元素，以固溶强化形式提高钢的强度，过低则影响脱氧效果，过高会对表面质量、韧性及焊接性能产生不利影响，综合考虑，本发明Si含量选择范围为0.2-0.4%。

Mn：影响强度、淬透性和焊接性的主要合金元素，以固溶强化形式提高钢的强度，弥补C降低而导致的不足；Mn含量在低于0.8%时则无法起到固溶强化的作用，过高会提高钢的碳当量和裂纹敏感系数，对钢的焊接性产生不利影响；同时，Mn容易在钢板心部产生偏析，对钢板心部的低温冲击韧性产生不利影响。本发明Mn含量的选择范围为0.9-1.30%；

Al：起脱氧和固氮的作用，并通过形成AlN起到细化晶粒的作用。本发明Al含量的选择范围为0.02-0.04%。

Nb：能够在轧制过程中通过钉扎作用和沉淀强化作用显著细化奥氏体晶粒，有利于强度和韧性的提高。过高的Nb会使得生产成本显著提高，同时对焊接性不利。本发明Nb含量的选择范围为0.01-0.03%。

V：碳氮化物形成元素，通过形成V（C，N），以弥散强化的形式提高钢的强度和韧性，细化铁素体晶粒度，含量过高则会对焊接性产生不利影响。本发明V含量的选择范围为0.03-0.05%。

Cr：中等碳化物形成元素，能够提高钢的淬透性和强度，弥补C含量较低导致强度和淬透性下降的不足。添加过量，则会对钢的低温冲击韧性和焊接性产生不利影响。本发明Cr含量的选择范围为0.3-0.5%。

Ni：能够同时提高钢的强度和改善低温冲击韧性，在Cu元素含量过高时改善材料的热裂倾向。Ni含量过高时，在连铸坯加热过程中会产生黏度较高的氧化铁皮，影响钢板表面质量。同时，太高的Ni提高钢板的碳当量和裂纹敏感系数，影响钢板的焊接性。本发明Ni含量的选择范围为1.0-1.4%。

Mo：能够显著提高钢的淬透性和强度，适量的Mo可以克服调质处理时钢的回火脆性从而提高钢的冲击韧性。过多则会对钢的焊接性产生不利影响，同时导致成本增加。本发明Mo含量的选择范围为0.2-0.6%。

Cu：能够提高钢的淬透性、强度和耐腐蚀性能，降低钢板的氢致裂纹敏感性；过高会对钢板的焊接性产生不利影响，同时需要加入更多的Ni来避免产生铜脆现象。本发明Cu含量的选择范围为0.2-0.6%。

Ti：通过形成TiN起到析出强化的作用，有效细化晶粒，含量过高则会对韧性产生不利影响。本发明Ti含量的选择范围为0.01-0.02%。

B：提高淬透性的最显著的元素，含量过高则会对焊接性和低温韧性产生非常不利的影响。本发明B含量的选择范围为0.001-0.002%。

P、S：作为钢中的主要杂质元素，对钢板尤其是钢板心部的低温冲击韧性会产生不利影响，含量控制越低越好。根据现有实际生产条件，本发明P、S含量的选择范围为P≤0.015%，S≤0.003%。

上述易焊接690MPa级钢板的制备方法包含如下工艺步骤：

（1）在炼钢工序中，采用KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气处理生产出高纯净钢水，然后通过特厚连铸板坯生产工艺生产出370-450mm厚度连铸板坯，对连铸坯进行加罩堆垛缓冷扩氢处理，堆垛缓冷时间≥120小时；

（2）将连铸坯加热至1150-1250℃，保温150-180min，使钢中的合金元素充分固溶以保证性能的均匀性，连铸坯出炉后使用高压水除鳞；

（3）将连铸坯进行两阶段轧制，第一阶段为粗轧阶段，开轧温度在1100-1180℃，单道次平均压下率≥15%；第二阶段为精轧阶段，开轧温度为840-900℃，累计道次压下率≥40%；轧后进行热矫直；

（4）热矫直后钢板下线堆缓冷扩氢处理，降低钢板中H的含量以保证钢板心部低温冲击韧性，堆缓冷时间≥72小时；

（5）对缓冷后的钢板进行淬火+回火处理，淬火和回火均在连续炉中进行，淬火温度为910-930℃，淬火在炉时间1.8-2.2min/mm；回火温度为630-680℃，回火在炉时间3.0-4.0min/mm，出炉后空冷即得钢板成品。

本发明针对在-60℃条件下使用的易焊接高强高韧性钢板的要求，成分上采用低碳、低碳当量和低裂纹敏感系数的成分设计，工艺上，采用高纯净钢的冶炼、以370-450mm厚度特厚连铸板坯作为原料，采取控制轧制加调质热处理的方法生产出厚度在70-100mm易焊接高强高韧性钢板。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明所涉及690MPa级钢板其成分上实现了低碳、低碳当量和低裂纹敏感性，C0.05-0.09%，碳当量≤0.60，裂纹敏感系数Pcm≤0.28，在不牺牲钢板强度的前提下，使钢板的焊接性得到了显著优化，易于焊接操作。按照本申请工艺生产的钢板，在具有良好焊接性基础上，具有优良的高强高韧性，屈服强度≥690MPa，抗拉强度在770-940MPa之间，延伸率≥16%，-60℃下钢板的1/4厚度和1/2厚度处夏比冲击功均≥100J，Z向断面收缩率≥35%，能够满足在-60℃的低温条件下使用。

附图说明

图1为本发明实施例70mm厚度钢板的显微组织图；

图2为本发明实施例100mm厚度钢板的显微组织图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1-2：

两实施例所涉及钢板制造方法：KR铁水预处理—转炉冶炼—LF精炼—RH真空脱气—连铸—连铸坯加罩缓冷—连铸坯检查清理—铸坯加热—高压水除鳞—轧制—矫直—钢板堆缓冷—淬火—回火等工艺步骤，制造厚度分别70（实施例1）和100mm（实施例2）的高强高韧性易焊接钢板。

上述加热、轧制和缓冷阶段的具体工艺为：将370mm厚度连铸坯加热至1200℃，保温180min（实施例1）或加热至1250℃，保温150min（实施例2），连铸坯出炉后使用高压水除鳞；然后进行两阶段轧制，第一阶段开轧温度1100℃（实施例1）或1150℃（实施例2），中间坯厚度200mm，单道次平均压下率15.5%；第二阶段开轧温度为860℃，累计道次压下率65%（实施例1）或第二阶段开轧温度850℃，累计道次压下率50%（实施例2），最终成品钢板厚度为70mm（实施例1）和100mm（实施例2）。轧后热矫直；热矫直后钢板进行下线堆缓冷扩氢，堆缓冷时间72小时（实施例1）和84小时（实施例2）。

缓冷完成后的钢板进入连续炉进行淬火处理，实施例1：加热温度910℃，在炉时间2.2min/mm，使用淬火机水淬。实施例2：加热温度930℃，在炉时间1.8min/mm，使用淬火机水淬。对完成淬火处理的钢板在连续炉中继续进行回火处理，实施例1:加热温度660℃，在炉时间4.0min/mm，实施例2：加热温度680℃，在炉时间3.0min/mm。

实施例1和2对应钢板化学成分见表1，钢板的力学性能见表2，钢板的显微组织如图1和图2所示。

表1实施例1和2中易焊接高强高韧性抗层状撕裂钢板的化学成分（wt.%）

实例	C	Si	Mn	P	S	Al	Nb	V	Ti	Cr	Ni	Mo	Cu	B	N	Ceq	Pcm
																		1	0.07	0.28	1.10	0.008	0.002	0.031	0.019	0.045	0.013	0.44	1.11	0.46	0.24	0.0014	0.0046	0.53	0.23
2	0.08	0.23	1.21	0.009	0.001	0.032	0.021	0.048	0.016	0.44	1.19	0.48	0.35	0.0014	0.0036	0.58	0.25

Ceq=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15

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

表2实施例1和2中易焊接高强高韧性抗层状撕裂钢板的力学性能

本发明通过独创的超低碳、低碳当量和低裂纹敏感性成分设计，通过调质工艺成功制造了70-100mm厚度易焊接高强高韧性抗层状撕裂钢板。在70-100mm大厚度钢板领域，采用超低碳成分设计以保证钢板焊接性，采用调质工艺设计实现了-60℃超低温韧性等力学性能。

Claims (2)

1.一种易焊接低温抗层状撕裂性能优异的钢板，其特征在于：该钢板的化学成分质量百分含量为-C 0.05-0.08%；Si 0.2-0.4%；Mn 0.9-1.3%；Al 0.02-0.04%；Nb 0.01-0.03%；V0.03-0.05%；Cr 0.3-0.5%；Ni 1.0-1.4%；Mo 0.3-0.6%；Cu 0.2-0.6%；Ti 0.01-0.02%；B0.001-0.002%；P≤0.015%；S≤0.003%；N≤0.007%；余量为Fe及不可避免的杂质，碳当量≤0.6；焊接裂纹敏感系数为Pcm≤0.28，Pcm=C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B；

钢板的制造方法包含以下工艺步骤：

（1）采用KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气处理生产出高纯净钢水，然后通过特厚连铸板坯生产工艺生产出370-450mm厚度连铸板坯，对连铸坯进行加罩堆垛缓冷扩氢处理，堆垛缓冷时间≥120小时；

（2）将连铸坯加热至1150-1250℃，保温150-180min，使钢中的合金元素充分固溶，连铸坯出炉后使用高压水除鳞；

（3）将连铸坯进行两阶段轧制，第一阶段为粗轧阶段，开轧温度在1100-1180℃，单道次平均压下率≥15%；第二阶段为精轧阶段，开轧温度为840-900℃，累计道次压下率≥40%；轧后进行热矫直；

（4）热矫直后钢板下线堆缓冷扩氢处理，堆缓冷时间≥72小时；

（5）对缓冷后的钢板进行淬火+回火处理，淬火和回火均在连续炉中进行，淬火温度为910-930℃，淬火在炉时间1.8-2.2min/mm；回火温度为630-680℃，回火在炉时间3.0-4.0min/mm，出炉后空冷即得钢板成品。

2.根据权利要求1所述的易焊接低温抗层状撕裂性能优异的钢板，其特征在于：该钢板的厚度为70～100mm，屈服强度690MPa以上，抗拉强度770～940MPa，延伸率≥16%，-60℃下钢板的1/4厚度和1/2厚度处夏比冲击功均≥100J，Z向断面收缩率≥35%，可在-60℃下服役。