CN106834925A - 一种780MPa级调质型水电用钢板及生产方法 - Google Patents

一种780MPa级调质型水电用钢板及生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种780MPa级调质型水电用钢板及生产方法，所述钢板化学成分及其质量百分含量如下：C：0.07～0.09%，Si：0.12～0.22%，Mn：1.2～1.4%，P≤0.010%，S≤0.005%，Ni：0.45～0.6%，Cr：0.4～0.5%，Nb：0.01～0.03%，Al：0.05～0.07%，Mo：0.30～0.40%，V：0.03～0.04%，B：0.0010～0.0020%，余量为Fe和不可避免的杂质。生产方法包括冶炼连铸工序，加热工序，轧制工序，堆垛缓冷工序，调质热处理工序。本发明生产的钢板厚度可达60mm，屈服强度≥690MPa，抗拉强度为770～930MPa，断后伸长率≥17%，‑40℃冲击功≥100J，综合力学性能优良，成本低廉。

Description

一种780MPa级调质型水电用钢板及生产方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，特别涉及一种780MPa级调质型水电用钢板及生产方法。
背景技术
一般说的水电用钢，特指压力管道用钢，属于中低压、中低温压力容器范畴，此类产品用于厂坝内的引水压力管道制造以及肋板、岔管、蜗壳等辅助设施，水电站压力水管是从水库、前池或调压室将发电用水直接引入水轮机，或者在抽水蓄能电站由水泵向高处输水，承受较高内水压力的管道，其特点：坡度陡、内水压力大，承受动水压力，且靠近厂房，失事后果严重，所以必须安全可靠。压力水管必须承受巨大的水压以及水流的冲击，对钢板的化学成分、抗拉强度（低温）冲击功等性能有比较严格的要求。
低焊接裂纹敏感性高强钢，它是一类具有优良焊接性能和低温韧性的低合金高强度钢，其优点在于焊前不预热或稍加预热而不产生裂纹，主要是解决了大型钢结构件的焊接施工问题。低焊接裂纹敏感性钢的设计原理就是降低碳和多元微量元素合金化，但钢中合金元素的减少直接影响钢的淬透性，所以此级别调质型低焊接裂纹敏感性水电用钢板往往加入硼元素，而往往此类钢中加入Ti元素以生成TiN，从而减少钢中BN的生成以增加钢中固溶硼的含量，但钢中的TiN夹杂物也造成了钢板冲击韧性的下降。
对已公开的专利进行分析发现，在中国专利CN104532148A中，公开了一种800MPa级低焊接裂纹敏感性调质型水电用钢板，在钢的成分设计上加入Ti及Cu元素，造成合金成本较高，而且，在钢中加入Cu元素，易使铸坯和钢板表面产生星状裂纹，钢板表面质量控制存在一定的困难，而Ti元素的添加使得钢中形成TiN夹杂物，由于钢中TiN的析出温度高达1440℃，容易聚集长大，大块TiN颗粒在冲击载荷作用下基本不变形而碎化，粗大的TiN颗粒成为降低钢低温韧性的重要因素，钢板力学性能均匀性及稳定性问题难以控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种780MPa级调质型水电用钢板及生产方法，通过适当的合金元素设计和热轧及热处理方法，取消钢中Ti、Cu合金元素的添加，消除Cu、Ti合金元素对钢的不利影响，采用低C高Al的成分设计，所生产的780MPa级调质型低焊接裂纹敏感性水电用钢，力学性能优异，钢的冲击韧性得到大幅度提升，且具有良好的低焊接裂纹敏感性，满足这类钢的力学性能和工艺性能要求，钢板表面质量良好，实现合金减量化生产，降低生产成本。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种780MPa级调质型水电用钢板，所述钢板化学成分及其质量百分含量如下：C：0.07～0.09%，Si：0.12～0.22%，Mn：1.2～1.4%，P≤0.010%，S≤0.005%，Ni：0.45～0.6%，Cr：0.4～0.5%，Nb：0.01～0.03%，Al：0.05～0.07%，Mo：0.30～0.40%，V：0.03～0.04%，B：0.0010～0.0020%，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明所述钢板淬火态的金相组织为板条贝氏体，最终回火态的组织为回火索氏体。
本发明所述钢板室温屈服强度≥690MPa，抗拉强度为770～930MPa，断后伸长率≥17%，-40℃冲击功≥100J。
本发明所述钢板冲击试样尺寸为10×10×55mm，焊接冷裂纹敏感指数Pcm≤0.23，钢板质量良好。
本发明还提供一种上述的780MPa级调质型水电用钢板的生产方法，所述生产方法包括冶炼连铸工序，加热工序，轧制工序，堆垛缓冷工序，调质热处理工序；所述冶炼连铸工序按设计的化学成分冶炼钢水并铸成厚度为300mm的铸坯，铸坯化学成分及其质量百分含量如下：C：0.07～0.09%，Si：0.12～0.22%，Mn：1.2～1.4%，P≤0.010%，S≤0.005%，Ni：0.45～0.6%，Cr：0.4～0.5%，Nb：0.01～0.03%，Al：0.05～0.07%，Mo：0.30～0.40%，V：0.03～0.04%，B：0.0010～0.0020%，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明所述加热工序，将铸坯按照炉内四区加热，加热Ⅰ区加热至780±10℃，总加热时间为1h±20min，加热Ⅱ区加热至1100℃，总加热时间为2h±20min，加热Ⅲ区加热至1200±10℃，总加热时间为2h±20min，均热区温度为1200±10℃，保温时间为1h±10min。
本发明所述轧制工序，将铸坯按照炉内四区加热均匀化后进行粗轧，粗轧轧制道次为8道次，粗轧开轧温度为1150±30℃，终轧温度为1050±20℃，总压下率为53%；将中间坯精轧9道次，总压下率为57%，精轧开轧温度为840±20℃，终轧温度为800±20℃。
本发明所述堆垛缓冷工序，采用轧后快冷装置将精轧后的钢板冷却至680±20℃，之后将钢板进行堆垛处理，堆垛时间为24±2h。
本发明所述调质热处理工序，轧制后进行钢板的离线调质热处理：将钢板重新加热至930℃，保温40min后淬火，然后进行回火，回火温度600～640℃，回火保温系数为1min/mm，回火时间以达到实际温度开始计算，得到780MPa级调质型水电用钢板。
本发明所述钢板最大厚度60mm。
本发明得到的是一种780MPa级调质型低焊接裂纹敏感性水电用钢板，本发明的成分设计是基于以下几点：
C：在钢中的作用是固溶强化，但是对焊接性能不利。含量越高，焊接性能越差，在低焊接裂纹敏感性水电用钢板的成分设计中，为了使钢板具有良好的焊接性能，钢中的碳含量控制在0.07～0.09%之间。
Si：在钢中的作用是固溶强化，也可提高钢的淬透性，Si含量高时会使钢的塑性和焊接性能降低，因此，Si的含量控制在0.12～0.0.22%左右。
Mn：在钢中的作用是固溶强化和提高淬透性，但含量过高将使钢在高温下引起晶粒粗化，且Mn太高使碳当量提高，对焊接性也不利。钢中Mn含量过高，也会给冶炼和轧制带来困难，对钢的韧性也不利。因此，Mn含量控制在1.2～1.4%范围内。
Ni：在钢中属于全部固溶的元素，具有明显降低冷脆转变温度的作用，对提高钢的低温冲击韧性有重要作用，但Ni为贵金属，应适当控制其含量，因此，Ni量控制在0.45～0.6%范围内。
Cr：Cr元素和Fe元素形成连续固溶体，并与C元素形成多种碳化物。固溶在钢中的Cr元素和Cr的碳化物会提高钢板的强度。Cr含量增加，会形成较粗大的碳化物，从而恶化钢板的冲击性能。因此，Cr含量控制在0.4～0.5%范围内。
Mo：Mo元素在奥氏体化时固溶在钢中，冷却过程中通过抑制扩散界面运动实现细化最终组织。同时Mo元素是贵重合金元素，为保证钢板性能和成本，Mo含量控制在0.3～0.4%范围内。
Nb：Nb在钢中的作用，一方面以达到细化晶粒和增加钢板厚度的目的，另一方面是实现两阶段轧制，即非再结晶区较低温度轧制以提高奥氏体内部位错密度，在随后的冷却过程中形成细化的组织。Nb含量较高会在回火过程中形成较粗大的NbC析出，从而降低钢板的低温冲击功，因此，Nb含量控制在0.01～0.03%范围内。
V：V在钢中与N和C结合，形成微细的析出粒子，起到沉淀强化作用。V和Cu在钢中都是起沉淀强化作用，但是相对Cu来说，V只需加入极少量的，即可达到同等的沉淀强化效果。因此，V含量控制在0.03～0.04%范围内。
B：B元素添加在钢中会提高钢板的淬透性，形成贝氏体或马氏体组织。B含量较高时，B原子会在晶界富集，降低晶界结合能，从而在受到冲击作用时会发生沿晶解离断裂。因此，B含量控制在0.001～0.002%范围内。
Al：Al元素在高温时形成细小AlN的析出，在板坯加热奥氏体化时抑制奥氏体晶粒长大，达到细化奥氏体晶粒、提高钢在低温下的韧性的目的。此外，适当提高Al的含量，还可进一步降低钢中BN的生成，增加钢中固溶硼的含量，Al过高会导致较大的Al氧化物形成，降低钢板的低温冲击性能和探伤性能。因此，Al含量控制在0.05～0.07%范围内。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：1、本发明获得的钢板低温冲击韧性优良，钢板室温屈服强度≥690MPa，抗拉强度为770～930MPa，断后伸长率≥17%，-40℃冲击功≥100J，远超出工程应用中规定的指标。钢板冲击试样尺寸为10×10×55mm，焊接冷裂纹敏感指数Pcm≤0.23。2、本发明从钢种的成分设计入手，开发出一种780MPa级调质型水电用钢板的生产工艺，该钢板具有低焊接裂纹敏感性的特点，本方法考虑水电用钢板的强度、塑性、韧性以及焊接性能的要求，优化设计了钢的化学成分，取消钢中Ti、Cu合金元素的添加，消除Cu、Ti合金元素对钢的不利影响，采用合理的控轧控冷工艺和热处理工艺，获得理想的微观组织，保证其性能要求，钢的冲击韧性得到大幅度提升，钢板表面质量良好，实现合金减量化生产，降低生产成本。
附图说明
图1为本发明实施例1的金相组织图；
图2为本发明实施例2的金相组织图；
图3为本发明实施例3的金相组织图；
图4为本发明实施例4的金相组织图；
图5为本发明实施例5的金相组织图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
一种780MPa级调质型水电用钢板，其化学成分的质量百分含量为：C：0.08%，Si：0.20%，Mn：1.4%，P：0.009%，S：0.003%，Ni：0.47%，Cr：0.48%，Nb：0.02%，Al：0.06%，Mo：0.30%，V：0.03，B：0.0010%，余量为Fe和不可避免的杂质。
780MPa级调质型水电用钢板的生产方法具体工艺如下：
冶炼连铸工序按设计的化学成分冶炼钢水并铸成厚度为300mm的铸坯，其浇铸成规格为300*2400*2800mm的连铸坯，坯料堆垛冷却48h，坯料表面经火焰清理检验后入炉。
将铸坯按照炉内四区加热，加热Ⅰ区加热至780℃，总加热时间为1h，加热Ⅱ区加热至1100℃，总加热时间为2h，加热Ⅲ区加热至1200℃，总加热时间为2h，均热区温度为1200℃，保温时间为1h。
将铸坯按照炉内四区加热均匀化后进行粗轧，粗轧轧制道次为8道次，粗轧开轧温度为1150℃，终轧温度为1050℃，总压下率为53%；将中间坯精轧9道次，总压下率为57%，精轧开轧温度为840℃，终轧温度为800℃，精轧后钢板的厚度为60mm。
堆垛缓冷工序，采用轧后快冷装置将精轧后的钢板冷却至680℃，之后将钢板进行堆垛处理，堆垛时间为24h。
调质热处理工序，轧制后进行钢板的离线调质热处理：将钢板重新加热至930℃，保温40min后淬火，然后进行回火，回火温度600℃，回火保温系数为1min/mm，回火时间以达到实际温度开始计算，得到780MPa级调质型水电用钢板。
其金相组织如附图1所示，为回火索氏体。
实施例2
一种780MPa级调质型水电用钢板，其化学成分的质量百分含量为：C：0.08%，Si：0.20%，Mn：1.4%，P：0.009%，S：0.003%，Ni：0.47%，Cr：0.48%，Nb：0.02%，Al：0.06%，Mo：0.30%，V：0.03，B：0.0010%，余量为Fe和不可避免的杂质。
780MPa级调质型水电用钢板的生产方法具体工艺如下：
冶炼连铸工序按设计的化学成分冶炼钢水并铸成厚度为300mm的铸坯，其浇铸成规格为300*2400*2800mm的连铸坯，坯料堆垛冷却48h，坯料表面经火焰清理检验后入炉。
将铸坯按照炉内四区加热，加热Ⅰ区加热至780℃，总加热时间为1h，加热Ⅱ区加热至1100℃，总加热时间为2h，加热Ⅲ区加热至1200℃，总加热时间为2h，均热区温度为1200℃，保温时间为1h。
将铸坯按照炉内四区加热均匀化后进行粗轧，粗轧轧制道次为8道次，粗轧开轧温度为1150℃，终轧温度为1050℃，总压下率为53%；将中间坯精轧9道次，总压下率为57%，精轧开轧温度为840℃，终轧温度为800℃，精轧后钢板的厚度为60mm。
堆垛缓冷工序，采用轧后快冷装置将精轧后的钢板冷却至680℃，之后将钢板进行堆垛处理，堆垛时间为24h。
调质热处理工序，轧制后进行钢板的离线调质热处理：将钢板重新加热至930℃，保温40min后淬火，然后进行回火，回火温度620℃，回火保温系数为1min/mm，回火时间以达到实际温度开始计算，得到780MPa级调质型水电用钢板。
其金相组织如附图2所示，为回火索氏体。
实施例3
一种780MPa级调质型水电用钢板，其化学成分的质量百分含量为：C：0.08%，Si：0.20%，Mn：1.4%，P：0.009%，S：0.003%，Ni：0.47%，Cr：0.48%，Nb：0.02%，Al：0.06%，Mo：0.30%，V：0.03，B：0.0010%，余量为Fe和不可避免的杂质。
780MPa级调质型水电用钢板的生产方法具体工艺如下：
冶炼连铸工序按设计的化学成分冶炼钢水并铸成厚度为300mm的铸坯，其浇铸成规格为300*2400*2800mm的连铸坯，坯料堆垛冷却48h，坯料表面经火焰清理检验后入炉。
将铸坯按照炉内四区加热，加热Ⅰ区加热至780℃，总加热时间为1h，加热Ⅱ区加热至1100℃，总加热时间为2h，加热Ⅲ区加热至1200℃，总加热时间为2h，均热区温度为1200℃，保温时间为1h。
将铸坯按照炉内四区加热均匀化后进行粗轧，粗轧轧制道次为8道次，粗轧开轧温度为1150℃，终轧温度为1050℃，总压下率为53%；将中间坯精轧9道次，总压下率为57%，精轧开轧温度为840℃，终轧温度为800℃，精轧后钢板的厚度为60mm。
堆垛缓冷工序，采用轧后快冷装置将精轧后的钢板冷却至680℃，之后将钢板进行堆垛处理，堆垛时间为24h。
调质热处理工序，轧制后进行钢板的离线调质热处理：将钢板重新加热至930℃，保温40min后淬火，然后进行回火，回火温度640℃，回火保温系数为1min/mm，回火时间以达到实际温度开始计算，得到780MPa级调质型水电用钢板。
其金相组织如附图3所示，为回火索氏体。
实施例4
一种780MPa级调质型水电用钢板，其化学成分的质量百分含量为：C：0.07%，Si：0.12%，Mn：1.2%，P：0.007%，S：0.005%，Ni：0.45%，Cr：0.50%，Nb：0.01%，Al：0.05%，Mo：0.40%，V：0.035%，B：0.0020%，余量为Fe和不可避免的杂质。
780MPa级调质型水电用钢板的生产方法具体工艺如下：
冶炼连铸工序按设计的化学成分冶炼钢水并铸成厚度为300mm的铸坯，其浇铸成规格为300*2400*2800mm的连铸坯，坯料堆垛冷却48h，坯料表面经火焰清理检验后入炉。
将铸坯按照炉内四区加热，加热Ⅰ区加热至790℃，总加热时间为40min，加热Ⅱ区加热至1100℃，总加热时间为100min，加热Ⅲ区加热至1210℃，总加热时间为100min，均热区温度为1190℃，保温时间为50min。
将铸坯按照炉内四区加热均匀化后进行粗轧，粗轧轧制道次为8道次，粗轧开轧温度为1180℃，终轧温度为1070℃，总压下率为53%；将中间坯精轧9道次，总压下率为57%，精轧开轧温度为860℃，终轧温度为820℃，精轧后钢板的厚度为60mm。
堆垛缓冷工序，采用轧后快冷装置将精轧后的钢板冷却至700℃，之后将钢板进行堆垛处理，堆垛时间为26h。
调质热处理工序，轧制后进行钢板的离线调质热处理：将钢板重新加热至930℃，保温40min后淬火，然后进行回火，回火温度630℃，回火保温系数为1min/mm，回火时间以达到实际温度开始计算，得到780MPa级调质型水电用钢板。
其金相组织如附图4所示，为回火索氏体。
实施例5
一种780MPa级调质型水电用钢板，其化学成分的质量百分含量为：C：0.09%，Si：0.22%，Mn：1.3%，P：0.010%，S：0.004%，Ni：0.60%，Cr：0.40%，Nb：0.03%，Al：0.07%，Mo：0.35%，V：0.04%，B：0.0015%，余量为Fe和不可避免的杂质。
780MPa级调质型水电用钢板的生产方法具体工艺如下：
冶炼连铸工序按设计的化学成分冶炼钢水并铸成厚度为300mm的铸坯，其浇铸成规格为300*2400*2800mm的连铸坯，坯料堆垛冷却48h，坯料表面经火焰清理检验后入炉。
将铸坯按照炉内四区加热，加热Ⅰ区加热至770℃，总加热时间为80min，加热Ⅱ区加热至1100℃，总加热时间为140min，加热Ⅲ区加热至1190℃，总加热时间为140min，均热区温度为1210℃，保温时间为70min。
将铸坯按照炉内四区加热均匀化后进行粗轧，粗轧轧制道次为8道次，粗轧开轧温度为1120℃，终轧温度为1030℃，总压下率为53%；将中间坯精轧9道次，总压下率为57%，精轧开轧温度为820℃，终轧温度为780℃，精轧后钢板的厚度为60mm。
堆垛缓冷工序，采用轧后快冷装置将精轧后的钢板冷却至660℃，之后将钢板进行堆垛处理，堆垛时间为22h。
调质热处理工序，轧制后进行钢板的离线调质热处理：将钢板重新加热至930℃，保温40min后淬火，然后进行回火，回火温度610℃，回火保温系数为1min/mm，回火时间以达到实际温度开始计算，得到780MPa级调质型水电用钢板。
其金相组织如附图5所示，为回火索氏体。
表1 实施例1-5的力学性能
实施例 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 断后伸长率/% -40℃冲击功/J 焊接冷裂纹敏
1 790 868 19 181 0.22
2 771 821 20 201 0.22
3 768 811 20 215 0.22
4 776 815 19 210 0.22
5 777 813 20 223 0.22
从上述的实施例中的工艺对比研究结果可知，本发明获得良好力学性能的低焊接裂纹敏感性水电用钢的调质热处理工艺是：930℃/40min+（600～640）℃/60min。此时的力学性能结果为：室温屈服强度≥690MPa，抗拉强度770～930MPa，断后伸长率≥17%，-40℃冲击功≥100J，焊接冷裂纹敏感指数Pcm≤0.23。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述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当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种780MPa级调质型水电用钢板，其特征在于，所述钢板化学成分及其质量百分含量如下：C：0.07～0.09%，Si：0.12～0.22%，Mn：1.2～1.4%，P≤0.010%，S≤0.005%，Ni：0.45～0.6%，Cr：0.4～0.5%，Nb：0.01～0.03%，Al：0.05～0.07%，Mo：0.30～0.40%，V：0.03～0.04%，B：0.0010～0.0020%，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的780MPa级调质型水电用钢板，其特征在于，所述钢板淬火态的金相组织为板条贝氏体，最终回火态的组织为回火索氏体。
3.根据权利要求1或2所述的780MPa级调质型水电用钢板，其特征在于，所述钢板室温屈服强度≥690MPa，抗拉强度为770～930MPa，断后伸长率≥17%，-40℃冲击功≥100J。
4.根据权利要求1或2所述的780MPa级调质型水电用钢板，其特征在于，所述钢板冲击试样尺寸为10×10×55mm，焊接冷裂纹敏感指数Pcm≤0.23。
5.基于权利要求1-4任意一项所述的780MPa级调质型水电用钢板的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括冶炼连铸工序，加热工序，轧制工序，堆垛缓冷工序，调质热处理工序；所述冶炼连铸工序按设计的化学成分冶炼钢水并铸成厚度为300mm的铸坯，铸坯化学成分及其质量百分含量如下：C：0.07～0.09%，Si：0.12～0.22%，Mn：1.2～1.4%，P≤0.010%，S≤0.005%，Ni：0.45～0.6%，Cr：0.4～0.5%，Nb：0.01～0.03%，Al：0.05～0.07%，Mo：0.30～0.40%，V：0.03～0.04%，B：0.0010～0.0020%，余量为Fe和不可避免的杂质。
6.根据权利要求5所述的780MPa级调质型水电用钢板的生产方法，其特征在于，所述加热工序，将铸坯按照炉内四区加热，加热Ⅰ区加热至780±10℃，总加热时间为1h±20min，加热Ⅱ区加热至1100℃，总加热时间为2h±20min，加热Ⅲ区加热至1200±10℃，总加热时间为2h±20min，均热区温度为1200±10℃，保温时间为1h±10min。
7.根据权利要求5所述的780MPa级调质型水电用钢板的生产方法，其特征在于，所述轧制工序，将铸坯按照炉内四区加热均匀化后进行粗轧，粗轧轧制道次为8道次，粗轧开轧温度为1150±30℃，终轧温度为1050±20℃，总压下率为53%；将中间坯精轧9道次，总压下率为57%，精轧开轧温度为840±20℃，终轧温度为800±20℃。
8.根据权利要求5-7任意一项所述的780MPa级调质型水电用钢板的生产方法，其特征在于，所述堆垛缓冷工序，采用轧后快冷装置将精轧后的钢板冷却至680±20℃，之后将钢板进行堆垛处理，堆垛时间为24±2h。
9.根据权利要求5-7任意一项所述的780MPa级调质型水电用钢板的生产方法，其特征在于，所述调质热处理工序，轧制后进行钢板的离线调质热处理：将钢板重新加热至930℃，保温40min后淬火，然后进行回火，回火温度600～640℃，回火保温系数为1min/mm，回火时间以达到实际温度开始计算，得到780MPa级调质型水电用钢板。
10.根据权利要求5-7任意一项所述的780MPa级调质型水电用钢板的生产方法，其特征在于，所述钢板最大厚度60mm。
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