CN109161671B

CN109161671B - 一种大线能量焊接用高强度eh36钢板及其制造方法

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Publication number: CN109161671B
Application number: CN201811175841.0A
Authority: CN
Inventors: 王培玉; 叶建军; 李经涛; 吴小林; 潘贵明; 王柯
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2018-10-10
Filing date: 2018-10-10
Publication date: 2020-08-11
Anticipated expiration: 2038-10-10
Also published as: CN109161671A

Abstract

本发明涉及大线能量焊接用高强度EH36钢板是由以下重量百分比的组分熔炼而成：C：0.06％～0.18％，Si：0.15％～0.50％，Mn：1.10％～1.60％，P≤0.012％，S≤0.003％，Ni：0.10％～0.40％，Nb：0.010％～0.030％，Al：≤0.010％，Ti：0.010％～0.030％，Ca：0.001％～0.010％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明钢板的最大厚度为100mm，屈服强度≥355MPa，抗拉强度≥510MPa，‑40℃低温冲击吸收能KV2≥150KJ，该钢板的生产方法为：冶炼→LF/RH精炼→连铸→加热→轧制→快速冷却→成品钢板。采用本发明的方法所生产的钢板具有纯净度较高、强度高、低温冲击功良好以及在最大输入线能量300KJ/CM时仍能保持良好的强韧性等特点，可广泛用于造船、桥梁、建筑结构等领域，应用前景广阔。

Description

一种大线能量焊接用高强度EH36钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种用于制造大型船舶、大型桥梁、大型机械设备使用的大线能量焊接用高强度钢板EH36，同时还涉及一种该钢板的生产方法。属于冶金技术领域。

背景技术

近年来随着钢结构的大型化，要求钢材高强度化和厚度加大，由于传统大厚度高强钢焊接焊接输入线能量＜100KJ/CM，焊接效率低下，迫切要求提高焊接施工效率，随之要求高线能量焊接应对技术的进一步发展。在此状况下，发明了一种大线能量焊接用高强度钢板，同时还涉及一种该钢板的生产方法。这是通过低碳和添加适量弱碳化物形成元素，以达到在大线能量焊接HAZ(热影响区)处贝氏体组织细化和减少被称之为MA(岛状马氏体硬化组织)，来确保优良HAZ韧性的技术，利用钢中的细微夹杂物改善HAZ的组织和韧性的氧化物冶金工艺开发出最大焊接线能量300KJ/CM、最大厚度规格100mm、屈服强度≥355MPa的大线能量焊接用高强度钢板。该厚度、强度级别、允许焊接输入线能量值钢板的成功研制，对于该级别钢板的国产化及进一步推广应用都具有重要意义。

大线能量焊接钢的质量难度主要表现在：

1、生产的钢板越来越厚，一般在50mm以上，最大厚度达到100mm；

2、韧性要求高，要求-40℃横向冲击吸收能KV2达到150J以上，同时要求具备高强度，钢板性能保证难度极大；

3、抗大线能量焊接性能要求高，在最大焊接线能量达到300KJ/CM时仍能保证钢板的强度以及焊接融合线和焊接热影响区的低温韧性满足标准要求(-40℃横向冲击吸收能KV2达到150J以上)。

专利(CN104404369A)申请了一种大线能量焊接厚钢板及其制造方法，其通过采用添加Mg、Ca合金及其控制钢中的微米级、亚微米级夹杂物的大小、分布来提高其抗大线能量焊接性能，可抗200KJ/cm-400KJ/cm超大线能量焊接，具有优良的强韧性，-40℃下的平均夏比冲击功在50J以上，但Mg是极易氧化元素，很难在工业性生产控制其合金加入、微米级夹杂物大小和含量，给生产带来较大难度，可操作性差。

专利(CN102839320A)申请了一种采用TMCP工艺生产的大线能量焊接用钢板，抗拉强度≥550MPa，可抗100～200KJ/cm的大线能量焊接，母材及焊接热影响区在-20℃下的冲击韧性均在150J以上，但要控制N含量0.006～0.020％，还添加了微量B元素，并且可抗线能量较小，难以满足大线能量焊接要求。

专利(CN101724779B)公布了一种高韧性且适应大线能量焊接的钢、钢板，其通过强化热机械轧制和轧后加速冷却工艺来生产，采用C-Mn+Nb、Ti微合金化成分设计，具有较低的碳当量、优良的强韧性等特性，工艺简单、成本低廉，但是未具体涉及到大线能量焊接。

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大线能量焊接用高强度EH36钢板及其制造方法，以提高钢板在大线能量输入情况下保持钢的强度、低温冲击韧性。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种大线能量焊接用高强度EH36钢板，所述钢板是由以下质量百分比的组分熔炼而成：C：0.06％～0.18％，Si：0.15％～0.50％，Mn：1.10％～1.60％，P≤0.012％，S≤0.003％，Ni：0.10％～0.40％，Nb：0.010％～0.030％，Al：≤0.010％，Ti：0.010％～0.030％，Ca：0.002％～0.010％，余量为Fe和不可避免的杂质。

所述钢板的最大厚度为100mm。

本发明钢板采用化学成分设计，适量的碳、锰固溶强化；加入少量的Nb细化晶粒，其碳氮化物起到弥散强化作用；Ti和Ca与钢中的氧结合形成耐高温的氧化物；Ni提高钢板的低温韧性。

钢板中各组分及含量在本发明中的作用是：

C：0.06％～0.18％，碳对钢的屈服强度、抗拉强度、焊接性能产生显著影响，适量的碳含量可以提高钢板的淬透性，是最直接、最经济的提高钢板强度的元素，从而有效减少贵重合金元素Ni的使用量。但碳含量过高，又会影响钢的焊接性能及韧性。

Si：0.15％～0.50％，在炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂，同时Si也能起到固溶强化作用，但含量过高时，会造成钢的韧性下降，降低钢的焊接性能。

Mn：1.10％～1.60％，锰成本低廉，能增加钢的韧性、强度和硬度，提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能；锰量过高，对于大厚度钢板易出现中心偏析。

P≤0.012％，S≤0.005％：在一般情况下，磷和硫都是钢中有害元素，增加钢的脆性；磷使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏；硫降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹；因此应尽量减少磷和硫在钢中的含量。

Al：Al≤0.010％，由于Al的氧化物熔点≤1300℃，在大线能量输入时会熔化，不能起到钉扎晶界的作用，因此应尽可能减少Al含量。

Nb：0.010％～0.030％，铌的加入是为了促进钢轧制显微组织的晶粒细化，可同时提高强度和韧性，铌可在控轧过程中通过抑制奥氏体再结晶，有效地细化显微组织，并通过析出强化基体；铌可降低钢的过热敏感性及回火脆性，焊接过程中，铌原子的偏聚及析出可以阻碍加热时奥氏体晶粒的粗化，并保证焊接后得到比较细小的热影响区组织，改善焊接性能。

Ti：0.010％～0.020％，Ca：0.002％～0.010％，钛、钙是良好的脱氧剂，钛、钙的氧化物在≥1350℃的高温下依然能够保持粒子形态而不被溶解，能够起到钉扎晶界的作用，从而避免焊接热影响区晶粒粗化而导致的韧性恶化，同时Ti可与C、N元素形成Ti的碳化物、氮化物或碳氮化物，这些化合物具有好的晶粒细化效果。

Ni：0.10％～0.40％，镍溶于奥氏体，抑制奥氏体再结晶，细化奥氏体晶粒，提高钢板低温韧性。

本发明的目的还在于提供一种大线能量焊接用高强度EH36钢板的生产方法，以提高钢板在大线能量输入情况下保持钢的强度、低温冲击韧性。

本发明大线能量焊接用高强度钢板的生产方法所采用的技术方案的步骤如下：

(1)冶炼：将含有以下质量百分比组分C：0.06％～0.18％，Si：0.15％～0.50％，Mn：1.10％～1.60％，P≤0.012％，S≤0.003％，Ni：0.10％～0.40％，Nb：0.010％～0.030％，Al：≤0.010％，Ti：0.010％～0.030％，Ca：0.002％～0.010％，的钢水先经电炉或转炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，钢水温度达到或超过1560℃±10℃转入RH炉真空脱气处理；真空脱气处理后加入Fe-Ca线400m～500m或纯Ca线300m～400m，软吹3分钟使钢液成分均匀，然后吊包浇注。

(2)连铸：采用150mm、200mm、370mm、450mm板坯连铸机生产,浇铸温度为1535～1545℃。

(3)加热：连铸坯加热温度最高1220℃～1240℃，均热温度1200～1220℃，保温10小时；

(4)轧制：采用再结晶区+未再结晶区两阶段轧制工艺进行轧制，中间晾钢厚度为成品板厚的2倍～3倍，第一阶段轧制温度为930℃～1100℃，此阶段单道次压下量为10％～20％，累计压下率为40％～60％；第二阶段轧制温度为800℃～880℃，累计压下率为40％～60％，得到钢板粗品；

(5)钢板轧后水冷：钢板轧后，快速水冷，设置为DQ模式，冷却速度10℃～20℃/秒，水量自动控制，钢板入水温度750℃～800℃，钢板出水返红温度为550℃～650℃。

步骤(1)所述精炼时不使用Al脱氧，并且尽可能降低钢中Al含量，为达到在钢水内部形成所希望的氧化物的目的，在精炼前期，用Si、Mn等弱脱氧元素脱氧，使钢水中自由氧含量降低到10PPM～100PPM左右，同时大吹氩使钢水中S达到规定值，消耗掉钢水中残存大部分的Al，使Al≤0.0075％，然后加入Ti，含有一定量的自由氧与Ti结合，在钢水中形成细小的Ti的氧化物，利用高熔点、细小弥散的Ti的氧化物钉扎晶界来阻止大线能量焊接时晶粒的粗化。真空脱气处理的真空度不大于66.6Pa，真空保持时间10-30分钟，真空脱气处理后加入Fe-Ca线400m～700m或纯Ca线300m～600m，由于Ca为强氧化性元素，Ca与钢中剩余的氧结合生成细小、高熔点的Ca氧化物，软吹3-20分钟使钢液成分均匀，然后吊包浇注。Ti、Ca氧化物共同作用提高钢的大线能量焊接性能。

步骤(2)所述浇铸温度为1535℃～1545℃，浇铸成200mm、250mm、300mm、330mm板坯。

步骤(4)所述的中间晾钢厚度为成品板厚的1.5倍～3倍，第一阶段轧制的开轧温度为1050℃～1100℃，终轧温度为920℃～970℃；第二阶段轧制的开轧温度为840℃～880℃，终轧温度为800℃～820℃。

步骤(5)所述的钢板轧后水冷设置为DQ模式(直接淬火模式)，冷却速度10℃/秒～20℃/秒，钢板入水温度750℃～800℃，钢板出水返红温度为550℃～650℃。

本发明钢板的化学成分设计采用钛和钙脱氧形成细小、耐高温的氧化物来保证钢板的大线能量焊接性能，同时使用价格低廉的碳、锰固溶强化，通过调整优化钢板中其它合金元素的配比同时采用控轧、控冷工艺，能在低贵重合金使用量条件下确保钢板力学性能良好，使钢板具有良好的组织、综合性能和焊接性能，增强市场竞争力；本发明钢板的生产方法采用控轧、控冷工艺，解决了钢板晶粒粗大不均、有优良的综合性能；低温韧性有相当大的富裕量，可广泛用造船、桥梁、高层建筑工程，应用前景广阔；本发明钢板的生产方法采用控轧、控冷工艺，得到铁素体、珠光体、贝氏体等复合组织，钢板组织均匀、细小。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

①本发明的钢质更纯净，P≤0.012％，S≤0.005％；②低温冲击功高，-40℃冲击吸收能KV2在150J以上；③钢板最大厚度可达到100mm；④最大焊接线能量300KJ/CM；⑤钢板组织为铁素体、珠光体、贝氏体等复合组织。

本发明通过适量碳和合金元素配比，解决钢板低碳当量和钢板高强韧性匹配的难题，结合合理的控轧、控冷工艺制度，使钢板微观组织达到适宜形貌的珠光体、多边形铁素体的合理搭配，保证钢板母材和大线能量焊接后的性能满足使用要求。通过适当的连铸坯规格选择，严格合理的炼钢工艺、连铸工艺、钢板控轧、控冷工艺，保证在大厚度、大单重条件下达到优良的低倍组织，从而保证钢板心部质量、高的强韧性和整板的均匀性。这种大厚度、高强、高韧性EH36钢板完全满足大型船舶、大型桥梁等钢板的使用要求。

本发明钢板不使用Al脱氧，并且尽可能降低钢中Al含量，为达到在钢水内部形成所希望的氧化物的目的，在精炼前期，用Si、Mn等弱脱氧元素脱氧，使钢水中自由氧含量降低到10PPM～100PPM左右，同时大吹氩使钢水中S达到规定值，消耗掉钢水中残存大部分的Al，使Al≤0.0075％，然后加入Ti，含有一定量的自由氧与Ti结合，在钢水中形成细小的Ti的氧化物，利用高熔点、细小弥散的Ti的氧化物钉扎晶界来阻止大线能量焊接时晶粒的粗化，从而达到提高抗大线能量焊接的目的。

本发明钢板综合性能优良并且具有更好的抗大线能量焊接性能，增强了市场竞争力，填补了国内空白，质量、性能指标达到并超过了制造大型船舶、大型桥梁用高强度高韧性钢板的技术要求。同时，本方法具有生产流程短工艺简单，成本较低，工艺参数可操作性强的优点。

试验结果表明：采用本发明的方法所生产的钢板具有纯净度较高、-40℃冲击功良好及大线能量焊接性能好等特点。

附图说明

图1为本发明实施例中大线能量钢焊接坡口示意图，示意大线能量焊接操作要求。

图2为本发明实施例中焊接线能量250KJ/cm时焊缝中心金相组织，放大500倍。

图3为本发明实施例中焊接线能量300KJ/cm时焊缝中心金相组织，放大500倍。

图4为本发明实施例中焊接线能量250KJ/cm时焊接熔合线金相组织，放大500倍。

图5为本发明实施例中焊接线能量300KJ/cm时焊接熔合线金相组织，放大500倍。

图6为本发明实施例中焊接线能量250KJ/cm时焊接热影响区金相组织，放大500倍。

图7为本发明实施例中焊接线能量300KJ/cm时焊接热影响区金相组织，放大500倍。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体的实施例对本发明所述的低硅万向节球笼用钢及其制造方法作进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

实施例1

本实施例的大线能量焊接用高强度船板EH36，厚度50mm，其是由以下质量百分比的组分熔炼而成：C：0.08％，Si：0.35％，Mn：1.54％，P：0.008％，S：0.003％，Al：0.005％，Nb：0.016％，Ni：0.30％，Ti：0.015％,Ca:0.003％，余量为Fe和不可避免的杂质。

本实施例的大线能量焊接用高强度船板EH36生产方法的步骤如下：

(1)冶炼：将含有以下质量百分比组分C：0.08％，Si：0.35％，Mn：1.54％，P：0.008％，S：0.003％，Al：0.005％，Nb：0.016％，Ni：0.30％，Ti：0.015％,Ca:0.003％的钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，当氧含量为15PPM时使用Ti脱氧，钢水温度达到1570℃转入RH炉真空脱气处理；真空度为66.6Pa，真空保持时间20分钟，真空脱气处理后加入Fe-Ca线450m，软吹3分钟使钢液成分均匀，然后吊包浇注；

(2)连铸：采用370mm板坯连铸机生产，浇铸温度为1540℃；

(3)加热：连铸坯加热温度最高1220℃，均热温度1200℃，保温3.5小时；

(4)轧制：采用再结晶+未再结晶两阶段轧制工艺进行轧制，晾钢厚度110mm，第一阶段开轧温度为1055℃，终轧温度为970℃，累计压下率为60％；第二阶段开轧温度为850℃，终轧温度为820℃，累计压下率为55％，得到钢板粗品；

(5)钢板轧后水冷：钢板轧后，快速水冷，设置为DQ模式，冷却速度15℃/秒，水量自动控制，钢板入水温度790℃，钢板出水返红温度为580℃。

本实例的50mm钢板的力学性能和金相组织：

(1)板的力学性能

屈服强度410MPa，抗拉强度550MPa，-40℃横向冲击吸收能KV2平均258J。

(2)板焊接热影响区的力学性能

屈服强度405MPa，抗拉强度540MPa，-40℃横向冲击吸收能KV2平均191J。

(3)相组织

大线能量焊接用高强度船板EH36组织均匀、细小，晶粒度9.5级；钢板焊接热影响区组织粗化控制在一定范围内，晶粒度7.5级。金相照片见图1、图2。

实施例2

本实施例的大线能量焊接用高强度高强度船板EH36，厚度70mm，其是由以下质量百分比的组分熔炼而成：C：0.10％，Si：0.30％，Mn：1.55％，P：0.007％，S：0.003％，Al：0.004％，Nb：0.020％，Ni：0.28％，Ti：0.019％,Ca:0.003％，余量为Fe和不可避免的杂质。

本实施例的大线能量焊接用高强度高强度船板EH36钢板生产方法的步骤如下：

(1)冶炼：将含有以下质量百分比组分C：0.10％，Si：0.30％，Mn：1.55％，P：0.007％，S：0.003％，Al：0.004％，Nb：0.020％，Ni：0.28％，Ti：0.019％,Ca:0.003％的钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，当氧含量达到48PPM时使用Ti脱氧，钢水温度达到1560℃转入RH炉真空脱气处理；真空度为66.6Pa，真空保持时间20分钟，真空脱气处理后加入纯Ca线400m，软吹3分钟使钢液成分均匀，然后吊包浇注。

(2)连铸：采用370mm板坯连铸机生产，浇铸温度为1542℃。

(3)加热：连铸坯加热温度最高1240℃，均热温度1220℃，保温4小时；

(4)轧制：采用再结晶+未再结晶两阶段轧制工艺进行轧制，晾钢厚度140mm，第一阶段开轧温度为1050℃，终轧温度为960℃，累计压下率为60％；第二阶段开轧温度为840℃，终轧温度为810℃，累计压下率为55％，得到钢板粗品；

(5)钢板轧后水冷：钢板轧后，快速水冷，设置为DQ模式，冷却速度15℃/秒，水量自动控制，钢板入水温度800℃，钢板出水返红温度为600℃。

本实例的70mm钢板的力学性能：

(1)钢板的力学性能

屈服强度455MPa，抗拉强度585MPa，-40℃横向冲击吸收能KV2平均212J。

(2)钢板焊接热影响区的力学性能

屈服强度450MPa，抗拉强度570MPa，-40℃横向冲击吸收能KV2平均185J。

(3)相组织

大线能量焊接用高强度船板EH36组织均匀、细小，晶粒度9.5级；钢板焊接热影响区组织组织粗化控制在一定范围内，晶粒度7.5级。钢板金相照片见图3、图4。

实施例3

本实施例的大线能量焊接用高强度高强度船板EH36，厚度100mm，其是由以下质量百分比的组分熔炼而成：C：0.10％，Si：0.30％，Mn：1.50％，P：0.004％，S：0.003％，Al：0.004％，Nb：0.020％，Ni：0.28％，Ti：0.019％,Ca:0.003％，余量为Fe和不可避免的杂质。

(1)冶炼：将含有以下质量百分比组分C：0.10％，Si：0.30％，Mn：1.50％，P：0.004％，S：0.003％，Al：0.004％，Nb：0.020％，Ni：0.28％，Ti：0.019％,Ca:0.003％的钢水先经电炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，当氧含量为95PPM时使用Ti脱氧，钢水温度达到1565℃转入RH炉真空脱气处理；真空度为66.6Pa，真空保持时间20分钟，真空脱气处理后加入纯Ca线400m，软吹3分钟使钢液成分均匀，然后吊包浇注。

(2)连铸：采用450mm板坯连铸机生产，浇铸温度为1542℃。

(3)加热：连铸坯加热温度最高1240℃，均热温度1220℃，保温5小时；

(4)轧制：采用再结晶+未再结晶两阶段轧制工艺进行轧制，晾钢厚度180mm，第一阶段开轧温度为1050℃，终轧温度为960℃，累计压下率为60％；第二阶段开轧温度为840℃，终轧温度为810℃，累计压下率为44％，得到钢板粗品；

本实例的100mm钢板的力学性能：

(1)钢板的力学性能

屈服强度430MPa，抗拉强度575MPa，-40℃横向冲击吸收能KV2平均225J。

(2)钢板焊接热影响区的力学性能

屈服强度415MPa，抗拉强度560MPa，-40℃横向冲击吸收能KV2平均189J。

(3)金相组织

大线能量焊接用高强度船板EH36组织均匀、细小，晶粒度9.5级；钢板焊接热影响区组织组织粗化控制在一定范围内，晶粒度7.5级。钢板金相照片见图5、图6。

需要指出的是，以上例举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，而是根据需要有许多类似的变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种大线能量焊接用高强度EH36钢板的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1) 冶炼：将含有以下质量百分比组分C：0.06%～0.18%，Si：0.15%～0.50%，Mn：1.10%～1.60%，P≤0.012%，S≤0.003%，Ni：0.10%～0.40%，Nb：0.010%～0.030%，Al：≤0.010%，Ti：0.010%～0.030%，Ca：0.002%～0.010%的钢水先经电炉或转炉冶炼，送入LF精炼炉精炼，LF精炼时用Ti 脱氧，钢水温度达到1560℃±10℃转入RH炉真空脱气处理，真空脱气处理后加入Fe-Ca线400m～500m或纯Ca 线300m～400m，软吹3分钟使钢液成分均匀，然后吊包浇注；

所述精炼时不使用Al脱氧，在精炼前期，用弱脱氧元素脱氧，使钢水中自由氧含量降低到10ppm～100ppm，大吹氩使钢水中S达到规定值，同时消耗掉钢水中残存的大部分Al，使Al≤0.0075%，然后加入Ti，钢液中含有一定量的自由氧与Ti结合，在钢水中形成细小的Ti的氧化物，真空脱气处理的真空度不大于66.6Pa，真空保持时间不低于20分钟；

(2) 连铸：采用150mm、200mm、370mm、450mm板坯连铸机生产，浇铸温度为1535℃～1545℃；

(3) 加热：连铸坯加热温度最高1220℃～1240℃，均热温度1200℃～1220℃，保温3小时～5小时；

(4) 轧制：采用再结晶区+未再结晶区两阶段轧制工艺进行轧制，第一阶段轧制温度为930℃～1100℃，此阶段单道次压下量为10%～20%，累计压下率为40%～60%；第二阶段轧制温度为800～880℃，累计压下率为40%～60%，得到钢板粗品；

(5) 钢板轧后水冷：钢板轧后，快速水冷，设置为直接淬火模式，冷却速度10℃/秒～20℃/秒，水量自动控制，钢板入水温度750℃～800℃，钢板出水返红温度为550℃～650℃。

2.根据权利要求1所述的一种大线能量焊接用高强度EH36钢板的生产方法，其特征在于，步骤(4)的中间晾钢厚度为成品板厚的2倍～3倍，第一阶段轧制的开轧温度为1050℃～1100℃，终轧温度为930℃～950℃；第二阶段轧制的开轧温度为840℃～880℃，终轧温度为800℃～820℃。

3.根据权利要求1所述的一种大线能量焊接用高强度EH36钢板的生产方法，其特征在于，所述的钢板的允许最大焊接输入线能量为300kJ/cm。