CN112813354B

CN112813354B - 高层建筑用550MPa级高强度大线能量焊接用厚钢板及制备方法

Info

Publication number: CN112813354B
Application number: CN202011631185.8A
Authority: CN
Inventors: 师仲然; ***; 潘涛; 赵和明; 罗小兵; 杨海峰; 柴锋; 王树国; 杨才福; 曲之国
Original assignee: Minmetals Yingkou Medium Plate Co ltd; Central Iron and Steel Research Institute
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute; Rizhao Steel Yingkou Medium Plate Co Ltd
Priority date: 2020-12-31
Filing date: 2020-12-31
Publication date: 2022-03-29
Anticipated expiration: 2040-12-31
Also published as: CN112813354A

Abstract

本发明公开了一种高层建筑用550MPa级高强度大线能量焊接用厚钢板及制备方法，属于高层建筑用钢技术领域，用以解决现有的高层建筑用钢板经大线能量焊接后低温韧性较差的问题。所述厚钢板的成分以质量百分比计为：C:0.06％～0.10％、Mn:1.0％‑1.5％、Si:0.1％‑0.15％、S≤0.005％、P≤0.005％、Ti:0.005％‑0.015％、Als≥0.06％、Ni:0.8％‑1.2％、Cr:0.4％‑0.6％、Mo:0.4‑0.6％、V:0.03‑0.05％、B:0.001％‑0.0015％、N≤0.004％，其余为Fe及不可避免的杂质。本发明的厚钢板力学性能优良，且能够进行大线能量焊接，能够用于高层建筑用钢。

Description

高层建筑用550MPa级高强度大线能量焊接用厚钢板及制备方法

技术领域

本发明属于高层建筑用钢技术领域，尤其涉及高层建筑用550MPa级高强度大线能量焊接用厚钢板及制备方法。

背景技术

近年来，随着我国国民经济的高速发展，国内高层建筑日益增多，对高性能建筑用钢的需求也日益迫切。随着钢结构建筑朝着大型化方向发展，高层建筑用高强钢板厚度规格的增加，焊接效率成为制约其建造效率的关键因素，如果能大幅度提高多丝埋弧焊、气电焊或电渣焊等大线能量焊接技术的应用比例，将显著提高焊接效率，当焊接热输入提高至200kJ/cm，焊接制造工时能够缩短一半以上。

针对高层建筑用高强度大线能量焊接用厚钢板研究工作较少。如：专利CN10128972B公布了一种低屈强比可大线能量焊接高强高韧钢板及其制备方法，采用低碳-高Mn-Nb+Ti微合金化设计，钢板屈服强度500-560MPa，抗拉强度：670-680MPa，但是其厚度规格≤40mm，不满足高层建筑领域对厚规格钢板的需求。同样，专利CN109321817A公布了一种适用于超大线能量焊接的钢板及其制备方法，通过控制冶炼过程中的脱氧剂选择控制钢中氧位20-200ppm，然后添加Ti和V元素，进一步定氧为90ppm时加入REM，定氧为50ppm时再加入Mg，Ti、V、Mg和REM采用喂线方式加入，保证钢中夹杂物尺寸为0.5-5μm，Ti-Mg-REM-O复合夹杂物数量占45％，制备钢板的屈服强度为365MPa，厚度100mm。但是，采用该方法需要精确控制冶炼流程的氧势并采用喂线方式进行喂线，这会造成冶炼时间延长，夹杂物尺寸控制失误时将反而会对钢板的低温韧性造成不利的影响，并且，该钢板强度级别较低，并不适用于高层建筑对高强度厚规格钢板的需求。又如，专利CN110666311A公布了一种屈服强度≥420MPa，抗拉强度：550-740MPa，厚度规格为16-80mm，采用Nb-Ti微合金化设计并添加一定的V和Mo元素的大线能量焊接厚钢板，能够实现120kJ/cm大线能量焊接。然而，其强度等级和焊接热输入均较小，仍然达不到可大线能量焊接用高层建筑用高强度厚钢板的要求。

发明内容

鉴于以上分析，针对现有技术中的不足，本发明旨在提供一种高层建筑用550MPa级高强度大线能量焊接用厚钢板及制备方法，用以解决现有的高层建筑用钢板经大线能量焊接后低温韧性较差的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一方面，本发明提供了一种高层建筑用550MPa级高强度大线能量焊接用厚钢板，所述厚钢板的成分以质量百分比计为：C:0.06％～0.10％、Mn:1.0％-1.5％、Si:0.1％-0.15％、S≤0.005％、P≤0.005％、Ti:0.005％-0.015％、Als≥0.06％、Ni:0.8％-1.2％、Cr:0.4％-0.6％、Mo:0.4-0.6％、V:0.03-0.05％、B:0.001％-0.0015％、N≤0.004％，其余为Fe及不可避免的杂质。

进一步的，0.005＜B/Als≤0.025。

进一步的，所述厚钢板的成分以质量百分比计为：C:0.06％～0.08％、Mn:1.2％-1.5％、Si:0.1％-0.15％、S≤0.005％、P≤0.005％、Ti:0.008％-0.015％、Als:0.06％-0.07％、Ni:0.8％-1.2％、Cr:0.4％-0.6％、Mo:0.4-0.6％、V:0.03-0.05％、B:0.001％-0.0015％、N:0.003％-0.0035％，其余为Fe及不可避免的杂质。

进一步的，所述厚钢板的组织为板条马氏体和板条贝氏体，所述板条马氏体的体积占比50％以上。

进一步的，所述厚钢板在焊接线能量200-400kJ/cm处理后，焊接热影响区的组织为板条马氏体和贝氏体+粒状贝氏体+M-A岛。

进一步的，所述板条马氏体和贝氏体的体积含量≥75％，M-A岛含量≤4％。

进一步的，所述厚钢板的焊接影响区的0℃冲击功≥150J，焊接热影响区解理断裂单位尺寸≤30μm，断口纤维率≥80％。

另一方面，本发明提供了一种高层建筑用550MPa级高强度大线能量焊接用厚钢板的制备方法，所述制备方法包括：

步骤S1：冶炼钢水；

步骤S2：对钢水进行精炼、连铸，得到连铸坯；

步骤S3：将连铸坯采用两阶段轧制工艺轧制成钢板；

步骤S4：对轧制后的钢板进行调质处理。

进一步的，所述S3包括：

S31、将连铸坯加热至均匀化温度并保温；

S32、进行第一阶段轧制，第一阶段轧制的粗轧开轧温度为950～1050℃，第一阶段轧制的粗轧终轧温度不低于900℃；

S33、进行第二阶段轧制，第二阶段轧制的精轧开轧温度为不高于850℃，第二阶段轧制的精轧终轧温度≥820℃；

S34、随后进行水冷，控制钢板返红温度不低于650℃。

进一步的，所述步骤S4中，调质工艺步骤为：对轧制后的钢板进行离线淬火和回火处理，淬火温度范围为850-870℃，回火温度范围为620-660℃。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

1)本发明提供的高层建筑用550MPa级高强度大线能量焊接用厚钢板，在NiCrMoV成分设计基础之上，添加一定的B元素，并控制0.06≤Als＜0.1％，控制N含量≤0.004％，及0.005＜B/Als≤0.025，通过优化合金元素含量，保证厚钢板的淬透性，保证钢板的组织为板条马氏体和板条贝氏体，其中板条马氏体的体积占比50％以上；钢板的均匀性好，其中钢板厚度四分之一位置的板条马氏体组织体积占比60％以上，钢板厚度二分之一位置的板条马氏体组织占比50％以上；从而提高钢板的屈服强度、抗拉强度和低温冲击韧性；钢板的抗拉强度大于700MPa；钢板的屈服强度大于560MPa；钢板在-40℃时的V型缺口冲击功大于210J。

2)本发明提供的高层建筑用550MPa级高强度大线能量焊接用厚钢板在焊接线能量200-400kJ/cm处理后，焊接热影响区的组织为板条马氏体和贝氏体+粒状贝氏体+M-A岛；其中，板条马氏体和贝氏体的体积含量≥75％，M-A岛含量≤4％，保证了焊接影响区0℃冲击功≥150J，且焊接热影响区解理断裂单位尺寸≤30μm，断口纤维率≥80％。明显改善了焊接热影响区的组织和低温韧性，保证了可大线能量焊接性。

3)本发明提供的高层建筑用550MPa级高强度大线能量焊接用厚钢板的制备方法，通过优化合金元素含量，可以提高钢板的淬透性，同时通过采取两阶段轧制+调质工艺处理，大幅度提高了钢板的屈服强度、抗拉强度和低温冲击韧性；钢板均匀性好，满足厚规格可大线能量焊接钢板的需求，解决了目前高层建筑用钢板经大线能量焊接后低温韧性较差的问题。

4)本发明中钢板的制备方法简单、综合力学性能优良，可广泛的应用于高层建筑用钢等领域。本发明生产的可大线能量焊接用厚钢板能够同时满足50～60mm规格钢板的性能指标要求，同时还能适应200～400kJ/cm可大线能量焊接要求，显著提高焊接效率，当焊接热输入提高至200kJ/cm，焊接制造工时能够缩短一半以上。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书所特别指出的内容来实现和获得。

附图说明

图1为本发明实施例1钢的焊接热影响区微观组织形貌。

具体实施方式

以下结合具体实施例和对比例对高层建筑用550MPa级高强度大线能量焊接用厚钢板及制备方法作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。

本发明厚钢板的成分设计，基于以下原理：

C：碳是保证钢板强度的元素，并且将显著的影响材料的焊接性。C含量低于0.06％，调质态钢板的强度不足，特别是厚规格钢板；当C含量过高时，将明显降低母材及焊接接头低温韧性。因此，C含量控制在0.06％～0.10％。

Mn：固溶Mn能够提高钢的强度，Mn含量应控制在1.0％以上以保证钢的强度。Mn含量超过1.5％时，一方面将产生中心偏析，使钢板冷却过程中产生淬硬组织，降低母材低温韧性。因此，Mn含量控制在1.0％-1.5％。

Si：当硅含量低于0.1％时，钢水易氧化，Si也是影响固溶强化和焊接性的元素，Si含量应控制在小于0.15％。因此，Si含量控制在0.1％-0.15％。

S和P：S和P是钢中杂质元素，严重损害母材和焊接热影响区的韧性。因此，硫、磷含量应当分别控制在0.005％以下和0.005％以下。

N：N能够与Ti形成TiN粒子，抑制板坯再加热过程中奥氏体晶粒及焊接热影响区奥氏体晶粒长大；如果钢中的N含量过高，一方面将降低B元素的作用，另一方面将降低材料的低温韧性。因此N含量应不高于0.004％。

Ti：与N结合形成TiN，抑制板坯在加热和焊接热影响区奥氏体晶粒长大。Ti含量低于0.005％，不容易发挥上述作用；过量的Ti致使TiN析出时间降低、温度升高，对奥氏体晶粒的钉扎作用降低。因此，Ti的含量控制在0.008％-0.015％。

Als：Als是炼钢过程中的一种重要脱氧元素，Als含量小于0.06％时，难以将自由氮固定，不利于发挥B元素提高淬透性的作用；同时当Als＞0.1％时，容易造成连铸过程中堵水口，造成生产事故。因此，Als含量应控制0.1％≥Als≥0.06％。

Ni：Ni元素提高钢板心部和焊接接头热影响区低温韧性，因此控制其添加量Ni：0.8％-1.2％。

Cr：Cr能够提高材料的淬透性，能够以碳化物形式提高材料的强度，如果Cr含量低于0.4％时难以发挥其作用，但是Cr含量超过0.6％，将降低母材及焊接热影响区低温韧性，同时增加了材料的制造成本，因此Cr控制在0.4％-0.6％。

Mo：Mo能够提高材料的淬透性，促进低温组织转变，提高材料的强度，同时Mo在未再结晶轧制条件下，促进针状铁素体组织形成；如果Mo含量低于0.4％，Mo的作用较低；如果Mo含量超过0.6％时，不仅增加制造成本，同时损害钢板的焊接性，特别是大线能量焊接下低温韧性。因此Mo控制在0.4％-0.6％。

V：V能够通过固溶和VN析出提高材料的强度，当V含量低于0.03％时，难以起到强化作用；当V含量大于0.05％，将显著增加材料的制造成本。因此V控制在0.03％-0.05％。

B：B能减少焊接热影响区中固溶氮含量，同时能够偏聚在奥氏体晶界抑制铁素体的相变从而获得板条马氏体或者板条贝氏体组织，从而提高焊接热影响区的低温韧性；另一方面，B元素的添加能够提高材料的淬透性，促进厚规格钢板心部获得马氏体组织。当B含量低于0.0005％时，不能发挥其提高淬透性及焊接热影响区低温韧性的作用；当B含量大于0.0015％时，B将在母材及焊接热影响区奥氏体晶界析出，形成网状碳化物，降低材料的低温韧性。因此，B含量应控制在0.0005％-0.0015％。此外，为了保证焊接及母材的淬透性，要求氮含量≤0.004％，且0.005＜B/Als≤0.025。

本发明提供了一种高层建筑用550MPa级高强度大线能量焊接用厚钢板，厚钢板的成分以质量百分比计为：C:0.06％～0.10％、Mn:1.0％-1.5％、Si:0.1％-0.15％、S≤0.005％、P≤0.005％、Ti:0.005％-0.015％、Als≥0.06％、Ni:0.8％-1.2％、Cr:0.4％-0.6％、Mo:0.4-0.6％、V:0.03-0.05％、B:0.001％-0.0015％、N≤0.004％，其余为Fe及不可避免的杂质。

为了进一步提高上述高层建筑用550MPa级高强度大线能量焊接用厚钢板的综合性能，可以对上述厚钢板的组成成分做进一步调整。示例性地，0.005＜B/Als≤0.025。

为了进一步提高上述高层建筑用550MPa级高强度大线能量焊接用厚钢板的综合性能，可以对上述厚钢板的组成成分做进一步调整。示例性地，其组成按质量百分比为：C:0.06％～0.08％、Mn:1.2％-1.5％、Si:0.1％-0.15％、S≤0.005％、P≤0.005％、Ti:0.008％-0.015％、Als:0.06％-0.07％、Ni:0.8％-1.2％、Cr:0.4％-0.6％、Mo:0.4-0.6％、V:0.03-0.05％、B:0.001％-0.0015％、N:0.003％-0.0035％，其余为Fe及不可避免的杂质。

另一方面，本发明还提供了一种高层建筑用550MPa级高强度大线能量焊接用厚钢板的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1：冶炼钢水；

步骤S2：对钢水进行精炼、连铸，得到连铸坯；

步骤S3：将连铸坯采用两阶段轧制工艺轧制成钢板；

步骤S4：对轧制后的钢板进行调质处理。

具体的，步骤S1中，采用转炉或电炉冶炼钢水。

具体的，步骤S2中，采用LF和RH精炼，LF和RH精炼的精炼处理时间为20min，控制中间包过热度≤25℃，全程采用保护浇注。

具体的，步骤S3包括如下步骤：

S31、将连铸坯加热至均匀化温度T1，并保温；

S32、进行第一阶段轧制，第一阶段轧制的粗轧开轧温度为T2(950～1050℃)，第一阶段轧制的粗轧终轧温度不低于900℃；

S33、进行第二阶段轧制，第二阶段轧制的精轧开轧温度为T3(不高于850℃)，第二阶段轧制的精轧终轧温度≥820℃；

S34、随后进行水冷，控制钢板返红温度不低于650℃。

上述S31中，为了防止连铸坯奥氏体晶粒明显长大，控制连铸坯加热温度T1不高于1200℃，此时既保证合金元素的固溶又能保证奥氏体晶粒不发生异常长大。示例性的，T1控制为1150℃～1200℃。

具体的，上述S33中，第二阶段轧制后的钢板的厚度为50～60mm。

具体的，步骤S4中，调质工艺步骤为：对轧制后的钢板进行离线淬火(水淬)和回火处理，淬火温度范围为850-870℃，回火温度范围620-660℃。

本发明中的钢板经过两阶段轧制+调质工艺能够获得钢板厚度方向不存在明显差异的组织，经过两阶段轧制+调质工艺处理后的钢板的组织为板条马氏体和板条贝氏体，其中板条马氏体的体积占比50％以上；钢板的均匀性好，其中钢板厚度四分之一位置的板条马氏体组织体积占比60％以上，钢板厚度二分之一位置的板条马氏体组织占比50％以上。

本发明中的钢板的抗拉强度大于700MPa，例如720-750MPa；钢板的屈服强度大于560MPa，例如563-579MPa；钢板在-40℃时的V型缺口冲击功大于210J，例如215-235J。

具体的，本发明中的厚钢板在焊接线能量200-400kJ/cm处理后，焊接热影响区的组织为板条马氏体和贝氏体+粒状贝氏体+M-A岛。其中，板条马氏体和贝氏体的体积含量≥75％(例如，80％-83％)，M-A岛含量≤4％(例如，3.2％-3.8％)，焊接影响区0℃冲击功≥150J，且焊接热影响区解理断裂单位尺寸≤30μm，断口纤维率≥80％。

本发明实施例1-2与对比例1-2的钢板的化学成分见下表1。实施例1-2与对比例1-2均采用120吨的转炉冶炼，生产工艺流程为转炉→LF→RH-连铸-控制轧制控制冷却。在连铸阶段，其中实施例1、实施例2的加热温度T1分别为1150℃、1200℃，而对比例再加热温度T1分别为1250℃、1220℃，不满足本发明要求。钢板采用两阶段轧制，一阶段实施例1和实施例2的终轧温度分别为910、905℃，对比例终轧温度900℃；二阶段低温大压下轧制，实施例1和实施例2开轧温度分别为840、850℃，终轧温度为830℃；对比例二阶段开轧温度分别为850、860℃，终轧温度850℃。对轧态钢板进行离线淬水和回火处理，淬火温度范围为850-870℃，回火温度范围620-660℃。

表1钢的化学成分％

对实施例钢板和对比例钢板进行取样，按照GB/T 13239-2006标准，采用MTSNEW810拉伸试验机，以3mm/min恒定的夹头移动速率进行拉伸，测试纵向拉伸性能，取样位置为钢板厚度1/2处，试验结果取两个试样的平均值。按照GB/T 229-2007标准，采用NCS系列500J仪器化摆锤式冲击试验机，测试-40℃时V型缺口冲击功，取样位置为厚度1/2处，试样结果为3个试样的平均值。钢板力学性能见表2。

表2钢板力学性能

由表2可见，本发明的试验钢，钢板的屈服强度达到560MPa以上，低温韧性显著高于对比例。

将上述钢板分别开展200kJ/cm、400kJ/cm埋弧焊焊接试验。焊接接头热影响区组织如下表3所示，可知本发明钢板的焊接接头热影响区组织为板条马氏体和贝氏体+粒状贝氏体+M-A岛。其中，板条马氏体和贝氏体的体积含量≥75％(例如，80％-83％)，M-A岛含量≤4％(例如，3.2％-3.8％)；与对比例的粒状贝氏体为主的组织不同。图1所示为实施例1的钢板的焊接热影响区微观组织形貌。

表3焊接接头热影响区组织

将上述钢板分别开展200kJ/cm、400kJ/cm埋弧焊焊接试验。然后根据GB/T229-1994标准，采用NCS系列500J仪器化摆锤式冲击试验机，测试了焊接接头0℃时V型缺口冲击功，其结果如表4所示。从表4中可以看出，实施例钢板的焊接热影响区的0℃冲击功均高160J，远高于对比例的34-43J。

表4焊接热影响区0℃冲击功

综上所述，可见，本申请实施例的钢板的屈服强度、抗拉强度和低温冲击韧性均较好，且表面和心部的组织差异较小，均匀性好。本发明的钢板的焊接接头热影响区组织为板条马氏体和贝氏体+粒状贝氏体+M-A岛。其中，板条马氏体和贝氏体的体积含量≥75％(例如，80％-83％)，M-A岛含量≤4％(例如，3.2％-3.8％)，明显改善了焊接热影响区的组织和低温韧性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高层建筑用550MPa级高强度大线能量焊接用厚钢板，其特征在于，所述厚钢板的成分以质量百分比计为：C:0.06%-0.08%、Mn:1.2%-1.5%、Si:0.1%-0.15%、S≤0.005%、P≤0.005%、Ti:0.008%-0.015%、Als:0.06%-0.07%、Ni:0.8%-1.2%、Cr:0.4%-0.6%、Mo:0.4-0.6%、V:0.03-0.05%、B:0.001%-0.0015%、N:0.003%-0.0035%，其余为Fe及不可避免的杂质；所述0.005＜B/Als≤0.025；所述厚钢板的组织为板条马氏体和板条贝氏体，所述板条马氏体的体积占比50%以上；

所述厚钢板的制备方法包括：

步骤S1：冶炼钢水；

步骤S2：对钢水进行精炼、连铸，得到连铸坯；

步骤S3：将连铸坯采用两阶段轧制工艺轧制成钢板；

所述步骤S3包括：

S31、将连铸坯加热至均匀化温度并保温；

S32、进行第一阶段轧制，第一阶段轧制的粗轧开轧温度为950-1050℃，第一阶段轧制的粗轧终轧温度不低于900℃；

S34、随后进行水冷，控制钢板返红温度不低于650℃；

步骤S4：对轧制后的钢板进行调质处理；

所述步骤S4中，调质工艺步骤为：对轧制后的钢板进行离线淬火和回火处理，淬火温度范围为850-870℃，回火温度范围为620-660℃。

2.根据权利要求1所述的高层建筑用550MPa级高强度大线能量焊接用厚钢板，其特征在于，所述厚钢板在焊接线能量200-400kJ/cm处理后，焊接热影响区的组织为板条马氏体和贝氏体+粒状贝氏体+M-A岛。

3.根据权利要求2所述的高层建筑用550MPa级高强度大线能量焊接用厚钢板，其特征在于，所述板条马氏体和贝氏体的体积含量≥75%，M-A岛含量≤4%。

4.根据权利要求3所述的高层建筑用550MPa级高强度大线能量焊接用厚钢板，其特征在于，所述厚钢板的焊接影响区的0℃冲击功≥150J，焊接热影响区解理断裂单位尺寸≤30μm，断口纤维率≥80%。

5.一种高层建筑用550MPa级高强度大线能量焊接用厚钢板的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1至4任一项所述的钢板，所述制备方法包括：

步骤S1：采用转炉或电炉冶炼钢水；

步骤S2：对钢水进行LF和RH精炼，LF和RH精炼的精炼处理时间为20min，控制中间包过热度≤25℃，连铸中全程采用保护浇注；

步骤S3：将连铸坯采用两阶段轧制工艺轧制成钢板；

所述步骤S3包括：

S31、将连铸坯加热至均匀化温度并保温；

S34、随后进行水冷，控制钢板返红温度不低于650℃；

步骤S4：对轧制后的钢板进行调质处理；

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述S3包括：

S31、将连铸坯加热至1150℃-1200℃并保温；

S32、进行第一阶段轧制，第一阶段轧制的粗轧开轧温度为950~1050℃，第一阶段轧制的粗轧终轧温度为910℃；

S33、进行第二阶段轧制，第二阶段轧制的精轧开轧温度为840℃，第二阶段轧制的精轧终轧温度为830℃；

S34、随后进行水冷，控制钢板返红温度不低于650℃。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，对轧制后的钢板进行离线淬火为水淬。