CN112853225A - 一种高层建筑用690MPa级大线能量焊接用钢板及制备方法 - Google Patents

一种高层建筑用690MPa级大线能量焊接用钢板及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高层建筑用690MPa级大线能量焊接用钢板及制备方法，属于高层建筑用钢技术领域，解决了现有技术中无法同时满足钢板厚度规格、强度级别和焊接热输入线量，以至于无法满足高层建筑用钢需求的问题。本发明的高层建筑用690MPa级大线能量焊接用钢板，其特征在于，所述钢板化学成分以质量百分数为C：0.08～0.12％、Mn：1.0‑1.6％、Si：0.1‑0.15％、S≤0.005％、P≤0.005％、N：0.010‑0.015％、Ti：0.008‑0.010％、Als≥0.015％、Cu≥0.18％，Ni：1.0‑2.0％、Cr:0.4‑0.6％、Mo:0.4‑0.6％、V:0.03‑0.06％，其中Ti/N在0.67‑0.8。实现了同时满足钢板厚度规格、强度级别和焊接热输入线量的高层建筑用钢需求的问题。

Description

一种高层建筑用690MPa级大线能量焊接用钢板及制备方法
技术领域
本发明涉及高层建筑用钢技术领域，尤其涉及一种高层建筑用690MPa级大线能量焊接用钢板及制备方法。
背景技术
现代经济的高速发展，对高层、超高层、大跨度、轻钢轻板建筑提出了更高的要求。在大线能量焊接条件下，特别是在焊接热输入大于50kJ/cm情况下，随着焊接热输入的增加，焊接HAZ的高温停留时间变长，原始奥氏体晶粒严重长大，并且焊后的冷却速度较慢，相变后焊接热影响区容易形成粗大的侧板条铁素体、魏氏组织、上贝氏体、M-A组元等对韧性不利的组织，使焊接热影响区的韧性显著下降，从而形成局部脆化区，并可能产生裂纹等焊接缺陷，从而降低焊接构件的安全性，并且不能满足服役使用的要求。因此，如何保证大线能量焊接条件下热影响区低温韧性是其研制的难点。
针对高层建筑用高强度大线能量焊接用钢板研究工作较少。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造方法，采用低碳-高Mn-Nb+Ti微合金化设计，控制C/Mn：25-55、Ti/N：3.0-4.0、Ti/Nb：0.3-1.0之间、Ca处理且Ca/S在0.8-3.0之间，钢板屈服强度500-560MPa，抗拉强度：670-680MPa，厚度规格≤40mm，t8/5＝120s时焊接接头冲击功≥100J。由于其合金设计思路，该钢板厚度规格和强度级别较低，不是适应于高层建筑对550MPa级以上高强度钢板的需求。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造方法，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时在加入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含量并采用喂线方式进行喂线，这会造成冶炼周期延长，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。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种高层建筑用690MPa级大线能量焊接用钢板及制备方法，用以解决现有技术中无法同时满足钢板厚度规格、强度级别和焊接热输入线量，以至于无法满足高层建筑用钢需求的问题。
本发明提供一种高层建筑用690MPa级大线能量焊接用钢板，所述钢板化学成分以质量百分数计为C：0.08～0.12％、Mn：1.0-1.6％、Si：0.1-0.15％、S≤0.005％、P≤0.005％、N：0.010-0.015％、Ti：0.008-0.010％、Als≥0.015％、Cu≥0.18％，Ni：1.0-2.0％、Cr:0.4-0.6％、Mo:0.4-0.6％、V:0.03-0.06％，其中Ti/N在0.67-0.8。
进一步地，所述钢板化学成分以质量百分数计为C：0.10～0.12％、Mn：1.0-1.2％、Si：0.1-0.15％、S≤0.005％、P≤0.005％、N：0.010-0.015％、Ti：0.008-0.010％、Als：0.015％-0.018％、Cu：0.18％-0.25％，Ni：1.0-1.2％、Cr:0.4-0.6％、Mo:0.4-0.6％、V:0.03-0.06％，其中Ti/N在0.7-0.75。
进一步地，所述钢板最大厚度规格为60mm。
进一步地，所述钢板焊接热影响区的组织特征为马氏体+板条贝氏体+粒状贝氏体组织+M-A岛。
进一步地，所述板条贝氏体+马氏体组织体积百分含量≥80％，粒状贝氏体体积百分含量≤20％，所述钢板焊接热影响区M-A体积百分含量≤5％。
进一步地，所述钢板大角度晶界体积百分含量≥60％，所述大角度晶界为取向差角大于15°的晶粒。
另一方面，本发明提供一种高层建筑用690MPa级大线能量焊接用钢板的制备方法，用于制备上述高层建筑用690MPa级大线能量焊接用钢板，包括控轧控冷工艺：钢板采用高温段轧制和低温段轧制的两阶段轧制。
进一步地，所述高温段采用高温大压下，终轧温度≥950℃。
进一步地，所述低温段采用低温大压下轧制，开展温度不高于850℃，终轧温度≥800℃，随后进行水冷，控制钢板返红温度不低于650℃。
进一步地，包括调质工艺：对轧态钢板进行离线淬火和回火处理，淬火温度范围为840-880℃，回火温度范围550-650℃。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
(1)本发明通过合金成分设计合理，控制氮元素的含量，控制Ti/N在0.67-0.8之间，使其满足Ti/N的比值要求，获得了钢板焊接热影响区的组织特征为马氏体、板条贝氏体和粒状贝氏体组织以及M-A岛的高层建筑用690MPa级大线能量焊接用钢板，且钢板焊接热影响区的组织中板条贝氏体+马氏体组织体积百分含量≥80％，粒状贝氏体体积百分含量≤20％，M-A岛体积百分含量≤5％，钢板屈服强度大于690MPa，钢板的拉伸强度可达760-930MPa。
(2)本发明通过控轧控冷工艺，采用两阶段轧制，高温段采用高温大压下，终轧温度≥950℃，累积变形量不低于40％；低温段采用低温大压下轧制，开轧温度不高于850℃，终轧温度≥800℃，累积变形量不低于50％，随后进行水冷，控制钢板返红温度不低于650℃，同时采用调质工艺，对轧态钢板进行离线淬火(水淬)和回火处理，淬火温度范围为840-880℃，回火温度范围550-650℃，实现了高层建筑用60mm厚度的钢板在保证钢≥690MPa的屈服强度，和760-930MPa的拉伸强度的条件下，具有焊接线能量≥200kJ/cm，焊接接头0℃冲击功≥100J的突出性能指标。
(3)本发明提供的高层建筑用690MPa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。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点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说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为实施例钢的焊接热影响区微观组织形貌图。
具体实施方式
本发明提供了一种高层建筑用690MPa级高强度大线能量焊接用钢板的制备方法，通过控制钢板组分构成和冶炼轧制工艺，控制钢板的微观组织结构和断口特征，使钢板满足屈服强度≥690MPa、抗拉强度：760-930MPa、母材-40℃冲击功≥200J、焊接接头0℃冲击功≥100J等系列技术指标。
本发明提供了一种高层建筑用690MPa级高强度大线能量焊接用钢板的制备方法，具体包括：
(1)采用转炉按照本发明的成分配比进行冶炼；
(2)LF和RH精炼，精炼时间为15-25min，控制中间包过热度≤20℃，全程采用保护浇注；
(3)连铸得到连铸坯，将连铸坯加热到1150～1250℃，保温；
(4)控轧控冷工艺：钢板采用高温轧制和低温轧制两阶段轧制，
高温段轧制采用高温大压下，终轧温度≥950℃，累积变形量不低于40％；
低温段轧制采用低温大压下轧制，开轧温度不高于850℃，终轧温度≥800℃，累积变形量不低于50％，随后进行水冷，控制钢板返红温度不低于650℃；
(5)调质工艺：对轧态钢板进行离线淬水和回火处理，淬火温度范围为840-880℃，回火温度范围550-650℃。
需要说明的是，由于本发明元素组成具有特殊要求，尤其是是Ti/N要满足在0.67-0.8之间，为了防止连铸坯奥氏体晶粒明显长大，根据本发明成分特点，将连铸坯加热到1150～1250℃，此时既能保证合金元素的固溶又能保证奥氏体晶粒细化。
经过上述工艺流程获得钢板，厚度规格≤60mm，屈服强度≥690MPa、抗拉强度：760-930MPa、母材-40℃冲击功≥200J。
由于控制两阶段轧制工艺和调质工艺，获得钢板焊接热影响区的组织特征为马氏体+板条贝氏体+粒状贝氏体组织+M-A岛，其中板条贝氏体+马氏体组织体积百分含量≥80％，粒状贝氏体体积百分含量≤20％，M-A岛体积百分含量≤5％，大角度晶界体积百分含量≥60％。
经过上述工艺流程获得钢板，焊接线能量≥200kJ/cm，0℃冲击功≥100J，解理断裂单位尺寸≤20μm，断口纤维率≥80％。
本发明提供的高层建筑用690MPa级高强度大线能量焊接用钢板，其化学成分以质量百分数为C：0.08～0.12％、Mn：1.0-1.6％、Si：0.1-0.15％、S≤0.005％、P≤0.005％、N：0.010-0.015％、Ti：0.008-0.010％、Als≥0.015％、Cu≥0.18％，Ni：1.0-2.0％、Cr:0.4-0.6％、Mo:0.4-0.6％、V:0.03-0.06％，其中Ti/N在0.67-0.8之间。
优选的，钢板化学成分以质量百分数为C：0.10～0.12％、Mn：1.0-1.2％、Si：0.1-0.15％、S≤0.005％、P≤0.005％、N：0.010-0.015％、Ti：0.008-0.010％、Als：0.015％-0.018％、Cu：0.18％-0.25％，Ni：1.0-1.2％、Cr:0.4-0.6％、Mo:0.4-0.6％、V:0.03-0.06％，其中Ti/N在0.7-0.75。
上述各合金元素的作用，其中百分符号％代表着质量百分数：
(1)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0.05％，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0.08～0.12％。
(2)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1.6％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1.0-1.6％。
(3)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％。
(4)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。
(5)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，将在焊接热影响区中形成固溶氮，降低焊接热影响区的低温韧性，因此氮含量范围控制在0.0100-0.0150％。
(6)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0.008-0.010％。
(7)Als：Als是炼钢过程中的一种重要脱氧元素，Als含量小于0.02％时，难以将氧含量控制在0.004％以下，因此，Als含量应控制≥0.015％。
(8)Cu和Ni：Cu和Ni元素通常进行复合添加。利用Cu析出粒子能够提高大厚度钢板的截面强度均匀性，利用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Cu≥0.18％，Ni：1.0-2.0％。
(9)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％。
(10)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％。
(11)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0.06％，将显著增加材料的制造成本。因此V控制在0.03-0.06％。
需要说明的是，本发明应控制Ti/N在0.67-0.8之间，以促进TiN粒子细小弥散的析出；在焊接过程中TiN将有效钉扎奥氏体晶粒的粗化，显著提升焊接热影响区的低温韧性。若Ti/N＜0.67或者TiN＞0.8时，不利于提高TiN的溶解温度，导致焊接过程中奥氏体晶粒显著长大，不但影响钢材的微观组织类型也会对钢材的焊接性能和低温韧性产生影响。因此，需要控制在0.67-0.8之间。
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例一
本发明的一个具体实施例，公开了一种高层建筑用690MPa级高强度大线能量焊接用钢板的制备方法。
采用转炉按照本发明的成分配比进行冶炼、采用的工艺路线为转炉→LF→RH-连铸-控制轧制控制冷却。
冶炼过程中LF和RH的精炼处理时间为15min，控制中间包过热度20℃，全程采用保护浇注。
将连铸坯加热到1150℃；
控轧控冷工艺：钢板采用两阶段轧制，高温段采用高温大压下，终轧温度950℃，累积变形量45％；低温段采用低温大压下轧制，开轧温度850℃，终轧温度800℃，累积变形量52％，随后进行水冷，控制钢板返红温度650℃；
调质工艺：对轧态钢板进行离线淬水和回火处理，淬火温度范围为840℃，回火温度范围550℃。
实施例二
本发明的一个具体实施例，公开了一种高层建筑用690MPa级高强度大线能量焊接用钢板的制备方法。
采用转炉按照本发明的成分配比进行冶炼、采用的工艺路线为转炉→LF→RH-连铸-控制轧制控制冷却。
冶炼过程中LF和RH的精炼处理时间为25min，控制中间包过热度10℃，全程采用保护浇注。
将连铸坯加热到1250℃；
控轧控冷工艺：钢板采用两阶段轧制，高温段采用高温大压下，终轧温度1050℃，累积变形量40％；低温段采用低温大压下轧制，开轧温度800℃，终轧温度880℃，累积变形量50％，随后进行水冷，控制钢板返红温度710℃；
调质工艺：对轧态钢板进行离线淬水和回火处理，淬火温度范围为880℃，回火温度范围650℃。
本实施例钢的焊接热影响区微观组织形貌图，如图1所示。
实施例三
提供了一种高层建筑用690MPa级高强度大线能量焊接用钢板，采用120吨的转炉冶炼，制备成板厚为60mm的钢板，组成成分见表1。其采用实施例一提供的制备方法进行制备。
实施例四
提供了一种高层建筑用690MPa级高强度大线能量焊接用钢板，采用120吨的转炉冶炼，制备成板厚为60mm的钢板，组成成分见表1。其采用实施例二提供的制备方法进行制备。
对比例
对比例1和对比例2的组成成分见表1，采用120吨的转炉冶炼，制备成板厚为60mm的钢板，均采用实施例二提供的制备方法进行制备。
表1钢的化学成分(wt.％)
Figure BDA0002886158640000101
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钢板力学性能力学性能
Figure BDA0002886158640000102
Figure BDA0002886158640000111
可见，按照本发明制备的试验钢，钢板的屈服强度达到690MPa以上，低温韧性和对比例相比，其力学性能均显著高于对比例。
表3焊接接头热影响区组织特征
Figure BDA0002886158640000112
将上述钢板分别开展200kJ/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-40℃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100J。
表4焊接热影响区冲击功
Figure BDA0002886158640000113
Figure BDA0002886158640000121
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 (10)

1.一种高层建筑用690MPa级大线能量焊接用钢板，其特征在于，所述钢板化学成分以质量百分数计为C：0.08～0.12％、Mn：1.0-1.6％、Si：0.1-0.15％、S≤0.005％、P≤0.005％、N：0.010-0.015％、Ti：0.008-0.010％、Als≥0.015％、Cu≥0.18％，Ni：1.0-2.0％、Cr:0.4-0.6％、Mo:0.4-0.6％、V:0.03-0.06％，其中Ti/N在0.67-0.8。
2.根据权利要求1所述高层建筑用690MPa级大线能量焊接用钢板，其特征在于，所述钢板化学成分以质量百分数计为C：0.10～0.12％、Mn：1.0-1.2％、Si：0.1-0.15％、S≤0.005％、P≤0.005％、N：0.010-0.015％、Ti：0.008-0.010％、Als：0.015％-0.018％、Cu：0.18％-0.25％，Ni：1.0-1.2％、Cr:0.4-0.6％、Mo:0.4-0.6％、V:0.03-0.06％，其中Ti/N在0.7-0.75。
3.根据权利要求1所述高层建筑用690MPa级大线能量焊接用钢板，其特征在于，所述钢板最大厚度规格为60mm。
4.根据权利要求1所述高层建筑用690MPa级大线能量焊接用钢板，其特征在于，所述钢板焊接热影响区的组织特征为马氏体+板条贝氏体+粒状贝氏体组织+M-A岛。
5.根据权利要求4所述高层建筑用690MPa级大线能量焊接用钢板，其特征在于，所述板条贝氏体+马氏体组织体积百分含量≥80％，粒状贝氏体体积百分含量≤20％，M-A岛体积百分含量≤5％。
6.根据权利要求1所述高层建筑用690MPa级大线能量焊接用钢板，其特征在于，所述钢板大角度晶界体积百分含量≥60％，所述大角度晶界为取向差角大于15°的晶粒。
7.一种高层建筑用690MPa级大线能量焊接用钢板的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1至6所述高层建筑用690MPa级大线能量焊接用钢板，包括控轧控冷工艺：钢板采用高温段轧制和低温段轧制的两阶段轧制。
8.根据权利要求7所述高层建筑用690MPa级大线能量焊接用钢板的制备方法，其特征在于，所述高温段采用高温大压下，终轧温度≥950℃，累积变形量不低于40％。
9.根据权利要求7所述高层建筑用690MPa级大线能量焊接用钢板的制备方法，其特征在于，所述低温段采用低温大压下轧制，开轧温度不高于850℃，终轧温度≥800℃，累积变形量不低于50％，随后进行水冷，控制钢板返红温度不低于650℃。
10.根据权利要求7所述高层建筑用690MPa级大线能量焊接用钢板的制备方法，其特征在于，对轧制后钢板进行调质处理，所述调质处理工艺为：对轧态钢板进行离线淬火和回火处理，淬火温度范围为840-880℃，回火温度范围550-650℃。
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