CN114507818A - 一种厚规格正火海洋工程结构钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种厚规格正火海洋工程结构钢，其化学成分为，C：0.14‑0.18%；Mn：1.40‑1.60%；Nb：0.020‑0.050%；V：0.020‑0.050%；不添加Ni、Cr、Mo、Cu等元素；碳当量Ceq：0.41‑0.45%，完全奥氏体化温度AC3范围为840‑852℃。通过控轧及正火后，具有较高的强度、韧性，钢板内部质量优良。其中，正火态力学性能：365MPa≤屈服强度Rt0.5≤410MPa、520MPa≤抗拉强度Rm≤560MPa、160J≤‑40℃纵向冲击功Akv2≤300J。探伤结果满足“NB/T 47013.3标准TI级”要求。热处理后正常微观组织为铁素体+珠光体。

Description

一种厚规格正火海洋工程结构钢及其制造方法
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，特别涉及一种采用“控轧+UFC水冷”及正火热处理工艺，同时经过正火（≥Ac3完全奥氏体化温度）热处理，可制造厚度规格60-100mm、正火热处理后屈服强度≥355MPa、抗拉强度≥490MPa且-20、-40℃冲击功≥200J的高韧性海洋工程结构钢。
背景技术
随着我国海上风电经过发展，从可开发的资源量上以及技术政策层面目前已基本具备大规模开发条件。我国拥有丰富的海上风电资源，中国气象局风能资源调查数据显示，我国拥有超过1.8万km的大陆海岸线，可利用海域面积超过300万km2，5~50m水深、70m高度的海上风电可开发资源量约为5亿kW；考虑到70m以上的技术开发能力，实际可开发资源量更多。海上风速高，风机单机容量大，年运行小时数最高可达4000h以上，海上风电效率较陆上风电年发电量多出20%~40%，具有更高的能源效益；海上风电场远离陆地，不受城市规划影响，也不必担心噪音、电磁波等对居民的影响。
海上风电钢具有大厚度、大单重、高表面质量、高探伤要求的特点。对制造厂商的工装设备、质量管理、技术开发等都有较高的需求。尤其是正火大厚度海洋风电钢种特性影响，其屈服无降档，性能高于Q370R、Q390ND等，与Q420ND为同级别正火钢；能标一级探伤，需要非常严苛的炼钢技术、装备、铸坯质量及管理水平等；正火交货，工艺流程长，表面缺陷控制难度大，精细化管控要求高；综合性能、探伤要求及表面质量等技术要求严格。
专利“一种低碳当量特厚规格海上风电钢DH36钢板及其生产方法”（申请号 CN112176248 A），采用“C：0.14-15%，Si：0.43-0.46%，Mn：1.35-1.45%，P：≤0.020%，S：≤0.003%，Alt：0.030-0.040%，Ceq：0.38-0.40%”成分设计。该专利通过TMCP工艺生产钢板厚度为50-100mm，屈服强度≥355Mpa，抗拉强度≥520Mpa，延伸率≥25％，-20℃横向冲击功单值≥150J。在成分设计方面，该专利要求超低S控制，未加入Nb。成本显著增加，对炼钢控制增加难度，也增加了冶炼难度。另外，其冲击温度仅到-20℃，低温韧性指标略低，不能并保证EH36钢的-40℃冲击性能。
专利“一种厚规格海工钢及生产方法”（申请号 CN 107779764 A），采用“C：≤18%，Si：0.10%-0.45%，Mn：1.30%-1.65%，P：≤0.014%，S：≤0.003%，Cu：0.02%-0.20%，Nb：0.010%-0.060%，Ni：0.01%-0.15%，Ti：0.001%-0.015%，V：0.03%-0.08%，Als：≤0.045%，Cr：≤0.02%，Mo：≤0.1%”成分设计。该专利通过正火工艺生产钢板厚度为60-100mm低碳当量厚规格海工钢，典型性能数据：屈服强度370-410Mpa，抗拉强度520-550Mpa，-20℃纵向冲击功均值200-260J。在成分设计方面，该专利加入较多未加入Cu：0.02-0.20%，Ni：0.01-0.15%，合金成本显著增加，且易产生坯料表面的裂纹缺陷。贵重合金Cu、Ni的加入使得Ceq上涨约0.02%，总体达到0.45-0.47%，超出低碳当量的范围，使用过程不利于钢板的焊接及成型。
发明内容
本发明的目的在于提供一种厚规格正火海洋工程结构钢及其制造方法，在简单的成分设计基础上，采用合理的控轧、控冷工艺，优化的正火热处理工艺制度，开发一种厚规格正火海洋工程结构钢，解决现有热处理正火风电钢成分设计复杂，屈服强度合格率低，工艺要求严格，生产成本高，韧性指标不足等问题。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种厚规格正火海洋工程结构钢，其特征在于：包括如下质量百分比的各组分：C：0.14-0.18%；Si：0.20-0.40%；Mn：1.40-1.60%；P：≤0.020%；S：≤0.005%；Als：0.015-0.050%；Nb：0.020-0.050%；Ti：0.006-0.020%；V：0.020-0.050%；N：0.0035-0.0080%；O：≤0.0050%；H：≤0.0003%；其余为Fe及不可避免杂质，碳当量Ceq范围0.41-0.45%。
本发明还公开了一种厚规格正火海洋工程结构钢的制造方法，包括钢水冶炼过程，板坯浇铸过程，轧制过程，正火热处理过程；其特征在于：
在钢水冶炼过程中，铁水通过脱硫扒渣，进入转炉冶炼，并经过“LF炉+RH炉”精炼和真空处理；在冶炼过程，控制P、S、N、H及O的含量，其中C：0.14%-0.18%，P≤0.020%，S≤0.005%，N：≤0.0045-0.0080%，H≤0.0003%，O：≤0.0050%；真空处理时间为12min-15min；
板坯浇铸过程中，使用330-475mm规格连铸坯，浇铸过程中保持恒拉速，拉速范围0.60m-0.80m/min，保证板坯中心偏析C类≤1.0级；在板坯加热：采用步进梁式加热炉将板坯分段加热至设定均热温度1180-1220℃：其中，第一加热段温度950-1050℃，第二加热段温度1050-1150℃，第三加热段温度1190-1250℃，第四加热段均热段温度为1200-1230℃，板坯在炉时间360-500min；
轧制过程中，采用两阶段控轧及控冷工艺，保证第一阶段轧制开始温度≥1100℃，总压下率在50-70%，并至少保证第一阶段轧制最后2-3道次单道次压下量在30mm以上，待温厚度为1.8-2.0倍成品钢板厚度；第二阶段轧制开轧温度850-800℃，终轧温度850-800℃，总压下率50-80%；在水冷过程中，利用“DQ+ACC”冷却***，开始冷却温度≥800℃，返红温度600-660℃，冷速10-20℃/s；冷却结束后，下线堆垛缓冷，堆垛缓冷温度450-500℃，堆垛时间60-96h；
正火热处理采用略高于完全奥氏体化温度Ac3进行低温正火处理，正火温度880-900℃，正火过程总在炉时间=升温加热时间+保温时间，其中升温加热时间为2.0-2.5min/mm，保温时间≥10min；
进一步的：所述厚规格正火海洋工程结构钢的正火态力学性能：365MPa≤屈服强度Rt0.5≤410MPa、520MPa≤抗拉强度Rm≤560MPa、25%≤断后伸长率A50≤36%、160J≤-40℃纵向冲击功Akv2≤300J。
进一步的：所述厚规格正火海洋工程结构钢的探伤结果满足“NB/T 47013.3标准TI级”要求；正火热处理后正常微观组织为铁素体+珠光体。
本发明的优点在于：通过合适经济的成分体系设计，采用合适的C、少量的微合金元素Nb、Ti，不添加任何贵重合金Ni、Cr、Mo、Cu前提下，通过控轧控冷工艺及优化的正火工艺，可稳定生产在高强度高韧性正火还是风电钢板。内部质量优良，探伤级别可达到NB/47013标准TI级。合金成本低，工序简单，具备批量工业生产和应用条件，在海洋工程结构钢领域具有较好的应用前景。
附图说明
图1为实施例钢板正火后微观组织1。
图2为实施例钢板正火后微观组织2。
具体实施方式
本发明公开了一种厚规格正火海洋工程结构钢，其化学成分为（重量百分比），C：0.14-0.18%；Si：0.20-0.40%；Mn：1.40-1.60%；Nb：0.020-0.050%；Ti：0.006-0.020%；Als：0.015-0.050%；N：0.0035-0.0090%；P：≤0.020%；S：≤0.005%；O：≤0.0050%；H：≤0.0003%；不刻意添加Ni、Cr、Mo、Cu等元素；其余为Fe及不可避免杂质，碳当量Ceq（%）范围0.41-0.45%。完全奥氏体化温度Ac3(℃)=910-203*C+44.7*Si-30.0*Mn-700*P-400*Al+104*V-400*Ti-15.2*Ni+11.0*Cr+31.5*Mo+20.0*Cu-120*As，其范围为840-852℃。
一种厚规格正火海洋工程结构钢，其基本制造工艺包括：铁水脱硫扒渣、转炉冶炼、LF炉精炼、RH真空处理、板坯浇铸、浇铸加热、钢板轧制、DQ/ACC冷却、正火热处理、力学性能检验。
一种厚规格正火海洋工程结构钢，具体步骤及参数如下：
（1）钢水冶炼过程，铁水通过脱硫扒渣，进入转炉冶炼，并经过“LF炉+RH炉”精炼和真空处理。在冶炼过程中，严格控制C、P、S、N及H的含量，相应的重量百分比范围分别为—C：0.14%-0.18%，P≤0.020%，S≤0.005%，N≤0.0060%；H≤0.00015%；真空处理时间为12min-15min。
（2）板坯浇铸：使用330-475mm规格连铸坯，浇铸过程中保持恒拉速，拉速范围0.60m-0.80m/min，保证板坯中心偏析C类≤1.0，以生产内部质量良好的连铸坯。
（3）板坯加热：采用步进梁式加热炉将板坯分段加热至设定均热温度1180-1220℃。其中，第一加热段温度950-1050℃，第二加热段温度1050-1150℃，第三加热段温度1190℃-1250℃，第四加热段均热段温度为1200-1230℃，板坯在炉时间360-500min，以保证钢坯充分奥氏体化。
（4）钢板轧制：在轧制过程中，采用两阶段控轧及控冷工艺，保证第一阶段轧制开始温度≥1100℃，总压下率在50-70%，并至少保证第一阶段轧制最后2-3道次单道次压下量在30mm以上；待温厚度为1.8-2.0倍成品钢板厚度。第二阶段轧制开轧温度850-800℃，终轧温度850-800℃，总压下率50-80%。
（5）DQ+ACC水冷：利用“DQ+ACC”冷却***，精准控制冷却过程，实现低终冷、大冷速，满足新一代TMCP工艺要求；开始冷却温度≥800℃，返红温度600-660℃，冷速10-20℃/s。冷却结束后，快速下线堆垛缓冷，堆垛缓冷温度450-500℃，堆垛时间60-96h。冷却效果见附图1。通过“DQ+ACC”冷却方式，钢板表面颜色均匀，冷却效果良好，无冷却不均匀现象。
（6）正火热处理：为保证正火后强度及韧性，采用略高于完全奥氏体化温度Ac3进行低温正火处理，正火温度860-870℃，正火过程总在炉时间=升温加热时间（2.0-2.5min/mm）+保温时间≥10min；
（7）力学性能检验，在正火态钢板上取样并制样，按照GB/T 228、GB/T 229、GB/T232及检验拉伸、冲击及冷弯等性能。
通过以上工艺流程所生产的一种厚规格正火海洋工程结构钢，热处理力学性能稳定，具有较高的强度及韧性，同时钢板内部质量优良。其中，正火态力学性能：365MPa≤屈服强度Rt0.5≤410MPa、520MPa≤抗拉强度Rm≤560MPa、25%≤断后伸长率A50≤36%、160J≤-40℃纵向冲击功Akv2≤300J。探伤结果满足“NB/T 47013.3标准TI级”要求。正火后正常微观组织为铁素体+珠光体（见附图1及2）。
从图中可以看金相组织为铁素体/珠光体组织，组织均匀且细化程度高，晶粒度达到9.0级以上。
下面通过具体实施例对本发明进行具体说明。
根据本发明“一种厚规格正火海洋工程结构钢及其制造方法”的化学成分要求，完成钢水冶炼、板坯浇铸及钢板轧制。板坯规格（厚*宽*长）328mm*2030mm*4670mm，轧制钢板尺寸（厚*宽*长）：70.4mm*3360mm*13350mm。
钢水冶炼过程中，RH真空保压时间为14min。浇铸过程中恒拉速，拉速0.75m/min，中心偏析C类0.5。
本实施例中实际化学成分见表1，成分满足设计要求，碳当量为0.42-0.44，Ac3为853℃。
表1化学成分（wt，%）
元素 C Si Mn P S Als N Nb Ti V Ceq
实施例1 0.16 0.30 1.52 0.018 0.003 0.029 0.0036 0.031 0.011 0.037 0.43
实施例2 0.16 0.37 1.55 0.017 0.002 0.029 0.0044 0.032 0.014 0.036 0.44
实施例3 0.17 0.26 1.54 0.016 0.003 0.031 0.0048 0.035 0.014 0.037 0.44
实施例4 0.15 0.24 1.54 0.017 0.004 0.028 0.0038 0.032 0.014 0.036 0.42
实施例5 0.16 0.25 1.57 0.015 0.002 0.031 0.0043 0.033 0.013 0.036 0.44
对比例1 0.17 0.24 1.49 0.019 0.002 0.027 0.0031 0.013 0.032 0.038 0.44
对比例2 0.17 0.21 1.50 0.017 0.003 0.026 0.0038 0.011 0.032 0.037 0.44
对比例3 0.16 0.23 1.52 0.017 0.002 0.031 0.0033 0.013 0.033 0.038 0.43
轧制过程参数：板坯均热温度1214℃。其中，第一加热段温度950-1050℃，第二加热段温度1050-1150℃，第三加热段温度1190℃-1250℃，第四加热段均热1200-1230℃，板坯在炉时间≥380min。第一阶段轧制开始温度1196-1212℃，待温厚度为141-159mm。第二阶段轧制开轧温度818-833℃，终轧温度825-835℃。钢板水冷后的返红温度636-658℃。本实施例轧制过程中重点的轧钢工艺参数如下表2。
表2轧钢工艺参数
Figure 601330DEST_PATH_IMAGE002
在冷却过程中，开始冷却温度≥820℃，返红温度630±30℃，冷速11±2℃/s；堆垛缓冷温度474℃，堆垛时间74h。
正火过程中，正火温度885℃，正火过程总在炉时间154min，其中升温加热时间142min，保温时间12min。
本实施例钢板，综合力学性能见表3。正火态强度、韧性、冷弯及硬度指标良好，完全满足标准要求。
表3力学性能
Figure 315208DEST_PATH_IMAGE004
钢板正火后屈服强度及抗拉强度稳定，比标准稳定高出15MPa以上，冲击功稳定，均达到200J以上。
本实施例钢板探伤结果如表4所示。
表4探伤结果
探头类型 耦合剂 探伤标准及级别 厚度 检测频率 探头频率 探伤结果
单晶直探头 水 NB/47013、TI 90 1-6MHz 5MHz 合格
钢板探伤结果良好，厚度90mm规格达到能标TI级水平。
综上，通过本方案所述方法所生产的厚规格正火海洋工程结构钢，热处理力学性能稳定，具有较高的强度及韧性，同时钢板内部质量优良。其中，正火态力学性能：365MPa≤屈服强度Rt0.5≤410MPa、520MPa≤抗拉强度Rm≤560MPa、25%≤断后伸长率A50≤36%、160J≤-40℃纵向冲击功Akv2≤300J。探伤结果满足“NB/T 47013.3标准TI级”要求。正火后正常微观组织为铁素体+珠光体。微观电镜金相组织为铁素体/珠光体组织，组织均匀且细化程度高，晶粒度达到9.0级以上。
以上实例仅是对本发明最佳实施方式的描述，不对本发明的范围有任何限制。

Claims (4)

1.一种厚规格正火海洋工程结构钢，其特征在于：包括如下质量百分比的各组分：C：0.14-0.18%；Si：0.20-0.40%；Mn：1.40-1.60%；P：≤0.020%；S：≤0.005%；Als：0.015-0.050%；Nb：0.020-0.050%；Ti：0.006-0.020%；V：0.020-0.050%；N：0.0035-0.0080%；O：≤0.0050%；H：≤0.0003%；其余为Fe及不可避免杂质，碳当量Ceq范围0.41-0.45。
2.一种厚规格正火海洋工程结构钢的制造方法，包括钢水冶炼过程，板坯浇铸过程，轧制过程，正火热处理过程；其特征在于：
在钢水冶炼过程中，铁水通过脱硫扒渣，进入转炉冶炼，并经过“LF炉+RH炉”精炼和真空处理；在冶炼过程，控制P、S、N、H及O的含量，其中C：0.14%-0.18%，P≤0.020%，S≤0.005%，N：≤0.0045-0.0080%，H≤0.0003%，O：≤0.0050%；真空处理时间为12min-15min；
板坯浇铸过程中，使用330-475mm规格连铸坯，浇铸过程中保持恒拉速，拉速范围0.60m-0.80m/min，保证板坯中心偏析C类≤1.0级；在板坯加热：采用步进梁式加热炉将板坯分段加热至设定均热温度1180-1220℃：其中，第一加热段温度950-1050℃，第二加热段温度1050-1150℃，第三加热段温度1190-1250℃，第四加热段均热段温度为1200-1230℃，板坯在炉时间360-500min；
轧制过程中，采用两阶段控轧及控冷工艺，保证第一阶段轧制开始温度≥1100℃，总压下率在50-70%，并至少保证第一阶段轧制最后2-3道次单道次压下量在30mm以上，待温厚度为1.8-2.0倍成品钢板厚度；第二阶段轧制开轧温度850-800℃，终轧温度850-800℃，总压下率50-80%；在水冷过程中，利用“DQ+ACC”冷却***，开始冷却温度≥800℃，返红温度600-660℃，冷速10-20℃/s；冷却结束后，下线堆垛缓冷，堆垛缓冷温度450-500℃，堆垛时间60-96h；
正火热处理采用略高于完全奥氏体化温度Ac3进行低温正火处理，正火温度880-900℃，正火过程总在炉时间=升温加热时间+保温时间，其中升温加热时间为2.0-2.5min/mm，保温时间≥10min。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述厚规格正火海洋工程结构钢的正火态力学性能：365MPa≤屈服强度Rt0.5≤410MPa、520MPa≤抗拉强度Rm≤560MPa、25%≤断后伸长率A50≤36%、160J≤-40℃纵向冲击功Akv2≤300J。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述厚规格正火海洋工程结构钢的探伤结果满足“NB/T 47013.3标准TI级”要求；正火热处理后正常微观组织为铁素体+珠光体。
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