CN114645191A - 低成本高韧性高焊接性高强船板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低成本高韧性高焊接性高强船板及其制备方法，所述低成本高韧性高焊接性高强船板制备方法包括：所述船板化学成分重量百分比Wt为C：0.06～0.10％，Si：0.15～0.40％，Mn：1.35～1.50％，P≤0.020％，S≤0.008％，Nb：0.025～0.040％，Ti：0.018～0.020％，Alt：0.020～0.040，N≤0.006余量为Fe和不可避免的微量元素；所述低成本高韧性高焊接性高强船板制备方法的工艺路线包括以下步骤：铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、全程保护浇铸、板坯加热、除鳞、粗轧、精轧、预矫、超快冷、矫直、空冷、钢板检查。本发明具有较好的综合性能。

Description

低成本高韧性高焊接性高强船板及其制备方法
技术领域
本发明涉及轧钢领域，具体涉及船舶及海洋工程用结构钢生产领域，尤其是一种低成本高韧性高焊接性高强船板及其制备方法。
背景技术
随着大型船舶的发展，大型化、高层化和复杂化的船体焊接结构需求量不断提升，对船舶用钢的强度、塑韧性、焊接性和低温韧性的要求越来越高。高强船板钢主要用于制造远洋，沿海和内河航运船舶的船体、甲板等。因此，对材料的要求也愈加苛刻，如具有优良强韧性、可焊性、应变时效敏感性和性能均匀性。传统的高强船板以中碳+合金元素(如Mn、Nb、Ti、Ni、Cr和Mo等)+控制轧制+热处理工艺为主，虽然组织可以均匀化，低温韧性得到改善，但碳当量高，焊接性差，生产周期长，成本高。
随着控轧控冷技术的发展，逐步开发出低C+Mn+Al+Ti或低C+Mn+Nb+V+Ti+Ni或低碳+Mn+Nb+V+Ti或低碳+Mn+Nb+V等成分体系的控轧控冷工艺，虽然能获得较好的焊接性和强韧性，但是合金成本高或控制难度大或厚规格钢板内部性能难以保证。且以上方式得到的组织为主要为块状铁素体+珠光体或是多边形铁素体+珠光体，综合性能的提升具有局限性。
综上所述，现有技术中存在以下问题：目前的船舶用钢的强度、塑韧性、焊接性和低温韧性较差，或者成本高、生产难以控制。
发明内容
本发明提供一种低成本高韧性高焊接性高强船板及其制备方法，以具有较好的综合性能，和较低的生产成本。
为此，本发明提出一种低成本高韧性高焊接性高强船板制备方法，所述低成本高韧性高焊接性高强船板制备方法包括：
所述船板化学成分重量百分比Wt为C：0.06～0.10％，Si：0.15～0.40％，Mn：1.35～1.50％，P≤0.020％，S≤0.008％，Nb：0.025～0.040％，Ti：0.018～0.020％，Alt：0.020～0.040，N≤0.006余量为Fe和不可避免的微量元素；
所述低成本高韧性高焊接性高强船板制备方法的工艺路线包括以下步骤：铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、全程保护浇铸、板坯加热、除鳞、粗轧、精轧、预矫、轧后控冷(采用超快速冷却)、矫直、空冷、钢板检查。
进一步的，所述粗轧：采用纵横纵的连续轧制方式，粗轧终轧温度≥1000℃，中间道次的单道次压下量≥20mm，开坯厚度为成品厚度的2～3.5倍。
进一步的，所述精轧：低温段轧制，累积压下率＞65％，精轧开轧温度900℃～950℃，终轧温度810℃～850℃。连续轧制，道次间不得停留降温。
进一步的，所述的超快速冷却,开冷温度≥730℃，返红温度580℃～630℃，冷却速度13℃/S～35℃/S。
进一步的，根据返红温度开启冷却水组数，采用分段冷却或后段冷却、低的钢板运行速度、高水流量、高水压冷却策略，使钢板表面层形成仿晶型F+GB同时，加大厚度方向的冷却均匀性，以减轻减少带状组织。
进一步的，板坯连铸：浇注过程保持恒拉速；使用动态轻压下，压下区间0.5～1.2，压下量5.0㎜。
进一步的，LF钢水精炼处理：最后一次合金化后必须保证3min以上的中等强度吹氩或强吹氩时间，TiFe须在造好白渣或透明玻璃渣或浅墨绿色渣后加入。
进一步的，RH钢水精炼处理：镇静时间18min～35min。
本发明还提供一种低成本高韧性高焊接性高强船板，所述船板化学成分重量百分比Wt为C：0.06～0.10％，Si：0.15～0.40％，Mn：1.35～1.50％，P≤0.020％，S≤0.008％，Nb：0.025～0.040％，Ti：0.018～0.020％，Alt：0.020～0.040，N≤0.006余量为Fe和不可避免的微量元素；碳当量CEV≤0.34，表层仿晶型F+GB占比达钢板厚度的28％。
进一步的，所述船板厚度为6-50mm。
发明所得的一种低成本高韧性高焊接性高强船板，碳当量CEV≤0.34，表层仿晶型F+GB占比达钢板厚度的28％。屈服强度ReH为474～490MPa，抗拉强度Rm为550～580MPa，断后伸长率A为24.0～27.0％，-60℃的V型冲击功(纵向)AKV2为190～323J，横向V型冲击功AKV2为170J～297J，冷弯合格，Z向性能40％～73％，-60℃应变时效冲击功(纵向)AKV2为120～230J，钢板具有较好的综合性能。
本发明无需添加Ni或V或Cr或Mo等元素，无需后续热处理工艺，通过成分及控轧控冷工艺的设计和优化，形成仿晶型F+GB+PF+AF+P组织(F为铁素体，P为珠光体，GB为粒状贝氏体，AF为针状铁素体)，获得良好的综合性能，实现该产品的稳定生产。
附图说明
图1为本发明实施例1的船板的表层金相组织低倍照片；表层为仿晶型F+GB，仿晶层厚14mm；
图2为本发明实施例1的船板的表层金相组织高倍照片；
图3为本发明实施例1的船板厚度四分之一处的金相组织照片；主要为：F+AF+PF+少量P；
图4为本发明实施例1的船板心部金相组织照片；心部未见F或P带状组织，B偏析带0.5级；
图5为本发明实施例1的船板中心金相组织照片；金相组织为：F+GB+P
图6为本发明实施例2的船板表层金相组织低倍照片；表层为仿晶型F+GB，仿晶层厚2.5mm；
图7为本发明实施例2的船板表层的金相组织高倍照片；图8为本发明实施例2船板厚度四分之一处的金相组织照片；主要为：F+PF+少量P，
图9为本发明实施例1的船板心部金相组织照片；心部未见F或P带状组织，B偏析带0.5级；
图10为本发明实施例1的船板中心金相组织照片；金相组织为：F+GB+P；
图11为本发明实施例5的船板表层金相组织照片；
图12为本发明实施例5的船板心部金相组织照片；
图13为实施例2的船板焊接拉伸断裂位置照片或示意图；焊接拉伸断裂位置位于焊接处之外(焊接拉伸断裂位置距离焊接处28.7mm)；
图14为实施例2的船板焊接接头不同位置冲击断口形貌照片。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明。
本发明提供一种低成本高韧性高焊接性高强船板及其制备方法。产品的屈服强度ReH≥420Mpa，抗拉强度Rm≥530MPa，断后伸长率A≥21％，-60℃纵向冲击功AKV2≥150J，冷弯合格，厚度方向性能优于Z35级别，碳当量Ceq≤0.35。
采用的技术方案：一种低成本高韧性高焊接性高强船板，该钢种化学成分(重量百分比Wt)为C：0.06～0.10％，Si：0.15～0.40％，Mn：1.35～1.50％，P≤0.020％，S≤0.008％，Nb：0.025～0.040％，Ti：0.015～0.020％，Alt：0.020～0.040，N≤0.006余量为Fe和不可避免的微量元素。Ceq为：0.30-0.35.
进一步的，低成本高韧性高焊接性高强船板，该钢种化学成分(重量百分比Wt)为C：0.06～0.09％，Si：0.15～0.40％，Mn：1.35～1.50％，P≤0.020％，S≤0.008％，Nb：0.025～0.035％，Ti：0.015～0.018％，Alt：0.020～0.040，N≤0.006余量为Fe和不可避免的微量元素。Ceq为：0.32-0.34。
一种低成本高韧性高焊接性高强船板的制造方法，其工艺路线为：铁水预处理→转炉冶炼→LF精炼→RH精炼→全程保护浇铸→板坯加热→除鳞→粗轧→精轧→预矫→超快冷→矫直→空冷→钢板检查→入库。
1、转炉钢水冶炼：
保证入炉铁水S≤0.01Wt％；冶炼过程采用全程底吹氩气；
2、LF钢水精炼处理：
最后一次合金化后必须保证3min以上的中等强度吹氩或强吹氩时间。TiFe须在造好白渣或透明玻璃渣或浅墨绿色渣后加入。
3、RH钢水精炼处理：镇静时间18min～35min。
4、板坯连铸：
浇注过程稳定拉速，保持恒拉速；使用动态轻压下，压下区间0.5～1.2，压下量5.0㎜左右。
5、板坯加热：
加热温度1130℃～1240℃，加热时间≥210min。
6、轧制：
两阶段轧制，全程不使用轧机冷却水，根据实际喷高压除鳞。(1)粗轧：采用纵横纵的轧制方式，高温快轧和大压下量进行奥氏体再结晶轧制，使变形传递到坯料心部。开轧温度1110～1170℃，粗轧终轧温度≥1000℃，中间道次的单道次压下量≥20mm。开坯厚度为成品厚度的2～3倍。(2)精轧：主要是在低温段的奥氏体未再结晶区进行轧制，促进晶粒细小的仿晶型F形成。同时为提高钢板低温冲击韧性，应保证足够的道次压下率，累积压下率＞65％，精轧开轧温度900℃～920℃，终轧温度810℃～830℃。(3)连续轧制，道次间不得停留降温。
7、冷却：
出精轧后，尽可能快的进入(超快冷)冷却区，避免块状铁素体的析出和加工硬化的回复软化。开冷温度≥730℃，返红温度580℃～630℃。根据返红温度开启冷却水组数，采用分段冷却或后段冷却、低的钢板运行速度、高水流量、高水压冷却策略，使钢板表面层形成仿晶型F+GB同时，加大厚度方向的冷却均匀性，以减轻减少带状组织、提高钢板的强韧性和厚度方向性能的均匀性。
与常规铁素体+珠光体钢相比，仿晶界型铁素体/粒状贝氏体复相组织具有更好的强韧性配合和形变协同性。适量晶粒尺寸相对较小的仿晶界型铁素体的存在，增加了复相组织的协调变形能力，提高了裂纹形成功，同时使裂纹扩展路径弯曲、分叉，微裂纹尖端钝化，增强钢的止裂性。用粒状贝氏体(GB)代替珠光体，比相同碳含量的珠光体钢具有更高的强度。本发明基于高纯净钢冶炼技术和中厚板超快冷技术，通过开发低C+Mn+Nb+Ti成分体系+控轧控冷工艺，获得一种仿晶型F+GB+PF+AF+P组织，使材料具有高的焊接性时，具有较好的低温韧性、强塑性、应变时效敏感性和较均匀的性能。
发明所得的低成本高韧性高焊接性高强船板，碳当量CEV≤0.34，表层仿晶型F+GB占比达钢板厚度的28％。屈服强度ReH为474～490MPa，抗拉强度Rm为550～580MPa，断后伸长率A为24.0～27.0％，-60℃的V型冲击功(纵向)AKV2为190～323J，横向V型冲击功AKV2为170J～297J，冷弯合格，Z向性能40％～73％，-60℃应变时效冲击功(纵向)AKV2为120～230J，钢板具有较好的综合性能。
本发明无需添加Ni或V或Cr或Mo等元素，无需后续热处理工艺，通过成分及控轧控冷工艺的设计和优化，形成仿晶型F+GB+PF+AF+P组织，获得良好的综合性能，实现该产品的稳定生产。
所述的高韧性高焊接性的超高强度船板包括FH420、FH420-Z25、FH420-Z35。
所述韧性高焊接性的超高强度船板包括级别低于FH420系列用钢，如AH40～FH40、AH36～FH36、AH32～FH32等。
所述高韧性高焊接性的超高强度船板厚度≤50㎜，例如为18-50mm。
下面为本发明的具体实例：高韧性高焊接性的超高强度船板生产方法采用下述成分配比和具体工艺。其中，表1是各实施例钢的成分(按重量百分比计)和碳当量CEV。表2、表3，是与表1所述实施例成分下的轧制和冷却工艺参数，表4、表5是与图例为各实施例对应的力学性能和组织，表6-1和6-2及图例是焊接性能。图1、图2、图3、图4、图5分别是实例1的不同部位的金相组织照片；图6、图7、图8、图9、图10分别是实例2的不同部位的金相组织照片；图11和图12是实例的表层和心部金相组织照片。
表1：产品化学成分(wt％)和碳当量Ceq
Figure BDA0003501453720000061
表2：各实例具体的轧制工艺参数
粗轧开轧温度1110℃～1180℃，采用纵-横-纵方式连续轧制，展宽道次使用平面形状控制进行2道次展宽。精轧连续8道次纵轧。
Figure BDA0003501453720000062
Figure BDA0003501453720000071
表3：各实例具体的冷却工艺参数
分段冷却或后段冷却，给钢板一定的弛豫时间，在表层析出仿晶型F后再加速冷却。
Figure BDA0003501453720000072
表4：各实例所得的力学性能
Figure BDA0003501453720000081
表5：实例1和实例2所得的厚度方向性能均匀性和应变时效冲击
Figure BDA0003501453720000082
表6-1和6-2：实例2所得的焊接性能
焊接试验采用埋弧自动焊工艺，试验用焊丝是低合金高韧性船用埋弧焊丝，直径3.2mm，焊接输入热量50KJ/cm。焊接接头力学性能试验试样按照中国船级社《材料与焊接规范2009》制取。依据GB/T228-2010《金属材料拉伸试验》、GB/T 232-1999《金属材料弯曲试验方法》和GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行了焊接接头拉伸试验、弯曲试验、冲击试验，如表6-1和6-2所示。在焊接接头拉伸试验中，钢板性能均高于母材FH420规定值。
表6-1焊接接头拉伸实验结果
Figure BDA0003501453720000091
结合船舶及海洋工程用钢一般环境，对船板埋弧自动焊焊接接头进行-40℃冲击试验，冲击实验结果见表6-2和图14。从表6-2可以看出，钢板在合线和母材的冲击韧性满足GB/T712中的要求(即平均冲击功≥42J)，且有较好的冲击韧性。
表6-2焊接接头冲击实验结果
Figure BDA0003501453720000092
船板埋弧自动焊焊接接头进行冷弯试验，正反弯弯心直径为2a，侧弯弯心直径为3a，冷弯实验结果见表6-3，钢板弯曲均合格。
表6-3冷弯实验结果
厚度/mm 焊接方式 正弯 反弯 侧弯
25mm 横向 合格 合格 合格
图13为实施例2的船板焊接拉伸断裂位置照片，焊接拉伸断裂位置距离焊接处28.7mm。图14为实施例2的船板焊接接头不同位置冲击断口形貌照片。受焊接影响,钢板距焊接接头的不同位置的冲击韧性会发生变化,图14的冲击断口形貌说明,焊接后,-40℃下的焊接区和焊接影响区的冲击韧性均较好。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种低成本高韧性高焊接性高强船板制备方法，其特征在于，所述低成本高韧性高焊接性高强船板制备方法包括：
所述船板化学成分重量百分比Wt为C：0.06～0.10％，Si：0.15～0.40％，Mn：1.35～1.50％，P≤0.020％，S≤0.008％，Nb：0.025～0.040％，Ti：0.015～0.020％，Alt：0.020～0.040，N≤0.006余量为Fe和不可避免的微量元素；
所述低成本高韧性高焊接性高强船板制备方法的工艺路线包括以下步骤：铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、全程保护浇铸、板坯加热、除鳞、粗轧、精轧、预矫、轧后控冷、矫直、空冷、钢板检查，其中，采用超快速冷却进行轧后控冷。
2.如权利要求1所述的低成本高韧性高焊接性高强船板制备方法，其特征在于，所述粗轧：采用纵横纵的连续轧制方式，粗轧终轧温度≥1000℃，中间道次的单道次压下量≥20mm，开坯厚度为成品厚度的2～3.5倍。
3.如权利要求2所述的低成本高韧性高焊接性高强船板制备方法，其特征在于，所述精轧：低温段轧制，累积压下率＞65％，精轧开轧温度900℃～950℃，终轧温度810℃～850℃。连续轧制，道次间不得停留降温。
4.如权利要求2所述的低成本高韧性高焊接性高强船板制备方法，其特征在于，采用超快速冷却进行轧后控冷，冷却速度为13℃/S～35℃/S，开冷温度≥730℃，返红温度580℃～630℃。
5.如权利要求2所述的低成本高韧性高焊接性高强船板制备方法，其特征在于，根据返红温度开启冷却水组数，采用分段冷却或后段冷却、低的钢板运行速度、高水流量、高水压冷却策略，使钢板表面层形成仿晶型F+GB同时，加大厚度方向的冷却均匀性，以减轻减少带状组织。
6.如权利要求2所述的低成本高韧性高焊接性高强船板制备方法，其特征在于，板坯连铸：浇注过程保持恒拉速；使用动态轻压下，压下区间0.5～1.2，压下量5.0㎜。
7.如权利要求2所述的低成本高韧性高焊接性高强船板制备方法，其特征在于，LF钢水精炼处理：最后一次合金化后必须保证3min以上的中等强度吹氩或强吹氩时间，TiFe须在造好白渣或透明玻璃渣或浅墨绿色渣后加入。
8.如权利要求2所述的低成本高韧性高焊接性高强船板制备方法，其特征在于，RH钢水精炼处理：镇静时间18min～35min。
9.一种低成本高韧性高焊接性高强船板，其特征在于，采用权利要求1所述的方法，所述船板化学成分重量百分比Wt为C：0.06～0.10％，Si：0.15～0.40％，Mn：1.35～1.50％，P≤0.020％，S≤0.008％，Nb：0.025～0.040％，Ti：0.018～0.020％，Alt：0.020～0.040，N≤0.006余量为Fe和不可避免的微量元素；碳当量CEV≤0.34，表层仿晶型F+GB占比达钢板厚度的28％。
10.如权利要求9所述的低成本高韧性高焊接性高强船板，其特征在于，所述船板厚度为6-50mm。
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