CN118166273A - 一种低成本超高强水电用钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低成本超高强水电用钢及其生产方法，钢中化学成分按重量百分计为：C 0.06％～0.11％；Si 0.1％～0.3％；Mn 1.65％～2.1％；P≤0.010％；S≤0.005％；Cu 0.26％～0.55％；Mo 0.1％～0.39％；V 0.02％～0.08％；Nb 0.061％～0.12％；B 0.001％～0.003％；N 0.01％～0.025％、Ti 0.025％～0.05％、Al 0.025％～0.055％、且(Ti+Al)/N≥4；Ca 0.001％～0.004％；余量为Fe和不可避免的杂质。不仅生产成本较低，生产周期短，而且钢板性能优良，焊接性能良好，完全可以满足大型水电工程应用需要。

Description

一种低成本超高强水电用钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及金属材料领域，尤其涉及一种低成本超高强水电用钢及其生产方法。

背景技术

随着中国以新能源为主体的新型电力***的发展，对水电行业的需求不断提升，水电站不断超高水头、大型化发展，因此水电站建设所需钢材的强度级别也在不断提升，目前最高强度级别已达1000MPa级。目前对于1000MPa级水电钢的生产，普遍采用较高的合金成分设计，并结合离线调质(淬火+高温回火)热处理的方式，然而这种生产方式不仅成本高，而且工序复杂，生产周期长。如何既能节约生产成本、又能获得性能优异的钢板，成为本领域从业者不得不关注的一个重要难题。

国内现有关于此强度级别钢的发明专利多采用较高的合金成分设计，以及离线调质热处理工艺，不仅生产成本高，而且生产周期较长。

例1：发明专利CN 111455269 A公开了“屈服强度960MPa级甚高强度海工钢板及其制造方法”，所发明钢中添加了1.0～2.0％的Ni，0.35～0.80％的Cr以及0.4～0.7％的Mo，生产工艺则采用两阶段控制轧制+离线调质热处理的方式，不仅合金成本高，而且生产周期长。

例2：发明专利CN 108504960 A公开了“一种大型水电工程用1000MPa级低裂纹水电钢板及其生产方法”，涉及钢板厚度为10～50mm，钢中添加了1.0～2.0％的Ni，0.3～1.5％的Cr，0.4～0.7％的Mo，钢板生产采用模铸大钢锭一次加热+控制轧制+二次加热+控轧控冷+离线调质的工艺，生产周期长，生产成本高。

例3：发明专利CN 114058960 A公开了“一种25-60mm厚1000MPa级高强度高韧性易焊接纳米钢及其制造方法”，该发明所述钢中添加了1.5～2.5％的Cu，6.0～8.0％的Ni，0.5～0.8％的Cr，0.45～0.6％的Mo，生产工艺采用两阶段控轧+离线超快冷+回火热处理，合金成本高，生产周期较长。

发明内容

本发明提供了一种不大于60mm厚超高强水电用钢及其生产方法，生产的钢板厚度不大于60mm，抗拉强度达1000MPa级，不仅生产成本较低，生产周期短，而且钢板性能优良，具有良好的低温韧性，冷弯性能和焊接性能，完全可以满足大型水电工程应用需要。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种低成本超高强水电用钢，钢中化学成分按重量百分计为：C 0.06％～0.11％；Si0.1％～0.3％；Mn 1.65％～2.1％；P≤0.010％；S≤0.005％；Cu 0.26％～0.55％；Mo0.1％～0.39％；V 0.02％～0.08％；Nb 0.061％～0.12％；B 0.001％～0.003％；N 0.01％～0.025％、Ti 0.025％～0.05％、Al 0.025％～0.055％、且(Ti+Al)/N≥4；Ca 0.001％～0.004％；余量为Fe和不可避免的杂质。

采用上述成分设计理由如下：

C：与V、Nb、Ti等元素形成细小的碳化物，从而在加热、轧制和冷却过程中起到有效的沉淀强化作用，改善钢板的强韧性。如果碳含量过低，钢板的强度无法保证，过高，将促进马氏体的生成，无法获得本发明钢所要得到的完全贝氏体组织，因此本发明C含量设计为0.06～0.11％。

Si：在本发明钢中，添加适量的Si用于固溶在贝氏体中，提高钢板的强度；还用于抑制相变过程中板条贝氏体间脆性渗碳体的析出，促进V、Nb、Ti碳氮化物的析出，从而提高钢板的强韧行。Si含量过高，损坏钢板的塑韧性，且降低钢板的焊接性能，因此本发明钢中Si含量设计为0.1～0.3％。

Mn：扩大奥氏体相区，改善本发明钢的轧制和冷却工艺窗口；降低马氏体转变温度，提高淬透性，促进板条贝氏体的生成和细化。本发明钢中Mn含量为1.65～2.1％。

P、S：均为有害元素，P会引起钢的冷脆，S会造成钢的热脆，且易偏析，对钢的低温韧性和焊接性能均有明显的不利影响，因此含量越低越好，但考虑到生产成本，根据需要，本发明控制钢中的P≤0.010％、S≤0.005％。

Cu：用于形成纳米富Cu析出相，在不损失塑韧性的情况下提高强度，还可以改善钢板的焊接性能；但铜含量过高将导致塑韧性显著下降。因此，本发明钢中Cu含量设计为0.26～0.55％。

Mo：降低贝氏体相变的临界冷速，在宽范围冷速下促进板条贝氏体生成；与锰配合使用，抑制轧后冷却中，钢板自回火脆性的发生，并提高细小碳氮化物的稳定性，促进其弥散分布。本发明钢设计Mo含量为0.1～0.39％。

V：形成细小的碳氮化物，通过析出强化和晶粒细化强化显著提高钢的强度，改善钢的塑韧性；与Nb和Ti复合添加，协同作用，可以大幅度提高钢板的强韧性。本发明设计V含量为0.02～0.08％。

Nb：形成细小的碳氮化物，提高奥氏体再结晶温度，细化晶粒；与Nb和Ti复合添加，协同作用，可以大幅度提高钢板的强韧性；与B共同加入，通过阻止偏聚在晶界处的固溶硼与碳结合，来抑制Fe(C，B)6在晶界生成，保证钢中的B以固溶形式存在，保证B的应用效果。本发明根据需要，控制钢中Nb含量为0.061～0.12％。

Ti：用于在钢液凝固中形成大量细小弥散分布的TiC、TiN，细化铸态组织，减少粗大柱状晶和枝晶的生成；为避免高温时粗大TiN的形成，损坏钢板的冲击韧性，本发明通过控制(Ti+Al)/N≥4，实现大量细小TiN的弥散析出，提高钢板的强韧性和焊接性能。因此本发明钢中Ti含量设计为0.025～0.05％。

B：本发明钢添加了适量的B，通过与Nb、Ti、Al一起使用，促进B的固溶，提高钢板淬透性，优化钢板强韧性；通过B在奥氏体晶界、亚晶界和位错等缺陷附近富集，可以有效降低晶界能量，抑制铁素体和高温贝氏体的形核，促进贝氏体细板条组织的形成。如果B含量过高，将增加奥氏体晶粒粗化倾向，因此本发明设计B含量为0.001～0.003％。

N：扩大钢的奥氏体相区，并稳定奥氏体组织，改善板条贝氏体形态结构，提高钢板强韧性；与V、Nb、Ti形成细小的氮化物，起到良好的沉淀强化和细晶强化效果，并通过控制(Ti+Al)/N≥4，抑制钢中粗大TiN的产生，提高钢板的强韧性和焊接性能。根据需要，本发明设计N含量为0.01～0.025％。

Al：通过控制(Ti+Al)/N≥4，可以实现大量细小TiN的弥散析出，提高钢板的强韧性和焊接性能。根据需要，本发明钢中设计加入Al含量为0.025～0.055％。

Ca：用于将冶炼时钢中产生的条状硫化锰和氧化铝等夹杂物变性为球形状的硫化钙或钙铝酸盐复合夹杂物，并结合本发明的工艺控制，使得变性后的球形夹杂物弥散分布在钢中，从而改善钢板的冲击性能。所以本发明钢中控制Ca含量为0.001～0.004％。

一种低成本超高强水电用钢的生产方法，钢板的制造工艺为：冶炼—连铸—加热—控轧控冷—超声波探伤—性能检验，具体包括如下方法：

本发明钢采用转炉+炉外精炼(LF+RH)的方式冶炼，RH进行真空处理，循环脱气时间11～17min，RH破真空后喂入Ca线，喂入速度0.6～1m/s，钙质量分数控制为0.001～0.004％，喂完钙线，出站前软吹7～13min，软吹流量20～27L/min，软吹后静置5～9min。在降低钢中[O]≤8ppm，[H]≤3ppm的同时，降低钢中非金属夹杂物含量，并促使钢液中残留的氧化物、硫化物夹杂充分变性为球形，提高钢液清洁度和夹杂物弥散分布程度，降低钢中非金属夹杂物尺寸≤1.0级，从而有利于改善钢板的综合性能。

浇铸时，中间包过热度为25～35℃，在铸坯未凝固率42％～47％段投入电磁搅拌，电磁搅拌电流控制在380～420A，频率为6～10Hz，并控制拉坯速度为0.8～1.1m/min，通过电磁搅拌和拉坯速度控制，抑制柱状晶生长，提高中心等轴晶率，从而控制中心偏析和中心疏松不大于1.0级。

在保证钢板轧制渗透效果的同时，提高生产效率，连铸坯优选厚度为180～250mm。

连铸坯加热温度为1150～1220℃，保温时间为1～2.5h；钢板采用两阶段控制轧制，第一阶段开轧温度为1020～1110℃，单道次压下率≥13％，轧制中间坯厚度大于2倍的成品钢板厚度；第二阶段开轧温度为870～930℃，终轧温度720～770℃，终轧3～5道次中保证连着2道次的压下率大于15％，总压下率大于70％；轧制成品钢板厚度不大于60mm。

两阶阶段多道次的累积变形，在细化奥氏体晶粒的同时，可以在奥氏体晶粒内产生大量的位错亚结构和形变带，促使贝氏体转变时大量形核。

基于本发明钢的成分特点和性能要求，以上加热和两阶段控制轧制工艺可以充分发挥本发明钢中Nb、Ti、V的析出强化和晶粒细化作用，并促使奥氏体晶粒均匀化，从而有效提高钢板的强韧性。

控轧后的钢板立即进行水冷，控制冷却速率为11～19℃/s，终冷温度为320～370℃，然后空冷至室温。

冷却速率和终冷温度的控制，可以保证钢板在产生板条贝氏体的同时，细化板条亚结构，促使组织均匀化和第二相粒子进一步弥散析出，并保留轧制中形成的高密度位错，从而提高钢板的强韧性和焊接性能。此外，冷却速率的控制，可以防止钢板表面产生残余应力而影响冷弯性能。

本发明的水电用钢钢板厚度为≤60mm。水电用钢钢中组织为板条贝氏体，板条宽度为200～600nm。钢板室温拉伸抗拉强度＞950MPa，屈服强度＞900MPa，断后伸长率＞15％；-40℃冲击吸收能量＞80J；180°冷弯合格。钢中碳当量Ceq≤0.5％，钢板焊接裂纹敏感性系数Pcm≤0.26％，焊接接头-20℃冲击吸收能量＞80J。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明钢采用低C、中Mn、低合金成分设计，不添加贵金属Ni、Cr等元素，合金成本较低；

2、本发明通过化学成分和生产工艺的创新设计，实现了一种1000MPa级高性能水电钢的短流程生产，钢板无需离线调质热处理，缩短生产周期，大大降低了生产成本。

3、本发明低成本获得了一种不大于60mm厚的超高强水电用钢，钢板室温拉伸抗拉强度＞950MPa，屈服强度＞900MPa，断后伸长率＞15％；-40℃冲击吸收能量＞80J；180°冷弯合格。

4、本发明所述钢板在具有高强韧性的同时，还具有较低的碳当量(Ceq≤0.5％)和焊接裂纹敏感性系数(Pcm≤0.26％)，焊接接头-20℃冲击吸收能量＞80J。

附图说明

图1为本发明的典型板条贝氏体金相组织图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明，以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。

实施例见表1-表3，其中表1为各实施例化学成分；表2为各实施例钢的工艺参数；表3为各实施例钢板性能和组织。

表1各实施例钢冶炼化学成分(％)

表2各实施例钢的工艺参数

表3实施例钢板性能和组织

Claims (10)

1.一种低成本超高强水电用钢，其特征在于，钢中化学成分按重量百分计为：C

0.06％～0.11％；Si 0.1％～0.3％；Mn 1.65％～2.1％；P≤0.010％；S≤0.005％；Cu0.26％～0.55％；Mo 0.1％～0.39％；V 0.02％～0.08％；Nb 0.061％～0.12％；B 0.001％～0.003％；N0.01％～0.025％、Ti 0.025％～0.05％、Al 0.025％～0.055％、且(Ti+Al)/N≥4；Ca 0.001％～0.004％；余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种低成本超高强水电用钢，其特征在于，水电用钢钢板厚度为≤60mm。

3.根据权利要求1所述的一种低成本超高强水电用钢，其特征在于，水电用钢钢中组织为板条贝氏体，板条宽度为200～600nm。

4.根据权利要求1所述的一种低成本超高强水电用钢，其特征在于，钢板室温拉伸抗拉强度＞950MPa，屈服强度＞900MPa，断后伸长率＞15％；-40℃冲击吸收能量＞80J；180°冷弯合格。

5.根据权利要求1所述的一种低成本超高强水电用钢，其特征在于，钢中碳当量Ceq≤0.5％，钢板焊接裂纹敏感性系数Pcm≤0.26％，焊接接头-20℃冲击吸收能量＞80J。

6.一种如权利要求1-5其中任意一项所述的低成本超高强水电用钢的生产方法，其特征在于，包括如下内容：

浇铸时，中间包过热度为25～35℃，在铸坯未凝固率42％～47％段投入电磁搅拌，并控制拉坯速度为0.8～1.1m/min；

连铸坯加热温度为1150～1220℃，保温时间为1～2.5h；钢板采用两阶段控制轧制，第一阶段开轧温度为1020～1110℃，单道次压下率≥13％，轧制中间坯厚度大于2倍的成品钢板厚度；第二阶段开轧温度为870～930℃，终轧温度720～770℃，终轧3～5道次中保证连着2道次的压下率大于15％，总压下率大于70％；

控轧后的钢板立即进行水冷，控制冷却速率为11～19℃/s，终冷温度为320～370℃，然后空冷至室温。

7.根据权利要求6所述的一种低成本超高强水电用钢的生产方法，其特征在于，采用转炉+炉外精炼的方式冶炼，RH进行真空处理，循环脱气时间11～17min。

8.根据权利要求7所述的一种低成本超高强水电用钢的生产方法，其特征在于，RH破真空后喂入Ca线，喂入速度0.6～1m/s，钙质量分数控制为0.001％～0.004％，喂完钙线，出站前软吹7～13min，软吹流量20～27L/min，软吹后静置5～9min。

9.根据权利要求6所述的一种低成本超高强水电用钢的生产方法，其特征在于，电磁搅拌电流控制在380～420A，频率为6～10Hz。

10.根据权利要求6所述的一种低成本超高强水电用钢的生产方法，其特征在于，连铸坯厚度为180～250mm。