一种经济型且强韧性优异的E级球扁钢及其生产方法 |
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| 申请号 | CN202211051954.6 | 申请日 | 2022-08-31 | 公开(公告)号 | CN115433873B | 公开(公告)日 | 2024-04-19 |
| 申请人 | 鞍钢股份有限公司; | 发明人 | 张瑜; 刘祥; 廖德勇; 金纪勇; 王杨; 刘思洋; 陈昕; 王冬; 贾宏斌; 于海鑫; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种经济型且强韧性优异的E级球扁 钢 ，化学成分重量百分比为：C：0.05％～0.07％、Si：0.15％～0.25％、Mn：1.50％～1.90％、Nb：0.04％～0.06％、Ti：0.022％～0.032％、Ni：0.6％～1.4％、Als：0.015％～0.045％、P≤0.015％、S≤0.015％、N≤0.005％，其余为 铁 和不可避免的杂质。本发明采用C‑Mn‑Ni‑Nb‑Ti系 合金 设计，添加Ni以提高其低温韧性，产品合金设计经济合理，工艺路线简单，容易执行，工艺控制 稳定性 强。仅通过高温回火，节约能耗高且提高生产效率，回火会使合金成分均匀化，降低组织应 力 从而提高韧性指标，使产品具有优异的强韧性匹配。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种经济型且强韧性优异的E级球扁钢，其特征在于，化学成分重量百分比为：C： |
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| 说明书全文 | 一种经济型且强韧性优异的E级球扁钢及其生产方法技术领域[0001] 本发明涉及船用结构钢技术领域，尤其涉及一种经济型且强韧性优异的E级球扁钢及其生产方法。 背景技术[0002] 球扁钢是船舶专用结构型钢，与船体钢板焊接或其它方式连接组成各种结构，用于扶强及防饶，在船体结构中起着至关重要的作用。当前，世界造船业大型化、高速化、自动化的发展趋势，引发了球扁钢使用规格的大型化，并对其性能提出了更高的要求，尤其是高强度和高韧性的良好匹配，目前主流使用的是D级扁钢，且现有技术多采用V‑N微合金化技术和正火+高温回火的后续热处理工艺来提高低温韧性，此外有关E级球扁钢研制的公开资料也较少。 [0003] (1)《大规格高强度D40船用热轧球扁钢及生产工艺》，申请号CN201110449456.2，该专利成分中C 0.08％～0.15％、Si 0.10％～0.50％、Mn 1.15％～1.75％、S、P≤0.020％、V0.08％～0.15％、Ni 0.10％～0.50％、Ti 0.01％～0.03％、Mg 0.001％～ 0.01％、Ca 0.001％～0.01％、O 0.001％～0.01、N 0.016％～0.025％、其中Mn/C≥14.0，Ni/Mn≥0.15，(Mg+Ca)/O≥1.0，余量为Fe和不可避免的杂质。该专利采用V‑N微合金化，且Ni含量较高，且对Mg和Ca的使用以及二者与其他元素比例有特殊要求，合金成本较高，且炼钢难度较大。 [0004] (2)《一种界面性能均匀的高强度球扁钢及其生产工艺》，申请号CN201611096842.7，公开了一种界面性能均匀的高强度球扁钢及其生产工艺，成分为(重量百分比)：C:0.07％～0.12％，Si:0.30％～0.50％，Mn:1.00％～1.50％，P≤0.015％，S≤ 0.010％，Ni:0.50％～1.00％，V:0.05％～0.12％，Ti:0.005％～0.012％，N:0.014％～ 0.024％，其中C/N≤5.5，Ti/V≤0.15，Mn/Ni≤2.0，余量为Fe和不可避免的杂质。该专利中S含量控制较低，炼钢成本较高；Ni含量过高，显著增加合金成本；此外加热温度最高可达 1250℃，产品易生成粗大的原始奥氏体组织，导致产品强韧性降低。 [0005] (3)《一种高韧性耐热船用球扁钢及其制备方法》申请号CN202110101385.0，公开了一种高韧性耐热船用球扁钢及其制备方法，其化学成分wt％为：C:0.02～0.059％，Si:0.51～0.82％，Mn:0.1～0.29％，P≤0.006％，S≤0.002％，Ni：4.21～4.62％，Nb：0.25～ 0.45％，Ti:0.28～0.36％，余量为Fe和不可避免的杂质。该专利贵金属Ni和Nb含量极高，较高的强韧性指标是极高的合金成本带来的有益效果，不具备批量使用潜力。 [0006] (4)《一种高强度耐腐蚀球扁钢及其生产方法》，申请号CN201911023062.3，一种高强度耐腐蚀球扁钢及其生产方法，化学成分组成为C 0.050％～0.100％，Si 0.10％～0.50％，Mn 1.10％～1.60％，P 0.010％～0.030％，S≤0.005％，Cu 0.30％～0.50％，Ni 0.40％～0.90％，Cr 0.40％～0.80％，Nb 0.010％～0.050％，V 0.010％～0.060％，Ti 0.007％～0.030％，Sb 0.03％～0.08％，N 0.0080％～0.0120％，Als 0.015％～0.030％，余量为Fe及不可避免杂质。该发明S含量较低，炼钢成本较高，此外添加大量Cr、Ni和Cu元素，还添加Sb元素以保证产品的；力学性能和耐蚀性能。 [0007] (5)《一种高强度耐低温的球扁钢及生产工艺》，申请号CN201910061374.7，公开一种高强度耐低温的球扁钢及生产工艺，其化学成分质量百分比为：C0.08～0.11％，Si0.40～0.60％，Cr0.3～0.7％，Mo0.11～0.29％，Cu≤0.04％，Al0.03～0.07％，O≤0.0011％，H≤0.00013％，Ca0.001～0.006％，Sb0.0001～0.0004％，Sn≤0.001％，As≤0.006％，B≤0.009％，Nb≤0.04％，Mn1.00～1.60％，P≤0.013％，S≤0.011％，Ni0.60～1.00％，V0.06～0.12％，Ti0.006～0.013％，N0.015～0.023％，其余为Fe。该发明除添加Cr、Ni和Cu外，还添加Mo、Sn和Sb，合金成本较高，成分体系复杂。 [0008] (6)薛东妹，陈雪慧等在《连铸》期刊2016年41卷第3期发表论文《440MPa级高强度球扁钢的热处理工艺》。其化学成分为：C 0.096％、Si 0.51％、Mn 1.09％、P≤0.011％、S≤0.005％、V 0.059％、Ti 0.019％，同时含Mo、Cr和Ni。其S含量较低，炼钢成本较高；此外添加贵金属，合金成本较高，且合金体系和合金设计思路与本发明明显不同。 [0009] 以上文献中公开的球扁钢钢在合金设计上，多采用V‑N微合金化；还有部分发明添加大量贵金属(Cr、Mo。Ni和Cu)，合金成本较高；部分专利控制较低的S含量，导致炼钢成本较高；部分资料采用正火+高温回火的热处理方式提高韧性。公开资料的研究和成果多集中在D级球扁钢。 发明内容[0010] 本发明所要解决的技术问题是提供一种经济型且强韧性优异的E级球扁钢及其生产方法。 [0011] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现： [0012] 一种经济型且强韧性优异的E级球扁钢，化学成分重量百分比为：C：0.05％～0.07％、Si：0.15％～0.25％、Mn：1.50％～1.90％、Nb：0.04％～0.06％、Ti：0.022％～ 0.032％、Ni：0.6％～1.4％、Als：0.015％～0.045％、P≤0.015％、S≤0.015％、N≤ 0.005％，其余为铁和不可避免的杂质。 [0014] E级球扁钢的成分采用C‑Mn‑Ni‑Nb‑Ti系合金设计，合金成本较低，通过精准控轧控冷工艺获得细原始组织细小的热轧态球扁钢，经高温回火提高其韧性指标，达到E级球扁钢强韧性的优异配比，其主要元素的作用和选择理由如下： [0015] C：是钢中仅次于铁的最主要元素，它直接影响钢材的强度、塑性、韧性和焊接性能等，C通过固溶强化和析出强化显著提高钢的强度有，但随着C含量提高，钢的韧性和焊接性逐渐变差，由于球扁钢是船体结构的重要组成部分，所以低碳设计是保证球扁钢具有优异强韧性韧性和良好焊接性能的基本保障。因此本发明将C含量控制为0.05％～0.07％。 [0016] Si：是炼钢过程中重要的还原剂和脱氧剂，对于碳钢中的很多材质来说，都含有0.5％以下的Si，这些Si一般是由于炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂而带入的，此外Si还可以固溶于铁素体和奥氏体以提高钢的强度，但同时要损失塑性和韧性。因此本发明的Si含量控制为0.15％～0.25％。 [0017] Mn：锰具有固溶强化作用，还可降低γ－α相变温度，进而细化铁素体晶粒，同时是钢中补偿因C含量降低而引起强度损失的最主要且最经济的强化元素。但锰含量过高会使偏析严重，而损失韧性。因此本发明将锰含量控制为1.50％～1.90％。 [0018] Nb：是现代微合金化钢中进行控制轧制的最主要元素，NbC应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复、再结晶，降低相变温度，起到细化晶粒的作用。Nb还可通过析出强化、沉淀强化、相变强化等多种强化机制提高钢的性能，但Nb为贵重元素且加入到一定量后强化效果不再明显。因此本发明将Nb含量控制为0.04％～0.06％。 [0019] Ti：是极强的氮化物形成元素，Ti/N的化学计量比为3.42，只需0.017％左右的Ti就可将本发明中50ppm的N全部固定，而高温稳定的细小的TiN粒子一方面可有效阻止铸坯再热过程中奥氏体的长大，另一方面可改善焊接热影响区的冲击韧性；此外，本发明利用Ti与S结合能力远大于Mn这一特点，因此Ti能从MnS中将S“夺去”从而减轻MnS割裂基体而造成的韧性损失。因此本发明的Ti含量为0.022％～0.032％。 [0020] Ni：是奥氏体稳定元素，所以Ni可阻止高温时晶粒的增长，仍可保持细晶粒组织，有助于产品保证细小的原始奥氏体晶粒；Ni可促进位错的交滑移，因此可有效提高产品的冲击韧性；除此之外，Ni还可以起到一定的固溶强化的作用，对产品的强度指标提供一定的贡献，但Ni合金成本较高，不宜过多添加，影响产品的经济性。因此本发明的Ni含量为0.6％～1.4％。 [0021] Als：脱氧元素，添加适量的铝可形成细小弥散的AlN粒子，有利于细化晶粒，提高钢的强韧性能；当固溶Al含量超过0.015％时，从钢材在焊接再加热时可获得细小的奥氏体晶粒组织，提高焊接性。因此本发明的Als含量为0.015％～0.045％。 [0022] P：极易在钢液凝固时高度偏析，会形成带状的F‑P结构，P也会使低碳设计带来的好处大打折扣，损失钢的韧性，在球扁钢中作为有害元素应尽量少，但要求过低会增加成本。因此本发明的P含量控制在0.015％以下。 [0023] S：是钢中不可避免的杂质元素，希望越低越好，但要求过低会增加生产成本，本发明中S含量控制较为宽泛，而依靠Ti的添加形成Ti4C2S2而降低长条状MnS对钢力学性能尤其是韧性的有害影响。因此本发明的S≤0.015％。 [0024] N：氮含量的增加，可使钢材的强度显著提高，但塑性特别是韧性也显著降低，可焊性变差，冷脆性加剧，本发明中放弃常规的V‑N微合金化作用而作为在钢中作为有害元素存在，含量越低越好。因此本发明的N≤0.005％。 [0026] 1)冶炼连铸工艺：铁水预处理，转炉冶炼采用顶吹或顶底复合吹炼；炉外精炼采用LF炉脱硫处理，喂Si‑Ca线控制夹杂，平均不少于2m/t，喂线速度在3.5m/s～5m/s；连铸采用长水口氩封保护浇铸，最终成品夹杂A类0.5～1.5级，B类0～0.5级，C类0～0.5级，D类0～0.5级； [0027] 2)轧制工艺：连铸板坯加热至1115～1150℃，终轧温度范围840～890℃，随后进行层流冷却+超快冷+空冷工艺，层流冷却750～780℃，且球头处冷却水量为腹板处冷却水量的1.5～1.7倍，超快速冷却至300～330℃，得到均匀的马氏体组织及残余奥氏体组织；残余奥氏体占比＜10％； [0028] 3)热处理工艺：仅采用高温回火工艺，具体回火温度为620～650℃，保温时间2.5～3h，得到索氏体和铁素体，铁素体占比25％～30％。 [0029] 与现有的技术相比，本发明的有益效果是： [0030] (1)使用Ti改性硫化物夹杂的作用，将MnS中S“夺去”从而形成Ti4C2S2，而球状、轧制过程中不易变形的Ti4C2S2全部取代轧制过程中易变形而被拉长的MnS，可显著提高产品的组织均匀性，显著提高产品强韧性指标。 [0031] (2)本发明采用C‑Mn‑Ni‑Nb‑Ti系合金设计，以提高其低温韧性，并通过合金的配合控制夹杂，降低夹杂对产品性能的影响，产品合金设计经济合理，工艺路线简单，容易执行，且工艺控制稳定性强。 [0032] (3)通过控轧工艺进一步抑制晶粒长大细小晶粒，再结晶轧制使产品多次发生在结晶进一步细化组织，为后续热处理提供细小均匀的组织形态，终轧温度在840～890℃，配合低温烧钢，较以往奥氏体晶粒可细化0.5‑1个晶粒度，并为后续得到较窄的马氏体板条提供基础条件。 [0033] (4)配合控冷工艺，得到细小且均匀的马氏体组织，克服球扁钢由于形状特殊一直存在球头组织较腹板粗的弊端，通过增加球头的冷却水量，达到均匀产品组织的目的，且通过层流冷却和超快冷却配合，保证产品在得到均匀细小的马氏体同时，不出现开裂情况，且降低残余奥氏体含量在4％～7％，提高产品性能的同时提高产品性能的稳定性。在300～330℃开始空冷至室温，在不影响产品组织的情况下，节约能源，降低成本。 [0034] (5)仅通过高温回火，通过前期合理的成分设计和工艺设计，在热处理环节不必采用多次回火或正火+回火，可节约能耗且提高生产效率。回火会使合金成分均匀化，得到索氏体和铁素体，铁素体占比30％～35％降低组织应力从而提高韧性指标，使产品具有优异的强韧性匹配。 [0035] (6)最终产品屈服强度≥420MPa，抗拉强度≥543MPa，延伸率≥21.8％，‑40℃下冲击功(KV2)≥94J，‑60℃冲击功(KV2)≥58J，甚至满足F级别球扁钢的标准要求。附图说明 [0036] 图1为实施例1光学显微组织‑索氏体+铁素体图。 具体实施方式[0037] 下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所得到的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0038] 一种经济型且强韧性优异的E级球扁钢，化学成分重量百分比为：C：0.05％～0.07％、Si：0.15％～0.25％、Mn：1.50％～1.90％、Nb：0.04％～0.06％、Ti：0.022％～ 0.032％、Ni：0.6％～1.4％、Als：0.015％～0.045％、P≤0.015％、S≤0.015％、N≤ 0.005％，其余为铁和不可避免的杂质。 [0039] 一种经济型且强韧性优异的E级球扁钢生产方法，生产工艺流程：铁水预处理—转炉冶炼—炉外精炼LF+钙处理—连铸－轧制－多形式冷却—后续热处理；具体步骤包括： [0040] 1)冶炼连铸工艺：铁水预处理，转炉冶炼采用顶吹或顶底复合吹炼；炉外精炼采用LF炉脱硫处理，采用钙处理控制夹杂物数量，喂Si‑Ca线控制夹杂，平均不少于2m/t，喂线速度在3.5m/s～5m/s；连铸采用长水口氩封保护浇铸，防止钢液二次氧化，保证铸坯表面质量、内部质量，最终成品夹杂A类0.5～1.5级，B类0～1级，C类0～1级，D类0～1级； [0041] 2)轧制工艺：连铸板坯加热至1115～1150℃，终轧温度范围840～890℃，随后进行层流冷却+超快冷+空冷工艺。层流冷却750～780℃，且球头处冷却水量为腹板处冷却水量的1.5～1.7倍，超快速冷却至300～330℃，然后空冷，得到较为均匀的马氏体组织及少量残余奥氏体组织； [0042] 3)热处理工艺：仅采用高温回火工艺，具体回火温度为620～650℃，保温时间2.5～3h，得到细小索氏体和铁素体，铁素体占比25％～30％。 [0043] 本发明钢实施例的化学成分见表1。 [0044] 表1实施例钢化学成分(wt，％) [0045]实施例 C Si Mn P S Nb Ti Ni Als N 1 0.052 0.16 1.50 0.014 0.015 0.058 0.032 1.39 0.028 0.005 2 0.050 0.20 1.72 0.013 0.014 0.060 0.031 1.26 0.033 0.005 3 0.057 0.17 1.56 0.014 0.013 0.046 0.022 0.73 0.045 0.004 4 0.065 0.15 1.67 0.012 0.014 0.053 0.028 0.60 0.022 0.004 5 0.060 0.25 1.83 0.011 0.015 0.060 0.030 0.89 0.015 0.005 6 0.070 0.22 1.61 0.015 0.014 0.040 0.027 0.96 0.020 0.004 7 0.063 0.18 1.89 0.012 0.0013 0.043 0.030 1.4 0.042 0.005 8 0.055 0.24 1.90 0.015 0.0014 0.055 0.027 0.61 0.038 0.005 [0046] 实施例生产工艺流程： [0047] 铁水预处理，转炉冶炼采用顶吹或顶底复合吹炼；炉外精炼采用LF炉脱硫处理，喂Si‑Ca线不少于每吨钢2m，喂线速度≥3.5m/s，连铸采用长水口氩封保护浇铸；连铸板坯加热后轧制，轧后层流冷却+超快冷+空冷，层流冷却750～780℃，超快速冷却至300～330℃，然后空冷，之后回火热处理。 [0048] 实施例的轧制工艺制度和热处理制度见表2。 [0049] 表2：实施例轧制工艺制度和热处理制度 [0050] [0051] [0052] 实施例的力学性能见表3。 [0053] [0054] 表3：实施例主要力学性能 |
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