專利名稱：：高強度高韌性熱軋鋼板及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于冶金
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種微合金化高強度低合金控軋控冷鋼的
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及到一種高強度、高韌性和可焊性的熱軋鋼板，如大口徑X70以上管線鋼、壓力容器用鋼板、海洋結(jié)構(gòu)用鋼板、高強度橋梁板和工程機械用鋼等生產(chǎn)方法。技術(shù)背景近年來，在鋼板應(yīng)用領(lǐng)域隨著結(jié)構(gòu)件日益大型化、壓力容器日益高能率化、石油天然氣輸氣管大口徑和高輸氣壓力化，以及應(yīng)用環(huán)境低溫化發(fā)展趨勢，要求在提高鋼板強度、降低鋼結(jié)構(gòu)重量的同時，要求鋼板具有更高的韌性指標(biāo)，特別是其低溫韌性，以保證鋼板使用過程的安全性。此外，對一些焊接鋼板還要求有良好的焊接性能，以降低鋼結(jié)構(gòu)和管線等的制造成本。以中國即將開工年輸氣量達300億立方米的"西氣東輸二線"為例，該管線全長7000多公里，干線長4000公多公里，輸氣壓力12MPa、輸氣管直徑1219mm、鋼級X80，壁厚18.4mm以上，其中2類地區(qū)以上會采用壁厚22mm以上直縫焊管。采用大口徑輸氣管和高輸送壓力主要是為了提高管線運行的經(jīng)濟效率，但這要求采用大壁厚和大寬度鋼板，并有高強度、高韌性和可焊性的性能保證。在大口徑管線工程中，25%40%的工程成本與材料有關(guān)，因此，降低材料成本對工程成本有舉足輕重的影響。通過微合金化結(jié)合控軋控冷工藝生產(chǎn)高強韌性鋼是近20年來的一大主流技術(shù)。采用純潔凈鋼煉鋼技術(shù)，以及鈮、釩、鈦等元素微合金化和控軋控冷技術(shù)，生產(chǎn)的具有高性能的新型低合金高強韌性工程結(jié)構(gòu)用鋼具有以下屬性(l)含碳量低，具有良好的冷熱成型性和焊接性；(2)鋼中添加少量的碳、氮化合物形成元素鈮、釩、鈦、鋁等，采用了晶粒細(xì)化和析出強化提高鋼的強韌化性；(3)鋼的屈服強度大于345MPa;(4)采用熱軋狀態(tài)交貨，而無需其它熱處理過程進行調(diào)質(zhì)處理，從而減少工序和能耗，達到降低制造成本。該鋼種由于高效、節(jié)約合金元素和能源及在生產(chǎn)過程中向大氣釋放二氧化碳量少，是一種環(huán)境友好型的鋼鐵材料，已廣泛地應(yīng)用于橋梁、建筑、船舶、車輛、壓力容器、采油平臺、輸油管道等各種工程結(jié)構(gòu)。由于上述用途鋼材的需求量一般占社會對鋼材總需求量的60%左右，所以微合金鋼的應(yīng)用前景廣闊，是現(xiàn)代鋼鐵工業(yè)中的主力產(chǎn)品。但現(xiàn)有技術(shù)中，這種高強度、高韌性、可焊性好的熱軋鋼板中所含的鉬、釩和鎳等微量金屬元素，其價格大多比較昂貴，因此使得該產(chǎn)品的成本較高。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種采用低成本微合金元素配方，即采用低碳、高錳、高鈮、無鉬、無釩、無鎳或低鎳配方生產(chǎn)成本的高強度高韌性熱軋鋼板。本發(fā)明的另一目的在提供一種采用低成本微合金元素配方，并通過控軋控冷等工藝生產(chǎn)高強度低合金的高控軋控冷鋼，為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，一種高強度高韌性熱軋鋼板，其化學(xué)成份及各成份的重量百分比為碳0.030.09%，硅:0.15Q.35%,錳:1.402.0%，鋁:0.020.05%，鈮0.050.13%，鈦0.0100.025%，銅《0.30%，鉻《0.30%，磷《0.012%,硫《0.004%，氮《0.004%，其余均為鐵，且碳當(dāng)量Ceq應(yīng)不大于0.44，裂紋敏感指數(shù)Pcm應(yīng)不大于0.23;鎳《0.25%;釩《0.06%。為實現(xiàn)本發(fā)明的另一目的，一種高強度高韌性熱軋鋼板的生產(chǎn)方法包括步驟為設(shè)計成份進行配比備料，然后鐵水預(yù)脫硫、轉(zhuǎn)爐冶煉、LF精煉、RH(VD)處理、板坯連鑄、板坯再加熱、溫度控制軋制、控制冷卻、熱矯直、冷床冷卻、堆冷，在溫度軋制及冷卻控制中，軋制過程中坯料的平均溫度最有價值，禾擁表面測量溫度受厚度的影響，以下溫度控制皆為平均溫度；板坯再加熱溫度控制在1180-函。C;粗軋結(jié)束溫度1100-1220°C;精軋開始溫度840-100(TC，精軋階段總的壓縮比》65%，其結(jié)束溫度800-930°C;終冷溫度500-600°C，冷卻速率8-25°C/s。本發(fā)明的優(yōu)點是1、由于采用高Nb低C，充分利用Nb的析出強化及對鋼的相變的影響，獲得細(xì)小的具有高密度位錯的針狀鐵素體+貝氏體+第二相組織，從而代替Mo對相變的影響，達到不加入Mo的效果，大大降低了合金成本；2、由于本發(fā)明中的Ni元素可加可不加，因此，Ni的加入量對強度的影響不大，加入的Ni主要是減少因Cu導(dǎo)致的鑄坯及鋼板表面熱脆傾向，但本發(fā)明中Cu的含量亦不是很高，因而可以考慮不加，達到降低成本的效果；3、由于采用了低碳、高鈮和微鈦處理的簡單合金化設(shè)計，降低了鋼板的冷裂紋的敏感性，在一定程度上簡化了焊接工藝，減小了焊接加工的制造成本；鋼中氮化鈦以及鈦鈮氮碳化物的高溫穩(wěn)定性將起到釘扎晶界、阻止晶粒長大的作用，能夠使鋼板承受的焊接線能量大大提高；4、由于利用Nb對奧氏體再結(jié)晶的抑制作用，提高再結(jié)晶終止溫度，使得軋制可以在較高的溫度進行，降低軋制力及軋制能量消耗，提高了軋機的效率，保證了良好的板形；5、由于采用了鋼板的平均溫度作為軋制過程溫度的控制點，避免因表面溫度存在測量誤差，以及表面溫度控制受制于軋制過程中鋼板的厚度變化，很難對軋制的各個階段的軋制溫度進行精確把握；采用平均溫度則避免了以上不確定因素，實現(xiàn)了本發(fā)明鋼制造工藝的精確控制；6、由于通過終止冷卻溫度控制，充分利用了Nb對相變的影響及析出作用，達到控制組織類型、細(xì)化組織及析出強化效果，提高強度和韌性作用；同時這一因素決定本發(fā)明的終冷溫度與以往的高強度、高韌性鋼板制造工藝中有了很大的提高，這樣可以保證鋼板在冷卻之后進行熱矯的溫度，降低熱矯直機的負(fù)荷和矯直能耗。具體實施方式本發(fā)明的高強度高韌性可焊性熱軋鋼板是一種新型的低成本微合金化高強度低合金控軋控冷鋼,采用低碳、高錳、高鈮無鉬、無釩(或加入少量釩)和無鎳(或加入少量鎳)的低成本合金化設(shè)計。鋼中主要元素的設(shè)計依據(jù)如下碳(C):碳是影響管線鋼強度、韌性、硬度及焊接性能的主要元素，碳含量的增加，對提高鋼的強度有明顯作用。但碳含量的增加會對鋼的延性、韌性及悍接性能有負(fù)面影響。所以，本發(fā)明選擇的碳含量為0.03-0.09%,—方面主要是考慮過低的碳會使得鋼板的屈強比增高，另一方面主要是考慮鋼板的韌性及優(yōu)良的焊接性能。錳(Mn):固溶強化元素，既可以提高鋼的強度也能夠改善鋼的韌性。適度提高鋼的淬透性，擴大Y相區(qū)，降低鋼的Y—a相變溫度，有助于獲得細(xì)小的相變產(chǎn)物。此外，錳還能提高微合金元素鈮(Nb)在鋼中的溶解度，抑制碳氮化鈮的析出。因此，本發(fā)明鋼采用的錳含量為1.42.0%。鈮(Nb):鈮是有效的晶粒細(xì)化元素，能夠明顯的抑制奧氏體晶粒長大，延遲Y—a轉(zhuǎn)變，從而獲得更加細(xì)小的組織。在熱軋過程中，析出的碳氮化鈮可以延遲再結(jié)晶及晶粒的長大過程，碳氮化鈮通過釘扎位錯，使得基體中可以保留更多的位錯密度，提高鋼的強度和韌性。固溶狀態(tài)的鈮可以延遲Y—a轉(zhuǎn)變，細(xì)化鐵素體晶粒，提高鋼的韌性，在冷卻過程中固溶的鈮可以繼續(xù)以Nb(CN)析出，進一步提高鋼的強度。本發(fā)明中，采用0.05-0.13%的高鈮設(shè)計，體現(xiàn)了以上的分析精神，達到替代Mo的細(xì)化組織、沉淀強化的作用，降低鋼的成本。鈦(Ti):鈦是強的固氮元素，可以與氮形成TiN顆粒，從而可以在坯料加熱過程中抑制奧氏體晶粒的粗化，起到細(xì)化晶粒的作用，提高鋼的低溫韌性；同樣，TiN顆粒對焊接熱影響區(qū)晶粒的長大能夠起到很好的抑制作用，改善焊接性能。此外，鈦可以與鈮復(fù)合析出，提高(TiNb)(CN)的熱穩(wěn)定性，對加熱過程中坯料奧氏體晶粒的長大及焊接熱彰響區(qū)晶粒的粗化起到很好的抑制作用，改善鋼板的韌性，提高鋼板的焊接性能。鈦的加入量一般不低于氮的3.4倍，本發(fā)明中鈦的加入量為0.01-0.025%。銅(Cu):銅能夠提高鋼板及焊接熱影響區(qū)的強度，銅的沉淀作用還可以提高鋼的抗疲勞性能；此外，銅的另一個作用是提高鋼板的耐腐蝕性能，近加入0.1%的銅就可以顯著提高鋼的耐大氣腐蝕性。但過量的銅對焊接熱影響區(qū)及焊接區(qū)的韌性是不利的，本發(fā)明鋼采用了不大于0.3%的加入量。鉻(Cr):鉻同樣是碳化物形成元素，能夠提高鋼板硬度，起到沉淀強化的作用；鉻作為鐵素體形成元素，在高Nb鋼中可以得到更多的針狀鐵素體組織；鉻還能夠提高鋼的抗腐蝕及耐氫致開裂性能。然而，過量的鉻將降低鋼板的延伸性能，促進晶粒的長大而影響韌性，導(dǎo)致焊接區(qū)域的冷裂紋的產(chǎn)生。因此，本發(fā)明中只采用了相對較安全的加入量，本發(fā)明鋼采用了不大于0.3%的加入量。鎳(Ni):鎳通過固溶強化提高鋼的強度，和Mo相比，加入的鎳傾向于形成更少的硬化相，從而對低溫韌性有利；同時，鎳還有助于改善^l中加銅引起的熱脆性。本發(fā)明鋼采用了不大于0.25%的加入量，也可不加入鎳。釩(V):析出強化及細(xì)化晶粒元素，能夠與C、N元素形成VC和VN析出相，提高鋼的強度，本發(fā)明中V為輔助添加元素，本發(fā)明鋼采用了不大于0.06%的加入量，或干脆不加入釩元素。本方明的特點之一采用了低成本的合金化設(shè)計，不添加鉬，不添加或少量添加釩和鎳這些成本昂貴的元素，采用了低碳、高鈮的基本成分設(shè)計思路，輔以錳、銅、鉻等元素及微鈦處理，結(jié)合精確的軋制冷卻工藝控制，實現(xiàn)性能穩(wěn)定的高強度高強韌性和可焊性熱軋鋼板的生產(chǎn)。其化學(xué)成分重量百分比為碳0.030.09%;硅0.150.35%;錳1.402.0%;鋁0.020.05%;鈮0.050.13%;鈦0.0100.025%;銅《0.30%;鎳《0.25%;鉻:《0.30%;磷:《0.012%;硫《0.004%;氮《0.004%;釩《0.06%,其余均為鐵。本發(fā)明的微合金化高強度低合金控軋控冷鋼鋼板主要應(yīng)用于輸送管線、海洋平臺、鍋爐和壓力容器、橋梁和工程機械等重要場合，因此具有良好的焊接性能，包括廣泛的焊接工藝適應(yīng)性，高抗裂紋性，適用于大線能量焊接。鋼板焊接裂紋敏感性與焊接后自淬性有關(guān)，碳當(dāng)量Ceq和裂紋敏感指數(shù)Pcm決定了鋼板的淬硬傾向。由于微合金化高強度低合金控軋控冷鋼成分設(shè)計簡單，合金總量減少，特別是碳含量低，為提高該鋼種的抗冷裂性提供了保證。為提高焊接效率，埋弧自動焊、氣電焊(單絲、多絲、熔嘴)、電渣焊(KES、SES)廣泛應(yīng)用，隨焊接線能量的增加對焊接熱影響區(qū)韌性的損傷越來越明顯。這就要求新型微合金鋼能有效阻止HAZ晶粒粗化的技術(shù)。鋼中氮化鈦和其它的鈦鈮碳氮化物具有高溫穩(wěn)定性，對釘扎晶界、阻止晶粒長大的作用，能夠使鋼板承受的焊接線能量大大提高。本發(fā)明的特點之二是采用了較低的碳當(dāng)量Ceq和裂紋敏感指數(shù)Pcm，發(fā)明鋼中的碳當(dāng)量Ceq[=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15]不大于0.45，裂紋敏感指數(shù)Pcm[二C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B]不大于0.23。由于降低了冷裂紋的敏感性，在一定程度上簡化了焊接工藝，減小了焊接加工的制造成本。同時微合金化也提高了焊接熱影響區(qū)的綜合性能，焊接線能量得以提高，可實現(xiàn)高效焊接。本發(fā)明的高強度高韌性鋼的熱軋鋼板的制造方法，軋制及冷卻過程中的溫度控制，采用坯料的平均溫度作為最終的參考依據(jù)，坯料表面溫度為參考量。鋼板制造工藝設(shè)計中，利用流變應(yīng)力隨溫度的變化，來精確把握再結(jié)晶區(qū)、非再結(jié)晶區(qū)及混晶區(qū)，從而得到比較精確的溫度控制，達到溫度控制軋制的目的。以往的工藝規(guī)定的鋼板粗軋結(jié)束溫度、精軋結(jié)束溫度基本上都是表面溫度控制，其溫度控制往往受制于軋制過程中鋼板的厚度變化，這樣使得軋制的各個階段比較難于把握；本發(fā)明則克服以上的缺點，采用鋼板的平均溫度作為控制軋制各階段的起點和終點，消除厚度的影響，達到精確控制的目的。在鋼板軋后冷卻方面，本發(fā)明的終止冷卻溫度控制范圍在500-600°C，充分利用高Nb對Y—a相變的延遲來獲得更多的針狀鐵素體組織，以及這一終冷溫度下仍能使固溶Nb繼續(xù)析出而提高強度的特點，達到提高鋼的強度和韌性的目的。這使得本發(fā)明既保證了鋼板強度和韌性，又避免鋼板冷卻之后進行熱矯所需的溫度，降低熱矯直機的負(fù)荷和矯直能耗。高強度高韌性熱軋鋼板的具體制造方法，工藝步驟包括按照權(quán)利要求1的成分進行配比備料、鐵水預(yù)脫硫、轉(zhuǎn)爐冶煉、LF精煉、RH(VD)處理、板坯連鑄、板坯再加熱、溫度控制軋制、控制冷卻、熱矯直、冷床冷卻、堆冷，溫度軋制及冷卻控制中，軋制過程中坯料的平均溫度最有價值，利用表面測量溫度受厚度的影響，以下溫度控制皆為平均溫度；板坯再加熱溫度控制在1180-1260°C;粗軋結(jié)束溫度1100-1220°C;精軋開始溫度840-1000°C，精軋階段總的壓縮比》65%，其結(jié)束溫度800-930°C;終冷溫度500-600°C，冷卻速率8_25°C/s。采用以上合金成分和生產(chǎn)工藝生產(chǎn)的高強度高韌性可焊性的熱軋鋼板的寬度最大達4400mm，厚度達42mm。以上所述高強度高韌性熱軋鋼板屈服強度大于500MPa，抗拉強度大于630MPa，屈強比小于0.90，延伸率大于23%(采用直徑12.7mm圓棒試驗，標(biāo)距50.8mm);—2(TC的V型缺口夏比沖擊試驗吸收功大于250J，剪切面積大于90%;—2(TC落錘撕裂試驗(DWTT)的剪切面積大于90%。具體實施例表1給出了本發(fā)明的高強度高韌性可焊性熱軋鋼板化學(xué)成分的8個實例表1高強度高韌性可焊性熱軋鋼板的化學(xué)成分(wt90序硅銅鉻鎳碳c磷P硫s鈮Nb鈦Ti鋁A1釩v氮NCeqPcm號SiMnCuCrNi10.0800.251.500.0120.0040.0540.0160.0360.17--—0.0030.340.1720.0560.261.660.0100.0030.0670.0170.035一—-0.0460.0040.340.1530.0500.251.760.0080.0030.0950.0150.0340.220.22—-0.0030.400.1740.0490.221.800.0080.0020.1220.0150.0430.240.21一0.0030,410.1750.0650.201.760.0100.0030.0940.0120.0250.260.24——0.0030.420.1860.0620.211.710.0100.0030.0900.0140.0370.240.25一一0.0040.410.1870.0300.352.000.0080.0020.1300.0250.0500,250.250.15一0.0040.440.1780.0900,151.400.0060.0040.0500.0100.0200.300.300.250.060.0040.430.21表2給出了表l中所列8個不同成分鋼板的主要控制控冷工藝軋制工藝參數(shù)。序號鋼板尺寸，mm(厚度x寬均熱段溫度，°c粗軋溫度區(qū)間，°C精軋溫度區(qū)間，°C精軋累計變形終冷溫度，°C冷卻速率，度)量，％°C/s119X34001180--12101160-1100950-8406560013219X44001200--12201170-1110960-8607057016322X39501210--12301180-1120970-8406553018422X39501230--12501190-1130980-8707055018526.4X39501230--12501220-1170980-8807455018642X38001210--12301180-1130960-8806551016720X32001240--12601180-11201000-9306550025820X32001180--12001160-1100940-840656008.在上述實施例中，這種熱軋鋼板的焊接工藝采用4絲埋弧悍，電流在450IOOOA，電壓在2030之間，熱輸入45KJ/cm，焊絲移動速度1.7m/min，一道填充。表3給出了本發(fā)明強度高韌性鋼板的焊縫及熱影響區(qū)的力學(xué)性能測試結(jié)果表3上述兩種熱軋鋼板的焯縫及熱影響區(qū)的拉伸斷口及夏比沖擊韌性值<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>硬度試驗在焊接橫截面上進行硬度試驗，硬度測試點焊接的接縫處。表4為上述熱軋鋼板中的兩種在焊接區(qū)域硬度值<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>權(quán)利要求1、一種高強度高韌性熱軋鋼板，其化學(xué)成份及各成份的重量百分比為碳0.03～0.09％；硅0.15～0.35％；錳1.40～2.0％；鋁0.02～0.05％；鈮0.05～0.13％；鈦0.010～0.025％；銅≤0.30％；鉻≤0.30％；磷≤0.012％；硫≤0.004％；氮≤0.004％；其余均為鐵，且碳當(dāng)量Ceq應(yīng)不大于0.44，裂紋敏感指數(shù)Pcm應(yīng)不大于0.23。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高強度高韌性熱軋鋼板，其特征在于所述的化學(xué)成份中還含有鎳，鎳的重量百分比為《0.25%。即為進一步降低成本，可不用鎳，也可使用少量的鎳。3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高強度高韌性熱軋鋼板，其特征在于所述的化學(xué)成份中還含有釩，釩的重量百分比為《0.046%。4、一種高強度高韌性熱軋鋼板的生產(chǎn)方法包括步驟為設(shè)計成份進行配比備料，然后鐵水預(yù)脫硫、轉(zhuǎn)爐冶煉、LF精煉、RH(VD)處理、板坯連鑄、板坯再加熱、溫度控制軋制、控制冷卻、熱矯直、冷床冷卻、堆冷。其特征在于在溫度軋制及冷卻控制中，軋制過程中坯料的平均溫度最有價值，利用表面測量溫度受厚度的影響，以下溫度控制皆為平均溫度；板坯再加熱溫度控制在-1180-1260°C;粗軋結(jié)束溫度1100-1220。C;精軋開始溫度840-1000°C，精軋階段總的壓縮比》65%，其結(jié)束溫度800-930°C;終冷溫度500-600°C，冷卻速率8-25°C/s。全文摘要本發(fā)明公開了一種高強度高韌性熱軋鋼板，其化學(xué)成份及各成份的重量百分比為碳0.03～0.09％；硅0.15～0.35％；錳1.40～2.0％；鋁0.02～0.05％；鈮0.05～0.13％；鈦0.010～0.025％；銅≤0.30％；鉻≤0.30％；磷≤0.012％；硫≤0.004％；氮≤0.004％；其余均為鐵；且碳當(dāng)量Ceq應(yīng)不大于0.44，裂紋敏感指數(shù)Pcm應(yīng)不大于0.23，其生產(chǎn)步驟為鐵水預(yù)脫硫、轉(zhuǎn)爐冶煉、LF精煉、RH(VD)處理、板坯連鑄、板坯再加熱、溫度控制軋制、控制冷卻、熱矯直、冷床冷卻、堆冷；其優(yōu)點是可省略鉬、節(jié)約鎳，降低合金成本；鋼板焊接性量好；軋制效率高；生產(chǎn)控制精確。文檔編號C22C38/38GK101397626SQ20071019697公開日2009年4月1日申請日期2007年12月7日優(yōu)先權(quán)日2007年12月7日發(fā)明者張曉兵,王志福,聶文金申請人:江蘇沙鋼集團有限公司