專利名稱：一種提高大線能量焊接性能的鋼板冶煉方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于冶金技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種提高大線能量焊接性能的鋼板冶煉方法。
背景技術(shù)：
在造船、建筑、壓力容器、石油天然氣管線及海洋平臺等領(lǐng)域，為了提高工程結(jié)構(gòu)的焊接效率，焊接效率較好的單面埋弧焊、氣電焊、電渣焊等大線能量焊接技術(shù)相繼被采用。而隨之帶來的問題就是焊接熱影響區(qū)的強(qiáng)度、韌性隨焊接線能量的提高而大幅度下降。因此防止焊接過程熱影響區(qū)性能的惡化是開發(fā)大線能量焊接用鋼的關(guān)鍵。研究表明，提高鋼板大線能量焊接性能的措施之一是細(xì)化焊接熱影響區(qū)的奧氏體晶粒，措施之二是在焊接冷卻從奧氏體到鐵素體的相變過程中促進(jìn)晶內(nèi)針狀鐵素體的形成。而利用彌散分布的夾雜物不僅可作為釘扎粒子在焊接過熱循環(huán)過程中釘扎奧氏體晶界，從而抑制奧氏體晶粒的長大，而且可以作為針狀鐵素體的形核，促進(jìn)針狀鐵素體的轉(zhuǎn)變，從而大幅度提高大線能量焊接性能。而作為釘扎的粒子必須具備在鋼材中的分散性和焊接高溫下的穩(wěn)定性兩種特性。中國專利ZL 200710052135.2 “一種大線能量焊接高強(qiáng)度海洋用鋼板及其制造方法”采用Ti203、Al2O3粒子釘扎，有利于在焊接熱循環(huán)的高溫下穩(wěn)定存在，但這些粒子直徑較大，不能很好地抑制奧氏體晶粒的長大。中國專利CN 102191429 A “一種提高厚鋼板大線能量焊接性能的方法”、中國專利CN 102191356 A “大線能量焊接用厚鋼板的夾雜物控制方法”、中國專利CN 102296147 A “大線能量焊接用厚鋼板中納米析出物的控制方法”采用MgO粒子進(jìn)行釘扎，既可在焊接熱循環(huán)的1400°C高溫下穩(wěn)定存在，又可形成納米級夾雜，但其為50Kg真空感應(yīng)爐中進(jìn)行，無法試用于工業(yè)化生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種提高大線能量焊接性能的鋼板冶煉方法，該方法可工業(yè)化冶煉形成細(xì)小彌散的納米級夾雜物，有效釘扎焊接熱影響區(qū)奧氏體晶粒長大，從而達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)大線能量焊接用鋼板的要求。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):
一種提高鋼板大線能量焊接的冶煉方法，冶煉工藝流程依次為轉(zhuǎn)爐煉鋼、鋼包爐精煉、真空爐精煉、連鑄。鋼的成分組成按質(zhì)量百分比為C彡0.10%, Si=0.1% 0.3%,Mn=L 3%
1.7%, P 彡 0.015%, S 彡 0.005%, Ti=0.01% 0.12%, Ni ( 0.5%, Cu ( 0.5%, Cr ( 0.3%,Mo ( 0.3%, Mg=0.0001% 0.005%, B=0.0005% 0.002%, Al=0.005% 0.025%, Ca=0.001%
0.003%, N 彡 0.005%, O 彡 0.005%，其余為 Fe。鋼液添加脫氧劑的種類和順序?yàn)镸n、Si — Ti — Al — Mg — Ca。轉(zhuǎn)爐出鋼采用Mn、Si脫氧，鋼包爐脫氧采用T1、Al、Mg、Ca脫氧。轉(zhuǎn)爐煉鋼控制終點(diǎn)定氧0=60(Tl200ppm，終點(diǎn)碳含量C彡0.050% ;終點(diǎn)磷含量P^0.009%,出鋼時(shí)往鋼包中先加入硅鐵進(jìn)行脫氧，加入錳鐵合金進(jìn)行合金化。
鋼包爐精煉開始Ti脫氧前控制氧O ( 150ppm。開始加入脫氧劑，嚴(yán)格按照此Ti鐵-Al線一N1-Mg線一Ca線順序添加，且間隔時(shí)間不超過5min。精煉結(jié)束后要求爐渣FeO+MnO ( 1.5% ；
真空爐精煉確保氫HSl.5ppm。本發(fā)明調(diào)節(jié)各元素組成的發(fā)明原理:
C:隨著C含量的增加，母材和焊接熱影響區(qū)的韌性和焊接性能減低，因此將C含量設(shè)計(jì)為彡0.10% ；
S1:是本發(fā)明脫氧所需的化學(xué)元素，但含量過高會降低焊接性能，因此設(shè)計(jì)Si 0.1%
0.3% ；
Mn:可提高母材強(qiáng)度，同時(shí)MnS的析出有利于晶內(nèi)鐵素體的生成，但過高的Mn會加劇板坯的中心偏析，從而導(dǎo)致降低母材和焊接熱影響區(qū)韌性，因此，Mn的范圍為1.3% 1.7% ；P:含量過高，也導(dǎo)致板坯的中心偏析，P上限為0.015% ；
S:含量過高，也導(dǎo)致板坯的中心偏析，S上限為0.015% ；
N:含量超過0.005%，將導(dǎo)致N固溶，降低母材和焊接熱影響區(qū)的韌性；
Cu:可以提高母材的強(qiáng)度和韌性，但Cu含量過高，將導(dǎo)致熱脆性，將Cu設(shè)計(jì)< 0.5% ； N1:可以提高母材的強(qiáng)韌性，但價(jià)格昂貴，將Ni設(shè)計(jì)< 0.5% ；
T1:可固定鋼水中N元素，形成 TiN析出物，有利于焊接熱影響區(qū)韌性，其含量根據(jù)鋼水中N含量而定，本發(fā)明Ti為0.01% 0.12% ；
Cr:可提高母材強(qiáng)度，但含量過高會降低韌性，其上限為0.3% ；
Mo:可提高母材強(qiáng)度，但價(jià)格昂貴，其上限為0.3% ；
B:微量的B，可與Ti形成TiB、或與N形成BN，促進(jìn)焊接過程中針狀鐵素體的形成，從而提高焊接性能，但量大會增加鋼板的脆性，B含量為0.0005% 0.002% ；
Mg:若鎂含量太少，生成的微細(xì)夾雜物的數(shù)量減少，不能滿足大線能量焊接的要求，若鎂含量太多，其作用已飽和，同時(shí)增加Mg的蒸發(fā)和氧化損失，因此Mg含量為0.0001%
0.005% ；
Ca:作為鋼水的脫氧劑，但Ca含量過高，容易形成粗大的氧化物和硫化物夾雜，對焊接性能不利，因此Ca含量為0.001% 0.003% ；
Al:作為鋼水的脫氧劑，Al含量高容易形成鎂鋁尖晶石夾雜，不利于微細(xì)微細(xì)彌散分布夾雜物，但由于目前大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)中對Al含量有要求，因此Al含量為0.005% 0.025% ；O:作為本發(fā)明的重要元素，鋼水中的氧與其他合金元素形成氧化物通常以大顆粒夾雜物存在，對鋼板的強(qiáng)韌性有破壞作用，但本發(fā)明中O與Mg形成MgO，以納米級顆粒存在，成為針狀鐵素體的形成，從而改善焊接性能，嚴(yán)格控制0S 0.005% ；
Nb、V:由于降低焊接熱影響區(qū)韌性，本發(fā)明不添加Nb、V元素。本發(fā)明通過在冶煉過程，采用合適的脫氧劑添加順序，并精確控制氧含量，鋼水中形成細(xì)小彌散的納米級夾雜物，有效釘扎焊接熱影響區(qū)奧氏體晶粒長大，從而達(dá)到大線能量焊接用鋼板的要求。采用本發(fā)明，具有控制簡單、可規(guī)模化進(jìn)行工業(yè)化大生產(chǎn)大線能量焊接用鋼。
具體實(shí)施方式
下列結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。一種提高大線能量焊接性能的鋼板冶煉方法的實(shí)施例，冶煉過程為120t頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐——120t LF鋼包爐精煉——120t VD真空精煉——連鑄。轉(zhuǎn)爐:控制終點(diǎn)定氧0=60(Tl000ppm，終點(diǎn)碳含量彡0.050% ;終點(diǎn)P含量(0.009%，出鋼溫度162(Tl640°C ;出鋼時(shí)往鋼包中先加入硅鐵進(jìn)行脫氧、加入錳鐵合金進(jìn)行合金化，禁止加入招鐵；
LF爐:到站后取樣、測溫、定氧、測量渣厚；第一次送電后定氧，若氧含量超過150ppm，則加入Si鐵調(diào)整氧含量達(dá)到彡150ppm范圍，當(dāng)氧含量達(dá)到彡150ppm范圍，加入Ti鐵，攪拌3 4分鐘后喂Al線對鋼水進(jìn)行脫氧。喂入鋁線攪拌3 4分鐘后，喂入N1-Mg。喂入N1-Mg線攪拌3 4分鐘 后，喂入Ca線，然后再進(jìn)行成分調(diào)整。嚴(yán)格按照Ti鐵一Al線一N1-Mg線一Ca線順序添加，且間隔時(shí)間不超過5min。精煉過程中可以根據(jù)氧含量適當(dāng)加鋁粒進(jìn)行渣面脫氧，鋁粒應(yīng)分多次逐漸添加；精煉結(jié)束后要求爐渣FeO+MnO ( 1.5% ；
VD爐:真空度0.5tor以下，保持時(shí)間不小于20min破真空軟吹時(shí)間彡15min。目標(biāo)H^l.5ppm。連鑄:二冷水表采用較弱冷卻，矯直溫度大于900°C，中包使用無碳覆蓋劑，中包過熱度< 15°C。大包采用長套管加氬氣密封保護(hù)澆注，中包加覆蓋劑保護(hù)澆注。采用下水口加密封圈保護(hù)澆注。鑄坯下線堆冷24h以上，以減少偏析。表I列出實(shí)施例和對比例的化學(xué)成分對比。表2列出實(shí)施例和對比例的母材拉伸性能和沖擊韌性能，以及焊接熱影響區(qū)在不同線能量焊接下的沖擊韌性。母材屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和斷面收縮率為兩個(gè)測量數(shù)據(jù)的平均值，母材和焊接熱影響區(qū)在不同線能量焊接下的-40°C夏比沖擊功是三個(gè)測量數(shù)據(jù)的平均值。從表2中可見，實(shí)施例和對比例的母材力學(xué)性能相近，無明顯差異，但焊接熱影響區(qū)_40°C夏比沖擊功對比明顯，在線能量為160KJ/cm 400KJ/cm時(shí)，實(shí)施例1 實(shí)施例5的值全部> 100J，而對比例的值僅分別為36J、27J、18J。實(shí)施例的焊接熱影響區(qū)的沖擊韌性大幅度提高，可滿足400KJ/cm的大線能量焊接性能的要求。本發(fā)明通過在冶煉過程采用合適的脫氧劑添加順序并精確控制氧含量，鋼水中形成細(xì)小彌散的納米級夾雜物有效釘扎焊接熱影響區(qū)奧氏體晶粒長大，從而達(dá)到大線能量焊接用鋼板的要求。該技術(shù)具有控制簡單、可規(guī)?；M(jìn)行工業(yè)化大生產(chǎn)大線能量焊接用鋼，廣泛用于船板、容器用鋼、建筑用鋼等鋼板的冶煉過程，用于改善鋼板的大線能量焊接性能。表I實(shí)施例和對比例中的化學(xué)成分(mass%)
權(quán)利要求
1.一種提高大線能量焊接性能的鋼板冶煉方法，工藝流程依次為轉(zhuǎn)爐煉鋼、鋼包爐精煉、真空爐精煉、連鑄，其特征在于: 鋼的化學(xué)組成質(zhì)量百分比為C≤0.10%, Si=0.1% 0.3%,Mn=L 3% 1.7%，P≤0.015%,S≤ 0.005%, Ti=0.01% 0.12%, Ni ≤ 0.5%, Cu≤ 0.5%, Cr≤ 0.3%, Mo ≤0.3%, Mg=0.0001% .0.005%, B=0.0005% 0.002%, Al=0.005% 0.025%, Ca=0.001% 0.003%, N ≤ 0.005%,O≤0.005%，其余為Fe ； 鋼液添加脫氧劑的種類和順序?yàn)镸n、Si→ Ti → Al →Mg → Ca，轉(zhuǎn)爐出鋼采用Mn、Si脫氧，鋼包爐脫氧采用T1、Al、Mg、Ca脫氧； 轉(zhuǎn)爐煉鋼控制終點(diǎn)定氧0=60(Tl200ppm，終點(diǎn)碳含量C ≤0.050%,終點(diǎn)磷含量P≤0.009%,出鋼時(shí)往鋼包中先加入硅鐵進(jìn)行脫氧，加入錳鐵合金進(jìn)行合金化； 鋼包爐精煉開始Ti脫氧前控制氧O ≤ 150ppm，開始加入脫氧劑，嚴(yán)格按照Ti鐵-Al線一N1-Mg線一Ca線順序添加，且間隔時(shí)間不超過5min，精煉結(jié)束后要求爐渣FeO+MnO ≤1.5% ； 真空爐精煉確保氫H≤l.5ppm。
全文摘要
一種提高大線能量焊接性能的鋼板冶煉方法，工藝流程依次為轉(zhuǎn)爐煉鋼、鋼包爐精煉、真空爐精煉、連鑄，鋼的化學(xué)組成質(zhì)量百分比為C≤0.10%，Si=0.1%～0.3%，Mn=1.3%～1.7%，P≤0.015%，S≤0.005%，Ti=0.01%～0.12%，Ni≤0.5%，Cu≤0.5%，Cr≤0.3%，Mo≤0.3%，Mg=0.0001%～0.005%，B=0.0005%～0.002%，Al=0.005%～0.025%，Ca=0.001%～0.003%，N≤0.005%，O≤0.005%，其余為Fe。本發(fā)明采用合適的脫氧劑添加順序并精確控制氧含量，鋼水中形成細(xì)小彌散的納米級夾雜物，有效釘扎焊接熱影響區(qū)奧氏體晶粒長大，從而達(dá)到大線能量焊接用鋼板的要求。
文檔編號C22C38/14GK103215507SQ20131013507
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月18日
發(fā)明者劉建兵, 李玲玲, 肖大恒, 楊勇, 孫小平, 于青 申請人:湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司