低碳當(dāng)量高韌性正火態(tài)特厚鋼板的開發(fā).doc

低碳當(dāng)量高韌性正火態(tài)特厚鋼板的開發(fā)王彥鋒 楊永達(dá) 李春智 姜中行(首鋼技術(shù)研究院，北京 100043)摘 要 清潔能源需求和蘊藏在近海豐富的風(fēng)能資源，極大推動了海上風(fēng)電項目的發(fā)展，刺激了近海風(fēng)電工程結(jié)構(gòu)用特厚鋼板的需求。由于該鋼種的特殊服役條件，要求其具有-60心部和橫向低溫沖擊韌性、低碳當(dāng)量易焊接性能。本研究采用低碳含銅成分設(shè)計、特厚板軋制工藝等技術(shù)，開發(fā)了355MPa級別的海上風(fēng)電用低碳當(dāng)量高韌性正火態(tài)特厚鋼板，并實現(xiàn)批量生產(chǎn)和海上風(fēng)電工程的應(yīng)用。關(guān)鍵詞 特厚板 正火 低溫韌性引言現(xiàn)代社會對清潔能源需求和蘊藏在近海豐富的風(fēng)能資源，都極大推動了世界各國海上風(fēng)電項目的發(fā)展，刺激了海上風(fēng)電工程結(jié)構(gòu)用特厚鋼板的需求，特別是對用于建設(shè)近海風(fēng)電工程結(jié)構(gòu)的50130mm厚度規(guī)格的355MPa級特厚鋼板需求比例較大，主要用于塔架、管樁及法蘭等。海洋能源設(shè)備主要利用潮汐、海流、波浪及海水溫差進(jìn)行能源開發(fā)，除要經(jīng)受風(fēng)、浪、流的沖擊外，還要考慮臺風(fēng)、冰、地震等災(zāi)害性環(huán)境力的作用。服役條件決定鋼板的性能特征，近海工程結(jié)構(gòu)用鋼必須具有良好的心部和橫向低溫沖擊韌性、抗層狀撕裂、低碳當(dāng)量易焊性等特點。目前國內(nèi)相關(guān)單位正在研究制定該系列鋼板的國家標(biāo)準(zhǔn)，用戶主要參照歐洲EN10225標(biāo)準(zhǔn)。1鋼種成分與工藝設(shè)計1.1成分設(shè)計結(jié)合該類正火態(tài)鋼板的質(zhì)量要求和性能使用特點，鋼板化學(xué)成分設(shè)計以低合金鋼為基礎(chǔ)，采用0.10%左右的碳，滿足低碳當(dāng)量要求（碳當(dāng)量0.40%，Pcm0.21%）；并適當(dāng)添加Nb、Ti微合金元素，添加微合金Nb、Ti元素可以阻止連鑄坯加熱和正火處理過程中原始奧氏體晶粒長大1-2，細(xì)化晶粒；采用Cu的時效析出強化作用提高鋼板強度3，特別是可改善特厚板心部強度。1.2 工藝設(shè)計由于該鋼種在特殊服役條件下的規(guī)格和性能要求，采用300-400mm厚度的連鑄坯和正火處理來保證鋼板質(zhì)量具有較大的優(yōu)勢。因此該系列鋼板的工藝路線為：鐵水預(yù)處理100噸頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐LF爐精煉RH真空處理400mm厚板坯連鑄加熱爐除鱗4300mm軋制精整探傷正火檢驗合格發(fā)貨。為改善鋼板心部力學(xué)性能,粗軋過程中盡可能提高粗軋道次壓下率,提高坯料心部形變量；另一方面,減少精軋階段變形量，以減少低溫形變對厚度方向組織不均勻的影響，精軋階段主要起控制鋼板尺寸精度的作用；為了提高特厚鋼板心部橫向低溫沖擊值，需要合理選擇坯型，控制展寬比；軋制后鋼板通過正火熱處理，改善鋼板厚度方向組織均勻性和心部沖擊韌性。2試驗結(jié)果2.1試制成分和工藝表1 試制鋼板的典型成分鋼種牌號C%Si%Mn%P%S%Nb%Ti%Cu%Ceq%S355G8+N0.10.351.450.0120.003適量適量適量0.38試制工藝：粗軋開軋溫度10501100之間,精軋待溫厚度大于成品板厚度20mm，再軋溫度850900,終軋溫度800850之間，鋼板空冷后堆垛，探傷合格后進(jìn)行正火處理，正火溫度870-900，保溫1.4min/mm。2.2試制結(jié)果在鋼板1/4處取橫向拉伸試樣，在鋼板心部取橫向沖擊試樣，在0，-20，-40，-60下進(jìn)行系列沖擊。鋼板屈服強度在375-416MPa之間，抗拉強度在488-513MPa之間，-60心部沖擊功在124-209J之間，Z向斷面收縮率48.5-79%之間，滿足Z35的要求，典型性能指標(biāo)如表2所示。表2 鋼板力學(xué)性能規(guī)格/mmReH/MPaRm/MPaA/%-60心部Akv/JZ向6041650936.518370.067.570.07039550534.0 17361.567.559.09039050332.5 14656.554.562.5圖1為鋼板心部橫向沖擊結(jié)果,顯示開發(fā)鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度在-60以下。圖1 典型規(guī)格鋼板韌脆轉(zhuǎn)變溫度曲線圖2為厚90mm 開發(fā)鋼板的表面及心部組織，鋼板表面及心部組織為鐵素體+珠光體，正火后表面、1/4和心部晶粒得到細(xì)化，組織均勻，鋼板1/4和心部晶粒度均在10級左右。對Z向拉伸試樣進(jìn)行掃描斷口分析，圖2-C為斷口宏觀 （a）1/4位置金相 （b）1/2位置金相（c）Z向拉伸斷口宏觀形貌 （d）Z向拉伸斷口微觀形貌圖2 試制的90mm厚鋼板正火組織形貌，斷口邊部有明顯剪切唇，圖2-D為斷口微觀形貌，斷口內(nèi)有大量的韌窩，未發(fā)現(xiàn)大顆粒硫化物存在，斷口是典型的韌性斷裂，Z向斷面收縮率較高。開發(fā)鋼的試制結(jié)果表明，鋼板厚度方向組織和性能均勻；通過采用合理的控軋和正火工藝，鋼板強度、塑性、低溫韌性及Z向性能優(yōu)良,未隨鋼板厚度增加而明顯降低；生產(chǎn)的低碳當(dāng)量高韌性正火態(tài)特厚鋼板的綜合性能優(yōu)良。3討論3.1銅在厚規(guī)格正火態(tài)鋼板生產(chǎn)中的作用為了滿足用戶較嚴(yán)格的焊接性能（碳當(dāng)量0.40%，Pcm0.21%）和對鋼板心部低溫沖擊性能的要求，降低碳含量是一個重要途徑。但是隨著碳和碳當(dāng)量的降低，為了保證正火鋼板的強度，必須采用其他的強化手段。資料研究表明，采用Cu的時效析出強化能夠很好的提高鋼板強度，改善心部性能。采用Cu的析出強化作用（見圖33），充分利用厚度方向上冷速不同，正火后Cu在慢冷下析出多，彌補心部組織的強度，保證鋼板在正火處理后具有良好的強度指標(biāo)要求。100nm21 圖3 鋼板中銅的析出行為 圖4 低碳當(dāng)量含銅鋼板性能對比通過添加銅，正火后在相當(dāng)?shù)偷奶籍?dāng)量下獲得了正火態(tài)鋼板的強韌性指標(biāo)和優(yōu)良的心部性能，該級別鋼板的生產(chǎn)技術(shù)在工業(yè)批量生產(chǎn)上得到應(yīng)用（圖4是生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計情況）。3.2特厚板生產(chǎn)心部綜合性能的控制對于正火態(tài)特厚規(guī)格鋼板，正火熱處理可以較大的改善鋼板性能均勻性等綜合性能。但是在其軋制工藝中，充分利用奧氏體再結(jié)晶軋制技術(shù)，可以細(xì)化奧氏體晶粒，為正火工藝創(chuàng)造條件。而在提高鋼板心部性能的各因素中，晶粒的細(xì)化作用也不可忽視。但如何有效的將軋制變形傳遞至鋼坯心部，實現(xiàn)鋼坯心部晶粒組織的充分碎化和缺陷的最大限度焊合，保證鋼板心部韌性和抗層狀撕裂性能，是厚鋼板軋制工藝的難點。A）采用特厚鑄坯進(jìn)行軋制，保證厚鋼板軋制的壓縮比大于3。為使鋼坯心部粗大的奧氏體晶粒碎化、保證探傷和提高Z向性能，采用特厚連鑄坯進(jìn)行軋制。美國DGS研究指出，為保證探傷合格，鋼板必須保證至少2.63的壓縮比；而根據(jù)現(xiàn)場試驗研究，要保證Z向性能達(dá)到Z35水平，鋼板壓縮比必須要保證3以上。首秦公司生產(chǎn)的300-400mm的特厚連鑄板坯充分滿足了產(chǎn)品需要。B）優(yōu)化再結(jié)晶軋制工藝規(guī)程，保證特厚板在再結(jié)晶區(qū)軋制的最大壓下率至少有1道次壓下率在20%以上。開發(fā)鋼種中含0.03%Nb微合金元素，再結(jié)晶終止溫度在1000左右；再結(jié)晶軋制階段道次變形量越大，奧氏體晶粒尺寸越細(xì)小。因此在成分體系、相變點和正火狀態(tài)均已確定的情況下，提高轉(zhuǎn)鋼后縱軋階段的總壓下率（精軋階段保留20mm以上的壓下量足以保證產(chǎn)品板形），可以提高再結(jié)晶區(qū)軋制道次壓下率。重要的是粗軋階段滿足至少一道次接近20%的大壓下率，并呈現(xiàn)逐漸上升趨勢，可實現(xiàn)鋼坯心部組織的充分變形，為后續(xù)相變累計形變能，如圖5。另外，減少精軋階段變形量，以減少低溫形變對厚度方向組織不均勻的影響，精軋階段主要起控制鋼板尺寸精度的作用。3.3改善特厚板心部橫向沖擊韌性的途徑海上風(fēng)電用特厚鋼板不僅要求縱向低溫沖擊功，用戶還特別要求保證心部橫向低溫沖擊功。而在實際生產(chǎn)過程中，逐漸發(fā)現(xiàn)僅僅強調(diào)粗軋階段的大壓下，甚至直接縱軋，不能給特厚板心部橫向沖擊性能帶來顯著改善，必須保證適當(dāng)?shù)恼箤挕Ｑ芯堪l(fā)現(xiàn)增加展寬比對屈服強度及抗拉強度影響不大，但顯然隨著展寬比的增加，鋼板心部橫向沖擊韌性先改善后降低（圖6）。降低原因主要是展寬比過大影響轉(zhuǎn)鋼后各軋制階段的壓下率，整體韌性下降。為改善特厚鋼板心部橫向低溫沖擊功，需要在保證大壓下率的前提下，保證一定量的展寬比，且不宜太大。圖5 130mm特厚板優(yōu)化的軋制規(guī)程 圖6 展寬比與心部橫向沖擊韌性的關(guān)系Fig.5 130mm heavy plate optimized rolling schedule Fig.6 The relationship between the broadening of the lateral impact toughness in core of plates4結(jié)論（1）在低合金鋼成分基礎(chǔ)上添加Nb、Ti、Cu等元素，采用控軋和正火工藝試制的特厚鋼板,正火后在相當(dāng)?shù)偷奶籍?dāng)量下獲得了正火態(tài)鋼板的強韌性指標(biāo)和優(yōu)良的心部性能。（2）采用首秦公司生產(chǎn)的300-400mm連鑄坯生產(chǎn)特厚板，保證壓縮比大于3，配合優(yōu)化再結(jié)晶軋制規(guī)程，保證特厚板在再結(jié)晶區(qū)軋制的最大壓下率至少有1道次在20%以上，細(xì)化了鋼板晶粒，改善了性能均勻性。（3）通過合理控制展寬比，在