专利名称：：抗层状撕裂性能优良的工程用钢及其生产方法
技术领域：
：本发明涉及合金高强钢制造领域，具体属于用于海洋钻井平台、远洋船舶、大型桥梁、高层建筑等钢结构工程并能抗层状撕裂的钢种及其生产方法。
背景技术：
：海洋钻井平台、远洋船舶、大型桥梁、高层建筑等钢结构工程对钢材的性能要求越来越高，不仅要求钢材具有良好的基本力学性能，还要求具有优良的层状抗撕裂性能，即z向性能。一般地，采用钢板厚度方向标准拉伸试样的断面收縮率Zz来衡量钢板抗层状撕裂性能的优劣，对于厚度大于15mm的钢板，通常要求Zz》15%(记为Z15)、Zz》25%(记为Z25)、Zz》35%(记为Z35)。钢结构工程如果用抗撕裂性能钢建造，可以保证工程质量，提高工程使用寿命，经济效益和社会效益巨大。因此，本发明的目的在于提供一种具有良好抗撕裂性能钢及其制造技术，满足巨型船舶、海上钻井平台、大型桥梁、高层建筑用钢的需求。在本发明申请以前，中国专利申请号为200810119506.9公开了一种"控轧控冷海洋平台用钢及其生产方法"，其化学组分及重量百分比含量为C0.050.09%，Mnl.201.60%，Si0.200.50%，NbO.030.05%,Ti0.0100.020%，V0.030.06%，S《0.005%，Als0.0200.040%，P《0.015%，余量为Fe及杂质。采用热机械控制工艺过程(TMCP)进行生产，将按成分冶炼好的钢水浇铸成220250ram厚板坯；将坯料装入板坯加热炉加热，出炉进行轧制。粗轧开轧温度在1060116(TC;精轧开轧温度在840940。C;终轧温度在780820°C;乳制钢板厚度1060mm。丌始冷却温度在760810°C;终止冷却温度在55065(TC;冷却速率在1017°C/s。其不足在于采用TMCP工艺生产的钢板微观组织结构不均匀，带状组织严重，虽然可应用于海洋平台钢结构建造，但不是一种理想的抗层状撕裂钢，因为其Zz》35M，仅满足基本技术要求，富裕量较小，在施工中仍会发生层状撕裂的问题。另一项中国专利申请号为94115981.7的文献，其公开了一种"适于高温多湿环境的耐海水腐蚀钢及其制造方法"，通过铸造、热轧后以320°C/sec的冷速加速冷却，在40(TC60(TC温度范围停止加速冷却，然后空冷。其不足在于微合金化元素太多，包括难于控制的元素N、REM等，冶炼过程中不易操作，难于控制其成分精度，增加了生产难度，提高了成本，并且成形过程中釆用轧后控制冷速冷却工艺，降低了设备利用率和生产效率，难于在实际生产过程中推广应用。中国专利申请号为200610024963.O公开了"一种抗海水和潮湿环境腐蚀钢"，其化学成分为C:0.06%0.09%,Si:0,20%0.50%,Mn:0.30%0.德，Cr:1.00%1.20%，Al:0.40%0.60%,Mo:0.25%0.35%,P《0.015%,S《0.010%，Cu《0.15%,Ni《0.20。/。，Ti《0.020%,Sn《0..020%,As《0.020%,Pb《0.0025%，Bi《0.010%，Sb《0.004%,[N]《0.030%,《0.0025%,[H]《0.00015°/。，余为Fe和不可避免的杂质。类似的，另一项中国专利申请200610024179.X公开了"一种耐海水腐蚀钢及其生产方法"，该两项耐海水腐蚀钢专利技术的化学成分十分复杂，而且对难于控制的合金元素提出了精度要求，显著增加了生产难度和成本。钢中价格昂贵的合金元素Mo含量较高，是一种不经济的钢种，且钢中A1含量很高，给生产该钢种带来很大困难，尤其是在浇铸过程中，形成的含A1氧化物及氮化物容易堵塞浇铸水口，造成生产事故。
发明内容本发明的目的在于克服现有专利技术及服役的同类钢板的不足，提供一种具有优异抗层状撕裂性能，并依据本申请所述的生产方法使钢的抗拉强度》520MPa，厚度方向拉伸断面收縮率Zz》55L组分及工艺简单，成本较低的能抗层状撕裂的工程用钢及其生产方法实现上述目的的技术措施-抗层状撕裂性能优良的工程用钢，其化学成分按重量百分比为C:0.050.35%,Si:0.01%0.85%,Mn:0.30%1.50%,P《0.015%,S《0.008%,Cr:0.15%0.85%,Ni:0.10%0.55%，Zr:0.0050.055%，余Fe和不可避免的杂质，且化学成分满足以下关系式(1):C+Cr《2Mn+Ni《3.50%(2):C+S《Zr+Cr《0.85%其在于优选的C、Si、Zr的化学成分按重量百分比为C:0.070.20%，Si:0.080.45%，Zr:0.010.035%。生产抗层状撕裂性能优良的工程用钢的方法其在于在常规的冶炼过程中采用吹氩、真空系统精炼，钢坯均热温度115(TC130(TC，保温时间至少为3小时；可逆轧机轧制过程开轧温度控制至少为IIO(TC，终轧温度控制在85(TC95(TC，在86(TC960'C条件下进行正火热处理，自然冷却至常温。本发明主要合金元素含量的设定及制造方法，依据以下原理-对于采用连铸板坯轧制厚度大于15mm的钢板，由于铸坯中心偏析、夹杂物或有害元素的影响导致钢板抗撕裂性能降低，有的甚至不能满足施工要求。海洋钻井平台、大型远洋船舶、桥梁、高层建筑等用钢厚度一般高于15mm，且在施工过程中钢板冷变形量较大，如果钢板抗撕裂性能低劣，钢结构在使用过程中就会开裂，造成事故。本发明解决钢板撕裂缺陷的关键在于釆用适量Zr处理，对钢中不可避免存在的杂质进行有效变质，形成颗粒细小、弥散分布且呈圆形的夹杂物，消除集中分布、颗粒较大(一般直径》5)um)的有害夹杂物，同时，降低钢坯合金元素偏析程度，提高钢质，避免成品钢板在加工和使用过程中出现撕裂现象。设定化学成分满足关系式C+Cr《2Mn+Ni，目的在于通过合金元素Mn和Ni的作用，降低钢中C、Cr的偏析程度，反之，如果C、Cr偏析严重，经轧制后会形成严重的带状组织，易在晶界形成CrA系列化合物，弱化晶界，导致抗撕裂性能变低劣。设定2Mn+Ni《3.501目的在于在满足抗撕裂性能的前提下，尽可能减少钢中合金元素Mn、Ni的含量，降低生产成本，提高钢种冶炼效率。钢中非金属硫化物夹杂容易变形，沿轧制方向拉长，破坏了钢中金属的连续性，极易造成钢板撕裂，因此设定C+S《Zr+Cr，通过添加适量的合金元素Zr、Cr，一方面遏制钢中C的偏析，另一方面，对钢中硫化物进行有效变质，变有害夹杂物为无害夹杂物，可大幅度提高钢的抗撕裂性能，但Zr属于贵金属元素，故设定Zr+Cr《0.85%,目的在于在满足生产条件和钢板质量的前提下，尽可能减少钢中合金元素含量，降低生产难度，另一方面，降低生产成本。以下简述本发明钢中选定各合金元素及成分范围的理由。抗撕裂性能工程用钢种一般要求钢板厚度大于15mm，最大厚度可达300mra。众所周知，钢的强度一般随厚度的增加而降低。而C是钢中较为有效、经济的间隙强化元素，控制钢中一定C含量可保障钢的强度，但是过高的C含量会增加偏析程度，降低抗撕裂性能，且使钢的断裂韧性显著降低，综合平衡钢的力学性能和抗撕裂性能，故将C含量的取值范围确定为0.05-0.35%。Si是一种廉价的置换强化元素，加入钢中可显著提高钢的强度，虽对钢的抗撕裂性能影响不大，但如果钢中Si含量偏高，会使钢的韧性，尤其使低温初性明显降低，综合钢的强度及韧性两方面的考虑，将Si的成分范围确定为0.01-0.85%.Mn不仅可以增加钢的强度，还可以降低钢的相变温度，通过控制轧制过程，细化晶粒，在提高钢的强度同时提高其断裂韧性，但若钢中Mii含量偏高，则会形成数量较多的MnS，降低钢的抗撕裂性能，故将Mn含量的范围设定为0.30-1.50%。钢中添加适量Cr，可抑制环C原子扩散，降低C的偏析，有利于抗撕裂性能的提高，另一方面，适量的Cr可提高钢的强度。但过量的Cr含量，会形成沿晶界分布的网状Cr的碳化、勿，导致钢的脆性增加，降低钢的抗撕裂性能，故将Cr含量范围设定为0.15%0.85%。钢中Ni对强度贡献不大，但可提高钢的韧性，尤其是低温韧性，且钢中添加适量的Ni，可抑制其它合金元素的扩散，减少合金元素偏析，提高抗撕裂性能。因Ni是贵重元素，且资源紧缺，若加入量过多，增加生产成本，造成不必要的浪费，故将Ni含量范围设定为0.纖0.55%。Zr是对钢中有害夹杂物变质作用十分有效的合金元素，可将钢中粗大、集中分布和非圆形夹杂物变质成无害夹杂物，显著提高钢的抗撕裂性能。Zr的熔点较高，若过量加入，增加生产难度，提高生产成本，故将Zr的范围设定为0.0050.055LP、S是钢中有害的杂质元素，降低钢的韧性，含量越低越好，但若将其含量限定得过低，会增加生产难度，提高生产成本，因此在不影响钢的抗冲刷磨蚀性能的前提下，将钢得P、S含量分别限定在P《0.015%及S《0.010%常规范围。以下简述生产方法所依据的原理钢的制造方法冶炼过程采用吹氩、真空精练，目的在于减少钢中[O]、[N]、[H]等有害气体，均匀成分，通过真空循环精练，钢中有害夹杂物充分上浮到钢水表面渣中，净化钢水。钢坯均热温度115(TC130(TC，保温时间至少3小时，足够高的温度和时间确保钢坯表层及中心部位全部奥氏体化，便于轧制，使高温下形成的粗大晶粒充分细化，改善钢的性能。将开轧温度设定为至少为IIO(TC，一般在110(TC—128(TC开始粗轧，因为设定过低，会有一些第二相沉淀析出，在轧制过程中产生裂纹，造成废品。另一方面，若开轧温度过低必将导致精轧温度降低，过低的终轧温度易形成部分特别粗大的晶粒，使得钢的机械性能降低。终轧温度设定在85(TC95(TC范围，因为该温度范围处于非再结晶区轧制过程，在该温度范围轧制可以获得良好的微观组织和理想的综合力学性能。最后在86(TC96(TC温度范围进行正火热处理，改善微观组织结构，使组织进一步均匀化，提高钢的抗层状撕裂性能。本发明钢及其制造技术具有如下优点1.化学成分相对简单，生产工艺过程容易操作，生产成本较低。2.具有优良的抗撕裂性能。具体实施例方式按照本申请生产抗层状撕裂性能优良的工程用钢的方法在常规的冶炼过程中采用吹氩、真空系统精炼，钢坯均热温度1150°C1300°C，保温时间至少为3小时；可逆轧机轧制过程开轧温度控制至少为1100°C，终轧温度控制在85(TC95(TC，在860'C960'C条件下进行正火热处理，自然冷却至常温，在组分设计要求范围，冶炼了6批本发明实施例钢，其组分取值数据见表1，表2为生产本发明钢的工艺过程、对抗层状撕裂性能Zz及抗拉强度的检测结果表。从表2可见，本发明钢的层状撕裂性能Zz》55%，表明其具有良好的抗层状撕裂性能。对比钢7由于化学成分不满足关系式(1)，不仅抗拉强度低于520MPa，且抗层状撕裂性能Zz较低，仅为.33%，未达到一般技术要求的35%.对比钢8由于化学成分不满足关系式(2)，虽然抗拉强度高于520MPa，但抗层状撕裂性能Zz很低，为28%，在工程建造过程中容易发生层状撕裂，工程质量难于保障。表l.本发明实施例化学成分(质量分数％)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>表2.生产本发明实施例钢的主要工艺条件及抗撕裂性能<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>权利要求1.抗层状撕裂性能优良的工程用钢，其化学成分按重量百分比为C0.05～0.35％，Si0.01％～0.85％，Mn0.30％～1.50％，P≤0.015％，S≤0.008％，Cr0.15％～0.85％，Ni0.10％～0.55％，Zr0.005～0.055％，余Fe和不可避免的杂质，且化学成分满足以下关系式(1)C+Cr≤2Mn+Ni≤3.50％(2)C+S≤Zr+Cr≤0.85％2.按照权利要求1所述的抗层状撕裂性能优良的工程用钢，其特征在于优选的C、Si、Zr的化学成分按重量百分比为:C:0.070.20%，Si:0.080.45%，Zn0.010.035%。3.生产权利要求1所述的抗层状撕裂性能优良的工程用钢的方法其特征在于在常规的冶炼过程中采用吹氩、真空系统精炼，钢坯均热温度115(TC130(TC，保温时间至少为3小时；可逆轧机轧制过程开轧温度控制至少为IIO(TC，终轧温度控制在850r950。C，在860。C96(TC条件下进行正火热处理，自然冷却至常温。全文摘要本发明公开了一种能抗层状撕裂的工程用钢及生产方法，其组分及重量百分比为C0.05～0.35％，Si0.01％～0.85％，Mn0.30％～1.50％，P≤0.015％，S≤0.008％，Cr0.15％～0.85％，Ni0.10％～0.55％，Zr0.005～0.055％，余Fe和不可避免的杂质，且化学成分满足以下关系式C+Cr≤2Mn+Ni≤3.50％，C+S≤Zr+Cr≤0.85％；生产方法在常规冶炼中吹氩、真空系统精炼，均热温度1150℃～1300℃，保温至少为3小时；可逆轧制开轧温度至少为1100℃，终轧温度在850℃～950℃，在860℃～960℃下进行正火热处理，自然冷却至常温。本发明钢抗拉强度达≥520MPa，厚度方向拉伸断面收缩率Zz≥55％，抗层状撕裂性能良好。文档编号C22C38/50GK101643885SQ20091006372公开日2010年2月10日申请日期2009年8月25日优先权日2009年8月25日发明者翔严,付勇涛,张光新,朱丛茂,朱玉秀,李具中,洲桂,罗国华,范植金,炜陈,陈颜堂,黄成红申请人:武汉钢铁(集团)公司