专利名称：适合高寒地区使用的高强度结构钢及其生产方法
技术领域：
本发明涉及一种屈服强度为510MPa以上级、具有特别优良的低温韧性的高强度结构钢及其生产方法，属铁基合金技术领域。
背景技术：
在高寒地区，用于建筑、桥梁、船舶、车辆及其它重要的工程结构中的高强度结构钢，不仅要求所使用的材料具有较高的强度，还要求材料要有足够的韧性、良好的塑性和焊接性能。传统高强度结构钢在当屈服强度超过510MPa时，材料的强度和韧性方面不能做到很好的匹配，往往是强度高了，塑韧性变差。传统的高强度结构钢，韧脆性转变温度往往较高，一般在_40°C左右，当材料在低于_40°C温度下使用时，材料的塑韧性急剧恶化，材料 的安全性能急剧下降，很容易导致材料断裂等恶性事故的发生，造成无法预料的损失。经检索，专利号03134046. 6的中国专利公开了一种屈服强度460MPa级低合金高强度结构钢板材的制造方法，该高强度结构钢板材的实物水平屈服强度最高为490MPa，抗拉强度最高为610MPa，冲击只做到_40°C，因此达不到高强度、高韧性，特别是_60°C时的韧性很差。另外，该高强度结构钢板材制造时的终轧温度为780 820°C，需要更大的轧机负荷，生产效率低。专利00133579. 0的中国专利公开了一种耐大气腐蚀低合金结构钢，该结构钢的实物水平屈服强度最高为400MPa，抗拉强度最高为535MPa，冲击只做到_20°C，距离高强度、高韧性更远。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对传统高强度结构钢在屈服强度超过510MPa时材料的韧性特别是_40°C以下的低温韧性较差的缺陷，提供一种具有良好低温韧性，适合高寒地区(特别是_60°C以下)使用的高强度结构钢及其生产方法。为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案之一是一种适合高寒地区使用的高强度结构钢，所述结构钢含有的成分和各成分质量百分比含量为c 0. 12 0. 2%、Si :0. 3 0. 6%,Mn 1 I. 7%,P ( 0. 015%,S ( 0. 01%,Nb :0. 03 0. 06%,V :0. 04 0. 12%,Ni :0. 3 0. 7%，余量为铁和不可避免的杂质元素。为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案之二是一种适合高寒地区使用的高强度结构钢的生产方法，包括依次采用铁水预脱硫工序，转炉顶底复合吹炼工序，吹Ar站(或LF炉)底吹Ar搅拌工序，RH炉进行成分微调和真空循环脱气处理工序，全程吹Ar保护浇铸的连铸工序以及热轧工序；所述热轧工序采用粗轧和精轧二阶段控轧，粗轧结束温度为1000°C 1100°C，精轧开轧温度为900°C 950°C，精轧结束温度为820°C 880°C，精轧阶段压缩比大于80%。上述本发明技术方案之一中化学成分组成的理论依据是
[碳]:提高碳含量，对提高钢的室温强度和中温强度有利，但对钢的塑性、韧性、成型性、可焊性均不利，故碳含量控制不宜过高。因此，本发明技术方案之一选择C的质量百分比含量为0. 12 0. 2%。[硅]:降低硅含量，有利于提高钢的成型性、焊接性、韧性和塑性。因此，本发明技术方案之一选择Si的质量百分比含量为0. 3 0. 6%。[锰]:提高钢中锰含量，能扩大Y区，降低Y— a转变温度，扩大轧制范围，使铁素体晶粒的长大机会大大减少，因而促进了晶粒细化，增加钢的强韧性，但锰含量高，会相应增加钢的成本，也会增加碳当量，不利于焊接。因此，本发明技术方案之一选择Mn的质量百分比含量为I I. 7%。[硫、憐]:硫在钢中形成硫化物夹杂，使其延展性和朝性降低。钢乳制时，由于MnS夹杂随着轧制方向延伸，使钢的各向异性加重，严重时导致钢板分层。同时含硫量高的钢抗腐蚀能力大为降低，对钢的焊接亦不利。含磷量高会增加钢的冷脆性，使钢的脆性转变 温度上升，使钢的冲击韧性显著下降，因此磷在钢中的含量也愈少愈好。但过低的降低钢中的磷、硫含量，会增加钢的生产成本。本发明技术方案之一控制磷的质量百分比含量在
0.015%以下，控制硫的质量百分比含量在0. 01%以下。[铌、钒]:Nb在钢中以置换溶质原子存在，Nb原子比铁原子尺寸大，易在位错线上偏聚，对位错攀移产生强烈的拖曳作用，使再结晶形核受到抑制，因而对再结晶具有强烈的阻止作用。铌在钢中可以形成NbC或NbN等化合物。在再结晶过程中，因NbC、NbN对位错的钉扎及对亚晶界的迁移进行阻止等作用，从而大大增加了再结晶的时间。在高于临界温度时，Nb元素对再结晶的作用表现为溶质拖曳机制；而在低于临界温度时，则表现为析出钉扎机制。钢中加入微量V，既有利于钢的脱氧，又能细化钢的晶粒，特别是能提高钢控轧控冷后的强度及低温韧性，在焊接过程中阻止焊接热影响区晶粒的粗化，从而显著地改善微合金化钢的综合性能。另一方面，由于微合金化元素Nb、V的加入，在轧制过程中，它们能阻止奥氏体变形后的再结晶，并提高奥氏体的再结晶温度，加工时由于Nb、V碳氮化合物的应变诱导析出，进一步抑制了奥氏体晶粒的长大，使晶粒充分细化，从而达到细化奥氏体晶粒的目的。Nb的完全固溶温度较高，不宜单独加入。本发明技术方案之一设计Nb和V—起进行复合添加，这样既能提高钢的强度又能改善钢的韧性，主要因为V的固溶温度低，可以起到沉淀强化作用，而Nb在较低的加热温度下大部分还没有溶解，可以起到细化晶粒的作用。铌在钢中的特点就是提高奥氏体的再结晶温度，从而达到细化奥氏体晶粒的目的。经本发明后面实施例的实际内部生产实验结果表明，Nb和V—起复合添加时，钢中Nb的加入量为0. 03-0. 06%、V的加入量为0. 04-0. 12%时，对钢的强韧化效果最为显著，高于0.06%的Nb及高于0. 12%的V对钢的强韧化的贡献将不再明显。故本发明技术方案之一控制Nb的质量百分比含量为0. 03 % 0. 06 %，控制V的质量百分比含量为0. 04 % 0. 12%。[镍]:Ni加入钢中可以改善韧性，特别是低温冲击韧性，随着钢中Ni含量的增力口，钢的韧-脆性转变温度显著降低，另外，Ni还能起到固溶强化作用，所以Ni能够在改善韧性的同时提高钢的强度。但考虑到生产成本，本发明技术方案之一将Ni的质量百分比含量控制在0. 3% 0. 7%范围内。上述本发明技术方案之二设计的热轧工序的理论依据是I、热轧工序中，设定连铸板坯加热温度为1180°C 1230°C，既能提高钢的强度又能改善钢的韧性，既可以发挥V的沉淀强化作用，又因为Nb在较低的加热温度下大部分还没有溶解，因此可以充分发挥Nb的细化晶粒的作用。2、热轧工序中，采用粗轧和精轧二阶段控轧，粗轧阶段在高温奥氏体再结晶区轧制，力求道次压下率大于再结晶的临界变形量，通过多次变形再结晶，使粗大的原始奥氏体晶粒变得细小；精轧阶段在低温奥氏体非再结晶区轧制，精轧结束温度接近钢的Ar3点温度，可充分阻止晶粒长大，特别是微合金化元素Nb、V的加入，在轧制过程中，它们能阻止奥氏体变形后的再结晶，并提高奥氏体的再结晶温度。此外，精轧阶段总的压下率控制在80%以上，可以使奥氏体晶粒进一步细化，同时，加工时由于Nb、V碳氮化合物的应变诱导析出，抑制了奥氏体晶粒的长大，可以使晶粒充分细化。上述技术方案之一的完善是所述结构钢在热轧中采用粗轧和精轧二阶段控轧；所述粗轧结束温度为1000°c 1100°c，所述精轧开轧温度为900°C 950°C，所述精轧结束温度为820°C 880°C，所述精轧阶段压缩比大于80%。上述技术方案之一的进一步完善是所述结构钢在热轧中采用的连铸板坯加热温度为1180°C 1230°C，所述粗轧为5道次连轧，所述精轧为7道次连轧，所述精轧后卷取温 度为 500°C 600°C。上述技术方案之二的完善是所述热轧工序中，连铸板坯加热温度为1180°C 1230°C，粗轧为5道次连轧，精轧为7道次连轧，精轧后卷取温度为500°C 600°C。本发明设计的卷取温度可以充分发挥Nb的晶粒细化强化效果和V的沉淀强化效果。上述技术方案之二的进一步完善是所述热轧工序中，精轧后的层流冷却阶段采用后段冷却；所述底吹Ar搅拌的时间大于5分钟，所述真空循环脱气的时间大于8分钟。本发明的有益效果是通过合理的化学成分设计及Nb、V微合金化处理，采用转炉顶底复合冶炼，真空精炼，连铸机保护浇注，热轧采用二阶段控轧和控冷工艺，可以得到钢质纯净，综合性能优良的高强度结构钢材料，特别是在_60°C超低温状态下还能保持较好的塑韧性。经内部小规模生产实验证明，该结构钢的晶粒均匀细小，金相组织为铁素体+珠光体，其屈服强度超过510MPa，抗拉强度超过620MPa，_60°C时的Akv达到47J以上。
图I是本发明具体实施方式
中高强度结构钢的金相组织图。图2是本发明具体实施方式
中高强度结构钢的晶粒度图。
具体实施例方式下面结合实施例1-3对本发明的高强度结构钢及其生产方法作进一步说明。本具体实施方式
的适合高寒地区使用的高强度结构钢按其成分和含量的不同分别含有三个实施例，三个实施例的高强度结构钢含有的成分和各成分质量百分比含量如表I所示表I
权利要求
1.一种适合高寒地区使用的高强度结构钢，其特征在于所述结构钢含有的成分和各成分质量百分比含量为C :0. 12 0. 2%、Si :0. 3 0. 6%、Mn :1 I. 7%、P 彡 0. 015%,S^O. 01%,Nb 0. 03 0. 06%,V 0. 04 0. 12%,Ni 0. 3 0. 7%，余量为铁和不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求I所述高强度结构钢，其特征在于所述结构钢在热轧中采用粗轧和精轧二阶段控轧；所述粗轧结束温度为1000°C 1100°C，所述精轧开轧温度为900°C 950°C，所述精轧结束温度为820°C 880°C，所述精轧阶段压缩比大于80%。
3.根据权利要求2所述高强度结构钢，其特征在于所述结构钢在热轧中采用的连铸板坯加热温度为1180°C 1230°C，所述粗轧为5道次连轧，所述精轧为7道次连轧，所述精轧后卷取温度为500°C 600°C。
4.一种根据权利要求I所述高强度结构钢的生产方法，包括依次采用铁水预脱硫工序，转炉顶底复合吹炼工序，吹Ar站(或LF炉)底吹Ar搅拌工序，RH炉进行成分微调和真空循环脱气处理工序，全程吹Ar保护浇铸的连铸工序以及热轧工序；所述热轧工序采用粗轧和精轧二阶段控轧，粗轧结束温度为1000°C 1100°C，精轧开轧温度为900°C 950°C，精轧结束温度为820°C 880°C，精轧阶段压缩比大于80%。
5.根据权利要求4所述的生产方法，其特征在于所述热轧工序中，连铸板坯加热温度为1180°C 1230°C，粗轧为5道次连轧，精轧为7道次连轧，精轧后卷取温度为500°C 600。。。
6.根据权利要求4或5所述的生产方法，其特征在于所述热轧工序中，精轧后的层流冷却阶段采用后段冷却；所述底吹Ar搅拌的时间大于5分钟，所述真空循环脱气的时间大于8分钟。
全文摘要
本发明涉及一种适合高寒地区使用的高强度结构钢及其生产方法，属于铁基合金技术领域。该结构钢及其生产方法是控制结构钢的成分及其质量百分比含量为C0.12～0.2％、Si0.3～0.6％、Mn1～1.7％、P≤0.015％、S≤0.01％、Nb0.03～0.06％、V0.04～0.12％、Ni0.3～0.7％，余量为铁和不可避免的杂质元素；同时控制结构钢的粗轧结束温度为1000℃～1100℃，精轧开轧温度为900℃～950℃，精轧结束温度为820℃～880℃，精轧阶段压缩比大于80％。该结构钢及其生产方法通过合理的化学成分设计及Nb、V微合金化处理，以及热轧采用二阶段控轧，可以得到高强度、低温尤其是超低温下高塑韧性的结构钢材料。
文档编号C21C7/10GK102758135SQ20111011063
公开日2012年10月31日 申请日期2011年4月27日 优先权日2011年4月27日
发明者王海军, 韩孝永 申请人:上海梅山钢铁股份有限公司