专利名称：一种s275nl高强韧性超细晶粒结构钢中厚板及其生产方法
技术领域：
本发明属于钢材制造技术领域，具体涉及一种S275NL高强韧性超细晶粒结构钢中厚板及其生产方法。
背景技术：
低合金高强度宽厚钢板是钢铁产业发展政策中明确提出要鼓励生产的产品。它属资源节约型钢材，同时也是比较典型的高技术含量、高附加值产品，广泛用于能源、交通、建筑、工程机械等国民经济各个重要领域，具有很大的市场潜力。随着钢材需求行业的技术升级，对钢材的性能也不断提出新的更高的要求。宽厚钢板是钢铁产品类别中归属于中厚板的一类主导产品，一般泛指采用宽厚板轧机生产的宽度在3 000 mm以上，厚度在4 mm以上的钢板。由于宽厚钢板的平面尺寸及厚度都比较大，宽厚板的产品适用性强，在制作大型容器、设备和钢结构时比其它产品利用率高，更经济合理，因此被许多行业用户广泛选用。低合金高强度宽厚钢板主要用于焊接结构，因此不仅要求钢材具有高的强度及塑韧性，还必须有良好的焊接性和工艺加工性。高纯净度、高强度、高韧性并具有良好厚度方向性能的宽厚钢板是总的发展方向。高韧性超细晶粒结构钢S275NL是一种微合金低碳铁素体及珠光体钢，它具有韧性好、低温韧性优良、加工性能和焊接性能好、耐磨、耐腐蚀等特点。主要应用在桥梁钢、防洪闸用钢、供水坦克用钢等室温及低温条件下领域。近年来，低合金高强度钢的应用更为广泛，但高韧性超细晶粒结构钢生产难度大、工艺装备要求特殊等原因生产成本居高不下。目前，国内部分钢厂采用TMCP+RPC+N进行生产，工序复杂，而且大多以调质状态交货，钢板经过淬火和回火2道热处理工序，不仅对设备要求严格，更是增加了生产制造成本，严重制约着此类钢材生产制造的发展，无法满足日益增长的市场需求，进而也影响下游行业乃至国民经济的发展。
发明内容
本发明目的是提供一种能够解决现有技术生产高强韧性结构钢Q550D (E)工艺复杂，生产效率低、成本高等问题，配合合理的化学成分设计以及TMCP轧制工艺，取代调质或回火处理生产工艺，从而既能保证高强度、高韧性和良好的焊接性能等要求，又能简化生产工艺、缩短生产流程、降低生产能耗，适合大生产操作的S275NL高强韧性超细晶粒结构钢中厚板及其生产方法。实现本发明的目的所采取的技术方案是一种S275NL高强韧性超细晶粒结构钢中厚板，是由如下质量百分比的化学成分冶炼轧制而成c :0. 07 0. 15 wt%、Si :0. 20 0. 40 wt%、Mn :0. 75 1. 00 wt%、P 彡 0. 025 wt%、S 彡 0. 020 wt%、Nb 或 / 禾口 V 或 / 禾口 Ti 0. 05 0. 10wt%、Mo :0. 05 0. 10wt%、B :0. 05 0. 10wt%、Als 彡 0. 050 wt%，其余为 Fe。
所述S275NL高强韧性超细晶粒结构钢中厚板中碳当量彡0. 40。—种生产所述S275NL高强韧性超细晶粒结构钢中厚板的生产方法，包括以下步骤优质铁水熔炼、KR铁水预处理、转炉冶炼、LF炉精炼、真空脱气处理、连铸、加热、轧制、 ACC层流冷却，其中
所述KR铁水预处理步骤中，到站铁水必须扒前渣与扒后渣，保证液面渣层厚度 (20mm，铁水经KR搅拌脱硫，脱硫周期彡21min、脱硫温降彡20°C，达到铁水中按质量百分比含 S 彡 0. 005 wt% ；
所述转炉冶炼步骤中，采用100/120吨顶底复吹转炉，入炉铁水中按质量百分比含 S彡0.005 wt%、含P彡0.080 wt%，铁水温度彡1270°C，铁水装入量误差控制在士 lt， 造渣碱度R控制在2. 5-4. 0范围内，出钢铁水中按质量百分比含碳0. 03 - 0. 04wt%,含 P彡0. 012wt%，含S ( 0. 010 wt% ；点吹次数不得大于2次；
所述LF炉精炼步骤中，精炼过程中全程吹氩，加入精炼渣料的碱度为4. 0 6. 0，加热时间按两次控制，第一次加热7 12min，第二次加热6 10 min，粘渣次数> 6次，加硅钙线前必须关闭氩气，不采用真空脱气上钢温度为1565士 15°C或采用真空脱气上钢温度为 1610士 15°C ；
所述真空脱气处理步骤中，VD真空度< 67Pa，保压时间> 15min，破真空后软吹2 5min或不吹，软吹过程中钢水不得裸露，在线包抽真空1.7min关闭氩气，加覆盖剂，保证铺满钢液面，上钢温度1565 士 15°C ；
所述连铸步骤中，中间包预热的过热度控制在15士 10°C，拉矫机拉速控制在0. 7m/ min,比水量为0. 80L/ kg,电磁搅拌中电磁系统控制参数为900A、5Hz、30s-3-30s，连铸浇钢全程保护浇铸，大包开浇后Imin内套保护管，浇钢过程中进行塞棒吹氩，铸坯下线后堆冷温度彡200°C，堆冷时间彡12h ；
所述加热步骤中，加热温度及加热时间如下预热段温度控制在900 1000°C，加热段温度控制在1200 1260°C，加热速度控制在8 i;3min/Cm，保温段温度控制在1180 1240 0C ；
所述轧制步骤中，分2个阶段轧制，开轧温度控制在1100°C 1150°C，一阶段终轧温度控制在950°C 1020°C，待温厚度控制在成品厚度的2. 2 2. 5倍，二阶段开轧温度控制在 900°C，二阶段保证单道次压下率> 15%，累计压下率> 60%，终轧温度控制在800 880°C ； 所述ACC层流冷却步骤中，通过调整冷却集管组数，冷却速度控制在2 8°C /S，返红温度控制在600 720°C，层流冷却后送往矫直机矫直，矫直后下线的钢板进行堆垛缓冷， 堆冷温度彡200°C，堆冷时间彡24h0本发明的S275NL高强韧性超细晶粒结构钢中厚板，通过适当调整C、Mn、Nb、V、Ti、 Mo合金元素的含量和比例，严格控制P、S含量，配合本发明的生产工艺，使其既能保证钢板的低碳当量、高强度、高韧性和良好的焊接性能等要求，又能简化生产工艺、缩短生产流程、 降低生产能耗，适合大生产操作。在上述设计方案中，各化学元素的作用是
C 是钢中最基础的强化元素，提高强度，但C影响钢的焊接性能和影响韧性，综合考虑，碳的含量需控制的低一些。Si 是固溶强化元素，对提高钢板的强度有利。
Mn 是固溶强化元素，对提高钢板的强度和韧性均有利。
P:对焊接不利，且具有一定的冷脆性，在本钢种中属于有害元素，应控制的尽量低。S:易形成MnS类夹杂物，具有一定的热脆性，在本钢种中属于有害元素，应控制的尽量低。V、Nb、Ti 在钢中能够与C、N结合，形成微细碳化物或碳氮化物，能起细化晶粒和弥散强化作用，从而达到有效提高钢材的强韧性的综合效果。Mo:适量的加入起到固溶强化的作用，能有效降低Y — α相变速率，抑制多边形铁素体和珠光体形核，促进高密度位错亚结构的针状铁素体或微细结构超低碳贝氏体形核，保证钢板高强度高韧性。Al 可以起到细化晶粒强化作用。B 与钢中Nb形成Nb (B)类析出物，在热变形后，在奥氏体中通过应变诱导在位错线上析出，阻碍再结晶，提高再结晶温度，B原子在晶界偏聚会极大地阻碍新相在晶界处形核，使得先共析铁素体生成区明显右移。本发明的S275NL高强韧性超细晶粒结构钢中厚板，通过适当调整C、Mn、Nb、V、Ti、 Mo合金元素的含量和比例，严格控制P、S含量，配合本发明的生产工艺，使其既能保证钢板的低碳当量、高强度、高韧性和良好的焊接性能等要求，又能简化生产工艺、缩短生产流程、 降低生产能耗，适合大生产操作。
具体实施例方式本发明的S275NL高强韧性超细晶粒结构钢中厚板，是由发明人在总结长期实践经验的基础上，通过大量的试验研究，通过适当调整C、Mn、Nb、V、Ti、Mo合金元素的含量和比例，洁净钢冶炼，严格控制P、S含量，获得了既保证钢板的低碳当量及焊接性，又保障强韧性匹配的良好效果。同时，为了简化生产流程，降低生产成本，经过摸索探讨，获得了一种 TMCP轧制代替调质或回火处理的工艺方法。该工艺能够解决传统一般企业生产高强韧性结构钢生产工艺复杂，成本较高等问题，具有低成本、短流程、快节奏的特点，配合所述合理的化学成分设计以及成熟的TMCP轧制工艺，使其既能保证高强度、高韧性和良好的焊接性能等要求，又能简化生产工艺、缩短生产流程、降低生产能耗，适合大生产操作、宽度3800mm、 厚度< 50mm的保性能、保探伤高强韧性结构钢板的生产方法。本发明的S275NL高强韧性超细晶粒结构钢中厚板包括如下质量百分比的化学成分C :0. 07 0. 15 wt%、Si :0. 20 0. 40 wt%、Mn :0. 75 1. 00 wt%、P 彡 0. 025 wt%、S 彡 0. 020 wt%、Nb 或 / 禾口 V 或 / 禾口 Ti :0. 05 0. 10wt%、Mo :0. 05 0. 10wt%、B :0. 05 0. 10wt%、Als :^0. 050 wt%，其它为Fe ；碳当量[Ceq=C+Mn/6+ (Cr+Mo+V)/5+ (Ni+Cu)/15]( 0. 40。本发明S275NL高强韧性超细晶粒结构钢中厚板的生产工艺采用转炉冶炼、连铸浇注， 3800m宽厚板轧机轧制的方法生产。其工艺流程包括优质铁水、KR铁水预处理、转炉冶炼、 LF炉精炼、真空脱气处理、连铸、推钢式加热炉、3800m轧机轧制和ACC层流冷却。下面结合实施例对该S275NL高强韧性超细晶粒结构钢中厚板的生产方法做进一步说明。实施例1
所述S275NL高强韧性超细晶粒结构钢中厚板制造宽度3800mm、厚度16mm，采用下述质量百分比的化学成分制造:C :0. 07wt%、Si :0. 20 wt%、Mn :0. 75 wt%、P :0. 025 wt%、S :0. 020wt%、Nb 或 / 禾口 V 或 / 禾口 Ti 0. 05 wt%、Mo :0. 05 wt%、B :0. 05 wt%、Als :0. 050 wt%，其它为 Fe ；碳当量[Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5
+ (Ni+Cu)/15]= 0.40。其生产方法按下述步骤进行
1)将平炉熔炼的优质铁水进行KR预处理当铁水到站时必须进行扒前渣和扒后渣，铁水液面渣层厚度为20mm，并进行KR搅拌脱硫，脱硫周期为21min、脱硫温降20°C，脱硫后的铁水按质量百分比含S量为0. 005 wt%02)转炉冶炼将预处理后的铁水导入100/120吨顶底复吹转炉，必须保证入炉铁水中按质量百分比含S量为0. 005 wt%、含P量为0. 080 wt%,铁水温度为1270°C，铁水装入量误差按士 It来控制，废钢严格采用优质边角料，造渣碱度R控制值为2. 5，出炉钢水中按质量百分比含碳量0.035 wt%，含P质量百分比为0.012 wt%、含S质量百分比为0.010 wt% ；点吹次数为2次，以避免出钢过程下渣。3) LF炉精炼将转炉冶炼的铁水倒入LF精炼炉内，精炼过程中须进行全程吹氩， 吹氩强度根据不同环节需要进行调节。加入精炼渣料的碱度按4. 0控制；精炼脱氧剂以电石、铝粒、硅铁粉为主，加入量根据钢水中氧含量及造白渣情况适量加入；精炼加热过程根据节奏富余和温度情况选择适当电流进行加热，加热时间按两次控制，第一次加热7min，第二次加热6min，第二次加热过程中要求根据造渣情况补加脱氧剂；粘渣次数6次，离站前加入硅钙线，加硅钙线前必须关闭氩气；上钢温温度为1610士 15°C。4)真空脱气处理VD真空度为67Pa，保压时间为15min，同时包底吹氩搅拌，破真空后软吹2min，软吹过程中钢水不得裸露。正常在线包抽真空时间(抽真空前钢水温度一目标离站温度)控制在1. 7min ；然后加覆盖剂，保证铺满钢液面，加覆盖剂前必须关闭氩气， 上钢温度控制为1565 士 15°C。5)连铸浇钢前保证铸机设备状况良好，将精炼好的钢水通过大包注入中间包，中间包预热的过热度控制在15士 10°C，拉矫机的控制拉速为0. 7m/min,比水量控制在0. 80L/ kg,电磁搅拌中电磁控制参数为900A、5Hz、30S-3-30S ；连铸浇钢要求全程氩气保护浇铸， 大包开浇后Imin内必须套保护管，中间包浇注过程中保证钢液面不见红；浇钢过程中合理控制塞棒吹氩量，保证结晶器液面波动轻微；铸坯下线后堆冷，堆冷温度为200°C，堆冷时间为1 1。6)加热将铸坯送入推钢式加热炉内进行加热，按分段加热预热段温度900°C， 加热段温度1200°C，保温段温度1180°C，加热速度控制在Smin/cm。7)轧制将加热的铸坯送至3800mm轧机上进行轧制，在轧制过程中，为防止混晶和晶粒粗大，要严格坚持“高温、低速、大压下”的轧制要求，开轧温度为1100°c，一阶段终轧温度为950°c，待温厚度为成品厚度的2. 2倍，为精轧阶段累计变形量及细化晶粒、位错强化奠定基础；二阶段开轧温度为900°C，二阶段单道次压下率为15%，累计压下率为60%， 由此确保了变形渗透使奥氏体内部晶粒被压扁拉长，增大晶界有效面积并有效形成大量变形带，为奥氏体相变提供更多的形核点，达到了细化奥氏体晶粒的目的，终轧温度控制在 800 0C ；
8) ACC层流冷却为了获得优良的综合力学性能，根据板厚的不同，轧后采用不同的层流冷却，通过调整冷却集管组数，控制冷却速度为2V /S，返红温度为600°C，层流冷却后送往矫直机矫直，钢板矫直后及时下线堆垛缓冷，堆冷温度为200°C，堆冷时间为Mh，通过缓冷，可以避免内部应力来不及释放产生内裂，同时进一步促使钢板内部有害气体溢出。实施例2
所述S275NL高强韧性超细晶粒结构钢中厚板制造宽度3800mm、厚度40mm，采用下述质量百分比的化学成分制造:C :0. 11 wt%、Si :0. 30 wt%、Mn :0. 90 wt%、P 0. 020 wt%、S ^ 0. 015 wt%、Nb 或 / 禾口 V 或 / 禾口 Ti :0. 07wt%、Mo :0. 07wt%、B :0. 07wt%、Als :0. 040 wt%, 其它为1 碳当量[Ceq=C+Mn/6+
(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15]=0. 35。其生产方法与实施例1基本相同，其区别仅在于步骤1)中，铁水液面渣层厚度为15mm，脱硫周期为ISmin、脱硫温降为18°C，脱硫后的铁水按质量百分比含S量为0. 004 wt% ；步骤2)中，入炉铁水中按质量百分比含S量为0. 004 wt%、含P量为0. 070 wt%，铁水温度为1300°C，造渣碱度R控制值为3. 0，出炉钢水中按质量百分比含碳量为0. 035 wt%，含 P量为0. 01 wt%、含S量为0. 008 wt% ；点吹次数为2次；步骤3)中，加入精炼渣料的碱度为5. 0 ；第一次加热时间为9min，第二次加热为8min，粘渣次数为7次；不采用真空脱气；步骤5中，铸坯下线后堆冷18h，堆冷温度为250°C，；步骤6中，预热段温度为950°C，加热段温度为1230°C，保温段温度为1210°C，加热速度为lOmin/cm;步骤7中，开轧温度为1130°C， 一阶段终轧温度为1000°C，待温厚度为成品厚度的2. 3倍，二阶段开轧温度为900°C，二阶段单道次压下率为16%，累计压下率为65%，终轧温度控制在840°C ；步骤8中，冷却速度为 50C /S，返红温度为660°C，堆冷温度为250°C，堆冷时间为^h。实施例3
所述S275NL高强韧性超细晶粒结构钢中厚板制造宽度3800mm、厚度80mm，采用下述质量百分比的化学成分制造:C :0. 15 wt%、Si :0. 40 wt%、Mn :1. 00 wt%、P :0. 015 wt%、S 0. 010 wt%、Nb 或 / 禾口 V 或 / 禾口 Ti :0. 10wt%、Mo :0. 10wt%、B 0. 10wt%、Als :0. 030 wt%，其它为 Fe ；碳当量[Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+ (Ni+Cu)/15]=0. 30。其生产方法与实施例1基本相同，其区别仅在于步骤1)中，铁水液面渣层厚度为12mm，脱硫周期为16min、脱硫温降为14°C，脱硫后的铁水按质量百分比含S量为0. 002 wt% ；步骤2)中，入炉铁水中按质量百分比含S量为0. 003 wt%、含P量为0. 060 wt%，铁水温度为1360°C，造渣碱度R控制值为4.0，出炉钢水中按质量百分比含碳量0.04 wt%，含P 质量百分比为0. 008wt%、含S质量百分比为0. 006 wt% ；点吹次数为1次；步骤3)中，加入精炼渣料的碱度为6. 0 ；第一次加热12min，第二次加热lOmin，第二次加热过程中要求根据造渣情况补加脱氧剂；粘渣次数8次；步骤4中，VD真空度为60Pa，保压时间为20min，破真空后不吹氩气；步骤5中，铸坯下线后堆冷Mh，堆冷温度300°C ；步骤6中，预热段温度为1000°C，加热段温度为1260°C，保温段温度为1240°C，加热速度为13min/Cm ；步骤7中， 开轧温度为1150°C，一阶段终轧温度为1020°C，待温厚度控制在成品厚度的2.5倍，二阶段开轧温度控制在900°C，二阶段单道次压下率为18%，累计压下率为70%，终轧终轧温度为 8800C ；步骤8中，冷却速度控制在8°C /S，返红温度为720°C，堆冷温度300°C，堆冷时间为 36h。发明人对16-80mm厚度的S275NL高强韧性超细晶粒结构钢中厚板试验70余批次，各项性能指标均达到标准要求且富余量较大，其中屈服强度控制在375-480 Mpa，平均达到420 Mpa,比标准富余155MPa，抗拉强度控制在450-490MPa，平均达到465 MPa,比标准富余95MPa，伸长率控制在27%-32%，平均达到四％，比标准富裕5% ；-50°C V型冲击功控制在220 234J，平均达到了 226 J0对钢板外检严格按照按JB/T 47030进行探伤，正品率 100%，合一级率为86%，合三级率为100%，达到了预期效果。机械性能具体见下表。
S275NL钢板机械力学性能
权利要求
1.一种一种S275NL高强韧性超细晶粒结构钢中厚板，其特征在于它是由如下质量百分比的化学成分冶炼轧制而成:C :0. 07 0. 15 wt%、Si :0. 20 0. 40 wt%、Mn :0. 75 1. 00 wt%、P ^ 0. 025 wt%、S ^ 0. 020 wt%、Nb 或 / 禾口 V 或 / 禾口 Ti 0. 05 0. 10wt%、Mo :0. 05 0. 10wt%、B :0. 05 0. 10wt%、Als 彡 0. 050 wt%，其余为 Fe。
2.如权利要求1所述的一种S275NL高强韧性超细晶粒结构钢中厚板，其特征在于所述化学成分中的碳当量< 0. 40。
3.—种生产如权利要求1所述S275NL高强韧性超细晶粒结构钢中厚板的工艺方法，包括以下步骤优质铁水熔炼、KR铁水预处理、转炉冶炼、LF炉精炼、真空脱气处理、连铸、加热、轧制、ACC层流冷却，其特征在于所述KR铁水预处理步骤中，到站铁水必须扒前渣与扒后渣，保证液面渣层厚度 (20mm，铁水经KR搅拌脱硫，脱硫周期彡21min、脱硫温降彡20°C，达到铁水中按质量百分比含 S 彡 0. 005 wt% ；所述转炉冶炼步骤中，采用100/120吨顶底复吹转炉，入炉铁水中按质量百分比含 S彡0.005 wt%、含P彡0.080 wt%，铁水温度彡1270°C，铁水装入量误差控制在士 lt， 造渣碱度R控制在2. 5-4. 0范围内，出钢铁水中按质量百分比含碳0. 03 - 0. 04wt%,含 P彡0. 012wt%，含S ( 0. 010 wt% ；点吹次数不得大于2次；所述LF炉精炼步骤中，精炼过程中全程吹氩，加入精炼渣料的碱度为4. 0 6. 0，加热时间按两次控制，第一次加热7 12min，第二次加热6 10 min，粘渣次数> 6次，加硅钙线前必须关闭氩气，不采用真空脱气上钢温度为1565士 15°C或采用真空脱气上钢温度为 1610士 15°C ；所述真空脱气处理步骤中，VD真空度< 67Pa，保压时间> 15min，破真空后软吹2 5min或不吹，软吹过程中钢水不得裸露，在线包抽真空1.7min关闭氩气，加覆盖剂，保证铺满钢液面，上钢温度1565 士 15°C ；所述连铸步骤中，中间包预热的过热度控制在15士 10°C，拉矫机拉速控制在0. 7m/ min,比水量为0. 80L/ kg,电磁搅拌中电磁系统控制参数为900A、5Hz、30s-3-30s，连铸浇钢全程保护浇铸，大包开浇后Imin内套保护管，浇钢过程中进行塞棒吹氩，铸坯下线后堆冷温度彡200°C，堆冷时间彡12h ；所述加热步骤中，加热温度及加热时间如下预热段温度控制在900 1000°C，加热段温度控制在1200 1260°C，加热速度控制在8 i;3min/Cm，保温段温度控制在1180 1240 0C ；所述轧制步骤中，分2个阶段轧制，开轧温度控制在110(TC 1150°C，一阶段终轧温度控制在950°C 1020°C，待温厚度控制在成品厚度的2. 2 2. 5倍，二阶段开轧温度控制在 900°C，二阶段保证单道次压下率> 15%，累计压下率> 60%，终轧温度控制在800 880°C ；所述ACC层流冷却步骤中，通过调整冷却集管组数，冷却速度控制在2 8°C /S，返红温度控制在600 720°C，层流冷却后送往矫直机矫直，矫直后下线的钢板进行堆垛缓冷， 堆冷温度彡200°C，堆冷时间彡24h0
全文摘要
本发明公开了一种S275NL高强韧性超细晶粒结构钢中厚板，它是由C、Si、Mn、Nb、V、Ti、Mo、B、Als和Fe共10种化学成分冶炼轧制而成。该超细晶粒结构钢中厚板，通过适当调整C、Mn、Nb、V、Ti、Mo合金元素的含量和比例，严格控制P、S含量，配合本发明的生产工艺，使其既能保证钢板的低碳当量、高强度、高韧性和良好的焊接性能等要求，又能简化生产工艺、缩短生产流程、降低生产能耗，适合大生产操作。
文档编号C21D8/02GK102433499SQ20111017847
公开日2012年5月2日 申请日期2011年6月29日 优先权日2011年6月29日
发明者于飒, 刘庆波, 崔冠军, 张强, 张立新, 朱书成, 李亮亮, 李忠波, 袁永旗, 许少普, 贾涛, 赵迪, 高照海 申请人:南阳汉冶特钢有限公司