本发明属于船板、海洋平台等用微合金钢生产技术领域，更具体地说，涉及一种用于大线能量焊接用微合金钢及其生产方法，在大型造船、海洋石油钻井平台等大线能量焊接等生产领域具有广阔的应用前景。
背景技术：
船板、海洋平台等用微合金钢通常采用大线能量焊接技术，而大线能量焊接时钢板与焊接熔合线部分的低温冲击性能对于保证其安全使用及使用寿命至关重要。现有技术中，为了提高钢板与焊接熔合线部分的低温冲击性能，在船板、海洋平台等用微合金钢生产过程中通常加入能够提高低温冲击性能的v、nb、ni、al、ti等贵重微量元素，但其不足之处在于钢中加入的微量元素v、nb、al、ti价格昂贵，从而使生产成本居高不下，同时al、ti属活泼金属元素，易与钢中的氧反应生成高熔点氧化夹杂物，难以去除，污染钢水，从而影响连铸正常生产。
为了有效降低船板、海洋平台等用微合金钢生产成本，减少微量合金al、ti加入对钢水质量的影响，同时又能有效地提高和改善大线能量焊接时，钢板与焊接熔合线部分的低温冲击性能，国内北科大、东北大学等院校开始重点研究氧化物在钢中的冶金作用。其主要作用机理是通过外加金属锆、镍镁合金，使其与钢中的氧反应生成锆、镁的氧化物，在船板、海洋平台等微合金钢采用大线能量焊接时，钢中的氧化锆、氧化镁能够促使钢板与焊接熔合线边缘的铁素体生成针状铁素铁，抑制晶粒长大，从而有效改善和提高钢板与焊接熔合线部分的低温冲击性能，减少微合金钢中ni、nb、v等贵重合金用量，降低船板、海洋平台等微合金钢生产成本。但金属锆、镍镁合金价格高达10万元/t以上，同时金属锆在使用过程易发生爆炸，存在安全隐患，从而限制了该项研究成果在实际生产中的推广应用。
经大量实验研究表明，金属mg的氧化物具有金属锆、镍镁合金氧化物在船板、海洋平台等微合金钢采用大线能量焊接时，抑制铁素体晶粒长大和促使针状铁素铁生成，从而有效改善和提高钢板与焊接熔合线部分低温冲击性能的作用，且相比金属锆、镍镁合金的价格，金属mg价格更低，生产成本更低。但金属mg的活泼性极强，其熔点和汽化点比金属钙更低，使用过程中与钢水反应更加激烈，产生喷溅更严重，同时钢水中mg含量的控制难度更大，从而限制了金属mg的使用功效，这也是目前导致金属mg未能在船板、海洋平台等微合金钢生产中推广使用的主要原因。
基于以上问题，国内外已有大量研究者将研究方向转为微合金钢的镁合金化处理方面，以期通过该手段在有效降低生产成本的基础上，提高微合金钢在大线能量焊接时的低温冲击韧性。如，中国专利申请号为201210284441.x的申请案公开了一种可大热输入焊接的低温钢板的生产方法，该申请案的生产方法包括：铁水预处理→复吹转炉冶炼→lf精炼→rh精炼→喂丝→连铸，lf精炼造白渣，钛铁在rh工位加入，待钢水温度达到1570～1600℃和钢水溶解氧含量达到20～80ppm后，破空并向钢水中以4～6米/秒的速度喂入200～400米镁合金或钙合金包芯线，经连续铸造得到连铸坯，连铸坯经再加热保温后，通过控制轧制和控制冷却，即可得到可大热输入焊接的低温钢板。该钢板低温韧性优异，-80℃夏比冲击功>47j，经热输入量500～600kj/cm焊接后热影响区的-60℃夏比冲击功>47j，可广泛适用于船舶、低温压力容器、海洋平台等能源建设工程领域。
又如，中国专利申请号为201610532109.9的申请案公开了一种萤石-镁粒包芯线及应用和大线能量焊接用钢生产工艺，该申请案的包芯线包括外层和包芯，外层为低碳钢，厚度为0.5～1.0mm，包芯为缓释钝化镁粒，包芯包括缓释剂及钝化镁粒，缓释剂为萤石，缓释剂占包芯含量的5～90％，钝化镁粒占包芯含量的10～95％，将该申请案的包芯线喂入钢液中可有效减少镁的汽化损耗，有利于提高钢水中镁的吸收率，实现镁含量的精确控制。但上述两申请案中镁的损耗仍相对较多，喷溅严重，且含镁包芯线的喂线量较大。
技术实现要素：
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有船板、海洋平台等用微合金钢的生产成本相对较高，且采用大线能量焊接时，钢板与焊接熔合线部分的低温冲击性能难以满足使用要求的不足，提供了一种用于大线能量焊接用微合金钢的生产方法。采用本发明的生产方法生产所得微合金钢能够满足大线能量焊接时对钢板与焊接熔合线部分低温冲击性能的要求，且其生产成本较低，便于推广应用。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种用于大线能量焊接用微合金钢的生产方法，包括转炉炼钢、lf钢包炉或vd炉精炼及轧制工艺，lf钢包炉或vd炉精炼完毕出站前，定氧，将钢水中[o]控制在20-45ppm，然后喂入almg合金包芯线，喂线量控制在0.10-1.65m/t，喂线速度控制在2.5-3m/s，喂线过程进行吹氩搅拌5-7分钟，喂完线后继续吹氩搅拌1-2分钟。
更进一步的，almg合金包芯线喂线过程采用正常吹氩量的60-80％进行吹氩搅拌，喂完线后采用正常吹氩量的20-30％进行吹氩搅拌。
更进一步的，控制转炉炼钢工艺的出钢终点c≧0.06％、温度≧1670℃。
更进一步的，almg合金包芯线喂线结束后，所得钢水中[mg]含量为20-35ppm。
更进一步的，所述的almg合金包芯线以金属镁丝为内芯，镁丝外层依次包覆有铝带和低碳钢带。
更进一步的，所述almg合金包芯线的直径为9-13mm，金属镁丝的直径为4-6mm，所用铝带厚度为0.5-1mm，低碳钢带厚度为0.34-0.45mm。
更进一步的，所述包芯线中al、mg合金成分按重量百分比al占60-80％，mg占20-40％。
更进一步的，所述包芯线的喂线量控制在0.8-1.5m/t。
更进一步的，当所述微合金钢用作船板钢时，在目标冶炼成份为c0.12-0.14％、si0.20-0.4％、mn1.40-1.60％、als0.020-0.050％、ti0.010-0.020％、v0.030-0.04％、nb0.035-0.05％、ni0.028-0.035％的基础上，将v、nb、ni分别降到0.030-0.04％、0.020-0.035％和0.018-0.030％，并取消钢中ti量。
更进一步的，当所述微合金钢用作海洋平台时，在目标冶炼成份为c0.09-0.12％、si0.15-0.3％、mn1.10-1.25％、als0.020-0.050％、ti0.008-0.020％、nb0.015-0.025％、ni0.1-0.2％的基础上，将nb、ni分别降到0.010-0.015、0.070-0.09％。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种用于大线能量焊接用微合金钢的生产方法，在lf钢包炉或vd炉精炼结束后，向钢液中喂入almg合金包芯线，从而一方面可以有效避免金属镁与钢水过早反应产生的汽化、喷溅现象，另一方面可以将钢液中镁的添加量精确控制在特定范围，进而能够显著提高采用大线能量焊接时钢板与焊接熔合线部分的低温冲击性能，保证船板、海洋平台等微合金钢的使用性能，并减少微合金钢中ni、nb、v等贵重合金用量，经济效益显著。
(2)本发明的一种用于大线能量焊接用微合金钢的生产方法，控制转炉炼钢工艺的出钢终点c≧0.06％、温度≧1670℃，lf钢包炉或vd炉精炼完毕出站前，将钢水中[o]控制在20-45ppm，且almg合金包芯线喂线过程采用正常吹氩量的60-80％进行吹氩搅拌，喂完线后采用正常吹氩量的20-30％进行吹氩搅拌，通过对钢水氧化性、吹氩搅拌及钢水中氧含量等条件进行严格控制，从而能够精确控制钢水中的mg含量，进一步保证所得产品的大线能量焊接性能，保证钢水中生成的镁氧化物具有相同使用功效的前提下，相对于金属锆、镍镁合金具有不可比拟的成本优势。
(3)本发明的一种用于大线能量焊接用微合金钢的生产方法，通过对almg合金包芯线中的al、mg含量配比及包芯线的喂线量、喂线速度进行严格控制，从而可以进一步减少mg的汽化、喷溅，将钢水中[mg]含量精确控制在20-35ppm，保证钢水的镁合金化效果，并防止过多的铝进入钢水中形成氧化铝夹杂，对钢水质量产生影响。在钢包底吹氩气的强烈搅拌作用下，金属[mg]能够充分与钢水中的[o]发生氧化反应，生成超细纳米级氧化镁并均匀分布在钢水中，保证钢板与焊接熔合线部分的低温冲击性能满足大线能量焊接需求。同时，采用本发明的技术方案，包芯线的喂线量相对较小。
具体实施方式
本发明的一种用于大线能量焊接用微合金钢的生产方法，包括转炉炼钢、lf钢包炉或vd炉精炼及轧制工艺。控制转炉炼钢工艺的出钢终点c≧0.06％、温度≧1670℃；lf钢包炉或vd炉精炼完毕出站前，定氧，将钢水中[o]控制在20-45ppm，然后喂入almg合金包芯线，喂线量控制在0.10-1.65m/t，喂线速度控制在2.5-3m/s，喂线过程采用正常吹氩量的60-80％进行吹氩搅拌5-7分钟，喂完线后采用正常吹氩量的20-30％进行吹氩搅拌1-2分钟。值得说明的是，由于钢包大小不同，钢厂不同，其吹氩量也有所不同。本发明限定正常吹氩量如下：50-100t钢包的正常吹氩量为300l/min，100-200t钢包的正常吹氩量为400l/min，200-300t钢包的正常吹氩量为500l/min，300-400t钢包的正常吹氩量为600l/min，以此类推。本发明的almg合金包芯线以金属镁丝为内芯，镁丝外层依次包覆有铝带和低碳钢带，其中，金属镁丝的直径为4-6mm，所用铝带厚度为0.5-1mm，低碳钢带厚度为0.34-0.45mm，almg合金包芯线的直径为9-13mm，且包芯线中al、mg合金成分按重量百分比al占60-80％，mg占20-40％(此处是以al、mg质量百分比之和为100％计)。喂线结束后，所得钢水中[mg]含量为20-35ppm。
针对现有微合金钢生产所存在的生产成本较高、生产所得微合金钢在大线能量焊接时的低温冲击韧性较差的问题，本发明通过向钢液中喂入almg合金包芯线，并对almg合金包芯线中的al、mg含量，喂线速度，喂线量及钢水中的[o]含量、吹氩搅拌工艺进行严格控制，将钢水中的[mg]含量精确控制在20-35ppm，从而可以显著提高所得微合金钢在大线能量焊接时的低温冲击性能，并降低微合金钢中的微量合金元素含量，使生产成本大大降低。向钢水中喂入almg合金包芯线时，金属镁线外层铝带能有效地保护合金包芯线在喂入钢水过程不受钢水中氧的影响，减缓金属mg与钢水过早反应产生的汽化、喷溅，有利于实现钢水中镁含量的精确控制；同时镁线外层铝带还可以对钢水进行进一步脱氧处理，防止喂线之前钢水中脱氧不充分，进一步保证了金属镁进入钢水后的处理效果。值得说明的是，本发明所用almg合金包芯线中的al、mg含量百分比的控制对最终所得产品的性能至关重要，当al含量过低时，达不到保护镁的效果，而当al含量过高时，会造成钢水污染，产生al2o3夹杂，影响钢水质量。发明人通过大量实验研究发现，通过控制重量百分比al为60-80％，mg为20-40％，并配合适当的喂线工艺、吹氩工艺和氧气氛，从而可以有效保护金属镁，减少镁的损耗，进而有助于将钢水中的[mg]含量精确控制在20-35ppm，保证所得微合金钢产品的低温冲击韧性，，能够有效满足船板、海洋平台等对大线能量焊接的要求。
具体的，在控制合适吹氩强度的搅拌作用下，上述钢水中的[mg]充分与钢水中的[o]发生氧化反应，生成的超细纳米级氧化镁均匀分布在钢水中，利用氧化物冶金作用，在船板、海洋平台等微合金钢采用大线能量焊接时，钢中的氧化镁在高能量焊接时，能够促使钢板与焊接熔合线边缘的铁素体生成针状铁素铁，抑制晶粒度长大，从而有效改善和提高钢板与焊接熔合线部分的低温冲击性能，减少微合金钢中ni、nb、v等贵重合金用量，可降低微合金钢生产成本元10-30/t，经济效益显著。
为进一步了解本发明的内容，现结合具体实施例对本发明作详细描述。
实施例1
本实施例的一种用于大线能量焊接用微合金钢的生产方法，包括转炉炼钢、lf钢包炉精炼及轧制工艺。将金属mg挤压成ф4mm金属镁线，外层包覆一层厚度为0.5mm的金属铝带，再用厚度0.45mm的低碳钢带紧密包覆成直径为ф9mm的almg合金包芯线，合金包芯线中按重量百分比al占60％，mg占40％。采用本实施例的方法生产e36船板钢时，在目标冶炼成份控制c0.13％、si0.3％、mn1.60％、als0.020％、ti0.01％、v0.05％、nb0.05％、ni0.035％基础上，将v、nb、ni分别降到0.030％、0.035％、0.025％，取消钢中ti量，控制转炉终点c≧0.06％、终点温度≧1670℃，并严格控制转炉下渣及钢水氧化性，将钢水中[o]控制在20ppm，然后喂入almg合金包芯线，喂线量精准控制在1.5m/t，喂线速度控制在2.5m/秒，从而可以减少mg的汽化损耗及钢水喷溅。喂线过程采用正常吹氩量的70％吹氩搅拌6分钟，喂完线后采用正常吹氩量的20％吹氩弱搅拌2分钟，钢水中[mg]目标控制35ppm。本实施例钢包大小为75t，喂线过程控制吹氩量为210l/min，喂完线后吹氩量为60l/min。采用本实施例的生产方法，在减少微量合金元素添加量的基础上，仍能够有效保证所得微合金钢的低温冲击韧性，使其满足大线能量焊接需求。e36船板钢板板材厚度33mm，采用130kj/cm大线能量焊接时，钢板与焊接熔合线+1mm1/4处-40℃冲击达到190j，在保证板材质量及力学性能的前提下，可降低合金成本8-12.5元/t。
实施例2
本实施例的一种用于大线能量焊接用微合金钢的生产方法，包括转炉炼钢、lf钢包炉精炼及轧制工艺。将金属mg挤压成ф6mm金属镁线，外层包覆一层1mm的金属铝带，再用厚度0.34mm的低碳钢带紧密包覆成直径为ф13mm的almg合金包芯线，合金包芯线中按重量百分比al占80％，mg占20％。采用本实施例的方法生产e36船板钢时，在目标冶炼成份控制c0.14％、si0.4％、mn1.40％、als0.050％、ti0.020％、v0.06％、nb0.035％、ni0.028％基础上，将v、nb、ni分别降到0.04％、0.020％、0.018％，取消钢中ti量，控制转炉终点c≧0.06％、终点温度≧1670℃，并严格控制转炉下渣及钢水氧化性，将钢水中[o]控制在45ppm，然后喂入almg合金包芯线，喂线量精准控制在0.8m/t，喂线速度控制在3m/秒，从而可以减少mg的汽化损耗及钢水喷溅。喂线过程采用正常吹氩量的80％吹氩搅拌5分钟，喂完线后采用正常吹氩量的30％吹氩弱搅拌1分钟，钢水中[mg]目标控制20ppm。本实施例钢包大小为180t，喂线过程控制吹氩量为320l/min，喂完线后吹氩量为120l/min。e36船板钢板板材厚度35mm，采用140kj/cm大线能量焊接时，钢板与焊接熔合线+1mm1/4处-40℃冲击达到150j，在保证板材质量及力学性能的前提下，可降低合金成本8-12.5元/t。
实施例3
本实施例的一种用于大线能量焊接用微合金钢的生产方法，包括转炉炼钢、lf钢包炉精炼及轧制工艺。将金属mg挤压成ф5mm金属镁线，外层包覆一层0.7mm的金属铝带，再用厚度0.4mm的低碳钢带紧密包覆成直径为ф11mm的almg合金包芯线，合金包芯线中按重量百分比al占72％，mg占28％。采用本实施例的方法生产e36船板钢时，在目标冶炼成份控制c0.12％、si0.20％、mn1.50％、als0.040％、ti0.010％、v0.05％、nb0.04％、ni0.032％基础上，将v、nb、ni分别降到0.035％、0.030％、0.020％，取消钢中ti量，控制转炉终点c≧0.06％、终点温度≧1670℃，并严格控制转炉下渣及钢水氧化性，将钢水中[o]控制在30ppm，然后喂入almg合金包芯线，喂线量精准控制在1.2m/t，喂线速度控制在2.8m/秒，从而可以减少mg的汽化损耗及钢水喷溅。喂线过程采用正常吹氩量的60％吹氩搅拌7分钟，喂完线后采用正常吹氩量的25％吹氩弱搅拌2分钟，钢水中[mg]目标控制28ppm。本实施例钢包大小为210t，喂线过程控制吹氩量为300l/min，喂完线后吹氩量为125l/min。e36船板钢板板材厚度30mm，采用130kj/cm大线能量焊接时，钢板与焊接熔合线+1mm1/4处-40℃冲击达到180j，在保证板材质量及力学性能的前提下，可有效降低合金成本8-12.5元/t。
实施例4
本实施例的一种用于大线能量焊接用微合金钢的生产方法，采用该方法生产e36船板钢时，其工艺基本同实施例1，区别主要在于：所用almg合金包芯线中，按重量百分比al占75％，mg占25％；钢水中[o]控制在35ppm，almg合金包芯线的喂线量为0.10-1.65m/t，钢水中[mg]目标控制30ppm。e36船板钢板板材厚度30mm，采用150kj/cm大线能量焊接时，钢板与焊接熔合线+1mm1/4处-40℃冲击达到130j，在保证板材质量及力学性能的前提下，可降合金成本约10.0元/t。
实施例5
采用本实施例的用于大线能量焊接用微合金钢的生产方法生产hye海洋平台时，将金属mg挤压成ф4mm的金属镁线，外层包覆一层0.5mm的金属铝带，再用厚度0.45mm的低碳钢带紧密包覆成直径为ф9mm的almg合金包芯线，合金包芯线中，按重量百分比al占60％，mg占40％。在目标冶炼成份控制c0.10％、si0.22％、mn1.25％、als0.050％、ti0.015％、nb0.015％、ni0.1％基础上，将nb、ni分别降到0.010、0.070％，转炉终点c≧0.06％、终点温度≧1670℃，严格控制转炉下渣及钢水氧化性，将钢水中[o]控制在45ppm，然后喂入almg合金包芯线，喂线量精准控制在0.10m/t，喂线速度控制在3m/秒，喂线过程采用正常吹氩量的60％吹氩搅拌5分钟，喂完线后吹氩弱搅拌2分钟，钢水中[mg]目标控制35ppm。hye海洋平台厚度30mm，采用150kj/cm大线能量焊接时，钢板与焊接熔合线+1mm1/4处-40℃冲击达到140j，在保证板材质量及力学性能的前提下，可降合金成本约13.0元/t。
实施例6
采用本实施例的用于大线能量焊接用微合金钢的生产方法生产hye海洋平台时，将金属mg挤压成ф6mm的金属镁线，外层包覆一层1mm的金属铝带，再用厚度0.35mm的低碳钢带紧密包覆成直径为ф13mm的almg合金包芯线，合金包芯线中，按重量百分比al占75％，mg占25％。在目标冶炼成份控制c0.12％、si0.3％、mn1.10％、als0.020％、ti0.020％、nb0.025％、ni0.2％基础上，将nb、ni分别降到0.014、0.09％，转炉终点c≧0.06％、终点温度≧1670℃，严格控制转炉下渣及钢水氧化性，将钢水中[o]控制在35ppm，然后喂入almg合金包芯线，喂线量精准控制在0.5m/t，喂线速度控制在2.8m/秒，喂线过程采用正常吹氩量的80％吹氩搅拌7分钟，喂完线后吹氩弱搅拌1分钟，钢水中[mg]目标控制30ppm。hye海洋平台厚度33mm，采用150kj/cm大线能量焊接时，钢板与焊接熔合线+1mm1/4处-40℃冲击达到125j。
实施例7
采用本实施例的用于大线能量焊接用微合金钢的生产方法生产hye海洋平台时，将金属mg挤压成ф4mm的金属镁线，外层包覆一层0.5mm的金属铝带，再用厚度.45mm的低碳钢带紧密包覆成直径为ф9mm的almg合金包芯线，合金包芯线中，按重量百分比al占70％，mg占20％。在目标冶炼成份控制c0.09％、si0.15％、mn1.20％、als0.035％、ti0.008％、nb0.020％、ni0.2％基础上，将nb、ni分别降到0.017、0.08％，转炉终点c≧0.06％、终点温度≧1670℃，严格控制转炉下渣及钢水氧化性，将钢水中[o]控制在40ppm，然后喂入almg合金包芯线，喂线量精准控制在1.65m/t，喂线速度控制在2.5m/秒，喂线过程采用正常吹氩量的70％吹氩搅拌6分钟，喂完线后吹氩弱搅拌1分钟，钢水中[mg]目标控制32ppm。hye海洋平台厚度30mm，采用150kj/cm大线能量焊接时，钢板与焊接熔合线+1mm1/4处-40℃冲击达到132j。