专利名称：水电站压力钢管用控轧控冷钢及其生产方法
技术领域：
本发明涉及一种水电站压力钢管用高强度控制控冷钢，属低碳低合金钢制造领域。
背景技术：
本发明所属技术领域的技术人员十分清楚，水电站压力钢管、岔管及蜗壳等钢结构用钢板属中厚板，厚度范围一般在25-65mm之间，工程建设过程中需要大量的焊接施工。目前我国水电站压力钢管用钢大都用低焊接裂纹敏感性钢(简称为CF钢)制造，采用两种工艺过程生产这种钢，一种是调质过程；另一种为控制轧制+回火工艺。这种CF钢因化学成分复杂，含有较高水平的Mo、V等合金元素，生产工序较多，因而价格昂贵，另外，虽然调质CF钢的抗拉强度达到600MPa级，但其屈服强度与抗拉强度之比(简称为屈强比)较高，一般高于0.9，有的钢屈强比甚至达到0.95，抗震能力低，安全性差，不能满足工程要求，而且，传统的CF钢冲击韧度要求为-20℃Akv≥47J。随着水电站压力钢管、岔管及蜗壳等钢结构逐步向大型化方向发展，对钢的冲击韧度的要求亦逐渐提高，传统CF钢的冲击韧度≥47J已不能满足要求，对于大型水电压力钢管、岔管及蜗壳用钢的-20℃Akv要求高于54J或更高。因此，为降低水电站压力钢管用钢的生产成本，国内外都在努力研制开发各种高强度、高韧性、成本相对较低的钢种。另外压力钢管在实施建设中，为提高焊接效率和改善现场焊接作业环境，广泛采用一些先进的焊接技术，为此，要求压力钢管用钢能够适应不同的焊接规范，具有良好的焊接性能。随着我国国民经济的快速发展，水电站压力钢管等钢结构逐步向高强度、大型化方向发展，因此研制生产成本低具有良好强韧性配合并具有优异焊接性能的水电站压力钢管用控轧控冷钢势在必行。
在本发明提出以前，中国专利授权公告号CN1084798C介绍了“高韧性、高耐磨蚀性浆体管线用钢的制造方法”，通过冶炼、锻造、热轧、冷却后卷取等工艺过程生产，其化学成分按重量百分比为C0.02-0.05，Mn0.50-1.0，Si0.15-0.45，Cr0.50-0.80，Cu0.15-0.40，Ni0.10-0.25，Mo0.15-0.30，Nb0.02-0.05，Ca0.0010-0.0080，N0.0070-0.03，Ti0.01-0.022，S≤0.0060，卷取温度为540±20℃。利用固溶氮及氮化物的析出获得一定的强度。其不足之处在于，化学成分比较复杂，且含有昂贵的合金元素Mo，提高了制造成本。另外，该钢能够适应的焊接范围较小，不能承受大线能量焊接等先进的焊接工艺，因而不能用于水电站压力钢管、岔管及蜗壳的建设。
另一项中国专利授权公告号CN1040555C公开了“焊接部位的疲劳强度和焊接性优良的高强度钢及其制造方法”。其化学成分按重量百分比为C0.03-0.20％，Si0.6-2.0％，Mn0.6-2.0％，Al0.01-0.08％，B0.002％以下，以及N0.002-0.008％以下，还可添加Cu、Mo、Ni、Cr、Nb、V、Ti、Ca及REM等合金元素，采用普通轧制或控制轧制方法制造。不足在于其一，钢的化学成分复杂，生产过程难于控制，使得产品合格率降低，增加了成本；其二，含有昂贵的合金元素Mo、V等，不是一种经济型钢；其三，因含有合金元素Al、REM等强氧化性合金元素，浇铸过程形成的氧化物容易堵浇铸水口，生产不安全。
再一项中国专利授权公告号CN1083893C公开了“高抗拉强度钢及其生产方法”，抗拉强度高于900MPa，其化学成分按重量百分比为C0.02-0.1％，Si≤0.6％，Mn0.2-2.5％，Ni0.2-1.2％，Nb0.01-0.1％，Ti0.005-0.03％，Al≤0.1％，N0.001-0.006％，Cu0-0.6％，Cr0-0.8％，Mo0-0.6％，V0-0.1％，B0-0.0025％，Ca0-0.006％，P≤0.015％，S≤0.003％。不足在于钢的化学成分很复杂，致使生产过程复杂。要求钢的S含量不高于0.003％，增加了生产难度，提高了生产成本。
发明内容
为克服上述背景技术及现有的水电站压力钢管用钢的不足，本发明的目的在于提供一种经济型水电站压力钢管用高强度(屈服强度大于490MPa)具有优异焊接性能的控轧控冷钢及其生产方法，重点解决的问题是1.降低钢的屈强比，使钢的屈强比小于0.82.进一步提高钢的低温冲击韧度，使钢的冲击韧度-20℃Akv≥54J。按照本发明所述的生产方法制造的钢板集高强度、高韧性和低成本于一体，适应较宽的焊接范围。生产过程容易控制，操作简单，生产成本较低，适合规模生产。
本发明为了达到上述目的，设计了一种水电站压力钢管用高强度控轧控冷钢，该钢的化学成分按重量百分比为C0.03-0.10％，Si0.05-0.20％，Mn1.0-3.0％，P≤0.02％，S≤0.015％，Cr0.3-2.0％，Ni0.20-0.60％，Nb0.05-0.15％，B0.0006-0.003％。该钢的化学成分满足以下关系式(1)1.50％≤Cr+Mn≤3.5％(2)1.5C≤Nb本发明经优选的该钢优选化学成分按重量百分比为C0.03-0.07％，Si0.05-0.10％，Mn2.0-2.60％，P0.010，S0.006，Cr0.80-1.2％，Ni0.30-0.35％，Nb0.065-0.10，B0.0008-0.0015％。
本发明最佳的该钢最佳化学成分按重量百分比为C0.065％，Si0.07％，Mn2.25％，P0.012％，S0.009％，Cr1.15％，Ni0.40％，Nb0.10％，B0.0012％。
本发明按上述优选的化学成分，其生产制造水电站压力钢管用控扎控冷钢的方法，是采用开轧温度≥1100℃，950℃以上轧制总压下率≥50％，950℃以下轧制总压下率≥65％，终轧温度控制在800-930℃温度范围，终轧后在终轧温度停留时间50-500s，然后以2-18℃/s的冷速冷至室温。钢的屈服强度≥490MPa，抗拉强度610-750MPa，屈服强度与控冷强度之比小于0.80，冲击韧度-20℃Akv≥54J，并具有优异的焊接性能。
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。
1.低C高Mn合金化方式并通过加入适量的合金元素Cr，使钢在变形后连续冷却过程中相变点降低，抑制原奥氏体晶界非整形铁素体的形成，促使针状铁素体在晶内形成。在低温相变温度区域，抑制相变过程中晶粒长大速率，增加形核速率，从而细化晶粒。
2.高Nb合金化本发明钢。通过Nb原子拖曳效应及细小弥散Nb(CN)析出相的共同作用，将钢的再结晶温度提高到950℃以上，使得轧制变形可在高温区较宽的温度范围进行而不会出现晶粒异常长大现象(再结晶)导致混晶，弱化钢的性能。
3.通过本发明的控轧控冷工艺过程，抑制高温区非整形铁素体及珠光体转变，使钢在中温区及贝氏体(针状铁素体)转变区域充分转变，形成一定数量的针状铁素体组织，生产的钢具有高强度、高韧性。
以下进一步描述本发明钢中选定各合金元素及成分范围的理由。
C是钢中最有效、最经济的间隙强化元素之一，为了提高钢的强度，似乎只要增加钢中的碳含量即可，但是过量的C含量会使钢的焊接性能及断裂韧性显著降低，相反，如果C含量过低，则难于保障钢的强度，本发明特征之一是低C高Mn合金化，经综合平衡钢的强度、焊接性能及断裂韧性，将C含量的取值范围确定为0.03-0.10％。
Si是一种经济的置换固溶强化元素，我国资源很丰富，加入钢中可显著提高钢的强度，且对钢的焊接性能没有明显的负面影响，但如果过多地加入Si，会使钢的韧性，尤其使低温韧性明显降低，在满足强度的前提下，应尽可能降低Si的含量。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0.05-0.20％。
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，低合金高强钢朝低C高Mn方向发展，故将Mn含量的范围设定为1.0-3.0％。
钢中含有适量的Cr，可以提高钢的淬透性，抑制钢在连续冷却过程中的高温转变即珠光体、铁素体转变，促使中温转变即贝氏体(针状铁素体)转变，使钢具有良好的强韧性配合。Ni、Cr可提高钢的淬透性及抗腐蚀性能，Ni可显著提高钢母材及焊接接头的低温韧性，但Ni属贵重金属，我国Ni资源匮乏，结构钢中不宜多加，Cr虽可提高钢的耐腐蚀性能，但过多的Cr含量对钢的焊接性能不利，降低钢的韧性，综合权衡各合金元素的利弊，将Ni及Cr含量范围分别设定为0.20-0.60％和1.0-2.0％。
钢中加入微量的Nb，主要目的在于提高钢的再结晶温度，使轧制可在较高温度完成，减小轧制机械设备的轧制抗力，延长使用寿命，微量的Nb还具有细化晶粒提高强度和韧性的作用，将Nb及C含量的关系确定为1.5C≤Nb，是由于Nb于固溶状态和Nb(CN)析出相均可抑制钢的奥氏体晶界移动，将钢的再结晶温度提高950℃以上。一部分Nb与C结合形成Nb(CN)相析出，细小的析出相亦可阻止钢的再结晶，剩余部分Nb固容于钢中通过原子拖曳作用抑制钢的再结晶，经此处理后钢的基体中自由C含量显著降低，不至于在随后冷却过程中形成珠光体，恶化钢的性能。因此将Nb含量确定为0.05％≤Nb≤0.15％，且1.5C≤Nb。
B是提高钢的淬透性最强烈的元素，加入微量的B，与Mn、Cr等合金元素联合作用，抑制钢的高温转变，促使中温区针状铁素体转变，使钢具有良好的机械性能，但过高的B含量易导致硼脆，降低钢的韧性，故将钢的B含量限定在0.0005-0.003％。
P、S是钢中有害的杂质元素，降低钢的韧性及焊接性能，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，因此在不影响韧性及焊接性能的前提下，将钢得P、S含量分别限定在≤0.02％及≤0.015％常规范围。
本发明所述生产方法所依据的原理。
将开轧温度设定为高于1100℃，一般在1100～1190℃开始粗轧，若将开轧温度设定过低，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，过低的终轧温度会导致轧制设备损耗率增加。实际生产中，为节约能源及设备加热能力所限，一般不会将铸坯温度加热到高于1300℃，因此只要设定开轧温度下限即可。
由于添加了适量的合金元素Nb，将钢的非再结晶温度提高到950℃，950℃以上的轧制为粗轧，950℃以下的轧制为精轧，粗轧过程为再结晶轧制，压下率要求高于50％目的在于破碎粗大的晶粒，消除铸态组织，使晶粒均匀，剥离钢坯表面氧化皮等附着物，为精轧作准备。精轧压下率要求高于65％，目的在于通过大压下量，尽可能细化晶粒，终轧温度控制在800-930℃温度范围，终轧后在终轧温度停留时间50-500s，目的在于形成颗粒细小呈弥散分布的析出相，提高钢的强度。终轧并保温后以2-18℃/s的冷速冷至室温，在该冷速范围内可形成针状铁素体组织，不仅具有良好的强度，还具有很好的韧性及焊接性能。
按照本发明钢的成分要求，冶炼了6批本发明钢及4批本申请之前已有的专利比较钢，进行机械性能及斜Y型坡口约束焊接试验，结果见表1，进行焊接试验时，焊前未预热，焊接环境温度为26℃，相对湿度为95％，焊后未热处理。由表1可见，本发明钢不仅达到强度要求，而且具有优良的低温冲击韧性，且焊接接头均未发现裂纹，表明本发明钢具有良好的焊接性能，而4批比较钢屈服强度均未达到490MPa，且屈强比均高于0.81。比较钢中13号及14号钢因含有过量的N，斜Y型坡口约束焊接接头均发现裂纹。
表1 本发明钢与比较钢的机械性能及斜Y型坡口焊接试验结果
本发明钢还具有如下优点1)化学成分相对简单，生产工艺过程容易操作，生产成本低，生产效率高，适宜规模生产。
2)不仅具有高强度(屈服强度大于490MPa)，而且具有优良的焊接性能，采用各种不同的焊接工艺技术焊接本发明钢，均不会产生焊接裂纹，显著提高工程质量。
3)本发明用廉价合金元素Mn、Cr及Nb的联合合金化，代替价格昂贵的合金元素Mo、V等，并可适当减少钢中Ni的含量，使钢的成本显著降低。另外采用控轧控冷工艺代替传统的调质和控制轧制+回火工艺，缩短了生产周期，增加了产量，减轻了劳动强度进一步降低了生产成本，经济效益和社会效益显著。
具体实施例方式
根据本发明筛选的化学成分，进行了4批次钢的冶炼，具体化学成分按下述实施例1-4。
实施例1本发明实施钢化学成分(重量百分比)C0.04，Si0.09，Mn2.25，P0.011，S0.010，B0.001，Ni0.30，Cr1.10，Nb0.065。
实施例2本发明实施钢化学成分(重量百分比)C0.05，Si0.06，Mn2.10，P0.012，S0.006，B0.0011，Ni0.40，Cr0.90，Nb0.08。
实施例3本发明实施钢化学成分(重量百分比)C0.065，Si0.07，Mn2.0，P0.010，S0.009，B0.0012，Ni0.25，Cr0.80，Nb0.10。
实施例4本发明实施钢化学成分(重量百分比)C0.03，Si0.085，Mn2.30，P0.013，S0.005，B0.00135，Ni0.55，Cr1.15，Nb0.055。
本发明生产方法条件轧制成20mm厚的钢板，开轧温度≥1100℃，950℃，以上轧制总压下率≥50％，950℃，以下轧制总压下率≥65％，终轧温度为810-860℃，终轧后在终轧温度停留时间为100-200s，终轧保温后以5-10℃/s的冷速冷至室温。
从实施例成品钢板上取样进行力学性能检测，本发明钢种经上述制造工艺过程生产的钢板强度、冲击韧度及屈强比等性能指标均达到要求。
权利要求
1.一种水电站压力钢管用控轧控冷钢，其特征在于该钢的化学成分按重量百分比为C0.03-0.10％，Si0.05-0.20％，Mn1.0-3.0％，P≤0.02％，S≤0.015％，Cr0.3-2.0％，Ni0.20-0.60％，Nb0.05-0.15％，B0.0006-0.003％。该钢的化学成分满足以下关系式(1)1.50％≤Cr+Mn≤3.5％(2)1.5C≤Nb
2.按权利要求1所述的一种水电站压力钢管用控轧控冷钢，其特征在于该钢优选化学成分按重量百分比为C0.03-0.07％，Si0.05-0.10％，Mn2.0-2.60％，P0.010，S0.006，Cr0.80-1.2％，Ni0.30-0.35％，Nb0.065-0.10，B0.0008-0.0015％。
3.按权利要求1所述的一种水电站压力钢管用控轧控冷钢，其特征在于该钢最佳化学成分按重量百分比为C0.065％，Si0.07％，Mn2.25％，P0.012％，S0.009％，Cr1.15％，Ni0.40％，Nb0.10％，B0.0012％。
4.按权利要求1所述的一种生产水电站压力钢管用控轧控冷钢的方法，其特征是采用开轧温度≥1100℃，950℃以上轧制总压下率≥50％，950℃以下轧制总压下率≥65％，终轧温度控制在800-930℃温度范围，终轧后在终轧温度停留时间50-500s，然后以2-18℃/s的冷速冷至室温。
全文摘要
水电站压力钢管用控轧控冷钢及其生产方法，本发明属低碳低合金钢制造领域，本发明钢的化学成分按重量百分比为C0.03－0.10％，Si0.05－0.20％，Mn1.0－3.0％，P≤0.02％，S≤0.015％，Cr0.3－2.0％，Ni0.20－0.60％，Nb0.05－0.15％，B0.0006－0.003％。该钢的化学成分满足以下关系式(1)1.50％≤Cr+Mn≤3.5％(2)1.5C≤Nb，其生产制造方法采用开轧温度≥1100℃，950℃以上轧制总压下率≥50％，950℃以下轧制总压下率≥65％，终轧温度控制在800－930℃温度范围，终轧后在终轧温度停留时间50－500s，然后以2－18℃/s的冷速冷至室温。钢的屈服强度≥490MPa，抗拉强度610－750MPa，屈服强度与控冷强度之比小于0.80，冲击韧度－20℃A
文档编号C21D11/00GK1908218SQ200610020038
公开日2007年2月7日 申请日期2006年8月24日 优先权日2006年8月24日
发明者陈颜堂, 范值金, 陈晓, 董中波, 董汉雄, 柳志敏, 周佩 申请人:武汉钢铁(集团)公司