一种100mm厚抗大线能量焊接E36海洋工程用钢板的制作方法
【专利摘要】本发明是一种100mm厚抗大线能量焊接E36海洋工程用钢板及其制造方法，该钢板碳含量为0.10-0.18wt%，碳当量0.43-0.46%，其制备工艺是铁水预处理→转炉冶炼→LF精炼→RH精炼→连铸→铸坯加热→轧制→控冷→正火，在冶炼过程中依次添加Si、Mn、Al，Ti、Ni、Cu、V、Nb等，保证压缩比≥3.0，连铸坯厚度需≥300mm，连铸坯采用TMCP工艺轧制成100mm厚度钢板，再采用910±30℃正火处理。本发明钢板适用于海洋平台用大热输入焊接正火态特厚板，钢板经≥50-200kJ/cm热输入焊接后，焊接粗晶区-40℃冲击功平均值大于50J，能够有效保证焊接热影响区的强度和韧性。
【专利说明】一种100mm厚抗大线能量焊接E36海洋工程用钢板
【技术领域】
[0001] 本发明属于焊接用高强度结构钢板【技术领域】，特别涉及一种IOOmm厚抗大线能量 焊接E36海洋工程用钢及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 随着钢结构朝着大型化方向发展，钢结构的某些重要受力部位要采用厚度超过 80mm的特厚板，结构制造时，若用传统的焊接线能量（一般小于50kJ/cm)进行焊接，则需要 多层多道焊接，施工效率十分低下。单面埋弧焊、气电立焊及电渣焊等大线能量焊接技术因 其熔敷效率高、焊接速度快、焊接质量好、节约能源、操作方便且易于实现自动化等优点，成 为现代钢结构制造行业中应用最为广泛的高效焊接技术。可以大幅度提高焊接效率的单面 埋弧焊、气电立焊或电渣焊等大线能量焊接技术逐渐被普遍采用，这又就给传统的低合金 高强钢带来了新的课题，即焊接热影响区的强度与韧性不可避免的发生恶化。
[0003] 以往钢材在焊接施工中的焊接线能量彡50kJ/cm即可称之为大线能量焊接，而目 前资料显示，气电立焊大线能量焊接的实际焊接线能量甚至已超过500kJ/cm。在如此大的 焊接线能量下，传统的低合金高强钢（HSLA)的热影响区（HAZ)组织将急剧长大，焊接部位 的强度和韧性将有较大的下降，且易产生焊接冷裂纹问题，给大型钢结构的制造带来困难。 另外，对于传统的热机械轧制（TMCP)技术，随着钢板强度的提高和厚度的增加，必须提高 碳当量才能保证常规性能，但是碳当量提高又会恶化钢板的焊接性能。开发适于大线能量 焊接，同时具有高强度、低焊接裂纹敏感性的钢材是国内外众多钢铁企业品种钢开发的重 要课题。为提高施工效率、降低成本，在大型结构物的焊接施工中相继采用了大热输入焊接 技术。国内外相继开发出多种大热输入焊接用钢板。如专利申请号为200580012110. 9的 "大线能量焊接的焊接热影响区的低温韧性优异的厚高强度钢板"发明的钢板厚度为50? 80mm，申请号为200510047195. 6的"大线能量低焊接裂纹敏感性厚钢板及其生产方法"发 明的钢板厚度为< 40mm，申请号为200710039741.0的"低屈强比可大线能量焊接高强高 韧性钢板及其制造方法"发明的钢板最大厚度为75mm，申请号为201010116829. X的"具 有优异的大线能量焊接低温韧性厚钢板及其生产工艺"发明的钢板厚度为50_，申请号为 200610025126. X的"可超大线能量焊接低温用厚钢板及其制造方法"发明的钢板最大厚度 为60_。但这些抗大线能量焊接钢板厚度普遍< 80_，无法完全体现大线能量焊接的优 越性。另一方面，为满足钢结构对厚板的需求，国内外开发了厚度> 80mm的钢板，如专利 申请号为CN102409232A的"低合金高强度结构钢Q390C特厚板及其生产方法"发明了一种 彡IOOmm厚的Q390C钢板；申请号为CN103111464A的"一种特厚板的制造方法"公开了一 种彡60mm厚特厚板的制造方法；申请号为CN 103725964A的"一种新型低合金钢Q345系 列特厚板及其生产方法"公开了一种100?200mm厚Q345系列钢板的制造方法；申请号为 CN102345047A的"一种150mm厚Q245R特厚板及其生产方法"发明了一种150mm厚特厚板。 这些发明专利公开的特厚板厚度均达到或超过100mm，但未具有抗大线能量焊接焊接的性 能，焊接时不能采用超过50kJ/cm的大线能量焊接方法进行施焊，施工效率低。
[0004] 上述专利中发明的钢板具有的特征是：（1)所述的能满足大线能量焊接要求的钢 板厚度规格都< 80mm，不适合应用于某些需要大于80mm厚度钢板的结构建造场合；（2)所 述的厚度规格> 80mm的钢板又不能满足大线能量焊接的要求，制造结构时焊接效率低。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提出一种IOOmm厚抗大线 能量焊接E36海洋工程用钢板，钢板不仅碳含量高，而且具有大量细小弥散分布的夹杂物， 含Ti氧化物、氮化物的复合夹杂物数量均比传统钢高出数倍，5 y m以上的复合夹杂物数量 低于传统钢的数量，从而有效提高钢板强度和焊接热影响区韧性，以适用于焊接热输入大 于50kJ/cm的海洋工程结构制造。
[0006] 本发明解决以上技术问题的技术方案是：
[0007] -种IOOmm厚抗大线能量焊接E36海洋工程用钢板，钢板为正火态，下屈服强度 彡355MPa，钢板含有如以下重量百分比的化学成分：C:0. 10?0. 18%，Si :0. 15?0. 40%， Mn :1. 10 ?1.60%，P :彡 0.013%，S :彡 0.008%，Als :0.010 ?0.035 %、Nb :0.005 ? 0? 04%，V :0? 005 ?0? 05%，Ti :0? 005 ?0? 035%，Ni :0? 01 ?I. 0%，Cu :0? 01 ?L 0%，其 余为Fe及不可避免的杂质，碳当量0. 43?0. 46% ;钢板中，尺寸为0. 2?5 ym的含Ti氧 化物的复合夹杂物数量为1800?2200个/mm2;尺寸为10?300nm的含Ti氮化物的复合 夹杂物数量大于4X IO6个/mm2;尺寸大于50 ym的MnS复合夹杂物数量小于2个/cm2,尺 寸大于5 ym的复合夹杂物数量小于2个/mm2;经彡50?200kJ/cm大热输入焊接后，焊接 粗晶区_40°C冲击功平均值大于50J，钢板组织特征为：原奥氏体晶界处为先共析铁素体， 平均晶粒尺寸小于50 ym，所占面积分数小于40% ;原奥氏体晶粒内部为微细针状铁素体， 所占面积分数大于60%。
[0008] 上述的IOOmm厚抗大线能量焊接E36海洋工程用钢板的制造方法，包括以下工序，
[0009] 钢水冶炼：按所述钢板的目标化学成分进行钢水冶炼，出钢时往钢包中先加入硅 锰进行合金化，LF精炼白渣操作，精炼总时间确保多30分钟，并在冶炼过程中精确控制合 金添加顺序，依次添加 Ti、Ni、Cu、Nb和Al，调整钢水成分至目标成分；
[0010] 连铸：将冶炼的钢水浇铸成连铸坯，连铸坯厚度彡300mm，保证不小于3倍压缩 比；
[0011] 铸坯再加热：连铸坯加热至1100?1250°C，在炉时间8?12min/cm ;
[0012] 热轧：采用TMCP工艺将连铸坯轧制成IOOmm厚度钢板，一阶段终轧温度 1000-1150°C，二阶段开轧温度 840-890°C，终轧温度 830±30°C ;
[0013] 正火：正火温度为910±30°C，正火时间为120?200min。
[0014] 本发明的有益效果是：⑴本发明在钢中能够形成大量细小弥散分布的夹杂物，尺 寸为0. 2?5 y m的含Ti氧化物的复合夹杂物数量和尺寸为10?300nm的含Ti氮化物的 复合夹杂物数量均比传统钢高出数倍，有利于钉扎奥氏体晶粒并细化晶内组织，提高CGHAZ 韧性。⑵本发明钢中大尺寸复合夹杂物数量低于传统钢中的数量，有益于减少焊后微裂纹 源，钢板具有高的常温综合力学性能和良好的低温韧性。⑶通过控制生产工艺条件，生成 的大量细小弥散分布的含Ti氧化物、氮化物的复合夹杂物，钢板在大热输入焊接时，靠近 熔合线的1400°C高温部位，形成大量的晶内针状铁素体，同时在温度低于1400°C的远离熔 合线部位组织中，钉扎原奥氏体晶粒并细化晶内组织，二者共同作用的综合效果使焊接热 影响区的韧性大幅度提高。⑷由于本发明钢中含有大量弥散均匀分布的细小的含Ti氧化 物、氮化物等的复合夹杂物，这些夹杂物在钢板轧后冷却过程中和正火后冷却过程中增加 了铁素体及珠光体相变的形核位置，使钢板从表面到中心的组织均匀，解决了传统特厚板 表面、心部组织不均匀的难题。（5)本发明钢板适用于海洋平台用大热输入焊接正火态特厚 板，在焊接热输入多50?200kJ/cm的范围内，能够有效保证焊接热影响区的强度和韧性。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1为本发明实施例3正火态钢板1/4板厚的金相组织图。 图2为本发明实施例3正火态钢板1/2板厚的金相组织图。
【具体实施方式】
[0016] 下面将通过不同实施例和比较例的对比来描述本发明。本发明并不局限于这些实 施例中，可以在前述化学成分与制造方法范围内加以调整实施。
[0017] 实施例1
[0018] 按表1实施例1所示的目标化学成分冶炼钢水，在冶炼过程中精确控制合金添 加顺序，依次添加 Si、Mn、Ti、Ni、Cu、Nb、A1，达到目标化学成分后进行连铸，所得的连铸 坯铸坯厚度300_ ;采用如表2实施例1所示的生产工艺，乳制成IOOmm厚度钢板，再采用 890°C X200min 正火处理。
[0019] 实施例2
[0020] 按表1实施例2所示的目标化学成分冶炼钢水，在冶炼过程中精确控制合金添 加顺序，依次添加 Si、Mn、Ti、Ni、Cu、Nb、Al，达到目标化学成分后进行连铸，所得的连 铸坯厚度300mm ;采用如表2实施例2所示的生产工艺，轧制成IOOmm厚度钢板，再采用 910°C X120min 正火处理。
[0021] 实施例3
[0022] 按表1实施例3所示的目标化学成分冶炼钢水，在冶炼过程中精确控制合金 添加顺序，依次添加 Si、Mn、Ti、Ni、Cu、Nb、Al达到目标化学成分后进行连铸，所得的连 铸坯厚度320mm ;采用如表2实施例3所示的生产工艺，乳制成IOOmm厚度钢板，再采用 930°C X 180min 正火处理。
[0023] 实施例4
[0024] 按表1实施例4所示的目标化学成分冶炼钢水，在冶炼过程中精确控制合金添 加顺序，依次添加 Si、Mn、Ti、Ni、Cu、Nb、Al，达到目标化学成分后进行连铸，所得的连 铸坯厚度320mm ;采用如表2实施例4所示的生产工艺，乳制成IOOmm厚度钢板，再采用 900°C X 160min 正火处理。
[0025] 比较例1
[0026] 按表1比较例1所示的目标化学成分冶炼钢水，采用表2比较例1所示的生产工 艺制造。
[0027] 比较例2
[0028] 按表1比较例2所示的目标化学成分冶炼钢水，采用表2比较例2所示的生
[0029] 产工艺制造。
[0030] 比较例3
[0031] 按表1比较例3所示的目标化学成分冶炼钢水，采用表2比较例3所示的生产工 艺制造。
[0032] 比较例4
[0033] 按表1比较例4所示的目标化学成分冶炼钢水，采用表2比较例4所示的生产工 艺制造。
[0034] 表3为实施例与比较例的力学性能，可以看出，本实施例1-4钢板板厚1/4至板厚 1/2处强度及冲击功性能比比较例1-4性能更均匀。
[0035] 表4为实施例与比较例的夹杂物统计及大热输入焊接性能对比，可以看出，本实 施例1-4具有化学成分简单、工艺操作过程良好，对大线能量焊接性能有利的< 5 y m含Ti 氧化物复合夹杂和含Ti的氮化物复合夹杂物数量比比较例高5-40倍，对大线能量焊接性 能不利的> 5 ym的复合夹杂物数量小于比较例的1/10,故实施例钢板抗大热输入焊接性 能优良，焊接热影响区-40°C冲击功大于50J，且焊前不需要预热、焊后不需要进行热处理。 在有效保证海洋平台结构件安全性的同时，能够大幅度提高施工效率、节约施工成本。
[0036] 图1中实施例3钢板正火态金相组织为铁素体+珠光体；图2中的金相组织中奥 氏体晶粒内部形成大量纵横交错的针状铁素体，故钢板经大热输入焊接后仍然具有良好的 低温冲击韧性。
[0037] 表1本发明实施例1?4与比较例1?4化学成分
[0038]
【权利要求】
1. 一种100mm厚抗大线能量焊接E36海洋工程用钢板，其特征在于：钢板为正火态，下 屈服强度彡355MPa，钢板含有如以下重量百分比的化学成分：C :0. 10?0. 18%，Si :0. 15? 0? 40%，Mn :1. 10 ?1. 60%，P :彡 0? 013%，S :彡 0? 008%，Als :0? 010 ?0? 035%、Nb :0? 005 ? 0? 04%，V :0? 005 ?0? 05%，Ti :0? 005 ?0? 035%，Ni :0? 01 ?1. 0%，Cu :0? 01 ?1. 0%，其余为 Fe及不可避免的杂质，碳当量0. 43?0. 46% ;钢板中，尺寸为0. 2?5 ym的含Ti氧化物 的复合夹杂物数量为1800?2200个/mm2;尺寸为10?300nm的含Ti氮化物的复合夹杂 物数量大于4X 106个/mm2;尺寸大于50 ym的MnS复合夹杂物数量小于2个/cm2,尺寸大 于5 ym的复合夹杂物数量小于2个/mm2;经彡50?200kJ/cm大热输入焊接后，焊接粗晶 区-40°C冲击功平均值大于50J ;钢板组织特征为：原奥氏体晶界处为先共析铁素体，平均 晶粒尺寸小于50 ym，所占面积分数小于40% ;原奥氏体晶粒内部为微细针状铁素体，所占 面积分数大于60%。
2. 如权利要求1所述的100mm厚抗大线能量焊接E36海洋工程用钢板，其特征在于： 含有如以下重量百分比的化学成分：C :0. 13%，Si :0. 27%，Mn :1. 55%，P :0. 005%，S :0. 003%， Als :0? 031%、Nb :0? 032%，V :0? 006%，Ti :0? 012%，Ni :0? 032%，Cu :0? 24%，其余为 Fe 及不可 避免的杂质，碳当量0.43%。
3. 如权利要求1所述的100mm厚抗大线能量焊接E36海洋工程用钢板，其特征在于： 含有如以下重量百分比的化学成分：C :0. 14%，Si :0. 21%，Mn :1. 56%，P :0. 006%，S :0. 002%， Als :0? 025%、Nb :0? 020%，V :0? 0047%，Ti :0? 020%，Ni :0? 020%，Cu :0? 15%，其余为 Fe 及不可 避免的杂质，碳当量0.43%。
4. 如权利要求1所述的100mm厚抗大线能量焊接E36海洋工程用钢板，其特征在于： 含有如以下重量百分比的化学成分：C :0. 15%，Si :0. 30%，Mn :1. 44%，P :0. 006%，S :0. 005%， Als :0? 035%、Nb :0? 011%，V :0? 0020%，Ti :0? 011%，Ni :0? 029%，Cu :0? 26%，其余为 Fe 及不可 避免的杂质，碳当量0.44%。
5. 如权利要求1所述的100mm厚抗大线能量焊接E36海洋工程用钢板，其特征在于： 含有如以下重量百分比的化学成分：C :0. 16%，Si :0. 24%，Mn :1. 38%，P :0. 007%，S :0. 003%， Als :0? 020%、Nb :0? 009%，V :0? 035%，Ti :0? 009%，Ni :0? 01%，Cu :0? 05%，其余为 Fe 及不可避 免的杂质，碳当量0.46%。
6. 如权利要求1所述的100mm厚抗大线能量焊接E36海洋工程用钢板的制造方法，其 特征在于：包括以下工序， 钢水冶炼：按所述钢板的目标化学成分进行钢水冶炼，出钢时往钢包中先加入硅锰进 行合金化，LF精炼白渣操作，精炼总时间确保多30分钟，并在冶炼过程中精确控制合金添 加顺序，依次添加 Ti、Ni、Cu、Nb和A1，调整钢水成分至目标成分； 连铸：将冶炼的钢水浇铸成连铸坯，连铸坯厚度多300mm，保证不小于3倍压缩比； 铸坯再加热：连铸坯加热至1100?1250°C，在炉时间8?12min/cm ; 热轧：采用TMCP工艺将连铸坯轧制成100mm厚度钢板，一阶段终轧温度1000-1150°C， 二阶段开轧温度840-890 °C，终轧温度830 ±30 °C ; 正火：正火温度为910±30°C，正火时间为120?200min。
【文档编号】C22C33/04GK104451389SQ201410643430
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月13日 优先权日:2014年11月13日
【发明者】邓伟, 崔强, 吴年春, 尹雨群 申请人:南京钢铁股份有限公司