一种屈服强度355MPa级大线能量焊接用钢板及其制备方法与流程

本发明属于低合金高强度钢技术领域，特别涉及一种屈服强度355mpa级大线能量焊接用钢板及其制备方法。

背景技术：

随着建筑、能源、造船和海洋工程等领域钢制结构的大型化发展，所用钢板的强度和厚度大幅度增加，生产规模极速扩大，通常建造这类大型结构的焊接工作量约占总工作量的30～40％。由此，在保证焊接质量的前提下，如何提高焊接效率是实现低成本节约型制造的关键。采用大线能量焊接用钢板，可减少焊接道次、提高效率。比如，对于40mm厚普通钢板，采用40kj/cm的线能量需焊接约18道次，而采用线能量为300kj/cm的大线能量焊接方法可单道次成形，焊接效率成数十倍提高。常规的焊接结构用钢只能承受50kj/cm以下的线能量，焊接施工时不得不采用生产效率低下的多道次焊接方法，因此大线能量焊接用钢的研发和应用已引起国内各相关领域的广泛关注。

在大线能量焊接时，钢板焊接热影响区(haz)高温停留时间长，焊后冷却速度慢，导致奥氏体晶粒严重粗化，并产生粗大相变组织，造成haz韧性严重恶化。传统钢材中通常采用tin钉扎晶粒细化组织，但在大线能量下tin将大量溶解而失去作用。因此，研究采用具有更高熔点的氧化物或氧硫化物来细化热影响区组织，改善大线能量焊接性能。

公开号为cn103343284a的发明专利公开了一种大线能量焊接q345级别钢板的生产方法，其特征是添加大量ti元素0.1～0.2％，并控制ti/n元素含量比例为2.4～3.2，形成高温下较稳定的tin析出，钉扎奥氏体晶界促进铁素体形成，提高haz韧性。公开号为cn101684534a的发明专利公开了一种适应大线能量焊接的钢板及其制造方法，其特征是在转炉出钢阶段对钢包顶渣进行还原，在精炼阶段加入脱氧剂分步进行脱氧，形成氧化物和mns夹杂物，提高钢板大线能量焊接性能。公开号为cn102080189a的发明专利公开了一种大热输入焊接用结构钢及其制造方法，其特征是在转炉添加si、mn、al，调整氧含量在10～300ppm进行lf炉精炼，依次添加ti、cr、mo、cu等两种或以上元素，lf精炼后进行连铸和轧制冷却。公开号为cn104451389a的发明专利公开了一种100mm厚抗大线能量焊接e36海洋工程用钢板，其特征是钢水冶炼出钢时往钢包中加入硅锰进行合金化，lf精炼依次添加ti、ni、cu、nb、al元素，进行连铸、热轧和正火。公开号为cn101476018a的发明专利公开了一种提高钢板在大线能量焊接条件下热影响区韧性的方法，其特征是基于cao-mns机理，通过在钢中添加ca元素，形成细小cao和mns提高haz韧性。公开号为cn104498827a的发明专利公开了一种355mpa级大线能量焊接用钢及其制造方法，其特征是通过添加nb、ti、v元素和控轧控冷工艺，形成微合金的碳氮析出物抑制奥氏体晶粒长大，增加针状铁素体形核。公开号为cn103215507a的发明专利公开了一种提高大线能量焊接性能的钢板冶炼方法，其特征是转炉出钢采用mn、si脱氧，钢包炉脱氧采用ti、al、mg、ca脱氧，钢水中形成细小夹杂物，提高大线能量焊接性能。

通过对现有技术的分析可见，目前的大线能量焊接用钢生产工艺繁琐，需要在精炼中进行多种合金元素的添加，并对添加顺序和时间进行严格控制，降低了生产效率，增加了生产成本，不利于大线能量焊接用钢生产技术的推广应用。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种屈服强度355mpa级大线能量焊接用钢板及其制备方法，解决了常规钢板在大线能量焊接条件下性能低下的问题，并解决了现有大线能量焊接用钢生产效率低、成本高的问题。

本发明采取如下技术方案：

一种屈服强度355mpa级大线能量焊接用钢板，按质量分数计，钢板化学成分包括：c0.05～0.15％，si0.1～0.3％，mn1.0～1.6％，p0.001～0.01％，s0.001～0.008％，nb0.004～0.04％，ti0.005～0.025％，n0.002～0.007％，o0.001～0.006％，al0.001～0.015％，ca0.0005～0.005％，mg0.0001～0.001％，余量为fe；钢板中尺寸为0.5～5μm的夹杂物中，ti-al-ca-mn-o-s复合夹杂物数量占10％以上。

所述的屈服强度355mpa级大线能量焊接用钢板，ti-al-ca-mn-o-s复合夹杂物中，平均含有ti1～40％、al1～40％、ca1～40％。

所述的屈服强度355mpa级大线能量焊接用钢板，优选的，ti-al-ca-mn-o-s复合夹杂物中，平均含有ti10～20％、al5～15％、ca5～15％。

所述的屈服强度355mpa级大线能量焊接用钢板，ti-al-ca-mn-o-s复合夹杂物中，10％以上内部包含镁铝尖晶石夹杂，外层含有ca的氧硫化物和mn的硫化物。

所述的屈服强度355mpa级大线能量焊接用钢板，优选的，20～50％内部包含镁铝尖晶石夹杂。

所述的屈服强度355mpa级大线能量焊接用钢板，优选的，钢板中尺寸为0.5～5μm的夹杂物中，ti-al-ca-mn-o-s复合夹杂物数量占30～60％。

所述的屈服强度355mpa级大线能量焊接用钢板，钢板的屈服强度≥355mpa，钢板在100～300kj/cm焊接线能量下，母材和热影响区-60℃冲击韧性≥100j。

所述的屈服强度355mpa级大线能量焊接用钢板的制备方法，包括以下工艺步骤：

(1)冶炼：转炉钢水冶炼采用深脱硫铁水，转炉出钢量在1/4～1/2时向钢包中加入硅锰进行脱氧合金化，出钢量在1/2～3/4时加入钛铁，控制炉后钢水氧含量在10～200ppm；

(2)精炼：lf精炼采用铝粒、碳粉、硅铁粉造白渣，白渣脱硫保持时间≥10min；在lf精炼站进行喂钙线处理，喂入量100～400米；精炼过程中根据所述成分要求调整c、si、mn、nb、ti、al含量，并进行夹杂物控制，成分合格钢水进行连铸；

(3)轧制：连铸坯加热至1100～1250℃，保温30～240min，采用两阶段控制轧制，第一阶段终轧温度≥1000℃，第二阶段开轧温度850～950℃，待温厚度为2～4倍成品板厚；轧后钢板采用喷水冷却，冷却速度≥15℃/s，返红温度650～700℃。

所述的屈服强度355mpa级大线能量焊接用钢板的制备方法，利用钢水中残留的mg元素生成包含镁铝尖晶石夹杂的ti-al-ca-mn-o-s复合夹杂物，不用合金块或喂线的方式向钢中加入镁；钢中ti-al-ca-mn-o-s复合夹杂物按数量计10％以上包含镁铝尖晶石夹杂。

所述的屈服强度355mpa级大线能量焊接用钢板的制备方法，优选的，钢板的屈服强度360～450mpa，钢板在100～300kj/cm焊接线能量下，母材-60℃冲击韧性200～300j，热影响区-60℃冲击韧性100～200j。

本发明的设计思想是：

本发明中常规元素c、si、mn、p、s、nb的含量与普通355mpa级钢板基本相同，以降低生产成本和减少钢板力学性能的波动，利于本发明在现有生产条件下的稳定实施。而仅通过对微量元素ti、al、ca、mg和杂质元素n、o的控制，以及形成特殊类型的夹杂物分布，来显著提高钢板的大线能量焊接性能。

本发明钢板中夹杂物对大线能量焊接性能改善的机理在于，尺寸为0.5～5μm的ti-al-ca-mn-o-s复合夹杂物可显著促进haz中针状铁素体的生成，并且促进tin的微细弥散析出，抑制奥氏体晶粒的粗化，由此可有效细化haz显微组织，提高低温冲击韧性。并且，控制夹杂物的组成为ti1～40％、al1～40％、ca1～40％时，最有利于夹杂物效果的发挥。当ti-al-ca-mn-o-s夹杂物形成内部包含镁铝尖晶石夹杂，外层含有ca的氧硫化物和mn的硫化物的空间结构时，其弥散分布条件和促进haz组织细化效果最佳。因此，对钢板中上述夹杂物的尺寸、组成、数量、结构等参数进行了限定，并且相应的ti、al、ca、mg、n、o元素含量分别限定在所述范围内，最有利于目标夹杂物的形成。

为实现本发明的目的，采用本发明所述冶炼、精炼和轧制方法，可兼顾现有常规355mpa级钢的生产工艺，降低生产成本，提高生产效率，又可有效地在钢中引入目标夹杂物分布，提高大线能量焊接性能，并且保证钢板基体的强韧性能。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明克服了现有技术中大线能量焊接用钢生产工艺繁琐，生产效率低、成本高的缺陷，实现了钢板大线能量焊接低温韧性的显著提高。

2、本发明的冶炼方法与现有技术不同，通过在出钢时加钛铁和精炼站喂钙线生成含有ti和ca的复合夹杂物，利用钢水中残留的mg元素进一步生成微细复合夹杂物，所形成的夹杂物类型可显著细化奥氏体晶粒，促进针状铁素体形核，提高haz低温韧性。

3、本发明的技术方案生产效率高，节省合金的添加量，夹杂物细化haz组织效果明显，大线能量焊接性能优异，有利于推广应用。

附图说明

图1为实施例钢板300kj/cm大线能量焊接接头典型显微组织。

具体实施方式

下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。

实施例1

本实施例中，屈服强度355mpa级大线能量焊接用钢板，其化学成分按质量分数计，包括：c0.05％，si0.2％，mn1.5％，p0.005％，s0.005％，nb0.03％，ti0.025％，n0.003％，o0.002％，al0.005％，ca0.0005％，mg0.0001％，余量为fe；钢板中尺寸为0.5～5μm的夹杂物中，ti-al-ca-mn-o-s复合夹杂物数量占15％；ti-al-ca-mn-o-s复合夹杂物中，按质量分数计平均含有ti15％、al10％、ca5％，其中20％的夹杂物内部包含镁铝尖晶石夹杂，外层含有ca的氧硫化物和mn的硫化物。

上述钢板生产方法包括以下步骤：采用深脱硫铁水冶炼，转炉出钢1/4时向钢包中加入硅锰合金，出钢1/2时加入钛铁，炉后钢水氧含量为10ppm；lf炉采用铝粒、碳粉、硅铁粉造白渣，脱硫保持15min，lf喂钙线100米；精炼过程中根据所述成分要求调整c、si、mn、nb、ti、al含量，并进行夹杂物控制，成分合格钢水进行连铸；

连铸坯加热至1150℃，保温240min，采用两阶段控制轧制，第一阶段终轧温度1050℃，第二阶段开轧温度850℃，待温厚度为2倍成品板厚，钢板厚度40mm；轧后钢板采用喷水冷却，冷却速度15℃/s，返红温度650℃。

所生产钢板的屈服强度365mpa，-60℃冲击韧性265j，钢板在100～300kj/cm焊接线能量下，热影响区-60℃冲击韧性100～200j。

实施例2

本实施例中，屈服强度355mpa级大线能量焊接用钢板，其化学成分按质量分数计，包括：c0.12％，si0.25％，mn1.25％，p0.008％，s0.002％，nb0.02％，ti0.015％，n0.006％，o0.005％，al0.01％，ca0.002％，mg0.0005％，余量为fe；钢板中尺寸为0.5～5μm的夹杂物中，ti-al-ca-mn-o-s复合夹杂物数量占50％；ti-al-ca-mn-o-s复合夹杂物中，按质量分数计平均含有ti21％、al15％、ca12％，其中16％的夹杂物内部包含镁铝尖晶石夹杂，外层含有ca的氧硫化物和mn的硫化物。

上述钢板生产方法包括以下步骤：采用深脱硫铁水冶炼，转炉出钢1/3时向钢包中加入硅锰合金，出钢1/2时加入钛铁，炉后钢水氧含量为100ppm；lf炉采用铝粒、碳粉、硅铁粉造白渣，脱硫保持20min，lf喂钙线200米；精炼过程中根据所述成分要求调整c、si、mn、nb、ti、al含量，并进行夹杂物控制，成分合格钢水进行连铸；

连铸坯加热至1200℃，保温100min，采用两阶段控制轧制，第一阶段终轧温度1080℃，第二阶段开轧温度900℃，待温厚度为3倍成品板厚，钢板厚度30mm；轧后钢板采用喷水冷却，冷却速度20℃/s，返红温度700℃。

所生产钢板的屈服强度405mpa，-60℃冲击韧性280j，钢板在100～300kj/cm焊接线能量下，热影响区-60℃冲击韧性100～200j。

实施例3

本实施例中，屈服强度355mpa级大线能量焊接用钢板，其化学成分按质量分数计，包括：c0.15％，si0.1％，mn1.0％，p0.01％，s0.008％，nb0.005％，ti0.005％，n0.007％，o0.006％，al0.015％，ca0.005％，mg0.001％，余量为fe；钢板中尺寸为0.5～5μm的夹杂物中，ti-al-ca-mn-o-s复合夹杂物数量占60％；ti-al-ca-mn-o-s复合夹杂物中，按质量分数计平均含有ti10％、al8％、ca10％，其中30％的夹杂物内部包含镁铝尖晶石夹杂，外层含有ca的氧硫化物和mn的硫化物。

上述钢板生产方法包括以下步骤：采用深脱硫铁水冶炼，转炉出钢1/2时向钢包中加入硅锰合金，出钢3/4时加入钛铁，炉后钢水氧含量为200ppm；lf炉采用铝粒、碳粉、硅铁粉造白渣，脱硫保持10min；lf喂钙线400米；精炼过程中根据所述成分要求调整c、si、mn、nb、ti、al含量，并进行夹杂物控制，成分合格钢水进行连铸；

连铸坯加热至1250℃，保温30min，采用两阶段控制轧制，第一阶段终轧温度1100℃，第二阶段开轧温度950℃，待温厚度为4倍成品板厚，钢板厚度20mm；轧后钢板采用喷水冷却，冷却速度15℃/s，返红温度660℃。

所生产钢板的屈服强度380mpa，-60℃冲击韧性255j，钢板在100～300kj/cm焊接线能量下，热影响区-60℃冲击韧性100～200j。

如图1所示，从实施例钢板300kj/cm大线能量焊接接头典型显微组织可以看出，焊接热影响区组织细化，夹杂物促进针状铁素体转变效果明显，低温冲击韧性显著提高。

实施例结果表明，本发明的技术方案生产效率高，节省合金添加量，夹杂物细化haz组织效果明显，大线能量焊接低温韧性优异，有利于推广应用。