一种用于钢结构制作的高强度、高韧性、耐大气腐蚀钢板及其制造方法与流程

本发明涉及用于钢结构制作的厚钢板生产，具体涉及一种高强度、高韧性、耐大气腐蚀的厚钢板。

背景技术：

随着桥梁建设向大跨度、重载荷、耐大气腐蚀等方向发展，此外，高层建筑等对钢结构大型化的建设需求也日趋增加，钢结构制作所用的结构钢钢板也逐步向高强度、高韧性、大厚度、耐大气腐蚀等方向发展。高强度、高韧性、耐大气腐蚀的厚钢板成为钢结构用钢板产品生产企业的重要研究方向。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种厚度60mm～120mm的可用于大型桥梁、高层建筑等钢结构的钢板生产方法，钢板的强度、韧性、断后伸长率满足钢结构的制作要求外，还具有优良的耐大气腐蚀性能。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种用于钢结构制作的高强度、高韧性、耐大气腐蚀钢板，元素成分按质量百分比计：c：0.03％～0.10％，si：0.30％～0.50％，mn：1.10％～1.50％，p≤0.010％，s≤0.003％，cr:0.45％～0.70％，cu：0.25％～0.40％，ni：0.30％～0.40％，alt：≥0.030％，ti：0.006％～0.030％，v：0.040％～0.080％，mo：0.02％～0.08％，ca：0.0010％～0.0030％，n：0.0020％～0.0080％，b：0.0002％～0.0030％，ce:0.001～0.010％，耐大气腐蚀指数i＞6.5，cev≤0.54，pcm≤0.27，余量为fe和不可避免的杂质。

耐大气腐蚀腐蚀指数i的计算方式如下

本申请钢板产品的厚度为60mm-120mm，屈服强度rp0.2≥485mpa、抗拉强度rm≥595mpa、断后伸长率a≥20％、-23℃冲击吸收能≥120j。

本发明钢板采用化学成分设计低碳当量(cev)和低焊接裂纹敏感性指数(pcm)提高钢板焊接性能，cr、cu、si、ni等提高钢的耐大气腐蚀性能，适量碳和v、ni、cr、cu、mo及b等合金元素配比，解决钢板强度、韧性等性能问题，al、ti、ce、ca等分别细化钢板生产不同工序阶段的组织，改善钢中残留夹杂物形态，结合极低的p、s等有害元素含量，有效提高钢板综合性能。

钢板中各元素及含量在本发明中的作用是：

⑴、碳(c)

碳提高钢的淬透性，影响淬火后贝氏体形态，提高强度，但以间隙原子或以碳化物形式析出并过分长大会恶化钢的低温韧性和焊接性能，因此将碳(c)含量控制在0.03％～0.10％。

⑵、硅(si)

是炼钢过程中最经济的还原剂和脱氧剂，残留于钢中的硅元素可以提高钢的耐大气腐蚀性能，但当含量超过0.5％时，钢的洁净度降低，会显著地提高钢的韧脆转变温度，同时也会恶化塑性，加热时表面易增加氧化铁皮且不易去除。因此，将si的适宜量控制在0.30％～0.50％。

⑶、锰(mn)

是钢中重要的强韧化元素，可以降低钢的相转变温度，降低钢的下临界点(降低临界转变温度ar3)，提高淬透性增加奥氏体冷却的过冷度，提高钢的低温韧性，相对其它合金成本低廉，但含量过高时会增加钢材连铸偏析的趋势，因此本发明采用mn的含量为1.10％～1.50％。

⑷、磷(p)

可以提高钢的耐腐蚀性能，但属于低温脆性元素，对低温韧性极为有害，也是一种易于偏析的元素，显著扩大液相和固相之间的两相区，在钢凝固过程中偏析于晶粒之间，形成高磷脆性层，使钢的局部产生严重的偏析，会降低钢的塑性和韧性，使钢易产生脆性裂纹，本发明主要将磷(p)作为脆性元素对待，尽量降低其含量。

⑸、硫(s)

是钢中的有害元素，当以mns的形式存在于钢中时，极易在中心偏析聚集，严重影响钢的韧性和塑性。因此尽量降低其含量。

⑹、铬(cr)

是提高钢耐大气腐蚀性能最主要的元素之一，同时提高钢的淬透性，改善调质后钢材的韧性和塑性，提高钢的抗拉强度(rm)，同时略提高钢的塑性。含量过高，易产生碳化物析出，影响钢的韧性，恶化焊接性能，淬火后回火时，可能会发生二次硬化现象。因此将铬(cr)控制在

⑺、铜(cu)

是提高钢耐大气腐蚀性能最主要的元素之一。cu是扩大奥氏体相区元素，提高钢的淬透性，并且在钢中起固溶及沉淀强化作用，可以提高钢的强度。此外cu还有利于获得良好的低温韧性。但含量过高时，钢坯加热或热轧时易产生热脆，恶化钢板表面性能。本发明铜(cu)控制在0.25％～0.40％。

⑻、镍(ni)

一方面ni始终使铁的韧性保持极高的水平，使其脆性转变温度极低，能够细化钢的晶粒，提高钢的低温韧性；另方面通过形成简单的置换固溶体起着强化铁素体的作用，可提高钢的强度。此外，ni可以有效阻止cu热脆引起的网裂。本发明铜(cu)控制在0.30％～0.40％。

⑼、铝(al)

al是强脱氧元素，在si脱氧后，用al终脱氧，降低钢中氧及氧化物夹杂含量，提高钢的综合性能；钢中一定残留铝具有加热过程抑制奥氏体晶粒粗化的作用。一般酸溶铝(als)控制在0.015％以上，全铝(alt)控制在0.020％以上。

⑽、钛(ti)

是强碳氮化物形成元素，微量ti可形成细小的钛的碳化物、氮化物颗粒，有效钉扎奥氏体晶界，抑制奥氏体晶粒的粗化，阻止加热过程晶粒长大，提高钢板韧性。另外，钢板中高度弥散分布的ti的化合物可以阻止焊接过程中晶粒长大，改善焊接热影响区的韧性。

⑾、钒(v)

v有强烈的沉淀强化作用，v的碳氮化物可作为有效核心位置促进晶内铁素体形核达到细化晶粒的作用，在低碳贝氏体钢中可有明显的强化和韧化效果。当在高温下溶入固溶体时增加钢的淬透性，同时v增加淬火钢的回火稳定性，因此v在调质钢中可提高强度，并且提高屈强比。综合考虑，v的适宜量控制在0.040％～0.080％。

⑿、钼(mo)

可使钢相变的c曲线右移，显著提高钢的淬透性、淬硬性，尤其是能够提高钢的回火稳定性，利于调质后获得细晶粒的回火索氏体，使钢板强韧性得到改善。

⒀、钙(ca)

首先ca是极强的脱氧元素，利于钢液深脱氧；其次ca可以改变脱氧、脱硫产物性质，一方面降低夹杂物，另一方面改善残留于钢中的夹杂物的有害影响；此外，钢中残留ca的化合物还可以改善钢的焊接性能。ca控制在0.0010％～0.0030％。

⒁、氮(n)

n与v、ti等元素配合，可以发挥其细化组织的作用。但n可以起钢的淬火时效和形变时效。本发明限制n含量在0.0020％～0.0080％。

⒂、硼(b)

b能显著提高钢板淬透性，提高淬透性、淬硬性从而提高强度与硬度，但其在晶界偏聚，会对钢板韧性产生影响。b含量控制在0.0002％～0.0030％。

⒃、铈(ce)

能改善钢中残留夹杂物形态。在较低碳含量的钢中，影响钢的相变点，减缓奥氏体向贝氏体转变，提高钢的淬透性，可细化组织。可改变碳化物析出部位，由在晶界和晶内分布变为主要在晶内分布，且细化碳化物，抑制碳化物相的聚集、粗化，提高钢的强度和韧性。

本发明的目的还在于提供上述钢板的制造方法，具体步骤如下

(1)铁水经kr预处理后，首先在bof顶底复吹转炉中进行初炼，控制钢水[p]≤0.005％，[c]≤0.05％后出钢至钢水包；然后进入lf精炼工序，lf精炼工序造白渣，精炼剂总用量不少于18kg/t钢，喂铝线沉淀脱氧，全过程钢液[al]含量控制在0.010％以上，使用低碳合金精调成份，使各目标元素成分达到目标值；温度达到1600℃～1680℃后，进入rh真空处理工序，＜130pa高真空度条件下的处理时间不少于20min，真空处理前后对钢液ca处理，保证最终钢水ca含量达到0.0010％～0.0030％，真空处理后在厚度370mm～450mm连铸机上浇铸成连铸板坯。

(2)连铸板坯在步进式连续加热炉中升温至1180℃～1280℃，均热段保温50min～120min，使连铸坯芯部也达到1180℃～1280℃，出加热炉，经高压水除鳞除去表面氧化铁皮，立即将板坯初轧至成品厚度的1.6-2.4倍，然后精轧到成品厚度，控制精轧开轧温度在780℃～880℃，终轧温度在800℃以下，轧后钢板通过acc水冷至500℃～650℃，再缓慢冷却至常温。

(3)经调质热处理得到贝氏体组织，生产出性能合格的钢板。

进一步地，为了得到性能合格的钢板，步骤(3)调质热处理为淬火和回火。

淬火时，钢板加热到900℃～950℃，保温时间0.3min/mm～1.0min/mm，充分奥氏体化和合金元素的固溶，达到保温时间后，钢板出加热炉立即进入连续辊压式淬火机中淬火，淬火机辊道运行速度0.8m/min～3.5m/min，使冷却速度达到12℃/s以上。

回火时，在连续式回火炉中将钢板加热至回火温度590℃～650℃，保温时间2.5min/mm～4.5min/mm，然后出加热炉自然冷却至常温。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明钢板的化学成分设计采用低c、低碳当量(cev)和低焊接裂纹敏感性指数(pcm)提高钢板焊接性能；cr、cu、si、ni等保证钢的耐大气腐蚀性能；lf精炼过程si和al联合脱氧，实现钢液高纯净度；rh真空处理前控制钢液si、al含量和钢液面渣量、渣况，高真空条件下进一步净化钢液，rh真空处理工序对钢液ca处理改变钢液中夹杂物形态，实现钢中夹杂物含量极低并且种类、形态可控，最大程度上降低夹杂物对最终钢板塑性、韧性的不良影响；在连铸坯凝固过程，al、ti、v选择性和c、n结合，固定n，避免b的化合，避免形成大颗粒tin夹杂，形成微细弥散的c、n化物，为加热、控轧及后续沉淀强化创造条件，低c结合适量mn、v、cr、mo含量，降低连铸坯偏析程度，为钢板厚度不同位置性能均匀打下良好基础；在轧前连铸坯加热工序，v、ti的c、n化物有效钉扎奥氏体晶界，抑制奥氏体晶粒的粗化，加热充分并避免奥氏体晶粒长大，为钢板良好性能打下基础；轧制工序除成型、保证钢板良好外观、尺寸、表面质量外，v、cr、ce元素和控轧工艺、控冷工艺结合，充分发挥细化钢板原始微观组织的作用；cr、mo强力影响钢板cct曲线，使贝氏体转变曲线和珠光体转变曲线分离，在淬火前钢板加热工序，v、cr、ni、cu、mo、ce及b提高钢板淬透性和淬硬性，提高奥氏体的稳定性，保证淬火得到理想的贝氏体组织形态；mo提高钢板回火稳定性，结合ce的作用控制碳化物析出，保证回火后钢板达到理想的微观组织，最终获得特定性能的钢板，钢板强度高、韧性高、耐大气腐蚀，钢板厚度达到60mm～120mm。可广泛用于大型桥梁等钢结构的制造。

本申请生产工序包括但不限于调质处理，钢板轧后利用余温在线直接淬火，也是发挥本申请化学元素的相关作用，发挥本申请淬火的基本原理设置的，所以，钢板轧后利用余温在线直接淬火，然后回火的方法生产，应包括在本申请之内。

附图说明

图1为60mm屈服强度(rp0.2)485mpa级厚钢板金相组织；

图2为101mm屈服强度(rp0.2)485mpa级厚钢板金相组织；

图3为120mm屈服强度(rp0.2)485mpa级厚钢板金相组织。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一

本实施例的钢板厚度60mm。其是由以下质量百分数的组分熔炼而成：c：0.05％，si：0.38％，mn：1.36％，p：0.010％，s：0.0018％，cr:0.59％，cu:0.32％，ni：0.34％，alt：0.039％，ti：0.009％，v:0.055％，mo：0.03％，ca：0.0010，n：0.0031％，b：0.0005％，ce:0.006，耐大气腐蚀指数i:6.8，cev:0.46，pcm:0.19，余量为fe和不可避免的杂质。

本实施例屈服强度(rp0.2)485mpa级厚钢板生产方法的步骤如下：

第一步，铁水经kr预处理后，首先在150tbof顶底复吹转炉中进行初炼,控制钢水[p]：0.005％，[c]：0.03％后出钢至钢水包；lf精炼工序造白渣，精炼剂总用量19kg/t钢，全过程钢液[al]含量在0.010％～0.039％，使用低碳合金精调成份，温度在1650℃后，进入rh真空处理工序，＜130pa高真空度处理时间20min，真空处理前后钢液ca处理，最终钢水ca含量0.0010％，真空处理后在厚度370mm连铸机上浇铸成连铸板坯。

第二步，连铸板坯在步进式连续加热炉中升温至1260℃，均热保温70min，使连铸坯芯部也达到1260℃，出加热炉，经高压水除鳞箱除去表面氧化铁皮，立即在4300mm厚板轧机上初轧至140mm，然后在4300mm精轧机上轧到60mm，精轧控制开轧温度在880℃，终轧温度840℃，轧后钢板通过acc水冷至610℃，再缓慢冷却至常温。

第三步，钢板在连续式加热炉中加热到920℃，保温时间按0.4min/mm板厚，加热保证充分奥氏体化和合金元素的固溶，达到保温时间后，钢板出加热炉立即进入连续辊压式淬火机中淬火，淬火机辊道运行速度3.2m/min，冷却速度达到15℃/s。然后在连续式回火炉中回火，回火温度640℃，保温时间3.5min/mm，然后出加热炉自然冷却至常温。

实施例一屈服强度(rp0.2)485mpa级桥梁钢板性能如下：

60mm屈服强度(rp0.2)485mpa级厚钢板性能

实施例一微观组织参见图1，从图中可看出钢板组织中晶粒细小、均匀，与强度、韧性匹配。

实施例二

本实施例的钢板厚度101mm。其是由以下质量百分数的组分熔炼而成：c：0.08％，si：0.47％，mn：1.45％，p：0.006％，s：0.0011％，cr:0.66％，cu:0.35％，ni：0.36％，alt：0.051％，ti：0.016％，v:0.059％，mo：0.05％，ca：0.0012，n：0.0028％，b：0.0008％，ce:0.009，耐大气腐蚀指数i:7.1，cev:0.52，pcm:0.24，余量为fe和不可避免的杂质。

本实施例屈服强度(rp0.2)485mpa级厚钢板生产方法的步骤如下：

第一步，铁水经kr预处理后，首先在150tbof顶底复吹转炉中进行初炼,控制钢水[p]：0.004％，[c]：0.03％后出钢至钢水包；lf精炼工序造白渣，精炼剂总用量21kg/t钢，全过程钢液[al]含量在0.012％～0.045％，使用低碳合金精调成份，温度在1660℃后，进入rh真空处理工序，＜130pa高真空度处理时间25min，真空处理前后钢液ca处理，最终钢水ca含量0.0012％，真空处理后在厚度450mm连铸机上浇铸成连铸板坯。

第二步，连铸板坯在步进式连续加热炉中升温至1220℃，均热保温90min，使连铸坯芯部也达到1220℃，出加热炉，经高压水除鳞箱除去表面氧化铁皮，立即在4300mm厚板轧机上初轧至200mm，然后在4300mm精轧机上轧到101mm，精轧控制开轧温度在830℃，终轧温度800℃，轧后钢板通过acc水冷至580℃，再缓慢冷却至常温。

第三步，钢板在连续式加热炉中加热到930℃，保温时间按0.6min/mm板厚，加热保证充分奥氏体化和合金元素的固溶，达到保温时间后，钢板出加热炉立即进入连续辊压式淬火机中淬火，淬火机辊道运行速度1.2m/min，冷却速度达到16℃/s。然后在连续式回火炉中回火，回火温度610℃，保温时间4.0min/mm，然后出加热炉自然冷却至常温。

实施例二屈服强度(rp0.2)485mpa级桥梁钢板性能如下：

101mm屈服强度(rp0.2)485mpa级厚钢板性能

实施例二微观组织参见图2，从图中可看出钢板组织中晶粒细小、均匀。

实施例三

本实施例的钢板厚度120mm。其是由以下质量百分数的组分熔炼而成：c：0.07％，si：0.50％，mn：1.46％，p：0.005％，s：0.0013％，cr:0.69％，cu:0.37％，ni：0.39％，alt：0.049％，ti：0.017％，v:0.065％，mo：0.06％，ca：0.0014，n：0.0032％，b：0.0009％，ce:0.008％，耐大气腐蚀指数i:7.2，cev:0.53，pcm:0.23，余量为fe和不可避免的杂质。

本实施例屈服强度(rp0.2)485mpa级厚钢板生产方法的步骤如下：

第一步，铁水经kr预处理后，首先在150tbof顶底复吹转炉中进行初炼,控制钢水[p]：0.003％，[c]：0.03％后出钢至钢水包；lf精炼工序造白渣，精炼剂总用量23kg/t钢，全过程钢液[al]含量在0.015％～0.049％，使用低碳合金精调成份，温度在1667℃后，进入rh真空处理工序，＜130pa高真空度处理时间25min，真空处理前后钢液ca处理，最终钢水ca含量0.0014％，真空处理后在厚度450mm连铸机上浇铸成连铸板坯。

第二步，连铸板坯在步进式连续加热炉中升温至1230℃，均热保温106min，使连铸坯芯部也达到1230℃，出加热炉，经高压水除鳞箱除去表面氧化铁皮，立即在4300mm厚板轧机上初轧至230mm，然后在4300mm精轧机上轧到120mm，精轧控制开轧温度在810℃，终轧温度800℃，轧后钢板通过acc水冷至590℃，再缓慢冷却至常温。

第三步，钢板在连续式加热炉中加热到930℃，保温时间按0.8min/mm板厚，加热保证充分奥氏体化和合金元素的固溶，达到保温时间后，钢板出加热炉立即进入连续辊压式淬火机中淬火，淬火机辊道运行速度1.0m/min，冷却速度达到18℃/s。然后在连续式回火炉中回火，回火温度610℃，保温时间4.0min/mm，然后出加热炉自然冷却至常温。

本实施例屈服强度(rp0.2)485mpa级桥梁钢板性能如下：

120mm屈服强度(rp0.2)485mpa级厚钢板性能

实施例三的微观组织参见图3，同实施例一和二相同，组织为贝氏体，晶粒细小、均匀。