一种低屈强比超厚水电高强钢板及其制造方法与流程

本发明涉及一种低屈强比超厚水电高强钢及其制造方法。

背景技术：

我国水力发电占国内能源结构的第二位，近些年，水力发电以污染小、可持续发展等优势得到快速发展，国内各大江大河上各种大型、特大型水电站发展迅速，水电站容量和水头压力越来越大。水电站用压力钢管、蜗壳、岔管等对钢材需求日益扩大，对其强度、韧性等提出了更严格要求。600mpa调质水电站压力钢管用钢如07mnmovr、wdl610d2、wdb620等国内牌号钢种因强度低，导致钢板厚度增加，野外现场焊接施工困难，已不适合特大型高水头水电站的要求，而800mpa钢强度碳当量高，焊接性较差，焊前需预热导致施工焊接环境恶劣。目前水电站压力钢管急需一种强度和焊接性具有较匹配的钢种，解决其壁厚较厚的问题。

专利(cn201310269680.2)申请了一种800mpa级水电站压力管道用高强度钢及其生产方法，该钢抗拉强度超过780mpa，可大大减薄压力钢管的壁厚，但该钢采用淬火+回火工艺生产，且添加了贵重合金元素mo、nb等，碳当量较高，焊接性较差，对焊接要求较高，且工艺流程长，生产成本较高。

专利(cn201510188306.9)申请了一种屈服620mpa级水电工程用热轧钢板及其生产方法，其通过两阶段控轧控冷加回火工艺来生产，抗拉强度超过700mpa，但其采用300mm厚坯料生产实际厚度仅为40mm厚钢板，不属于超厚钢板，且贵重元素ni含量达到0.35%，nb含量超过0.04%，生产成本较高。

专利(cn103045965a)申请了600mpa级水电压力钢管用钢板，利用tmcp工艺将250mm厚铸坯轧制成厚度不超过80mm的钢板，然后回火处理得到-20℃冲击韧性优良的水电压力钢管用钢板。但其强度较低，在特大型水电站中应用必然导致壁厚增加，给焊接造成很大困难。

综上所述，现有水电站压力钢管用钢板及同级别超厚钢板存在屈强比高、焊接性较差、工艺流程长、生产成本高等问题，给特大型水电站现场制造、施工、焊接等带来较大困难，无法满足新建的大型、特大型水电站的要求。

技术实现要素：

本发明其目的就在于提供一种低屈强比超厚水电高强钢及其制造方法，以解决上述背景技术中的问题，其采用低碳低锰高cr高v并辅以b、ni微合金化的成分体系和在线淬火+回火工艺生产，成品厚度为80~150mm的超厚水电站用高强钢板，具有低屈强比、优异低温韧性、低碳当量、优良焊接性能的特点。

为实现上述目的而采取的技术方案是，一种低屈强比超厚水电高强钢，所述低屈强比超厚水电高强钢的化学成分质量百分比含量分别为：c：0.03～0.08%、si：0.05～0.35%、mn：0.60～1.00%、p≤0.012%、s≤0.005%、cr：0.50～1.00%、ni：0.10～0.30%、v：0.12～0.18%、b：0.0010～0.0020%，余量为fe及不可避免的杂质元素。

所述低屈强比超厚水电高强钢同时满足：

ceq=c+si/24+mn/6+cr/5+mo/4+v/14≤0.42%，

pcm=c+si/30+(mn+cu+cr)/20+ni/60+mo/15+v/10+5b≤0.20%。

所述低屈强比超厚水电高强钢的厚度为80~150mm。

所述低屈强比超厚水电高强钢的机械性能满足：屈服强度rel≥560mpa，抗拉强度rm≥700mpa，延伸率a≥18%，屈强比≤0.83，横向冲击功-20℃kv2≥60j；5%应变时效冲击功-20℃kv2≥47j。

本发明还公开了一种低屈强比超厚水电高强钢的制造方法，所述方法包括以下步骤：

（1）冶炼：高炉铁水经kr脱硫，再经氧气转炉进行冶炼，控制[p]≤0.010%，[c]≤0.04%；在钢包炉精炼处理，并同时加入铬铁、钒铁、镍铁、锰铁合金，将成分调整至目标值，同时[s]≤0.004%；再在rh真空炉进行精炼，在真空处理1个循环后添加硼铁；

（2）连铸：采用匹配的拉速与温度，全程保护浇注、电磁搅拌技术浇注成厚度在450mm及以上规格的铸坯，铸坯堆垛缓冷48小时，铸坯温度低于300℃转入下一工序；

（3）轧制：将铸坯加热至1170～1250℃，在炉时间为0.6～1.2min/mm×板厚，出炉后采用高压水将铸坯表面氧化铁皮除尽；然后分两阶段进行控制轧制，i阶段终轧温度控制在970～1010℃，前3道次压下量≥35mm；ii阶段开轧温度为≤930℃，终轧温度为900～920℃，最后1道次压下量不超过5mm，严格控制钢板平直度，轧制成80～150mm厚钢板；

（4）在线淬火：ii阶段终轧结束后再进行温矫，温矫后钢板温度控制在890～910℃，直接使用在线加速冷却装置对80~150mm厚钢板进行在线淬火至较低温度，此时钢板温度不超过60℃，然后进行探伤，保证无内在质量问题钢板转入下一工序；

（5）回火：80~150mm厚超厚水电站用高强钢板经500~580℃回火，在炉时间为240~450分钟，出炉空冷至室温后成为成品钢板。

为保证本发明的目的，满足超厚水电站用高强钢板的低屈强比、优异低温韧性、低碳当量、优良焊接性能等特性，本发明中c、si、mn、p、s、cr、ni、v、b等元素的限定理由阐述如下：

碳：过量的c将降低钢板的低温韧性，恶化其焊接性，但其可明显提高钢板强度。碳含量越低，钢的低温韧性越好。较低的碳含量可促使在轧制过程中奥氏体附近形成较多的“无碳区”，促进奥氏体向含有高密度位错的贝氏体转变，进一步提高钢的低温韧性。c的含量为0.03～0.08%。

锰：提mn降c是提高钢板强度、改善其低温韧性的重要手段，但mn含量过高，将显著加重铸坯中心偏析，影响钢板低温韧性，同时显著提高钢的碳当量和恶化其焊接性。mn的含量为0.60%～1.00%。

磷和硫：p、s是不可避免的杂质元素，对钢板的成型性、腐蚀性、低温韧性都有影响，其含量越低越好，p的含量≤0.012%，s的含量≤0.005%。

铬：cr可明显提高钢的淬透性并有二次硬化的作用，使淬火钢在回火后具有优良的综合性能和稳定的回火稳定性。过量的cr将降低钢的塑性，降低钢的伸长率和断面收缩率。cr的含量为0.50～1.00%。

镍：ni可降低钢的低温韧脆转变温度，改善钢的低温韧性，但过多加入ni会使成本增加，ni的含量为0.10～0.30%。

钒：v与c、n结合形成v(c、n)化合物，降低钢中的自由氮含量，提高钢的应变时效性能。v(c、n)奥氏体晶界铁素体沉淀析出，在轧制过程中抑制奥氏体的再结晶并组织晶粒长大，从而细化铁素体晶粒，提高钢的强度和韧性。在高温回火情况下，v(c、n)弥散析出，可起到沉淀强化作用，进一步提高钢的强度和韧性。v的含量为0.12～0.18%。

硼：微量b元素可显著提高钢板的淬透性，对淬火态厚钢板来说，b的加入可明显促进马氏体或贝氏体形成，从而提高其强度。但过量的b会在钢中奥氏体晶界析出而产生热脆现象。b的含量为0.0010～0.0020%。

本发明采用低c低mn高cr高v成分设计、在线淬火+回火工艺生产；冶炼时采用多种手段纯净钢水，如采用自产钢水和低硫废钢，严格控制有害元素和杂质元素含量，并严格控制[p]≤0.010%；精炼时，采用脱硫剂进一步深脱硫，控制[s]≤0.003%；采用si-mn合金脱氧，严格控制als含量，减少钢水al2o3有害夹杂物形成，钢水再经真空处理后[o]≤10ppm、[n]≤35ppm、[h]≤1ppm。钢水纯净化可明显改善钢板低温韧性。在线淬火时，充分保证钢板温度、冷却速度等匹配，利用提高钢淬透性的cr、b等元素促进钢中贝氏体、马氏体等硬相组织形成等，适当提高钢的终轧温度，保证在线淬火时钢板温度高于其ac3点，使超厚钢板板厚1/4处形成一定量贝氏体，再经高温回火后，进一步改善钢的低温韧性，同时充分利用v(c、n)的弥散强化作用弱化因位错密度减少等因素引起的强度大幅下降，使钢板仍具有较高的强度和优良的低温韧性；同时终轧后两道次严禁控制浇水，避免因浇水引起钢板温度不均匀，从而导致在线淬火时钢板组织和性能不均匀。最后一道次压下量≤5mm，可保证钢板板型和平直度。

有益效果

与现有技术相比本发明具有以下优点。

1.本发明钢采用c+mn+cr+v成分设计，成分更简单，ceq、pcm值较低，焊接性较好；同时采用在线淬火+回火工艺，工艺流程短，操作性强，生产成本低；

2.本发明生产为80～150mm厚的低屈强比超厚水电高强钢，性能满足屈服强度rel≥560mpa，抗拉强度rm≥700mpa，延伸率a≥18%，屈强比≤0.83，横向冲击功-20℃kv2≥60j；5%应变时效冲击功-20℃kv2≥47j；具有较低的屈强比、较好的强韧性匹配、可焊性等特点。

附图说明

以下结合附图对本发明作进一步详述。

图1为本发明中实施例2的80mm厚钢板1/4处金相组织，主要为贝氏体+铁素体；

图2为本发明中实施例2的150mm厚钢板1/4处金相组织，主要为贝氏体+铁素体。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步描述。

一种低屈强比超厚水电高强钢，所述低屈强比超厚水电高强钢的化学成分质量百分比含量分别为：c：0.03～0.08%、si：0.05～0.35%、mn：0.60～1.00%、p≤0.012%、s≤0.005%、cr：0.50～1.00%、ni：0.10～0.30%、v：0.12～0.18%、b：0.0010～0.0020%，余量为fe及不可避免的杂质元素。

所述低屈强比超厚水电高强钢同时满足：

ceq=c+si/24+mn/6+cr/5+mo/4+v/14≤0.42%，

pcm=c+si/30+(mn+cu+cr)/20+ni/60+mo/15+v/10+5b≤0.20%。

所述低屈强比超厚水电高强钢的厚度为80~150mm。

所述低屈强比超厚水电高强钢的机械性能满足：屈服强度rel≥560mpa，抗拉强度rm≥700mpa，延伸率a≥18%，屈强比≤0.83，横向冲击功-20℃kv2≥60j；5%应变时效冲击功-20℃kv2≥47j。

一种低屈强比超厚水电高强钢的制造方法，该方法工艺流程为：高炉铁水、铁水kr处理、150t氧气转炉冶炼、lf钢包炉精炼、rh真空炉处理、连铸、铸坯加热、控制轧制、在线淬火、探伤、回火、检验；其主要工序的具体操作步骤如下：

（1）冶炼：高炉铁水经kr脱硫，再经氧气转炉进行冶炼，控制[p]≤0.010%，[c]≤0.04%；在钢包炉精炼处理，并同时加入铬铁、钒铁、镍铁、锰铁等合金，将成分调整至目标值，同时[s]≤0.004%；再在rh真空炉进行精炼，在真空处理1个循环后添加硼铁；

（2）连铸：采用匹配的拉速与温度，全程保护浇注、电磁搅拌技术等浇注成厚度在450mm及以上规格的铸坯，铸坯堆垛缓冷48小时，铸坯温度低于300℃转入下一工序；

（3）轧制：将铸坯加热至1170～1250℃，在炉时间为0.6～1.2min/mm×板厚，出炉后采用高压水将铸坯表面氧化铁皮除尽；然后分两阶段进行控制轧制，i阶段终轧温度控制在970～1010℃，前3道次压下量≥35mm；ii阶段开轧温度为≤930℃，终轧温度为900～920℃，最后1道次压下量不超过5mm，严格控制钢板平直度，轧制成80～150mm厚钢板；

（4）在线淬火：ii阶段终轧结束后再进行温矫，温矫后钢板温度控制在890～910℃，直接使用在线加速冷却装置对80~150mm厚钢板进行在线淬火至较低温度，此时钢板温度不超过60℃，然后进行探伤，保证无内在质量问题钢板转入下一工序；

（5）回火：80~150mm厚超厚水电站用高强钢板经500~580℃回火，在炉时间为240~450分钟，出炉空冷至室温后成为成品钢板。

本发明具体各实施例和对比例的熔炼化学成分见表1(wt%)，剩余为fe及不可避免的杂质元素。

表1

上述实施例均在150t转炉冶炼，铁水经kr脱硫，再经钢包炉深脱硫和精炼处理，还在真空炉进行脱气，然后经轻压下、电磁搅拌和全过程保护浇注成450mm厚铸坯。

将450mm厚铸坯加热至1180～1240℃，在炉时间为0.8～1.2min/mm×板厚(mm)，出炉后经高压水除鳞，除尽铸坯表面氧化铁皮；然后控制轧制，终轧温度控制在970～1010℃，前3道次压下量35～40mm；终轧温度为900～920℃，在线淬火后，测试钢板温度均低于60℃，轧制成80～150mm厚成品钢板；再进行500～580℃回火处理，在炉时间为240～420min，出炉后空冷至室温。

表2为各实施例主要轧制和回火工艺参数：

回火热处理后的钢板，在板厚1/4处横向取样加工成拉伸试样、冲击试样，表层取样加工应变时效冲击冲击试样，并进行力学性能测试，结果见表3。

表3实施例母材力学性能结果

由表3可见，本发明实施例试验钢板满足屈服强度rel≥560mpa，抗拉强度rm≥700mpa，延伸率a≥18％，屈强比≤0.83，横向冲击功-20℃kv2≥60j；5％应变时效冲击功-20℃kv2≥47j，且强度、延伸率、冲击韧性富裕量均较大，屈强比也较低，特别是板厚1/4处低温韧性优异。

以上表明，本发明钢强度超过700mpa，具有优良的强韧性匹配和低温韧性，实际屈强比不超过0.80；且碳当量ceq和pcm值均较低，说明其具有较好的焊接性；另外该钢生产控制简单，工艺流程短，生产成本低，具有广阔的市场前景。

图1所示为实施例2中80mm厚钢板在1/4厚度处的组织结构图，组织为贝氏体+铁素体。图2所示为实施例2中150mm厚钢板在1/4厚度处的组织结构图，组织为贝氏体+铁素体。该组织匹配使钢具有较好的强韧性，同时还使钢具有较低的屈强比。

本发明钢工艺流程简单，可操作性强且成本较低，可在钢铁行业中厚板厂实施。本发明钢用途广泛，可应用于水电、建筑、桥梁、工程机械等行业，更适合于建造大型、特大型水电站用压力钢管、蜗壳、岔管及机座等。