專利名稱：水電站壓力鋼管用控軋控冷鋼及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水電站壓力鋼管用高強(qiáng)度控制控冷鋼，屬低碳低合金鋼制造領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員十分清楚，水電站壓力鋼管、岔管及蝸殼等鋼結(jié)構(gòu)用鋼板屬中厚板，厚度范圍一般在25-65mm之間，工程建設(shè)過程中需要大量的焊接施工。目前我國水電站壓力鋼管用鋼大都用低焊接裂紋敏感性鋼(簡(jiǎn)稱為CF鋼)制造，采用兩種工藝過程生產(chǎn)這種鋼，一種是調(diào)質(zhì)過程；另一種為控制軋制+回火工藝。這種CF鋼因化學(xué)成分復(fù)雜，含有較高水平的Mo、V等合金元素，生產(chǎn)工序較多，因而價(jià)格昂貴，另外，雖然調(diào)質(zhì)CF鋼的抗拉強(qiáng)度達(dá)到600MPa級(jí)，但其屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比(簡(jiǎn)稱為屈強(qiáng)比)較高，一般高于0.9，有的鋼屈強(qiáng)比甚至達(dá)到0.95，抗震能力低，安全性差，不能滿足工程要求，而且，傳統(tǒng)的CF鋼沖擊韌度要求為-20℃Akv≥47J。隨著水電站壓力鋼管、岔管及蝸殼等鋼結(jié)構(gòu)逐步向大型化方向發(fā)展，對(duì)鋼的沖擊韌度的要求亦逐漸提高，傳統(tǒng)CF鋼的沖擊韌度≥47J已不能滿足要求，對(duì)于大型水電壓力鋼管、岔管及蝸殼用鋼的-20℃Akv要求高于54J或更高。因此，為降低水電站壓力鋼管用鋼的生產(chǎn)成本，國內(nèi)外都在努力研制開發(fā)各種高強(qiáng)度、高韌性、成本相對(duì)較低的鋼種。另外壓力鋼管在實(shí)施建設(shè)中，為提高焊接效率和改善現(xiàn)場(chǎng)焊接作業(yè)環(huán)境，廣泛采用一些先進(jìn)的焊接技術(shù)，為此，要求壓力鋼管用鋼能夠適應(yīng)不同的焊接規(guī)范，具有良好的焊接性能。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水電站壓力鋼管等鋼結(jié)構(gòu)逐步向高強(qiáng)度、大型化方向發(fā)展，因此研制生產(chǎn)成本低具有良好強(qiáng)韌性配合并具有優(yōu)異焊接性能的水電站壓力鋼管用控軋控冷鋼勢(shì)在必行。
在本發(fā)明提出以前，中國專利授權(quán)公告號(hào)CN1084798C介紹了“高韌性、高耐磨蝕性漿體管線用鋼的制造方法”，通過冶煉、鍛造、熱軋、冷卻后卷取等工藝過程生產(chǎn)，其化學(xué)成分按重量百分比為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，卷取溫度為540±20℃。利用固溶氮及氮化物的析出獲得一定的強(qiáng)度。其不足之處在于，化學(xué)成分比較復(fù)雜，且含有昂貴的合金元素Mo，提高了制造成本。另外，該鋼能夠適應(yīng)的焊接范圍較小，不能承受大線能量焊接等先進(jìn)的焊接工藝，因而不能用于水電站壓力鋼管、岔管及蝸殼的建設(shè)。
另一項(xiàng)中國專利授權(quán)公告號(hào)CN1040555C公開了“焊接部位的疲勞強(qiáng)度和焊接性優(yōu)良的高強(qiáng)度鋼及其制造方法”。其化學(xué)成分按重量百分比為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，還可添加Cu、Mo、Ni、Cr、Nb、V、Ti、Ca及REM等合金元素，采用普通軋制或控制軋制方法制造。不足在于其一，鋼的化學(xué)成分復(fù)雜，生產(chǎn)過程難于控制，使得產(chǎn)品合格率降低，增加了成本；其二，含有昂貴的合金元素Mo、V等，不是一種經(jīng)濟(jì)型鋼；其三，因含有合金元素Al、REM等強(qiáng)氧化性合金元素，澆鑄過程形成的氧化物容易堵澆鑄水口，生產(chǎn)不安全。
再一項(xiàng)中國專利授權(quán)公告號(hào)CN1083893C公開了“高抗拉強(qiáng)度鋼及其生產(chǎn)方法”，抗拉強(qiáng)度高于900MPa，其化學(xué)成分按重量百分比為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％。不足在于鋼的化學(xué)成分很復(fù)雜，致使生產(chǎn)過程復(fù)雜。要求鋼的S含量不高于0.003％，增加了生產(chǎn)難度，提高了生產(chǎn)成本。

發(fā)明內(nèi)容
為克服上述背景技術(shù)及現(xiàn)有的水電站壓力鋼管用鋼的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種經(jīng)濟(jì)型水電站壓力鋼管用高強(qiáng)度(屈服強(qiáng)度大于490MPa)具有優(yōu)異焊接性能的控軋控冷鋼及其生產(chǎn)方法，重點(diǎn)解決的問題是1.降低鋼的屈強(qiáng)比，使鋼的屈強(qiáng)比小于0.82.進(jìn)一步提高鋼的低溫沖擊韌度，使鋼的沖擊韌度-20℃Akv≥54J。按照本發(fā)明所述的生產(chǎn)方法制造的鋼板集高強(qiáng)度、高韌性和低成本于一體，適應(yīng)較寬的焊接范圍。生產(chǎn)過程容易控制，操作簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本較低，適合規(guī)模生產(chǎn)。
本發(fā)明為了達(dá)到上述目的，設(shè)計(jì)了一種水電站壓力鋼管用高強(qiáng)度控軋控冷鋼，該鋼的化學(xué)成分按重量百分比為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％。該鋼的化學(xué)成分滿足以下關(guān)系式(1)1.50％≤Cr+Mn≤3.5％(2)1.5C≤Nb本發(fā)明經(jīng)優(yōu)選的該鋼優(yōu)選化學(xué)成分按重量百分比為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％。
本發(fā)明最佳的該鋼最佳化學(xué)成分按重量百分比為C0.065％，Si0.07％，Mn2.25％，P0.012％，S0.009％，Cr1.15％，Ni0.40％，Nb0.10％，B0.0012％。
本發(fā)明按上述優(yōu)選的化學(xué)成分，其生產(chǎn)制造水電站壓力鋼管用控扎控冷鋼的方法，是采用開軋溫度≥1100℃，950℃以上軋制總壓下率≥50％，950℃以下軋制總壓下率≥65％，終軋溫度控制在800-930℃溫度范圍，終軋后在終軋溫度停留時(shí)間50-500s，然后以2-18℃/s的冷速冷至室溫。鋼的屈服強(qiáng)度≥490MPa，抗拉強(qiáng)度610-750MPa，屈服強(qiáng)度與控冷強(qiáng)度之比小于0.80，沖擊韌度-20℃Akv≥54J，并具有優(yōu)異的焊接性能。
本發(fā)明主要合金元素含量的設(shè)定及制造方法，依據(jù)以下原理。
1.低C高M(jìn)n合金化方式并通過加入適量的合金元素Cr，使鋼在變形后連續(xù)冷卻過程中相變點(diǎn)降低，抑制原奧氏體晶界非整形鐵素體的形成，促使針狀鐵素體在晶內(nèi)形成。在低溫相變溫度區(qū)域，抑制相變過程中晶粒長大速率，增加形核速率，從而細(xì)化晶粒。
2.高Nb合金化本發(fā)明鋼。通過Nb原子拖曳效應(yīng)及細(xì)小彌散Nb(CN)析出相的共同作用，將鋼的再結(jié)晶溫度提高到950℃以上，使得軋制變形可在高溫區(qū)較寬的溫度范圍進(jìn)行而不會(huì)出現(xiàn)晶粒異常長大現(xiàn)象(再結(jié)晶)導(dǎo)致混晶，弱化鋼的性能。
3.通過本發(fā)明的控軋控冷工藝過程，抑制高溫區(qū)非整形鐵素體及珠光體轉(zhuǎn)變，使鋼在中溫區(qū)及貝氏體(針狀鐵素體)轉(zhuǎn)變區(qū)域充分轉(zhuǎn)變，形成一定數(shù)量的針狀鐵素體組織，生產(chǎn)的鋼具有高強(qiáng)度、高韌性。
以下進(jìn)一步描述本發(fā)明鋼中選定各合金元素及成分范圍的理由。
C是鋼中最有效、最經(jīng)濟(jì)的間隙強(qiáng)化元素之一，為了提高鋼的強(qiáng)度，似乎只要增加鋼中的碳含量即可，但是過量的C含量會(huì)使鋼的焊接性能及斷裂韌性顯著降低，相反，如果C含量過低，則難于保障鋼的強(qiáng)度，本發(fā)明特征之一是低C高M(jìn)n合金化，經(jīng)綜合平衡鋼的強(qiáng)度、焊接性能及斷裂韌性，將C含量的取值范圍確定為0.03-0.10％。
Si是一種經(jīng)濟(jì)的置換固溶強(qiáng)化元素，我國資源很豐富，加入鋼中可顯著提高鋼的強(qiáng)度，且對(duì)鋼的焊接性能沒有明顯的負(fù)面影響，但如果過多地加入Si，會(huì)使鋼的韌性，尤其使低溫韌性明顯降低，在滿足強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡可能降低Si的含量。綜合鋼的強(qiáng)度及韌性兩方面的考慮，將Si的成分范圍確定為0.05-0.20％。
Mn不僅可以增加鋼的強(qiáng)度，還可以降低鋼的相變溫度，通過控制軋制過程，細(xì)化晶粒，在提高鋼的強(qiáng)度同時(shí)提高其斷裂韌性，低合金高強(qiáng)鋼朝低C高M(jìn)n方向發(fā)展，故將Mn含量的范圍設(shè)定為1.0-3.0％。
鋼中含有適量的Cr，可以提高鋼的淬透性，抑制鋼在連續(xù)冷卻過程中的高溫轉(zhuǎn)變即珠光體、鐵素體轉(zhuǎn)變，促使中溫轉(zhuǎn)變即貝氏體(針狀鐵素體)轉(zhuǎn)變，使鋼具有良好的強(qiáng)韌性配合。Ni、Cr可提高鋼的淬透性及抗腐蝕性能，Ni可顯著提高鋼母材及焊接接頭的低溫韌性，但Ni屬貴重金屬，我國Ni資源匱乏，結(jié)構(gòu)鋼中不宜多加，Cr雖可提高鋼的耐腐蝕性能，但過多的Cr含量對(duì)鋼的焊接性能不利，降低鋼的韌性，綜合權(quán)衡各合金元素的利弊，將Ni及Cr含量范圍分別設(shè)定為0.20-0.60％和1.0-2.0％。
鋼中加入微量的Nb，主要目的在于提高鋼的再結(jié)晶溫度，使軋制可在較高溫度完成，減小軋制機(jī)械設(shè)備的軋制抗力，延長使用壽命，微量的Nb還具有細(xì)化晶粒提高強(qiáng)度和韌性的作用，將Nb及C含量的關(guān)系確定為1.5C≤Nb，是由于Nb于固溶狀態(tài)和Nb(CN)析出相均可抑制鋼的奧氏體晶界移動(dòng)，將鋼的再結(jié)晶溫度提高950℃以上。一部分Nb與C結(jié)合形成Nb(CN)相析出，細(xì)小的析出相亦可阻止鋼的再結(jié)晶，剩余部分Nb固容于鋼中通過原子拖曳作用抑制鋼的再結(jié)晶，經(jīng)此處理后鋼的基體中自由C含量顯著降低，不至于在隨后冷卻過程中形成珠光體，惡化鋼的性能。因此將Nb含量確定為0.05％≤Nb≤0.15％，且1.5C≤Nb。
B是提高鋼的淬透性最強(qiáng)烈的元素，加入微量的B，與Mn、Cr等合金元素聯(lián)合作用，抑制鋼的高溫轉(zhuǎn)變，促使中溫區(qū)針狀鐵素體轉(zhuǎn)變，使鋼具有良好的機(jī)械性能，但過高的B含量易導(dǎo)致硼脆，降低鋼的韌性，故將鋼的B含量限定在0.0005-0.003％。
P、S是鋼中有害的雜質(zhì)元素，降低鋼的韌性及焊接性能，含量越低越好，但若將其含量限定得過低，會(huì)增加生產(chǎn)難度，提高生產(chǎn)成本，因此在不影響韌性及焊接性能的前提下，將鋼得P、S含量分別限定在≤0.02％及≤0.015％常規(guī)范圍。
本發(fā)明所述生產(chǎn)方法所依據(jù)的原理。
將開軋溫度設(shè)定為高于1100℃，一般在1100～1190℃開始粗軋，若將開軋溫度設(shè)定過低，會(huì)有一些第二相沉淀析出，在軋制過程中產(chǎn)生裂紋，造成廢品。另一方面，若開軋溫度過低必將導(dǎo)致精軋溫度降低，過低的終軋溫度會(huì)導(dǎo)致軋制設(shè)備損耗率增加。實(shí)際生產(chǎn)中，為節(jié)約能源及設(shè)備加熱能力所限，一般不會(huì)將鑄坯溫度加熱到高于1300℃，因此只要設(shè)定開軋溫度下限即可。
由于添加了適量的合金元素Nb，將鋼的非再結(jié)晶溫度提高到950℃，950℃以上的軋制為粗軋，950℃以下的軋制為精軋，粗軋過程為再結(jié)晶軋制，壓下率要求高于50％目的在于破碎粗大的晶粒，消除鑄態(tài)組織，使晶粒均勻，剝離鋼坯表面氧化皮等附著物，為精軋作準(zhǔn)備。精軋壓下率要求高于65％，目的在于通過大壓下量，盡可能細(xì)化晶粒，終軋溫度控制在800-930℃溫度范圍，終軋后在終軋溫度停留時(shí)間50-500s，目的在于形成顆粒細(xì)小呈彌散分布的析出相，提高鋼的強(qiáng)度。終軋并保溫后以2-18℃/s的冷速冷至室溫，在該冷速范圍內(nèi)可形成針狀鐵素體組織，不僅具有良好的強(qiáng)度，還具有很好的韌性及焊接性能。
按照本發(fā)明鋼的成分要求，冶煉了6批本發(fā)明鋼及4批本申請(qǐng)之前已有的專利比較鋼，進(jìn)行機(jī)械性能及斜Y型坡口約束焊接試驗(yàn)，結(jié)果見表1，進(jìn)行焊接試驗(yàn)時(shí)，焊前未預(yù)熱，焊接環(huán)境溫度為26℃，相對(duì)濕度為95％，焊后未熱處理。由表1可見，本發(fā)明鋼不僅達(dá)到強(qiáng)度要求，而且具有優(yōu)良的低溫沖擊韌性，且焊接接頭均未發(fā)現(xiàn)裂紋，表明本發(fā)明鋼具有良好的焊接性能，而4批比較鋼屈服強(qiáng)度均未達(dá)到490MPa，且屈強(qiáng)比均高于0.81。比較鋼中13號(hào)及14號(hào)鋼因含有過量的N，斜Y型坡口約束焊接接頭均發(fā)現(xiàn)裂紋。
表1 本發(fā)明鋼與比較鋼的機(jī)械性能及斜Y型坡口焊接試驗(yàn)結(jié)果


本發(fā)明鋼還具有如下優(yōu)點(diǎn)1)化學(xué)成分相對(duì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)工藝過程容易操作，生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)效率高，適宜規(guī)模生產(chǎn)。
2)不僅具有高強(qiáng)度(屈服強(qiáng)度大于490MPa)，而且具有優(yōu)良的焊接性能，采用各種不同的焊接工藝技術(shù)焊接本發(fā)明鋼，均不會(huì)產(chǎn)生焊接裂紋，顯著提高工程質(zhì)量。
3)本發(fā)明用廉價(jià)合金元素Mn、Cr及Nb的聯(lián)合合金化，代替價(jià)格昂貴的合金元素Mo、V等，并可適當(dāng)減少鋼中Ni的含量，使鋼的成本顯著降低。另外采用控軋控冷工藝代替?zhèn)鹘y(tǒng)的調(diào)質(zhì)和控制軋制+回火工藝，縮短了生產(chǎn)周期，增加了產(chǎn)量，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明篩選的化學(xué)成分，進(jìn)行了4批次鋼的冶煉，具體化學(xué)成分按下述實(shí)施例1-4。
實(shí)施例1本發(fā)明實(shí)施鋼化學(xué)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。
實(shí)施例2本發(fā)明實(shí)施鋼化學(xué)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。
實(shí)施例3本發(fā)明實(shí)施鋼化學(xué)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。
實(shí)施例4本發(fā)明實(shí)施鋼化學(xué)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。
本發(fā)明生產(chǎn)方法條件軋制成20mm厚的鋼板，開軋溫度≥1100℃，950℃，以上軋制總壓下率≥50％，950℃，以下軋制總壓下率≥65％，終軋溫度為810-860℃，終軋后在終軋溫度停留時(shí)間為100-200s，終軋保溫后以5-10℃/s的冷速冷至室溫。
從實(shí)施例成品鋼板上取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，本發(fā)明鋼種經(jīng)上述制造工藝過程生產(chǎn)的鋼板強(qiáng)度、沖擊韌度及屈強(qiáng)比等性能指標(biāo)均達(dá)到要求。
權(quán)利要求
1.一種水電站壓力鋼管用控軋控冷鋼，其特征在于該鋼的化學(xué)成分按重量百分比為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％。該鋼的化學(xué)成分滿足以下關(guān)系式(1)1.50％≤Cr+Mn≤3.5％(2)1.5C≤Nb
2.按權(quán)利要求1所述的一種水電站壓力鋼管用控軋控冷鋼，其特征在于該鋼優(yōu)選化學(xué)成分按重量百分比為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.按權(quán)利要求1所述的一種水電站壓力鋼管用控軋控冷鋼，其特征在于該鋼最佳化學(xué)成分按重量百分比為C0.065％，Si0.07％，Mn2.25％，P0.012％，S0.009％，Cr1.15％，Ni0.40％，Nb0.10％，B0.0012％。
4.按權(quán)利要求1所述的一種生產(chǎn)水電站壓力鋼管用控軋控冷鋼的方法，其特征是采用開軋溫度≥1100℃，950℃以上軋制總壓下率≥50％，950℃以下軋制總壓下率≥65％，終軋溫度控制在800-930℃溫度范圍，終軋后在終軋溫度停留時(shí)間50-500s，然后以2-18℃/s的冷速冷至室溫。
全文摘要
水電站壓力鋼管用控軋控冷鋼及其生產(chǎn)方法，本發(fā)明屬低碳低合金鋼制造領(lǐng)域，本發(fā)明鋼的化學(xué)成分按重量百分比為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％。該鋼的化學(xué)成分滿足以下關(guān)系式(1)1.50％≤Cr+Mn≤3.5％(2)1.5C≤Nb，其生產(chǎn)制造方法采用開軋溫度≥1100℃，950℃以上軋制總壓下率≥50％，950℃以下軋制總壓下率≥65％，終軋溫度控制在800－930℃溫度范圍，終軋后在終軋溫度停留時(shí)間50－500s，然后以2－18℃/s的冷速冷至室溫。鋼的屈服強(qiáng)度≥490MPa，抗拉強(qiáng)度610－750MPa，屈服強(qiáng)度與控冷強(qiáng)度之比小于0.80，沖擊韌度－20℃A
文檔編號(hào)C21D11/00GK1908218SQ200610020038
公開日2007年2月7日 申請(qǐng)日期2006年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月24日
發(fā)明者陳顏堂, 范值金, 陳曉, 董中波, 董漢雄, 柳志敏, 周佩 申請(qǐng)人:武漢鋼鐵(集團(tuán))公司