低碳当量高韧性正火态特厚钢板的开发

1低碳当量高韧性正火态特厚钢板的开发王彦锋杨永达李春智姜中行(首钢技术研究院，北京100043)摘要清洁能源需求和蕴藏在近海丰富的风能资源，极大推动了海上风电项目的发展，刺激了近海风电工程结构用特厚钢板的需求。由于该钢种的特殊服役条件，要求其具有-60℃心部和横向低温冲击韧性、低碳当量易焊接性能。本研究采用低碳含铜成分设计、特厚板轧制工艺等技术，开发了355MPa级别的海上风电用低碳当量高韧性正火态特厚钢板，并实现批量生产和海上风电工程的应用。关键词特厚板正火低温韧性引言现代社会对清洁能源需求和蕴藏在近海丰富的风能资源，都极大推动了世界各国海上风电项目的发展，刺激了海上风电工程结构用特厚钢板的需求，特别是对用于建设近海风电工程结构的50～130mm厚度规格的355MPa级特厚钢板需求比例较大，主要用于塔架、管桩及法兰等。海洋能源设备主要利用潮汐、海流、波浪及海水温差进行能源开发，除要经受风、浪、流的冲击外，还要考虑台风、冰、地震等灾害性环境力的作用。服役条件决定钢板的性能特征，近海工程结构用钢必须具有良好的心部和横向低温冲击韧性、抗层状撕裂、低碳当量易焊性等特点。目前国内相关单位正在研究制定该系列钢板的国家标准，用户主要参照欧洲EN10225标准。1．钢种成分与工艺设计1.1成分设计结合该类正火态钢板的质量要求和性能使用特点，钢板化学成分设计以低合金钢为基础，采用0.10%左右的碳，满足低碳当量要求（碳当量≤0.40%，Pcm≤0.21%）；并适当添加Nb、Ti微合金元素，添加微合金Nb、Ti元素可以阻止连铸坯加热和正火处理过程中原始奥氏体晶粒长大[1-2]，细化晶粒；采用Cu的时效析出强化作用提高钢板强度[3]，特别是可改善特厚板心部强度。1.2工艺设计2由于该钢种在特殊服役条件下的规格和性能要求，采用300-400mm厚度的连铸坯和正火处理来保证钢板质量具有较大的优势。因此该系列钢板的工艺路线为：铁水预处理→100吨顶底复吹转炉→LF炉精炼→RH真空处理→400mm厚板坯连铸→加热炉→除鳞→4300mm轧制→精整→探伤→正火→检验→合格发货。为改善钢板心部力学性能,粗轧过程中尽可能提高粗轧道次压下率,提高坯料心部形变量；另一方面,减少精轧阶段变形量，以减少低温形变对厚度方向组织不均匀的影响，精轧阶段主要起控制钢板尺寸精度的作用；为了提高特厚钢板心部横向低温冲击值，需要合理选择坯型，控制展宽比；轧制后钢板通过正火热处理，改善钢板厚度方向组织均匀性和心部冲击韧性。2．试验结果2.1试制成分和工艺表1试制钢板的典型成分钢种牌号C%Si%Mn%P%S%Nb%Ti%Cu%Ceq%S355G8+N0.10.351.450.0120.003适量适量适量0.38试制工艺：粗轧开轧温度1050～1100℃之间,精轧待温厚度大于成品板厚度20mm，再轧温度850～900℃,终轧温度800～850℃之间，钢板空冷后堆垛，探伤合格后进行正火处理，正火温度870-900℃，保温1.4min/mm。2.2试制结果在钢板1/4处取横向拉伸试样，在钢板心部取横向冲击试样，在0℃，-20℃，-40℃，-60℃下进行系列冲击。钢板屈服强度在375-416MPa之间，抗拉强度在488-513MPa之间，-60℃心部冲击功在124-209J之间，Z向断面收缩率48.5-79%之间，满足Z35的要求，典型性能指标如表2所示。表2钢板力学性能规格/mmReH/MPaRm/MPaA/%-60℃心部Akv/JZ向6041650936.518370.067.570.07039550534.017361.567.559.09039050332.514656.554.562.5图1为钢板心部横向冲击结果,显示开发钢的韧脆转变温度在-60℃以下。3050100150200250300-60-40-200试验温度/℃Akv/J60mm70mm90mm图1典型规格钢板韧脆转变温度曲线图2为厚90mm开发钢板的表面及心部组织，钢板表面及心部组织为铁素体+珠光体，正火后表面、1/4和心部晶粒得到细化，组织均匀，钢板1/4和心部晶粒度均在10级左右。对Z向拉伸试样进行扫描断口分析，图2-C为断口宏观（a）1/4位置金相（b）1/2位置金相（c）Z向拉伸断口宏观形貌（d）Z向拉伸断口微观形貌图2试制的90mm厚钢板正火组织4形貌，断口边部有明显剪切唇，图2-D为断口微观形貌，断口内有大量的韧窝，未发现大颗粒硫化物存在，断口是典型的韧性断裂，Z向断面收缩率较高。开发钢的试制结果表明，钢板厚度方向组织和性能均匀；通过采用合理的控轧和正火工艺，钢板强度、塑性、低温韧性及Z向性能优良,未随钢板厚度增加而明显降低；生产的低碳当量高韧性正火态特厚钢板的综合性能优良。3讨论3.1铜在厚规格正火态钢板生产中的作用为了满足用户较严格的焊接性能（碳当量≤0.40%，Pcm≤0.21%）和对钢板心部低温冲击性能的要求，降低碳含量是一个重要途径。但是随着碳和碳当量的降低，为了保证正火钢板的强度，必须采用其他的强化手段。资料研究表明，采用Cu的时效析出强化能够很好的提高钢板强度，改善心部性能。采用Cu的析出强化作用（见图3[3]），充分利用厚度方向上冷速不同，正火后Cu在慢冷下析出多，弥补心部组织的强度，保证钢板在正火处理后具有良好的强度指标要求。0100200300400500600ReH/MPaRm/MPaA/%近表面-60℃Akv/J心部-60℃Akv/J开发钢0.10%C,0.3%Cu传统钢0.15%C图3钢板中铜的析出行为图4低碳当量含铜钢板性能对比通过添加铜，正火后在相当低的碳当量下获得了正火态钢板的强韧性指标和优良的心部性能，该级别钢板的生产技术在工业批量生产上得到应用（图4是生产数据统计情况）。3.2特厚板生产心部综合性能的控制对于正火态特厚规格钢板，正火热处理可以较大的改善钢板性能均匀性等综合性能。但是在其轧制工艺中，充分利用奥氏体再结晶轧制技术，可以细化奥氏体晶粒，为正火工艺创造条件。而在提高钢板心部性能的各因素中，晶粒的细化作用也不可忽视。但如何有效的将轧制变形传递至钢坯心部，实现钢坯心部晶粒100nm215组织的充分碎化和缺陷的最大限度焊合，保证钢板心部韧性和抗层状撕裂性能，是厚钢板轧制工艺的难点。A）采用特厚铸坯进行轧制，保证厚钢板轧制的压缩比大于3。为使钢坯心部粗大的奥氏体晶粒碎化、保证探伤和提高Z向性能，采用特厚连铸坯进行轧制。美国DGS研究指出，为保证探伤合格，钢板必须保证至少2.63的压缩比；而根据现场试验研究，要保证Z向性能达到Z35水平，钢板压缩比必须要保证3以上。首秦公司生产的300-400mm的特厚连铸板坯充分满足了产品需要。B）优化再结晶轧制工艺规程，保证特厚板在再结晶区轧制的最大压下率至少有1道次压下率在20%以上。开发钢种中含0.03%Nb微合金元素，再结晶终止温度在1000℃左右；再结晶轧制阶段道次变形量越大，奥氏体晶粒尺寸越细小。因此在成分体系、相变点和正火状态均已确定的情况下，提高转钢后纵轧阶段的总压下率（精轧阶段保留20mm以上的压下量足以保证产品板形），可以提高再结晶区轧制道次压下率。重要的是粗轧阶段满足至少一道次接近20%的大压下率，并呈现逐渐上升趋势，可实现钢坯心部组织的充分变形，为后续相变累计形变能，如图5。另外，减少精轧阶段变形量，以减少低温形变对厚度方向组织不均匀的影响，精轧阶段主要起控制钢板尺寸精度的作用。3.3改善特厚板心部横向冲击韧性的途径海上风电用特厚钢板不仅要求纵向低温冲击功，用户还特别要求保证心部横向低温冲击功。而在实际生产过程中，逐渐发现仅仅强调粗轧阶段的大压下，甚至直接纵轧，不能给特厚板心部横向冲击性能带来显著改善，必须保证适当的展宽。研究发现增加展宽比对屈服强度及抗拉强度影响不大，但显然随着展宽比的增加，钢板心部横向冲击韧性先改善后降低（图6）。降低原因主要是展宽比过大影响转钢后各轧制阶段的压下率，整体韧性下降。为改善特厚钢板心部横向低温冲击功，需要在保证大压下率的前提下，保证一定量的展宽比，且不宜太大。605101520123456789101112131415道次压下率（%）0501001502002501.071.1251.251.351.371.62钢板展宽比-60℃冲击韧性/J表面横向Akv心部横向Akv图5130mm特厚板优化的轧制规程图6展宽比与心部横向冲击韧性的关系Fig.5130mmheavyplateoptimizedrollingscheduleFig.6Therelationshipbetweenthebroadeningofthelateralimpacttoughnessincoreofplates4．结论（1）在低合金钢成分基础上添加Nb、Ti、Cu等元素，采用控轧和正火工艺试制的特厚钢板,正火后在相当低的碳当量下获得了正火态钢板的强韧性指标和优良的心部性能。（2）采用首秦公司生产的300-400mm连铸坯生产特厚板，保证压缩比大于3，配合优化再结晶轧制规程，保证特厚板在再结晶区轧制的最大压下率至少有1道次在20%以上，细化了钢板晶粒，改善了性能均匀性。（3）通过合理控制展宽比，在保证大压下率的前提下，极大改善特厚钢板心部横向低温冲击功，满足了用户要求。参考文献1.杨作宏，陈伯春.谈微合金元素Nb、V、Ti在钢中的作用[J],甘肃冶金，2000，（4）：20-22.2.苏式怀，孙维，汪开忠.铌微合金化技术在H型钢生产中的应用[J]，微合金化技术，2001,1（1）：53-58.3.李闯，王学敏，尚成嘉.连续冷却过程中铜含量对析出的影响，钢铁，2011,8.