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低碳微合金E40高强船板钢的研制
作者:天津亚太恒通金属材料    来源:www.yththjb.com    点击数:   更新时间:2014年12月17 【字体: 】 

船用结构钢是造船工业不可缺少的原材料,随着船用钢材向着轻量化发展,对钢板的质量和强度级别的要求不断提高,因此研发高强级别船板钢对于企业扩大市场份额、提高市场竞争力、增加效益都具有十分重要的意义。

  1 设备及参数

  在船板钢的生产中,有以下几个方面的变化:强度级别,由低强度级别向高强度级别发展;成分设计上,由高碳路线向低碳路线发展;合金加入方面:由单合金元素向多合金元素、复合合金化和微合金化发展。为了满足上述变化,冶炼工艺也有了长足的进步。炼钢方面,目前普遍采用转炉冶炼;精炼方面,从LF炉精炼发展为LF和RH真空处理双联工艺。

  在开发高强船板中采用的设备和主要参数如下:

  ①  公称容量80t顶底复吹转炉,底吹效果良好,出钢量控制在100t;

  ②  100t的LF钢包精炼炉,钢包底部透气砖两块,升温速度2℃/min ~5℃/min;

  ③  双工位RH真空处理装置,循环流量为75t/min;

  ④  单流板坯连铸机,断面尺寸250mm×2400mm,全自动液面控制系统,长水口采用全程氩封保护浇铸。

  ⑤  4300mm四辊可逆式中板轧机。

  2 船板钢化学成分设计

  高强船板钢要求良好的低温冲击韧性、高强度和良好的焊接性能。为了保证产品的性能,在国标GB712-2000规定的合理范围内对其成分进行合理的设计,符合实际生产的条件。低碳、微合金化及控轧控冷是本次试制成分设计的依据。

  (1)  低碳、低碳当量设计

  在成分设计中,为了使钢板具有良好的焊接性能和较好的低温冲击韧性,必须降低碳含量。因为碳是较强的固溶强化元素,能显著提高钢板的强度,但降低韧性和塑性,明显恶化钢板的焊接性能。为了保证良好的焊接性能,控制E40的碳当量Ceq≤0.36,其计算公式为:

  Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+  V)/5 +(Ni+Cu)/15                                   (1)

  公式1中的元素符号均表示该元素的质量分数。

  因此,设计E40级船板钢的C:0.050%~0.110%,Mn:0.90%~  0.16%。

  (2)  微合金化设计

  微合金化是指合金元素总含量小于0.1%的钢。目前钢种成分设计中普遍采用的微合金元素为铝、铌、钒、钛。这些元素的特点是能与碳氮结合形成碳化物、氮化物和碳氮化物。这些化合物在高温下溶解,在低温下析出,其作用表现为:加热时阻碍原始奥氏体晶粒长大;在轧制过程中抑制再结晶及再结晶后的晶粒长大;在低温时能起到析出强化的作用。本次试制的E40级船板微合金设计采用:铝、铌和钛。

  铝在钢中除了有脱氧的作用外,还起到细化晶粒的作用,这是由于铝在钢中能与[N]形成细小弥散分布的难熔化合物[AlN],起到沉淀强化的作用。一般来说,残余在钢中的微量铝,对焊接性能影响不大,如果铝做为合金元素大量加入,将使钢的焊接性能变差。因此,钢中的铝含量控制在0.02%~0.04%。

  铌在钢中形成稳定的化合物[NbCN]、[NbC]或是它们的固溶体,能延迟奥氏体晶粒的再结晶,当奥氏体向珠光体转变时,能使铁素体晶粒细化,起到提高强度和改善冲击韧性的作用。铌在低碳钢中降低转变温度促使贝氏体组织的形成。

  钛能产生强烈的沉淀强化作用;加入少量的Ti,在钢中能生成细小弥散的TiN颗粒,起到抑制加热和轧制时的晶粒长大,有助于改善韧性,强度的提高也超过了铌的作用,同时还可提高基体金属和焊接热影响区的低温韧性。钛的含量一般控制在0.02%以下,过多的钛含量会引起钛的氮化物粗化,对低温韧性不好。

  (3)  低的硫、磷含量

  硫含量主要影响钢的冲击韧性,磷主要影响钢的韧性,此外钢中的硫化物夹杂对钢的性能产生影响。根据洁净钢生产的要求,要求降低钢中的磷、硫含量,使其控制在0.020%以内,提高钢水的洁净度。

  3 冶炼工艺

  (1)  冶炼工艺路线

  冶炼工艺路线:铁水脱硫预处理-100t氧气顶底复吹转炉-LF炉精炼-RH真空处理-板坯连铸-检验。

  (2)  冶炼工艺

  为保证转炉入炉铁水的S含量,采用铁水喷吹颗粒镁脱硫预处理。处理前要求铁水S≤0.050%,Si≤0.60%,根据脱硫前铁水的S含量设定喷镁量,脱硫后要求采用扒渣操作,扒渣要求干净,保证处理效果,脱硫后要求S≤0.01%。

  采用活性石灰快速及时造渣,吹炼时严禁炉渣返干,以保证炉渣良好的性能;为了保证低的炉渣氧化性,枪位高度要适当,一般炉渣中的FeO控制在20%以内;冶炼采用高拉碳一次补吹操作,终点控制C≤0.07%,P≤0.012%,S≤0.010%;终渣碱度按3.0~4.0控制;出钢温度控制在1660℃~1710℃;出钢挡渣采用AMEPA下渣检测与挡渣锥相结合,做好挡渣操作,下渣厚度控制在50mm以下,减少回P,出钢用Al铁进行脱氧。

  LF炉精炼进行进一步脱硫、脱氧、去夹杂、调整钢液的成分和温度。LF炉的升温速率为2℃/min~5℃/min,可以实现温度的准确控制,控制精度范围在±5℃;精炼过程中根据钢液成分,对成分进行适时调整;精炼采用高碱度精炼渣,具有较强的脱硫和吸附夹杂的能力。精炼渣的用量为10 kg/t~15kg/t,精炼过程保证白渣的精炼时间>10min。精炼结束要求炉渣碱度R>4.0,低的氧化性(FeO+MnO)<1.5%,以保证脱硫、脱氧效果。为了满足钢中成分低C的要求,严格控制LF精炼过程中的C增量<0.02%。通过严格的控制,LF炉的脱硫率可以达到70%;钢中的[O]控制在10ppm以内。

  RH真空处理的钢水循环量为75t/min;钢水真空处理时间>15min,对钢水进行脱[H]、[N]处理。真空处理结束时,钢水中的[H]含量小于2.0ppm;真空处理过程,对钢水的成分进行微调,满足成分控制范围。真空处理结束,向钢包中喂SiCa线,对夹杂物进行变性处理,喂入量为3m/t;喂线后钢包软吹时间保证大于10min,保证夹杂物的充分上浮、去除。

  采用单流弧形板坯连铸机,铸坯的断面尺寸250mm×2400mm,长水口采用氩封保护浇铸;中包覆盖剂为低碳高碱度保护渣,中包到结晶器采用浸入式水口;中包温度控制在1540℃~1550℃;拉速稳定控制在0.9m/min;采用全自动液面控制系统,液面波动控制在±3mm。

  4 轧制工艺

  (1)  轧制工艺流程

  轧制工艺流程:加热-除鳞-轧制-快速冷却-矫直-冷床冷却-定尺剪取样-钢板检查-二级探伤-入库。

  (2)  轧制工艺

  由于E40高强船板的性能要求较高,所以,在制定轧制工艺时,采用了TMCP工艺、高温奥氏体再结晶轧制工艺、奥氏体非再结晶轧制工艺和水冷工艺,来达到细化奥氏体晶粒的目的。具体的轧制工艺规程如下:

  ①  加热制度:加热时间3 h~5h,加热温度1200℃~1300℃。

  ②  四辊轧机开轧温度:1100 ℃~1200℃;终轧温度:780℃~880℃。

  ③  冷却:终冷温度620℃~  720℃,冷却速率:10℃/s~20℃/s。

  5 结论

  (1)采用“铁水脱硫预处理-100t氧气顶底复吹转炉-LF炉精炼-RH真空处理-板坯连铸”工艺可以生产高质量的船板钢。

  (2)以目前的炼钢、轧钢设备和工艺技术水平,具备了生产合格E40高强船板钢的要求,试制的产品完全符合国标GB712-2000标准要求。

  (3)生产实践证明:E40高强船板钢的成分设计、炼钢和轧钢工艺路线的制定都是科学合理的。

  (4)船板钢的低碳微合金化路线和TMCP相结合,能满足各项性能指标的要求。

  (5)稳定生产是实现E40级高强船板批量生产和提高性能的努力方向。

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