一种利用稀土提高低碳当量钢板焊接热影响区韧性的方法

摘要

本发明公开了一种利用稀土提高低碳当量钢板焊接热影响区韧性的方法，属于钢铁冶金和钢铁材料领域。该方法依次包括转炉冶炼步骤、LF精炼步骤、RH精炼步骤、连铸步骤和热轧步骤，通过在LF精炼步骤和RH精炼步骤对钢液中的氧、硫和关键微量元素的含量进行控制，并在RH精炼过程中加入适量稀土Ce合金，使钢板中生成大量细小、弥散分布的稀土硫化物夹杂Ce‑S和Ca‑Ce‑S中的一种或两种，稀土硫化物夹杂的尺寸90％以上小于1微米。通过合理控制含稀土元素硫化物夹杂物的成分和数量，利用含稀土元素硫化物夹杂物在焊接过程中钉扎原奥氏体晶界，抑制原奥氏体晶粒长大(粗化)，同时促进晶内针状铁素体生成，进而提高低碳当量高强钢板焊接热影响区韧性的方法。

说明书

技术领域：

本发明属于钢铁冶金和钢铁材料领域，具体涉及一种利用稀土提高低碳当量钢板焊接热影响区韧性的方法。

背景技术

造船、桥梁、海洋平台、高层建筑、大型石油储罐等领域的发展对高强度厚钢板的需求越来越大。为了提高焊接效率，在焊接施工中会采用大热输入焊接。但是随着焊接热输入的增加，焊接热影响区的原奥氏体晶粒尺寸显著增加，形成粗晶热影响区，其焊接性能显著降低，焊接裂纹敏感性增加。

为了改善厚板焊接热影响区性能，国内外的研究表明，利用钢中细小弥散分布的夹杂物可以抑制焊接过程热影响区原奥氏体晶粒的长大，同时可以作为形核核心，诱导低碳当量钢板焊接过程晶内铁素体的生成，从而提高大热输入焊接热影响区的韧性。

日本专利JP5116890(金沢正午、中島明、岡本健太郎、金谷研：大入熱溶接用高張力鋼材製品製造方法，JP5116890，1976.5.28。)提出在钢添加一定量的Ti和N，利用TiN粒子一方面阻止焊接热循环过程中奥氏体晶粒长大，另一方面促进针状铁素体的生成，从而有效抑制了焊接热影响区韧性的降低。然而，随着焊接热输入的增加，焊缝熔合线附近热影响区的峰值温度将超过1400℃，TiN粒子在此温度下将粗化溶解，从而失去抑制原奥氏体晶粒长大的作用。因此，之后的研究者们探索利用具有高温稳定性的氧化物粒子作为钉扎晶界和促进晶内铁素体形核的核心。日本专利JP517300发明了利用钛的氧化物提高钢材大线能量焊接性能的方法。钛的氧化物粒子可以作为铁素体的形核核心，形成相互间具有大倾角晶粒的针状铁素体组织，改善焊接热影响区的韧性。但是含钛氧化物夹杂在钢液中容易聚集长大，大颗粒含钛夹杂物会降低钢的韧性，甚至成为裂纹源。

近些年，研究者们相继开发了利用钢中不同类型粒子提高焊接热影响区韧性的技术。如日本专利JP3378433和日本专利JP3476999开发的利用MgO粒子，专利CN102191429B开发的通过在钢液浇注过程添加Mg合金，利用钢中生成的MgO或MgO-Ti₂O₃复合夹杂抑制焊接热影响区奥氏体晶粒长大，促进其晶内铁素体生长，提高厚板的大线能量焊接性能。专利CN101476018B公布了一种通过在钢中添加Ca元素，使之形成细小弥散的纳米级CaO或CaS质点，并使MnS依附其上形成圆形或多边形质点，形成数量较多的晶内针状铁素体的形核质点，有效钉扎奥氏体晶界、细化晶粒，提高焊接热影响区粗晶区的韧性。专利CN103695776B通过对钢中Ti/N比值进行合理控制，并对于直径大于等于1μm的微米夹杂物的Ca/Al比值、面密度、长宽比，直径小于1μm的亚微米夹杂物的面密度进行合理控制，利用这些夹杂物表面促进晶内铁素体的生长，或者抑制大线能量焊接过程中奥氏体晶粒的长大，改善厚钢板的大线能量焊接性能。CN1946862B、CN101476018B、CN103695777B、CN104404369A等公布的技术通过控制钢中Ti、Al、Mg、Ca、Zr等元素含量，进而控制氧化物夹杂的成分和数量。这些夹杂物促进晶内铁素体的生长，抑制大线能量焊接过程中奥氏体晶粒的长大，从而改善厚钢板的大线能量焊接性能。这些技术的共同点是利用微细夹杂物粒子促进晶内针状铁素体的生成，同时抑制大线能量焊接过程中原奥氏体晶粒的长大。但是，含Ti和含Ca类氧化物夹杂在钢液中容易聚集长大，粒子尺寸多为几个微米，甚至更大，不仅对提高大线能量焊接钢板韧性没有好处，相反会降低钢板及其焊接热影响区的韧性。上述技术并未对含Ti和含Ca类氧化物夹杂的尺寸控制做描述。

发明内容

本发明的目的是提供了一种利用稀土提高低碳当量钢板焊接热影响区韧性的方法，板厚为30～80mm，母材抗拉强度≥490MPa。该方法适用于造船、桥梁、海洋平台、高层建筑、大型石油储罐制造中使用的大线能量焊接用高强度钢板，在焊接线能量200～400kJ/cm的范围内，能够有效提高焊接热影响区韧性的方法。

根据本发明的第一方面，提供一种利用稀土提高低碳当量钢板焊接热影响区韧性的方法。所述方法依次包括转炉冶炼步骤、钢包精炼炉(Ladle refining furnace，LF)精炼步骤、RH精炼步骤、连铸步骤和热轧步骤，所述方法通过在LF精炼步骤和RH精炼步骤对钢液中的氧、硫和钙含量进行控制，并在RH精炼过程中加入适量稀土Ce合金，使钢板中生成大量细小、弥散分布的稀土硫化物夹杂Ce-S和Ca-Ce-S中的一种或两种，稀土硫化物夹杂的尺寸90％以上小于1微米。通过合理控制含稀土元素硫化物夹杂物的成分和数量，利用含稀土元素硫化物夹杂物在焊接过程中钉扎原奥氏体晶界，抑制原奥氏体晶粒长大(粗化)，同时促进晶内针状铁素体生成，进而提高低碳当量高强钢板焊接热影响区韧性的方法。

RH法即为真空循环脱气法，是西德鲁尔钢铁公司(Ruhrstahl)和海拉斯公司(Heraeus)于1957年共同开发的，故以两公司名字的首字母命名。

进一步的，所述方法包括以下步骤：

1)转炉冶炼步骤：铁水量和洁净废钢比例为4：1～6：1，入炉铁水温度1350～1400℃，铁水中硫质量百分比≤0.04％，加入白灰、白云石造渣，吹氧冶炼；

2)LF精炼步骤：工位造白渣脱硫，终渣成分控制为CaO/SiO2＝4.0：1～6.0：1，出钢氧质量百分比≤0.0015％，硫质量百分比为0.0020％～0.0060％，钢液温度1585～1615℃；

3)RH精炼步骤：RH到站钢液温度1580～1610℃，RH真空处理10～20min以后加入稀土Ce合金，控制加稀土合金前钢液氧质量百分比≤0.0015％，总真空处理时间20～30min，破空后氧质量百分比控制在≤0.0012％，之后底吹氩软搅拌不少于5min；

4)连铸步骤：拉速控制在1.0～1.2m/min，浇铸温度控制在1530～1550℃，制得厚度为200～300mm的连铸板坯；

5)热轧步骤：第一阶段开轧温度1150～1230℃，第二阶段一次待温900～930℃，终轧温度840～870℃，将所述连铸板坯轧制成30～80mm钢板。

进一步的，步骤1)中转炉终点碳控制低于0.045％，炼钢终点温度1610～1650℃。

进一步的，步骤1)中转炉出钢后加入Al脱氧，钢液Al质量百分比0.020～0.050％。

进一步的，步骤3)中的钢液中Ce质量百分比为0.0015％～0.0050％。

进一步的，步骤3)中钢液中钙质量百分比＜0.0010％，以避免钢液精炼过程中生成包裹稀土夹杂物的钙铝酸盐，以及CaS夹杂物。

根据本发明的第二方面，提供一种钢板，所述钢板根据以上任一方面所述利用稀土提高低碳当量钢板焊接热影响区韧性的方法冶炼制得，所述钢板的化学组成按照质量百分比计为C：0.04～0.10％，Si：0.1～0.4％，Mn：1.0～1.5％，P≤0.02％，Nb：0.01～0.03％，V：0.02～0.08％，Al：0.020～0.045％，Ti：0.010～0.025％，其余为铁和不可避免的杂质元素，同时稀土Ce质量百分比0.0015～0.0050％。钢板碳当量C_eq为：0.15～0.40％，C_eq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。

进一步，所述钢板中含有Ce-S和Ca-Ce-S稀土夹杂物中的一种或两种，夹杂物中Ca、Ce和S的化学组成的质量百分比为2％＜Ca＜40％，20％＜Ce＜60％，10％＜S＜50％，数量密度≥250个/mm²，且90％以上稀土夹杂物尺寸小于1微米。这些亚微米级夹杂物在钢液凝固过程中析出，尺寸细小、数量多，可以有效抑制焊接过程中原奥氏体晶粒的粗化。而且此类夹杂物与铁素体的错配度小，有利于诱导晶内针状铁素体的生成。

进一步的，所述钢板母材抗拉强度≥490MPa，在焊接热输入量为200～400kJ/cm条件下，-40℃冲击韧性≥100J。

本发明的有益效果：

针对低碳当量高强钢，本发明采用合适的氧、硫和关键微量元素含量控制技术，使钢板中形成尺寸小于1微米的含稀土Ce硫化物夹杂，并合理控制这些夹杂物的数量，利用这些夹杂物的在焊接过程中钉扎原奥氏体晶界，抑制原奥氏体晶粒长大(粗化)，同时促进晶内针状铁素体生成。从而大幅提高了大热输入焊接时热影响区的性能。按照本发明冶炼的钢板，母材抗拉强度≥490MPa，在焊接热输入为200～400kJ/cm条件下，焊接热影响区冲击韧性≥100J。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1示出根据本发明的一种利用稀土提高低碳当量钢板焊接热影响区韧性的方法流程图；

图2示出根据本发明一个实施例实施例中典型夹杂物示意图。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明公开了一种利用稀土提高低碳当量钢板焊接热影响区韧性的方法。其中，炉外精炼采用LF+真空脱气/RH工艺路线，并在RH精炼过程加入稀土合金。通过合理控制含稀土元素硫化物夹杂物的成分和数量，利用含稀土元素硫化物夹杂物在焊接过程中钉扎原奥氏体晶界，抑制原奥氏体晶粒长大(粗化)，同时促进晶内针状铁素体生成，进而提高低碳当量高强钢板焊接热影响区韧性的方法。

对大线能量焊接厚板焊接热影响区的冲击韧性研究发现，稀土硫化物夹杂可以钉扎原奥氏体晶界，抑制焊接过程奥氏体晶粒长大，同时促进晶内针状铁素体生成，从而提高钢板焊接热影响区的冲击韧性。本发明确定了这些稀土夹杂物粒子的类型、尺寸和数量。夹杂物的成分利用场发射扫描电镜(FE-SEM/EDS)进行分析，对于样品表面进行研磨和抛光之后，利用FE-SEM/EDS对夹杂物进行观察和分析，每个样品夹杂物的平均成份是对于50个任意选取夹杂物分析结果的平均值。利用全自动夹杂物分析系统(INCA)统计分析夹杂物的数量密度。

如图1所示，根据本发明的一种利用稀土提高低碳当量钢板焊接热影响区韧性的方法如下：

转炉冶炼→LF精炼→RH精炼→连铸→热轧。具体为：

步骤101：转炉炼钢铁水量和洁净废钢比例为4～6，入炉铁水温度1350～1400℃，铁水中S≤0.04％，加入白灰、白云石造渣，吹氧冶炼。转炉终点碳控制低于0.045％，炼钢终点温度1610～1650℃，出钢后加入Al脱氧，钢液Al质量百分比0.020～0.050％。

步骤102：LF精炼工位造白渣脱硫，终渣成分控制为CaO/SiO₂＝4.0～6.0，出钢氧质量百分比≤0.0015％，硫质量百分比为0.0020％～0.0060％，钢液温度1585～1615℃。

步骤101：RH精炼：RH到站钢液温度1580～1610℃，RH真空处理10～20min以后加入稀土Ce合金，总真空处理时间＞20min，破空后氧质量百分比控制在＜0.0012％，之后底吹氩软搅拌不少于5min。

步骤103：LF和RH精炼加入的合金严格控制其钙质量百分比，LF和RH精炼严禁喂Ca线，保证全程钢液Ca质量百分比＜0.0010％。Ca质量百分比大于0.0010％时，容易生成钙铝酸盐，这些钙铝酸盐均会包裹稀土氧化物夹杂，同时板材中产生CaS夹杂物，这将不利于发挥稀土氧化物夹杂在钢中的作用。

步骤104：连铸拉速控制在1.0～1.2m/min，浇铸温度控制在1530～1550℃，制得厚度为200～300mm的连铸板坯。

步骤105：热轧：第一阶段开轧温度1150～1230℃，第二阶段一次待温900～930℃，终轧温度840～870℃，将上述连铸板坯轧制成30～80mm钢板。

表1是本发明实施例和对比例的化学成分(mass％)、以及钢板稀土Ce质量百分比。

表1实施例和对比例化学成分

实施例中根据本发明所确定的化学成分进行控制，并控制钢中氧、硫、稀土质量百分比满足本发明要求，使尺寸小于1微米的稀土夹杂物比例为90％以上，数量密度≥250个/mm²。钢中典型夹杂物的形貌如图2所示。

表2是本发明实施例和对比例母材性能及焊接热影响区韧性对比结果。

表2实施例和对比例母材性能及焊接热影响区韧性对比

表2实施例和对比例母材性能及焊接热影响区韧性对比

由表2数据可以看出，实施例和对比例的母材强度没有明显差异，都能满足抗拉强度≥490MPa的要求。经200～400kJ/cm的热输入焊接后，实施例的焊接热影响区冲击功明显高于对比例，特别是400kJ/cm的高热输入下，实施例热影响区冲击功高达124J。

综上所述，针对低碳当量高强钢，本发明采用合适的氧、硫和关键微量元素含量控制技术，严格控制稀土加入前钢中氧、硫含量，通过向钢中加入适量稀土Ce以及合适的精炼、连铸、热轧工艺，使钢液在凝固过程中析出大量纳米级稀土Ce硫化物夹杂。本发明的技术要点在于通过控制钢中氧、硫、稀土及其他微量元素的含量，以及合理控制稀土硫化物夹杂的析出温度、成分和数量。稀土硫化物夹杂析出温度过高会导致其在钢液条件下析出，形成的夹杂物尺寸较大。相反，如果稀土硫化物析出温度过低，则会导致其在焊接过程中粗化溶解。钢液凝固过程中形成的稀土硫化物夹杂尺寸细小，数量多，一方面能够抑制钉轧原奥氏体晶界，抑制原奥氏体晶粒长大，同时由于稀土硫化物夹杂与铁素体错配度较小，可以有效的诱导晶内针状铁素体生成，从而显著改善了低碳当量钢板的焊接性能。本发明所制造的钢板的厚度规格为30～80mm，母材抗拉强度≥490MPa，在焊接热输入为200～400kJ/cm条件下，焊接热影响区-40℃冲击功≥100J。

本发明技术可用于造船、桥梁、海洋平台等低碳当量高强度厚板的制造，用于改善钢板的焊接性能。