一种屈服强度460MPa级热轧高韧性耐低温H型钢及其制备方法

摘要

本发明属于冶金技术领域，具体地，本发明涉及一种屈服强度460MPa级热轧高韧性耐低温H型钢及其制备方法。本发明的屈服强度460MPa级高韧性耐低温H型钢，其化学成分组成按重量百分比为：C：0.03％～0.07％，Si≤0.3％，Mn：1.20％～1.40％，Nb:0.015％～0.030％，V：0.10％～0.15％，Ti：0.015％～0.025％，Ni：0.25％～0.45％，Cr：0.30％～0.50％，Als：0.01％～0.06％，N：0.010％～0.023％，P≤0.015％，S≤0.010％，O≤0.004％，其余为Fe和不可避免杂质。本发明的采用含N复合微合金化成分设计，从而在普通热轧H型钢轧机上实现460MPa级别以上强度的同时，获得较高的强韧性。本发明的H型钢产品其力学性能良好，屈服强度≥460MPa，抗拉强度≥600MPa，延伸率≥18％；‑40℃纵向冲击功≥100J，适合极低温度条件地区使用。

说明书

技术领域

本发明属于冶金技术领域，具体地，本发明涉及一种屈服强度460MPa级热轧高韧性耐低温H型钢及其制备方法。

背景技术

随着能源开采向极寒等复杂区域发展，迫切需要综合性能更高的热轧H型钢替代目前低级别H型钢，在减轻重量的同时，保证具有较高的可靠性。同时为适应极寒等复杂地区服役环境，对钢材的低温冲击韧性，焊接性能，抗层状撕裂性能等提出了更高的要求，更高强度级别的热轧H钢需求逐渐增加。

目前我国的热轧H型钢生产企业已陆续开发出屈服强度345MPa以上不同级别的H型钢，一般采用复合微合金化配合热轧方法生产。不同企业根据装备水平制备出不同级别和不同综合性能的产品。

申请号CN201310200230.8的专利申请公开了一种屈服强度450MPa级含钒耐候热轧H型钢的轧制工艺，该含钒耐候热轧H型钢成分配比为(wt％)：C：0.09～0.11，Si：0.45～0.52，Mn：1.25～1.38，P：0.015～0.022，S：0.008～0.014，Cu：0.27～0.33，Cr：0.35～0.42，Ni：0.25～0.32，V：0.073～0.087，A1_(s)：0.010～0.025，其余为铁和残余的微量杂质；该含钒耐候热轧H型钢在轧后采用两段式快速冷却处理实现屈服强度450MPa的目标，对轧后冷却设备具有特殊要求。

申请号CN201510044714.7的专利申请涉及一种耐低温热轧H型钢及其制备方法，所述的热轧H型钢化学成分为(wt％)：C:0.07～0.10％、Si:0.2～0.4％、Mn:1.30～1.60％、P≤0.020％、S≤0.015％、V:0.015～0.070％、Ti:0.010～0.030％，余量为Fe和不可避免的杂质。生产方法包括转炉冶炼、LF精炼、连铸、轧制等。本发明制备的H型钢的组织为多边形铁素体和珠光体组织，屈服强度为350～450MPa。该专利轧制工艺采用常规方法，化学成分设计使得其轧后屈服强度接近450MPa。

上述两种高强H型钢及制备技术均采用微合金化配合不同冷却的方式，具有较高强度的同时保证一定的低温冲击韧性。一方面对冷却设备要求较高，另一方面采用普通设备轧制，强度不能实现更大的提高。

发明内容

本发明的目的在于，为了满足极寒等复杂环境下海洋工程用高强、高韧钢的需求，设计发明一种屈服强度460MPa级热轧高韧性耐低温H型钢及其制备方法，该H型钢特别适合极低温度条件地区(海洋工程)具有较高强韧性要求的支撑结构件制作使用。

本发明的技术方案如下：

本发明的屈服强度460MPa级高韧性耐低温H型钢，其化学成分组成按重量百分比为：C：0.03％～0.07％，Si≤0.3％，Mn：1.20％～1.40％，Nb:0.015％～0.030％，V：0.10％～0.15％，Ti：0.015％～0.025％，Ni：0.25％～0.45％，Cr：0.30％～0.50％，A1s：0.01％～0.06％，N：0.010％～0.023％，P≤0.015％，S≤0.010％，O≤0.004％，其余为Fe和不可避免杂质。作为优选的，本发明中V、Ti与Nb的元素，满足0.10％≤V+Ti+Nb≤0.20％。满足该公式要求制备出的H型钢，可以更好的满足沉淀强化微合金化要求，从而提高钢的强度。

本发明中氮对微合金化碳氮化物的析出起重要作用，尤其是在用钛和钒微合金化的钢中。含氮钢不仅消除了炼钢过程中因脱气和精炼去氮引起的成本增加，而且钢中增氮更能充分发挥微合金元素的作用，节约微合金化元素的用量，进一步降低生产成本。

钒的碳氮化物可以在低碳钢铁素体中析出并细化钢的组织。氮化钒比碳化钒在铁素体中有更低的固溶度，增加钒微合金钢中的氮含量，在铁素体中更容易析出氮化钒，可以提高钒微合金钢的析出强化和晶粒细化强化效果。

在含钒微合金钢中提高氮含量，有利于VN析出，由于VN与铁素体的错配度最小，能成为铁素体的优先形核位置，可促进铁素体相变、提高相变开始温度和形成全贝氏体组织的临界冷却速率。

本发明还提供了一种上述屈服强度460MPa级高韧性耐低温H型钢的制备方法，依次包括铁水预处理、转炉冶炼、精炼、连铸、轧制、冷却以及矫直步骤，本发明未提及的工序，均可采用现有技术。

其中，在轧制过程中，加热炉均热温度为1230～1280℃，铸坯在炉时间为120～200min；开轧温度为1150～1180℃，精轧机架间水冷全部开启，终轧温度为750～860℃。

进一步地，根据本发明所述的制备方法，其中优选地，连铸中间包钢水过热度≤25℃，保证铸坯质量。钢中需保证一定的酸溶铝含量保证钢水达到较好的脱氧效果，提高钢的洁净度，减少钢中夹杂物对性能的危害。

精轧后的钢材出精轧机后进入带保温罩辊道保温，保证温降均匀，随后进入冷床进行缓冷。

根据本发明实施例，本发明的屈服强度460MPa级高韧性耐低温H型钢的制备方法具体包括铁水预处理、转炉冶炼、精炼、全保护连铸，铸坯保温坑缓冷，孔型轧制工艺及离线缓冷工艺。

在综合考虑成本、生产工艺及质量的情况下，本发明通过低碳微合金化工艺设计，以较低的碳含量配合其他较低含量的合金元素，将氮作为是一种有价值的合金化元素尽量保留于钢中，通过对钢种成分配比的合理优化，配合型钢轧制及轧后冷却的轧制工艺；利用细晶强化、析出强化和相变强化机制，制得以适量贝氏体+铁素体为主，包含少量的珠光体的高强韧H型钢，其中组织表层为单相下贝氏体或铁素体+单相下贝氏体，内部为铁素体+珠光体的细小复相组织；贝氏体不仅能够增加钢的强度、塑性及韧性，且能减少钢种变形及开裂，极大的提高了钢种性能及表面质量；该H型钢强度高，钢种性能好，成材率高，而且工艺控制难度较低，有利于实现低温地区或海洋工程用大中规格高强韧H型钢产品的工业化批量生产。

本发明技术方案的优点在于：

1、适合普通轧机进行正火轧制的低碳和复合微合金化成分设计思路，降低轧制过程的高温轧制力；同时采用含N复合微合金化成分设计，从而在普通热轧H型钢轧机上实现460MPa级别以上强度的同时，获得较高的强韧性。

2、为避免N含量较高带来的铸坯裂纹缺陷，连铸坯下线后进保温坑进行缓冷，保证铸坯表面质量及内部缺陷。

3、成品H型钢组织以适量贝氏体+铁素体为主，包含少量的珠光体组织；

4、本发明涉及的H型钢产品其力学性能良好，屈服强度≥460MPa，抗拉强度≥600MPa，延伸率≥18％；-40℃纵向冲击功≥100J，适合极低温度条件地区使用。

附图说明

图1是本发明中实施例2制备的屈服强度460MPa级高韧性耐低温H型钢的金相组织图(×200)。

具体实施方式

以下列举具体实施例对本发明进行说明。需要指出的是，实施例只用于对本发明作进一步说明，不限制本发明的保护范围，其他人根据本发明做出的非本质的修改和调整，仍属于本发明的保护范围。

下述实施例中的连铸坯均按以下工艺流程制备：根据设定的化学成分范围(表1)，以高炉铁水为原料，通过转炉冶炼、精炼，调整C、Si、Mn、S、P等的含量并进行微合金化，成分达到目标值后进行连铸、铸坯直接加热或者均热。实施例1-4的制备步骤如下：

该钢经过铁水预处理→转炉冶炼→钢包吹氩→精炼→连铸→型钢线轧制→冷床缓冷。其中，型钢线轧制包括粗轧和精轧两道轧制。本发明未提及的工序，均可采用现有技术。热轧工序以控制温度为主，终轧温度检测翼缘外侧，轧后轧材在冷床自然冷却。实施例1-4的化学成分及具体工艺见下表1。

表1化学成分(wt％,余量铁)

项目CSiMnPSCrVTiNbNiAlN实施例10.0420.251.300.0150.0070.280.110.0150.0200.400.0120.0120实施例20.0500.231.400.0130.0080.350.130.0250.0250.450.0160.0176实施例30.0600.221.280.0120.0060.250.140.0200.0300.290.050.0195实施例40.0450.281.380.0130.0060.310.150.0180.0260.370.030.0223

实施例1-4的热轧工艺条件见表2。按照标准为BS EN ISO 377-1997《力学性能试验试样的取样位置和制备》；屈服强度、抗拉强度、延伸率的试验方法参照标准ISO6892-1-2009《金属材料室温拉伸试验方法》；冲击功试验方法参照标准ISO 148-1《金属材料夏比摆锤冲击试验》，结果见表3。

表2实施例热轧工艺

表3实施例力学性能试验结果

从表中可见，本发明实施例1-4屈服强度保持460MPa级别，具有良好的延伸性能，其-40℃冲击功较高。可以满足制备海洋工程构件在极低环境下的使用条件，适用于制作海洋石油平台、海洋远洋运输船舶等具有较高低温韧性要求的支撑结构件。

从图1可以看出本申请的组织为粒状贝氏体+铁素体组织。该类别组织中弥散分布的贝氏体提高了钢的强度，细小的铁素体对韧性和塑性提高具有很大帮助。因此，对于460MPa级别强度的H型钢，满足强度的同时，韧性尤其是低温韧性得到提升。

当然，本发明还可以有多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明的公开做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。