阅读说明：本技术 大线能量焊接用eh36海洋工程用钢板及其制备方法 (Steel plate for EH36 ocean engineering for high heat input welding and preparation method thereof ) 是由 刘洪波 李建新 孙力 张瑞忠 安治国 李超 信瑞山 于 2019-10-24 设计创作，主要内容包括：本发明属于钢铁冶金领域,涉及大线能量焊接用EH36海洋工程用钢板及其制备方法,包括以下步骤：1)冶炼与铸造,其中钢板以质量百分数计：C：0.05~0.08%、Si：0.12~0.18%、Mn：1.2~1.8%、P：≤0.01%、S：0.003~0.01%、Nb：0.01~0.015%、N：0.004~0.006%、Zr：0.001~0.006%,Ti：0.004~0.02%,其余为Fe及其他不可避免杂质元素；2)轧制；3)冷却。本发明可以显著提高EH36钢焊接热影响区低温冲击韧性,满足海洋工程对大线能量钢的需求。(The invention belongs to the field of ferrous metallurgy, and relates to a steel plate for EH36 ocean engineering for large heat input welding and a preparation method thereof, wherein the preparation method comprises the following steps: 1) smelting and casting, wherein the steel plate comprises the following components in percentage by mass: c: 0.05 to 0.08%, Si: 0.12 to 0.18%, Mn: 1.2-1.8%, P: less than or equal to 0.01 percent, S: 0.003 to 0.01%, Nb: 0.01-0.015%, N: 0.004-0.006%, Zr: 0.001-0.006%, Ti: 0.004-0.02% of Fe and other inevitable impurity elements in balance; 2) rolling; 3) and (6) cooling. The invention can obviously improve the low-temperature impact toughness of the EH36 steel welding heat affected zone and meet the requirements of ocean engineering on large-line energy steel.)

大线能量焊接用EH36海洋工程用钢板及其制备方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金领域，具体涉及大线能量焊接用EH36海洋工程用钢板及其制备方法。

背景技术

随着我国对海洋资源开发和利用的发展，EH36焊接结构件广泛用于造船和海洋平台建设的制造，为了提高焊接质量和效率，从而达到降低成本的目的，对可大线能量焊接的海洋工程用钢的要求日益迫切。

可大线能量焊接用钢一般是指线能量大于50kJ/cm的钢板，目前该种钢板是世界钢铁工业发达国家竞相追逐的先进技术之一。

大线能量焊接时由于高温停留时间长，相变冷却速率慢，钢板焊接热影响区的奥氏体晶粒急剧长大，导致钢板的冲击韧性变差。

专利文献CN107904504A公开了一种正火交货的可大线能量焊接用EH36特厚钢板及其制备方法，通过添加Nb元素细化正火过程中的奥氏体晶粒尺寸，同时抑制焊接热影响区晶界铁素体的形成，利用微小（Ti，V，Nb）（C，N）复合析出粒子促进晶内针状铁素体形成，但最终钢板在100~200kJ/cm的热输入下，其热影响区的-40℃平均冲击功只有50J。

专利文献CN102560247A公开了一种性能优良的中厚板大线能量钢及其冶炼办法，添加Ti、Al元素，析出的TiO_x-MnO-Al₂O₃-MnS可以有效地在钢中诱导产生针状铁素体，改善大线能量钢焊接热影响区的焊接性能，但其在-20℃条件下，冲击功仅为90J。

专利文献CN102839320A公开了一种大线能量焊接用钢板及其制造方法，添加B元素，采用TMCP热机械控制和快速冷却工艺生产，但B元素易产生偏析，给热处理过程提出了严格的要求。

专利文献CN101812639A公开了一种高强度大线能量焊接船体用钢及其生产方法，但其适用的焊接输入能量仅为50~100kJ/cm。

专利文献CN103031491A公开了一种无铬微钼高强大线能量钢板及其制造方法，钢板添加了Ni、Mo等贵重元素，生产成本提高。

专利文献CN104404369A公开了一种可大线能量焊接用厚钢板，向钢中添加Mg、Ca、Ti、Al等元素，并通过控制不同尺寸微米和亚微米夹杂物的（Mg+Ca）/（Al+Ti）比和面密度，获得了抗拉强度≥510MPa的钢板，但其在200kJ/cm的条件下，-40℃时的平均冲击功只有50J，且Ca、Mg这类活泼元素极易氧化，甚至燃烧，会严重降低这类合金元素的收得率，生产稳定性下降，熔炼成本提高。

发明内容

本发明要解决的问题是提供大线能量焊接用EH36海洋工程用钢板及其制备方法，该钢板可广泛用于造船和海洋平台建设的制造等海洋工程领域。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

大线能量焊接用EH36海洋工程用钢板，其由以下质量百分含量的成分组成：C：0.05~0.08%、Si：0.12~0.18%、Mn：1.2~1.8%、P：≤0.01%、S：0.003~0.01%、Nb：0.01~0.015%、N：0.004~0.006%、Zr：0.001~0.006%，Ti： 0.004~0.02%，余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明大线能量焊接用EH36海洋工程用钢板的制备方法，包括以下工序：

（1）冶炼与铸造

按照以下质量百分数进行配料：C：0.05~0.08%、Si：0.12~0.18%、Mn：1.2~1.8%、P：≤0.01%、S：0.003~0.01%、Nb：0.01~0.015%、N：0.004~0.006%、Zr：0.001~0.006%、Ti： 0.004~0.02%，其余为Fe及其他不可避免杂质元素；首先在真空感应炉中装入纯铁原料，熔清后，在线取样检测钢中氧含量，加入Zr调整氧含量至0.002~0.01%；然后加入Ti进行终脱氧操作，其他元素的加入顺序分别为Si、Mn、Nb、C、N；

（2）轧制

将厚度为100~300mm厚铸坯加热至1050~1250℃，保温1~2小时进行两阶段轧制，即再结晶区轧制和未再结晶区轧制；轧制之前要经过高压水除鳞，再结晶区轧制阶段开轧温度为1000~1150℃，总压下率不低于30%；未再结晶区轧制阶段开轧温度为800~900℃，总压下率不低于45%；轧制后钢坯厚度为20~60mm；

（3）冷却

开冷温度为750~800℃，冷却速率为10℃/s~20℃/s，终冷温度500~600℃，随后空冷。

高压水除鳞中高压水的压力为14~18Mpa。

本发明的成分设计依据如下：

较低的C含量（≤0.08%）有利于钢的低温冲击性能、低温应变时效性能、焊接性能和耐蚀性能；钢中1.2~1.8%的Mn可以起到固溶强化的作用，用以保证钢板具有足够的强度，同时Mn可以明显降低晶界铁素体开始转变温度，促进针状铁素体的形成；钢中0.01~0.015%的Nb形成的Nb（C，N）会对奥氏体晶界产生钉轧作用，细化钢材组织，提高母材的强度和韧性；Si元素可以溶解于奥氏体和铁素体中，从而提高钢的硬度和强度，因此，Si的下限为0.12%，但过高的Si含量会促进马氏体-奥氏体（MA）岛的生成，会明显降低焊接热影响区韧性，因此Si的上限为0.18%；Zr是炼钢过程中预脱氧所需要的主要元素，Zr会与氧形成弥散的复合夹杂，此种夹杂会在焊接热循环中通过钉扎晶界移动来限制奥氏体晶粒长大，并在奥氏体转变过程中诱发针状铁素体形核，但过量的Zr也会导致粒子粗大而失去抑制晶粒长大的作用，Zr的加入量为0.001~0.006%；Ti可以与氧形成Ti₂O₃粒子，这些粒子在焊接过程中作为核心促进晶内针状铁素体的形成，另外，TiN也可以在焊接热影响区钉扎奥氏体晶粒，细化焊接热影响区组织，提高钢板冲击韧性，Ti含量的下限为0.004%，但是，钢中Ti含量不宜过高，过高时会形成粗大的Ti的氮化物和碳化物，降低焊接热影响区的韧性，Ti含量上限为0.02%。

本发明冶炼与铸造工艺中，所述步骤（1）中冶炼过程，纯铁原料熔清后，在线取样检测钢中氧含量，加入Zr调整氧含量至0.002~0.01%，所述钢中氧的含量ω_[O]与Zr加入量ω_Zr的关系式为：

1.25×ω_[O]-0.0125≤ ω_Zr≤1.25×ω_[O]-0.0025

其中，ω_[O]和ω_Zr是以质量百分数计算。

本发明轧制工艺中，控制铸坯加热温度在1050~1250℃的主要原因是，当轧制前加热温度小于1050℃时，钢中的Nb（C，N）不能完全固溶；当加热温度大于1250℃时，铸坯的奥氏体晶粒尺寸会迅速长大。

再结晶区轧制阶段开轧温度为1000~1150℃，总压下率不低于30%，是为了钢板在奥氏体区发生充分的再结晶，可以细化奥氏体晶粒。

非再结晶区轧制阶段开轧温度为800~900℃，是为了在低温奥氏体区获得压扁的奥氏体晶粒；总压下率不低于45%，是为了增加奥氏体的形变储能，利用所形成的位错为后续的铁素体晶粒的细化提供位置和能量。

本发明有益效果如下：

Zr和Ti在冶炼过程中形成大量细小弥散分布的高熔点复合氧化物夹杂，能在钢板焊接热影响区有效地诱发针状铁素体形核，细化晶粒，可以显著提高EH36钢焊接热影响区低温冲击韧性，满足海洋工程对大线能量钢的需求，其焊接结构件可广泛用于造船和海洋平台建设的制造。所述钢板在焊接能量为200kJ/cm的条件下，焊接热影响区在-20℃下的平均夏比冲击功≥239J，-40℃下的平均夏比冲击功≥163J。

附图说明

图1为实施例1在输入线能量为200KJ/cm时焊接热影响区在光学显微镜下的组织图；

图2为实施例2在输入线能量为200KJ/cm时焊接热影响区在光学显微镜下的组织图；

图3为实施例3在输入线能量为200KJ/cm时焊接热影响区在光学显微镜下的组织图；

图4为实施例4在输入线能量为200KJ/cm时焊接热影响区在光学显微镜下的组织图；

图5为实施例5在输入线能量为200KJ/cm时焊接热影响区在光学显微镜下的组织图；

图6为实施例6在输入线能量为200KJ/cm时焊接热影响区在光学显微镜下的组织图；

图7为实施例1在输入线能量为200KJ/cm时焊接热影响区在电子显微镜下的组织图；

图8为实施例2在输入线能量为200KJ/cm时焊接热影响区在电子显微镜下的组织图；

图9为实施例3在输入线能量为200KJ/cm时焊接热影响区在电子显微镜下的组织图；

图10为实施例4在输入线能量为200KJ/cm时焊接热影响区在电子显微镜下的组织图；

图11为实施例5在输入线能量为200KJ/cm时焊接热影响区在电子显微镜下的组织图；

图12为实施例6在输入线能量为200KJ/cm时焊接热影响区在电子显微镜下的组织图。

具体实施方式

为了使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清晰，下面将结合具体附图和实施例进行详细阐述说明，但本发明的保护范围并不受限于这些实施例。

各实施例所对应钢板的化学成分见表1，表中数据为各元素的质量百分比含量，其余为Fe及其他不可避免杂质。

表1：本发明实施例1~6钢中主要化学成分（wt%）

钢板的生产工艺如下：

步骤1：冶炼与铸造，按表1所示的目标成分配料；首先在真空感应炉中装入纯铁原料，熔清后，在线取样检测钢中氧含量，加入Zr调整氧含量至0.002~0.01%；然后加入Ti进行终脱氧操作，其他元素的加入顺序分别为Si、Mn、Nb、C、N；

步骤2：轧制，将厚度为100~300mm厚铸坯加热至1050~1250℃，保温1~2小时进行两阶段轧制，即再结晶区轧制和未再结晶区轧制，轧制之前要经过高压水除磷，再结晶区轧制阶段开轧温度为1000~1150℃，总压下率不低于30%，未再结晶区轧制阶段开轧温度为800~900℃，总压下率不低于45%，轧制后钢坯厚度为20~60mm；

步骤3：冷却，开冷温度为750~800℃，冷却速率为10℃/s~20℃/s，终冷温度500~600℃，随后空冷。各实施例的具体轧制工艺如表2所示。

按照上述各实施例的冶炼与浇铸、轧制和冷却工艺得到的钢板，其拉伸性能与焊接热影响区冲击性能见表3。从实施例拉伸性能结果来看，钢板的屈服强度介于388~404MPa，抗拉强度介于490~533MPa，延伸率优良≥24%；在输入线能量为200KJ/cm的条件下，钢板焊接热影响区在-20℃下的平均夏比冲击功≥239J，-40℃下的平均夏比冲击功≥163J。

表2：本发明实施例1~6钢板轧制工艺

表3：本发明实施例1~6钢板拉伸性能与焊接热影响区冲击性能

图1~6分别为实施例1~6在输入线能量为200kJ/cm的条件下，焊接热影响区在光学显微镜下观察到的组织图，在图中可以明显看出，实施例1~6热影响区组织是由大量的晶内针状铁素体、少量的晶界铁素体和细小贝氏体组成，针状铁素体能有效分割原奥氏体晶粒成为许多细小独立的区域，在稍低温度下形成的贝氏体被限制在这些细小区域内，从而获得了细小晶粒的针状铁素体和贝氏体的混合组织，该类混合组织的有效晶粒尺寸远小于原奥氏体晶粒尺寸，细小晶粒的产生会明显提高钢板焊接热影响区冲击韧性。

图7~12分别为实施例1~6在输入线能量为200kJ/cm的条件下，焊接热影响区在电子显微镜下观察到的组织图，在图中可以明显看出，实施例1~6中析出了夹杂物颗粒，该种夹杂物可以作为核心诱发针状铁素体析出；表4列出了该种夹杂物颗粒所含化学成分，从表中可以看出，该种夹杂是MnS-Al₂O₃-ZrO₂-Ti₂O₃的复合夹杂物。

表4：本发明实施例1~6焊接热影响区夹杂物成分，wt%

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