CN115747657A - 一种高强度水电工程用hy950cf钢板及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于中厚板生产领域，具体涉及一种高强度水电工程用HY950CF钢板及其生产方法，所述钢板的化学成分包含C、Si、Mn、P、S、Als、Nb、V、Cr、Ni、Cu、Mo、Re、Fe及残留元素，稀土元素的加入有利于钢液净化、变质夹杂物，钢的低温冲击韧性；合理控制淬透性元素加入量，并经过热处理后可得到100％的贝氏体回火组织；采用大厚度钢锭生产，提高轧制压缩比，以及改进钢锭加热轧制工艺，实现以轧代锻；热处理环节通过多次淬火，保证淬透性的同时细化奥氏体晶粒，并通过回火提高整板力学性能的均匀性。获得的钢板具有高强度、高韧性、抗疲劳、抗层状撕裂性能，以及良好的焊接性及耐腐蚀性能，能满足在大型高水头电站压力钢管长期服役使用要求。
Description
技术领域
本发明属于中厚板生产领域，具体涉及到一种高强度水电工程用HY950CF钢板及其生产方法。
背景技术
目前，长江上游干流及金沙江、大渡河已经或即将建设的大型高水头电站项目共有33个，500万kW以上的水电站有向家坝、溪洛渡、白鹤滩、乌东德、龙盘峡等。目前压力钢管的最高水头已达到1200m，高强钢管壁厚度已达90mm，高强钢月牙肋厚已为150mm，HD值(H指蜗壳承受的内压水头，D指蜗壳进口断面的直径)已超过4700m2。应用于工程的相应材料不断更新换代，800MPa高强钢已经在水电领域普遍使用，1000MPa新材料的研究开发迫在眉睫且意义重大。在工程中使用1000MPa高强钢材料，减少壁厚的同时也能减轻构件重量，降低施工难度，更减少了材料的使用量，在节能减排方面有着显著效果。
中国专利CN 114395731 A公开了一种水电工程用低焊接裂纹敏感性止裂钢HY950CF,该钢板的厚度为20～100mm，组织为保留马氏体位向的回火索氏体组织，包含如下质量百分比的化学成分(单位，wt％)：C 0.06～0.15、Si≤0.20、Mn 0.7～1.5、P≤0.008、S≤0.001、Als 0.015～0.060、V≤0.05、Cr 0.5～0.8、Ni 1.5～4.0、Mo 0.4～0.8、Nb≤0.04、B0.0008～0.0015，其它为Fe和残留元素；所述钢板的交货状态为调质,即在线淬火+回火处理。该发明的优点是采用合理的成分配比实现钢板强韧性匹配，板子薄，采用连铸成材，但随着高水头大型水电站项目陆续开工建设，目前钢板厚度及强度级别已无法满足使用要求。
中国专利CN 105925887 A公开了一种980MPa级热轧铁素体贝氏体双相钢，其化学成分重量百分比为：C：0.15～0.30％，Si0.8～2.0％，Mn：1.0～2.0％，P≤0.02％，S≤0.005％，O≤0.003％，Al0.5～1.0％，N≤0.006％，Nb：0.01～0.06％，Ti：0.01～0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质，且上述元素同时需满足如下关系：0.05％≤Nb+Ti≤0.10％，2.5≤Al/C≤5.0。该发明的特点是采用高碳高锰成分设计，钢板厚度3-6mm,缺点是碳当量较高，可焊接性能差。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明的目的是提供一种高强度水电工程用HY950CF钢板及其生
产方法，按该方案获得的钢板具有高强度、高韧性、抗疲劳、抗层状撕裂性能，以及良好的焊接性及耐腐蚀性能，能满足在大型高水头电站压力钢管长期服役使用要求。
本发明的另一目的是提供一种高强度水电工程用HY950CF钢板的生产方法。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种高强度水电工程用HY950CF钢板，所述钢板的厚度为50-120mm，包含如下质量百分比的化学成分(单位，wt％)：C：0.09～0.12、Si：0.15～0.25、Mn：0.30～0.60、P≤0.010、S≤0.003、Als：0.020～0.040、Nb：0.02～0.03、V：0.04-0.1、Cr：1.2-1.6、Ni：2.4-2.8、Cu：0.8-1.0、Mo：0.2～0.3、Re：0.0015-0.0025，其它为Fe和残留元素，碳当量Ceq＜0.7，组织为贝氏体回火组织，-60℃纵横向V型冲击功≥127J。
关于成分设计，需要说明的是，为保证HY950CF高强度、较高的低温冲击韧性、可焊接性、耐腐蚀性能等多项特殊要求，故本方案采用Nb、V、Cu、Cr、Ni、Mo多种元素微合金化。其中，增加镍含量既能强烈提高特厚板钢板的强度，又能促进其韧性保持在较高水平；铬碳化物是各种碳化物中最小的一种，它可以均匀地分布在钢体中，提高Cr含量对于提高强度、硬度、耐磨性有突出贡献；低碳设计有利于提高低温冲击韧性；Nb、V、Ti等微合金元素对韧性、强度以及可焊性都至关重要，促进在热处理工艺中形成各类M(C、N)纳米析出相；加入微量稀土元素具有净化钢液、变质夹杂物的作用，可提升稀土钢的低温冲击韧性。
上述钢板的生产方法包括以下步骤：钢锭浇铸、一次加热、开坯轧制、二次加热、轧制及热处理，具体如下：
a.钢锭浇铸，钢锭本体厚度960-990mm，浇注温度按照1555-1560℃进行控制，浇注过程向中注管内加喂Re丝改善内部质量，喂丝速度15m/min，钢水中加入稀土元素有利于夹杂物变性、净化钢液；
b.一次加热工艺，装钢时炉膛温度≤750℃，焖钢2～4小时以减少炉温与钢锭的温差，降低钢锭内外温差导致的应力，高温段目标保温温度1220～1240℃、保温时间16～18小时，总加热时间15min/cm；为了有效发挥Ni、Mo合金元素的作用，需要有足够高的加热温度使其充分溶解，但加热温度过高促使奥氏体晶粒长大，导致铁素体晶粒粗化，粗大的铁素体组织会导致其综合性能降低，因此，结合钢锭的锭型特点，采用上述一次加热工艺；同时出钢前翻钢保证钢锭均匀透烧，确保表面氧化铁皮易去除；
c.开坯轧制工艺，采用“高温、低速、大压下”，开轧温度1050-1100℃，道次压下量60～70mm，促进内部疏松有效焊合、铸态组织充分破碎、钢板晶粒均匀细化，开坯至400mm厚，轧制结束钢板温度控制在950-980℃；
d.二次加热及轧制工艺，中间坯四切后装均热坑，高温段目标温度1220-1240℃、总保温时间5-6小时，二次成材轧制时无需再次展宽，直接展长至成品厚度，道次压下量≥30±5mm，确保变形渗透至厚度1/2处，促进晶粒进一步细化；开轧温度≥1020℃，终轧温度≤950℃，轧制过程中使用高压水降温，待钢板表面充分返红后方可开始轧制，轧制总时间控制在3-4分钟，轧制完毕开启ACC入水冷却两遍快速将钢板表面及心部温度降至未再结晶区，入水温度900-950℃、返红温度800-830℃，快速冷却有利于缩小钢板厚度中心区域与表面温度差，抑制奥氏体晶粒长大及再结晶，促进晶粒细化及晶粒均匀性；
e.热处理工艺，采用高温淬火+临界淬火+回火热处理，其中第一次淬火加热温度920-940℃，加热时间2.4min/mm，热态钢板出炉后淬火机冷却至常温，水温15-18℃；第二次淬火加热温度860-870℃，加热时间2.4min/mm，热态钢板出炉后淬火机冷却至常温，水温15-18℃；淬火后装入淬火炉650±20℃回火，空冷至常温。
需要说明的是，高强钢通过单相奥氏体淬火获得单一组织对于提升强度、改善韧性效果明显，热处理过程中既要完全奥氏体化保证淬透性，又要避免晶粒过分长大影响低温冲击韧性，第一次淬火提高淬火温度，保证碳化物及合金元素充分奥氏体化，为组织均匀化打好基础，第二次淬火为临界区淬火，保证完成奥氏体化的同时防止晶粒过分长大，最终通过高温回火充分消除应力，得到组织均匀细小的贝氏体回火组织，提高冲击韧性及整板强度均匀性。
本发明的有益效果在于：采用一种全新的成分设计，通过合理控制淬透性元素加入量，并经过热处理后得到100％贝氏体回火组织；采用一种全新稀土元素加入工艺，实现钢液净化、变质夹杂物，有效提升稀土钢的低温冲击韧性；采用一种全新的钢板成材工艺，增加钢锭厚度、提高轧制压缩比、以及改进钢锭加热轧制工艺，确保钢板内部质量达到锻件水平，实现以轧代锻；热处理环节通过高低搭配多次淬火，保证淬透性的同时细化奥氏体晶粒，并通过改进型回火提高整板力学性能的均匀性。
附图说明
图1为本发明实施例120mm厚钢板截面的金相组织示意图(金相显微镜，×100)。
图2为本发明实施例120mm厚钢板截面的金相组织示意图(金相显微镜，×200)。
图3为本发明实施例120mm厚钢板截面的金相组织示意图(金相显微镜，×500)。
具体实施方式
下面结合附图及实施例，对本发明的技术特征作进一步描述。
生产一种50-120mm厚高强水电HY950CF钢板，包含如下质量百分比的化学成分(单位，wt％)：C：0.09～0.12、Si：0.15～0.25、Mn：0.30～0.60、P≤0.010、S≤0.003、Als：0.020～0.040、Nb：0.02～0.03、V：0.04-0.1、Cr：1.2-1.6、Ni：2.4-2.8、Cu：0.8-1.0、Mo：0.2～0.3、Re：0.0015-0.0025，其它为Fe和残留元素。
其生产方法包括以下工艺流程：KR铁水预处理、转炉冶炼、吹氩处理、VD脱碳、LF精炼、VD精炼、浇铸工艺、钢锭清理和涂料、开坯加热和轧制、二次加热和轧制、热处理。具体如下：
1)KR铁水预处理工艺：到站铁水前渣必须扒干净，保证液面渣层厚度≤25mm，铁水经KR处理后硫含量控制在0.005％以下，脱硫温降≤25℃；
2)转炉冶炼：入炉铁水S≤0.005％、P≤0.050％，铁水温度≥1280℃，转炉加入废钢必须为干燥的优质边角料及含镍特种废钢，转炉装入量按浇钢铸余6-8吨控制，出钢温度≥1600℃、0.04％≤C≤0.07％、P≤0.007％，出钢结束采用挡渣锥挡渣，若挡渣失败，必须提前抬炉，确保转炉下渣厚度控制在20mm以下，以避免下渣回P；
3)吹氩处理：钢水到氩站后，禁止向钢水中加入合金、铝线或辅料，同时也禁止吹氩。钢水直接吊至VD炉真空处理，离站温度按照≥1560℃控制；
4)VD脱碳：确保钢水到VD温度≥1540℃，钢水坐落至VD炉后，根据出钢C含量高低适当加入碳粉，然后盖盖进行抽真空操作，钢水在VD炉抽真空阶段应调大氩气量充分实现真空脱碳目的，保压时间按照≥10min，离站温度≥1535℃；
5)LF精炼：按照大渣量工艺标准造渣，石灰加入量1000-1200公斤，碱度按4.5-6.5控制，一加热3min后，先加入50Kg电石，再加入20-40Kg铝粒，此后每隔2min向钢包中用铁锨添加2～4锨铝粒，以确保炉渣变白为准；二加热根据埋弧效果每次加入10-30Kg的电石，同时每隔2min用铁锨向钢包中添加1～3锨铝粒，以确保整个二加热过程维持白渣；三加热脱氧剂的加入视炉渣颜色加入，维持白渣即可；精炼过程中要求白渣保持时间25-35分钟；
6)VD精炼：VD保压时间按照≥18min控制，要求在67Pa的真空度下，保压过程钢水翻腾效果良好，H含量要求≤1.0PPm；破空后及时添加稻壳软吹5-8min，然后准备吊包离站，离站温度控制在1578-1583℃左右；
7)浇铸工艺：保温帽上线温度大于160℃，使用45吨定厚调宽水冷钢锭模，钢锭本体厚度960-990mm、宽度2150mm、高度2730mm,摆模过程必须确保所有耐辅材干燥，并确保浇注系统干燥、清洁，所用水冷模必须保证锥度(30mm)同时侧边设置挤压机构，在凝固后期对铸锭宽边形成挤压，高效贴合冷却形成致密组织，钢锭帽口采取有效的保温措施，在凝固过程中使钢锭内部形成上大下小的补缩通道；浇注温度按照1555-1560℃进行控制；钢水到站后温度合适(在标准上限—上限+3℃)且镇静并测温确认符合浇注要求后开浇；若钢水到站温度不符合前述标准，则立即进行软吹氩，吹氩结束后要求镇静5min后开浇，浇注过程向中注管内加喂型号RECe-48，喂丝速度15m/min。浇注结束后必须确保帽口保温效果。
8)钢锭清理和涂料：钢锭脱模后的24h内清理完毕，清理温度≥200℃，清理后堆垛在缓冷坑缓冷至50-100℃开始喷涂抗氧化涂料。
9)开坯加热和轧制：钢锭总加热时间15min/cm，装钢时炉膛温度≤750℃，焖钢2～4小时来减少炉温与钢锭之间温差，降低钢锭内外温差导致的应力差，高温段目标保温温度1220～1240℃、保温时间16～18小时；轧制过程采用“高温、低速、大压下”，开轧温度1050-1100℃，充分发挥3800mm轧机大轧制力优势，单道次压下量控制在60～70mm，确保形变渗透至厚度1/2处，实现钢锭内部疏松有效焊合、铸态组织充分破碎、促进钢板晶粒均匀细化，开坯规格400×2200×Lmm，轧制厚度为400mm时放走，轧制结束温度950-980℃；
10)二次加热和轧制：中间坯四切后装均热坑，高温段目标温度1220-1240℃、总保温时间5-6小时，二次成材轧制时无需再次展宽，直接展长至成品厚度，道次压下量≥30±5mm，开轧温度≥1020℃，终轧温度≤950℃，轧制过程中使用高压水降温，待钢板表面充分返红后方可开始轧制，轧制总时间控制在3-4分钟，轧制完毕开启ACC入水冷却两遍快速将钢板表面及心部温度降至未再结晶区，入水温度900-950℃、返红温度800-830℃；
11)热处理：为有效提高强度、保证低温冲击韧性，采用两次淬火+回火热处理工艺，淬火炉第一次淬火加热温度920-940℃，加热时间＝钢板实厚x2.4min/mm，热态钢板出炉后淬火机冷却至常温，水温15-18℃；第二次淬火加热温度860-870℃，加热时间＝钢板实厚*2.4min/mm，热态钢板出炉后淬火机冷却至常温，水温15-18℃；淬火后装入淬火炉650±20℃回火，空冷至常温后取样检测，下表为检测结果：
检测分析：钢板的化学成分、力学性能试件取样位置及试样制备按照标准GB/T2975力学性能试验取样位置及试样的制备规定进行。低温冲击韧性试验按GB/T 229标准进行，拉伸性能试验按GB/T228标准进行，对钢板在供货状态各项力学性能及金相组织进行了全面检验。
从以上数据来看，钢板厚度1/4处、1/2处强度富余量适中且有良好的低温冲击韧性，各项性能指标均满足高强水电HY950CF用钢要求。金相检测结果：(1)夹杂物A+B+D≤2.0级；(2)组织：贝氏体回火组织。
外检及探伤：所研制的钢板外检正品率100％，最终钢板探伤达到GB/T 2970《厚钢板超检验方法》的I级探伤要求。
以上所描述的仅为本发明的较佳实施例，上述具体实施例不是对本发明的限制，凡本领域的普通技术人员根据以上描述所做的润饰、修改或等同替换，均属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种高强度水电工程用HY950CF钢板，其特征在于：所述钢板的厚度为50-120mm，包含如下质量百分比的化学成分(单位，wt％)：C：0.09～0.12、Si：0.15～0.25、Mn：0.30～0.60、P≤0.010、S≤0.003、Als：0.020～0.040、Nb：0.02～0.03、V：0.04-0.1、Cr：1.2-1.6、Ni：2.4-2.8、Cu：0.8-1.0、Mo：0.2～0.3、Re：0.0015-0.0025，其它为Fe和残留元素，碳当量Ceq＜0.7，组织为贝氏体回火组织，-60℃纵横向V型冲击功≥127J。
2.根据权利要求1所述的高强度水电工程用HY950CF钢板生产方法，其特征在于包括以下步骤：钢锭浇铸、一次加热、开坯轧制、二次加热及轧制、热处理，具体为，
a.钢锭浇铸，钢锭本体厚度960-990mm，浇注温度按照1555-1560℃进行控制，浇注过程向中注管内加喂Re丝改善内部质量，喂丝速度15m/min；
b.一次加热工艺，装钢时炉膛温度≤750℃，焖钢2～4小时以减少炉温与钢锭的温差，降低钢锭内外温差导致的应力，高温段目标保温温度1220～1240℃、保温时间16～18小时，总加热时间15min/cm；
c.开坯轧制工艺，采用“高温、低速、大压下”，开轧温度1050-1100℃，道次压下量60～70mm，开坯至400mm厚，轧制结束钢板温度控制在950-980℃；
d.二次加热及轧制工艺，中间坯四切后装均热坑，高温段目标温度1220-1240℃、总保温时间5-6小时，二次成材轧制时无需再次展宽，直接展长至成品厚度，道次压下量≥30±5mm，开轧温度≥1020℃，终轧温度≤950℃，轧制过程中使用高压水降温，待钢板表面充分返红后方可开始轧制，轧制总时间控制在3-4分钟，轧制完毕开启ACC入水冷却两遍快速将钢板表面及心部温度降至未再结晶区，入水温度900-950℃、返红温度800-830℃；
e.热处理工艺，采用高温淬火+临界淬火+回火热处理，其中第一次淬火加热温度920-940℃，加热时间2.4min/mm，热态钢板出炉后淬火机冷却至常温，水温15-18℃；第二次淬火加热温度860-870℃，加热时间2.4min/mm，热态钢板出炉后淬火机冷却至常温，水温15-18℃；淬火后装入淬火炉650±20℃回火，空冷至常温。
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