一种屈服强度600MPa级厚规格高韧性热轧带钢及其生产方法与流程

一种屈服强度600mpa级厚规格高韧性热轧带钢及其生产方法
技术领域
1.本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种屈服强度600mpa级厚规格高韧性热轧带钢及其生产方法。


背景技术：

2.在工程机械行业，低合金高强度钢得益于其较低的材料成本及较高的力学性能得到广泛应用。随着现代化工业的发展，工程机械逐渐向装备大型化、轻量化以及服役环境复杂化等方向发展，对工程机械用钢的综合性能要求也越来越高。其中，由于服役环境的拓展，部分工程机械需要在低温环境下长期运行，要求钢材不仅具有高的强度、良好的成型和焊接性能，还要具备优异的冲击韧性，特别是低温冲击韧性，否则在使用过程中容易发生开裂问题，导致设备、生产事故的发生，甚至造成人身伤害。
3.现有技术中，12-16mm厚度的工程机械用钢，主要使用性价比高的热轧带钢开平类产品，其中应用钛微合金化原理的钛强化热轧带钢由于其显著的强化效果和超低的合金添加成本在高强度热轧带钢的开发中受到青睐，常用于生产600mpa级别的高强度厚规格热轧带钢。
4.然而，随着强度级别、厚度规格的增加，热轧带钢的韧性通常呈现下降趋势，而采用钛强化的热轧带钢韧性的下降尤为明显。在生产屈服强度大于600mpa的12mm以上厚规格热轧带钢时，钛强化热轧带钢低温冲击韧性差且不稳定的问题极为突出，难以满足低温环境使用要求。
5.专利cn104831167 b公开了一种q550e高强用钢热轧板卷及其生产方法，采用nb-v-ti复合微合金化的成分体系，终轧温度和卷取温度均较高，未提供具体厚度也未说明实际的低温韧性指标情况。
6.专利cn112828036b公开了一种提高厚规格高强钢低温冲击韧性的方法，要求精轧机前需要摆钢待温≥509，保证粗轧结束温度≤1040℃，对除磷水、机架间冷却水、带钢速度等均有严格限制要求，生产效率低，工艺控制难度大。
7.专利cn110306124a公开了一种低成本ti微合金化620mpa级热轧带钢及生产方法，采用的是中碳(0.15-0.18％)、钛微合金化(0.08-0.12％)的低成本成分设计，所生产的为1-3mm薄规格620mpa级热轧带钢。
8.综上所述，亟需开发出成本经济、工艺简单且低温韧性优异的600mpa级12-16mm厚的热轧带钢，从而更好地满足市场对厚规格高强韧工程机械用钢的需求。


技术实现要素：

9.针对现有技术中屈服强度大于600mpa的12mm以上厚规格热轧带钢低温冲击韧性不稳定且冲击值较差、难以满足低温环境使用要求的技术问题，本发明提供一种屈服强度600mpa级厚规格高韧性热轧带钢及其生产方法，采用低碳、中锰、钛-铌复合微合金化以及适量铬的成分设计及合适的成分配比，结合洁净钢冶炼-连铸工艺和控轧控冷工艺，生产出
高韧性的厚规格600mpa级热轧带钢，低温韧性优异，综合性能稳定，适用于低温环境下服役的工程机械装备使用，贵重合金添加量少，材料成本较低、工艺简单易行，易于工业化生产。
10.第一方面，本发明提供一种屈服强度600mpa级厚规格高韧性热轧带钢的生产方法，包括冶炼、连铸、加热、轧制、冷却、卷取工序，钢坯的化学成分组成及质量百分比分别为c：0.07％-0.10％，si：0.15％-0.30％，mn：1.60％-1.75％，p≤0.018％，s≤0.0040％，ti：0.055％-0.070％，nb：0.050％-0.065％，cr：0.10％-0.20％，al：0.020％-0.050％，n≤0.0040％，其余为fe和不可避免的杂质。
11.化学成分对产品性能具有重要影响，本发明对钢坯的化学成分进行了限制，说明如下。
12.c：碳是钢中主要的固溶强化元素，能够显著提高钢的强度，但碳含量过高对钢的韧性、焊接性能不利。同时为充分发挥ti、nb微合金化元素的析出强化和细晶强化作用，因此本发明限定碳含量控制在0.07％-0.10％。
13.si：硅也是重要的固溶强化元素并具有脱氧作用，但硅含量过高会影响钢的表面质量、焊接性能和低温韧性，本发明硅含量控制在0.15％-0.30％。
14.mn：锰是重要的强韧化合金元素，具有较强的固溶强化作用，可以降低钢的相变温度，细化钢的组织，但mn也是易偏析元素，含量过高时会对钢的韧性产生不利影响，增加焊接裂纹敏感性，本发明锰含量控制在1.60％-1.75％。
15.p：磷会增加钢的冷脆性，恶化焊接性能，是一种有害元素，应尽可能降低其含量，本发明磷含量控制在≤0.018％。
16.s：硫也是一种有害元素，对钢的韧塑性危害很大，含量过高时容易与钛在高温形成微米级的析出相，恶化钢的韧性，应严格控制钢中的硫含量，本发明硫含量控制在≤0.004％。
17.ti：钛作为一种微合金化元素，结合恰当的生产工艺在钢中可以发挥显著的析出强化作用和一定程度的细晶强化作用，显著提高钢材强度，同时由于其成本低廉，可以替代部分贵重合金元素，显著降低合金成本。但ti含量不宜过高，否则容易形成大尺寸的含钛析出相，使钢材特别是厚规格产品的低温韧性恶化。同时其作用的发挥受碳、铌、氮等元素含量影响显著，本发明钛含量控制在0.055％-0.070％。
18.nb：铌是一种微合金化元素，能提高奥氏体再结晶温度，扩大未再结晶区轧制区间，其碳氮化物在在位错、晶界等缺陷析出，可以抑制奥氏体再结晶和阻止晶粒长大，并为铁素体形核提供能量和位置，显著细化晶粒，提高钢材的强度和韧性；但是其作用的发挥受碳、钛等元素含量的影响，同时综合其成本考虑，本发明中铌含量控制在0.050％-0.065％。
19.cr：铬能提高钢的淬透性，与锰配合使用效果更强，可以提高钢在厚度方向的组织均匀性和性能稳定性，但铬含量过高会增加焊接裂纹敏感性，将影响钢的焊接性，因此本发明中铬含量控制在0.10％-0.20％。
20.al：铝在炼钢过程可以有效的脱氧，还能起到细化组织的作用，但含量不宜过高，否则容易使铸坯产生裂纹。因此本发明中铝含量控制在0.020％-0.050％。
21.进一步的，冶炼工序采用lf+rh双精炼工艺，可保证钢水的纯净度；在rh炉配加钛铁合金，由于rh炉可真空脱气，氧含量大幅降低，可以避免钛被氧化；真空保压时间≥12min，纯脱气时间≥7min，软吹时间≥12min。
22.进一步的，连铸工序全过程氩气保护浇注，防止钢水二次氧化；采用低过热度和恒拉速控制，过热度为15-25℃，铸坯拉速为1.0-1.2m/min，可保障铸坯质量稳定。
23.进一步的，连铸工序中使用alowc中冷模式进行冷却，二次冷却水比水量为0.80-0.90l/kg，冷速控制为7-9℃/9，通过较高冷速避免在高温产生对韧性不利的微米级的tin析出相；连铸铸坯厚度为230mm。
24.进一步的，加热工序中，均热段温度为1220-1260℃，均热时间为30-60min，出加热炉温度为1200-1240℃；加热总在炉时间为180-260min，使铸坯完全奥氏体化和使含钛析出相充分溶解，同时避免奥氏体晶粒粗化。
25.进一步的，轧制工序分为粗轧和精轧，基于本专利铌、碳等元素含量条件下对奥氏体再结晶温度的影响，奥氏体再结晶温度在1032℃以上，粗轧终轧温度(r2dt)为1040-1080℃，可保证粗轧完全在再结晶区进行，采用5道次往返轧制得到中间坯，往返轧制过程中通过奥氏体的反复再结晶细化晶粒；中间坯厚度为46-56mm，保证粗轧过程的总压下率在75％以上，避免因粗轧压缩比不足造成奥氏体不完全再结晶，进而产生混晶现象，降低钢的组织均匀性、影响钢的低温韧性；同时中间坯厚度应至少是成品钢带厚度的3.5倍，从而保证在精轧过程中具有足够的变形量，使奥氏体晶粒在未再结晶区轧制充分压扁破碎，细化奥氏体晶粒，提高组织均匀性；精轧入口温度(fet)为1000-1030℃，可确保精轧在未再结晶区进行轧制；精轧采用7道次机架连续轧制，精轧终轧温度(fdt)为840-870℃，精轧阶段最后1道次压下率≥14％，通过此工艺使奥氏体晶粒充分细化，得到目标的组织晶粒度，同时获得大量位错、亚晶界等变形结构，为后续最终铁素体组织细化和铁素体中细小含钛相沉淀析出创造条件，若精轧终轧温度太低会导致含钛相在奥氏体中提前以较大尺寸析出，降低最终产品强度和韧性；精轧轧制后带钢厚度为12-16mm。
26.进一步的，冷却工序采用两段式冷却，结合产线设备配置，第一阶段，在保证板形稳定的基础上，将钢快速冷却至一定温度，冷却速率为30-45℃/9，冷却出口温度(mt1)为660-700℃，水压控制在0.38-0.42mpa；第一阶段快速冷却可以抑制珠光体相变，促进铁素体相变，细化铁素体晶粒，提高冷却渗透能力，使厚度方向组织均匀，避免含钛相在高温相变过程中析出，该冷却水的水压范围可提高在厚规格带钢的生产中水冷的渗透能力，可保证带钢在厚度中心冷却到位、组织均匀，同时避免水压过大导致生产不稳定、钢带跑偏出现质量问题；第二阶段冷却速率为15125℃/9，在此阶段降低冷却速率可使铁素体相变更加充分，促使细小的tic、(ti,nb)c等碳化物在奥氏体和铁素体的相界面形核，发挥析出强化作用。
27.进一步的，卷取工序中，卷取温度(ct)510-540℃，卷取成卷后空冷到室温，采用此卷取工艺一方面可避免珠光体形成，细化铁素体组织，提高钢的强度和韧性，另一方面可使足够体积分数且更加细小的碳化物在过饱和铁素体基体中析出，在保证析出强化效果的同时减少对韧性的不利影响；带钢规格厚，降温缓慢，为碳化物析出提供了必要的时间，卷取成卷后可直接在空气中冷却到室温。若卷取温度设置偏高，则会降低冷却阶段的冷却速率，容易导致珠光体组织形成和析出粒子长大粗化，不利于钢的韧性，若卷取温度偏低，不仅会增加卷取机负荷，导致生产困难，也会抑制碳化物析出，导致强度不足。
28.第二方面，本发明提供一种屈服强度600mpa级厚规格的高韧性热轧带钢，钢带厚度为12-16mm，属于厚规格热轧带钢。
29.进一步的，钢带的屈服强度为600-700mpa，抗拉强度为700-800mpa，延伸率》20％，-40℃冲击功》180j，满足600mpa级强度标准、低温冲击韧性强。
30.本发明的有益效果在于：
31.1.本发明在钢材成分和生产工艺上充分配合，采用低碳、中锰、钛-铌复合微合金化以及适量铬的成分设计及合适的成分配比，配合恰当的生产工艺设计，特别是连铸过程控制冷却水量及冷速、轧制过程控制各个环节的温度和压下率、同时控制冷却和卷取环节的参数，实现了厚规格、高强度兼具高韧性热轧带钢的稳定生产。
32.2.本发明生产的热轧带钢厚度为12-16mm，屈服强度为600-700mpa，抗拉强度为700-800mpa，延伸率＞20％，-40℃冲击功＞180j，属于高韧性的厚规格600mpa级热轧带钢，可满足多种工程机械用钢的使用条件，尤其适用于低温环境下服役的工程机械装备使用。
33.3.本发明的钢材成分中合金添加量少，原料成本较低；同时生产方法中各个工序的操作和参数控制难度较低，生产工艺简单易行，易于工业化生产。
附图说明
34.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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1是实施例1中热轧带钢的显微组织图。
36.图2是实施例2中热轧带钢的显微组织图。
37.图3是实施例3中热轧带钢的显微组织图。
38.图4是对比例3中热轧带钢的显微组织图。
39.图5是对比例4中热轧带钢的显微组织图。
具体实施方式
40.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
41.实施例1
42.一种屈服强度600mpa级厚规格高韧性热轧带钢，带钢厚度为12.0mm，钢坯的化学成分组成及质量百分比分别为c：0.073％，si：0.25％，mn：1.64％，p：0.014％，s：0.0030％，ti：0.063％，nb：0.055％，cr：0.15％，al：0.033％，n：0.0037％，其余为fe和不可避免的杂质。
43.生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制、冷却、卷取工序，关键工艺控制如下：
44.(1)冶炼：采用lf+rh双精炼，在rh炉配加钛铁合金，真空保压时间为15min，纯脱气时间为8min，软吹时间为13min，得到良好纯净度钢水。
45.(2)连铸：采用全过程氩气保护浇注、低过热度控制和恒拉速控制，过热度为15℃，铸坯拉速为1.0m/min，冷却使用alowc中冷模式，二次冷却水比水量为0.83l/kg，冷速控制
在7℃/9，连铸铸坯厚度为230mm。
46.(3)加热：铸坯加热均热段温度为1232℃，均热时间为46min，铸坯出炉温度为1223℃，加热在炉时间为214min。
47.(4)轧制：粗轧终轧温度为1065℃，采用5道次轧制得到中间坯，中间坯厚度为46mm，精轧终轧温度843℃，轧制速度4m/9，精轧阶段最后1道次压下率16.4％，精轧7道次轧制后板厚为12.0mm。
48.(5)冷却：轧后采用采用两段式冷却，第一阶段，超快冷出口温度为686℃，超快冷冷却速率为41℃/9，水压控制在0.38mpa，第二阶段，冷却速率为21℃/9。
49.(6)卷取：卷取温度为为539℃，卷取成卷后空冷到室温。
50.实施例2-3
51.一种屈服强度600mpa级厚规格高韧性热轧带钢，钢坯化学成分如表1所示，生产步骤与实施例1相同，生产过程中与实施例1的具体参数区别如表2-表3所示。
52.对比例1-7
53.一种热轧带钢，钢坯化学成分如表1所示，生产过程中与实施例1的具体参数区别如表2-表3所示。
54.表1各实施例及对比例钢坯钢坯化学成分(wt.％)
55.项目csimnpsaltinbcrn实施例10.0730.251.640.0140.00300.0330.0630.0550.150.0037实施例20.0980.221.680.0120.00200.0340.0660.0580.170.0029实施例30.0820.251.630.0130.00300.0440.0640.0540.140.0030对比例10.0860.241.670.0120.00260.0400.0590.0620.110.0028对比例20.0620.171.800.0150.00510.0270.0870.0420.040.0046对比例30.0770.191.540.0100.00190.0290.0790.0380.020.0049对比例40.0740.181.730.0090.00160.0300.0680.0520.200.0034对比例50.0870.231.670.0110.00310.0410.0430.0720.010.0025对比例60.0750.221.710.0130.00220.0340.0590.0600.160.0031对比例70.0710.241.660.0100.00170.0380.0680.0510.120.0032
56.表2各实施例及对比例炼钢主要工艺参数
[0057][0058][0059]
表3各实施例及对比例热轧主要工艺参数
[0060][0061]
对比例1中，过热度、连铸冷却水比水量和冷速、r2dt、fet、fdt、精轧最后1道次压下率、mti、第一阶段冷却速率、卷取温度等工艺参数与本发明的技术方案不同。
[0062]
对比例2中，c、mn、s、cr、nb、ti、n的成分含量与本发明的技术方案不同，工艺参数均在本发明技术方案的范围内。
[0063]
对比例3中，mn、nb、ti、n的成分含量与本发明的技术方案不同，保压时间、软吹时间、拉速、连铸冷却水比水量和冷速、中间坯厚度、fet、精轧最后1道次压下率、mti、第一阶
段冷却速率、ct等工艺参数与本发明的技术方案不同。
[0064]
对比例4中，成分含量均在本发明技术方案的范围内，过热度、连铸冷却水比水量和冷速、ct等工艺参数与本发明的技术方案不同。
[0065]
对比例5中，cr、nb、ti等成分含量与本发明的技术方案不同，r2dt、fdt等工艺参数与本发明的技术方案不同。
[0066]
对比例6中，成分含量均在本发明技术方案的范围内，fdt、最后一道次压下率、mt1、第一阶段冷却速率等工艺参数与本发明的技术方案不同。
[0067]
对比例7中，nb、ti等成分含量与本发明的技术方案不同，fdt、mt1、第一阶段冷却速率、ct等工艺参数与本发明的技术方案不同。
[0068]
各实施例及对比例所得热轧带钢的机械性能如表4所示。
[0069]
表4实施例1-3及对比例1-7所得热轧带钢的机械性能
[0070][0071]
实施例1-3中热轧带钢的显微组织图如图1-图3所示，对比例3-4中热轧带钢的显微组织图如图4-图5所示。可见，实施例1-3中热轧带钢的组织类型以多边形铁素体+针状铁素体为主，晶粒均匀细小，晶粒度≥12级；对比例3中热轧钢带的显微组织以多边形铁素体为主，组织不均匀，晶粒粗大；对比例4中热轧钢带显微组织以铁素体+珠光体为主，组织不均匀，晶粒粗大，析出相尺寸较大，在金相显微镜下即可显现。
[0072]
通过实施例1-3及对比例1-7的比较可以看出，按照本发明中成分和工艺生产的12-16mm热轧带钢在屈服强度符合600mpa等级的基础上，-20℃及-40℃下低温冲击韧性均较强。而对比例由于成分、工艺等的差异，组织形态、强度、韧性指标并不理想，难以适应工程机械领域的应用要求。
[0073]
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种屈服强度600mpa级厚规格高韧性热轧带钢的生产方法，包括冶炼、连铸、加热、轧制、冷却、卷取工序，其特征在于，钢坯的化学成分组成及质量百分比分别为c：0.07％-0.10％，si：0.15％-0.30％，mn：1.60％-1.75％，p≤0.018％，s≤0.0040％，ti：0.055％-0.070％，nb：0.050％-0.065％，cr：0.10％-0.20％，al：0.020％-0.050％，n≤0.0040％，其余为fe和不可避免的杂质。2.如权利要求1所述的生产方法，其特征在于，冶炼工序采用lf+rh双精炼工艺，在rh炉配加钛铁合金，真空保压时间≥12min，纯脱气时间≥7min，软吹时间≥12min。3.如权利要求1所述的生产方法，其特征在于，连铸工序全过程采用氩气保护浇注，采用低过热度和恒拉速控制，过热度为15-25℃，铸坯拉速为1.0-1.2m/min。4.如权利要求3所述的生产方法，其特征在于，连铸工序中使用alowc中冷模式进行冷却，二次冷却水比水量为0.80-0.90l/kg，冷速控制为7-9℃/9，连铸铸坯厚度为230mm。5.如权利要求1所述的生产方法，其特征在于，加热工序中，均热段温度为1220-1260℃，均热时间为30-60min，出加热炉温度为1200-1240℃；加热总在炉时间为180-260min。6.如权利要求4所述的生产方法，其特征在于，轧制工序分为粗轧和精轧，粗轧终轧温度为1040-1080℃，采用5道次往返轧制得到中间坯，中间坯厚度为46-56mm，精轧入口温度为1000-1030℃，精轧终轧温度为830-870℃，精轧阶段最后1道次压下率≥14％，精轧7道次轧制后带钢厚度为12-16mm。7.如权利要求1所述的生产方法，其特征在于，冷却工序采用两段式水冷冷却，第一阶段冷却速率为30-45℃/9，冷却出口温度为660-700℃，水压控制在0.38-0.42mpa；第二阶段冷却速率为15125℃/9。8.如权利要求1所述的生产方法，其特征在于，卷取工序中，卷取温度为510-540℃，卷取成卷后空冷到室温。9.一种使用如权利要求1所述的生产方法制备的屈服强度600mpa级厚规格的高韧性热轧带钢，其特征在于，钢带厚度为12-16mm。10.如权利要求9所述的高韧性热轧带钢，其特征在于，钢带的屈服强度为600-700mpa，抗拉强度为700-800mpa，延伸率>20％，-40℃冲击功>180j。

技术总结
本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种屈服强度600MPa级厚规格高韧性热轧带钢及其生产方法，其化学成分组成及质量百分比分别为C：0.07％-0.10％，Si：0.15％-0.30％，Mn：1.60％-1.75％，P≤0.018％，S≤0.0040％，Ti：0.055％-0.070％，Nb：0.050％-0.065％，Cr：0.10％-0.20％，Al：0.020％-0.050％，N≤0.0040％，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明采用低碳、中锰、钛-铌复合微合金化以及适量铬的成分设计及合适的成分配比，结合洁净钢冶炼-连铸工艺和恰当的控轧控冷工艺，生产出厚规格的600MPa级热轧带钢，低温韧性优异，综合性能稳定，适用于低温环境下服役的工程机械装备使用，贵重合金添加量少，材料成本较低、工艺简单易行，易于工业化生产。工业化生产。工业化生产。


技术研发人员：王南辉 夏继年 杨贵玲 张磊 郭朝海 贾崇雪 胡晓英 单修迎 黄诚 于爽 董苗翠 姜萱
受保护的技术使用者：山东钢铁集团日照有限公司
技术研发日：2023.04.13
技术公布日：2023/7/21