1、低碳當量高韌性正火態特厚鋼板的開發王彥鋒 楊永達 李春智 姜中行(首鋼技術研究院，北京 100043)摘 要 清潔能源需求和蘊藏在近海豐富的風能資源，極大推動了海上風電項目的發展，刺激了近海風電工程結構用特厚鋼板的需求。由于該鋼種的特殊服役條件，要求其具有-60心部和橫向低溫沖擊韌性、低碳當量易焊接性能。本研究采用低碳含銅成分設計、特厚板軋制工藝等技術，開發了355MPa級別的海上風電用低碳當量高韌性正火態特厚鋼板，并實現批量生產和海上風電工程的應用。關鍵詞 特厚板 正火 低溫韌性引言現代社會對清潔能源需求和蘊藏在近海豐富的風能資源，都極大推動了世界各國海上風電項目的發展，刺激了海上風電工程結

2、構用特厚鋼板的需求，特別是對用于建設近海風電工程結構的50130mm厚度規格的355MPa級特厚鋼板需求比例較大，主要用于塔架、管樁及法蘭等。海洋能源設備主要利用潮汐、海流、波浪及海水溫差進行能源開發，除要經受風、浪、流的沖擊外，還要考慮臺風、冰、地震等災害性環境力的作用。服役條件決定鋼板的性能特征，近海工程結構用鋼必須具有良好的心部和橫向低溫沖擊韌性、抗層狀撕裂、低碳當量易焊性等特點。目前國內相關單位正在研究制定該系列鋼板的國家標準，用戶主要參照歐洲EN10225標準。1鋼種成分與工藝設計1.1成分設計結合該類正火態鋼板的質量要求和性能使用特點，鋼板化學成分設計以低合金鋼為基礎，采用0.10

3、%左右的碳，滿足低碳當量要求（碳當量0.40%，Pcm0.21%）；并適當添加Nb、Ti微合金元素，添加微合金Nb、Ti元素可以阻止連鑄坯加熱和正火處理過程中原始奧氏體晶粒長大1-2，細化晶粒；采用Cu的時效析出強化作用提高鋼板強度3，特別是可改善特厚板心部強度。1.2 工藝設計由于該鋼種在特殊服役條件下的規格和性能要求，采用300-400mm厚度的連鑄坯和正火處理來保證鋼板質量具有較大的優勢。因此該系列鋼板的工藝路線為：鐵水預處理100噸頂底復吹轉爐LF爐精煉RH真空處理400mm厚板坯連鑄加熱爐除鱗4300mm軋制精整探傷正火檢驗合格發貨。為改善鋼板心部力學性能,粗軋過程中盡可能提高粗軋道

4、次壓下率,提高坯料心部形變量；另一方面,減少精軋階段變形量，以減少低溫形變對厚度方向組織不均勻的影響，精軋階段主要起控制鋼板尺寸精度的作用；為了提高特厚鋼板心部橫向低溫沖擊值，需要合理選擇坯型，控制展寬比；軋制后鋼板通過正火熱處理，改善鋼板厚度方向組織均勻性和心部沖擊韌性。2試驗結果2.1試制成分和工藝表1 試制鋼板的典型成分鋼種牌號C%Si%Mn%P%S%Nb%Ti%Cu%Ceq%S355G8+N0.10.351.450.0120.003適量適量適量0.38試制工藝：粗軋開軋溫度10501100之間,精軋待溫厚度大于成品板厚度20mm，再軋溫度850900,終軋溫度800850之間，鋼板空冷

5、后堆垛，探傷合格后進行正火處理，正火溫度870-900，保溫1.4min/mm。2.2試制結果在鋼板1/4處取橫向拉伸試樣，在鋼板心部取橫向沖擊試樣，在0，-20，-40，-60下進行系列沖擊。鋼板屈服強度在375-416MPa之間，抗拉強度在488-513MPa之間，-60心部沖擊功在124-209J之間，Z向斷面收縮率48.5-79%之間，滿足Z35的要求，典型性能指標如表2所示。表2 鋼板力學性能規格/mmReH/MPaRm/MPaA/%-60心部Akv/JZ向6041650936.518370.067.570.07039550534.0 17361.567.559.0903905033

6、2.5 14656.554.562.5圖1為鋼板心部橫向沖擊結果,顯示開發鋼的韌脆轉變溫度在-60以下。圖1 典型規格鋼板韌脆轉變溫度曲線圖2為厚90mm 開發鋼板的表面及心部組織，鋼板表面及心部組織為鐵素體+珠光體，正火后表面、1/4和心部晶粒得到細化，組織均勻，鋼板1/4和心部晶粒度均在10級左右。對Z向拉伸試樣進行掃描斷口分析，圖2-C為斷口宏觀 （a）1/4位置金相 （b）1/2位置金相（c）Z向拉伸斷口宏觀形貌 （d）Z向拉伸斷口微觀形貌圖2 試制的90mm厚鋼板正火組織形貌，斷口邊部有明顯剪切唇，圖2-D為斷口微觀形貌，斷口內有大量的韌窩，未發現大顆粒硫化物存在，斷口是典型的韌性斷

7、裂，Z向斷面收縮率較高。開發鋼的試制結果表明，鋼板厚度方向組織和性能均勻；通過采用合理的控軋和正火工藝，鋼板強度、塑性、低溫韌性及Z向性能優良,未隨鋼板厚度增加而明顯降低；生產的低碳當量高韌性正火態特厚鋼板的綜合性能優良。3討論3.1銅在厚規格正火態鋼板生產中的作用為了滿足用戶較嚴格的焊接性能（碳當量0.40%，Pcm0.21%）和對鋼板心部低溫沖擊性能的要求，降低碳含量是一個重要途徑。但是隨著碳和碳當量的降低，為了保證正火鋼板的強度，必須采用其他的強化手段。資料研究表明，采用Cu的時效析出強化能夠很好的提高鋼板強度，改善心部性能。采用Cu的析出強化作用（見圖33），充分利用厚度方向上冷速不同

8、，正火后Cu在慢冷下析出多，彌補心部組織的強度，保證鋼板在正火處理后具有良好的強度指標要求。100nm21 圖3 鋼板中銅的析出行為 圖4 低碳當量含銅鋼板性能對比通過添加銅，正火后在相當低的碳當量下獲得了正火態鋼板的強韌性指標和優良的心部性能，該級別鋼板的生產技術在工業批量生產上得到應用（圖4是生產數據統計情況）。3.2特厚板生產心部綜合性能的控制對于正火態特厚規格鋼板，正火熱處理可以較大的改善鋼板性能均勻性等綜合性能。但是在其軋制工藝中，充分利用奧氏體再結晶軋制技術，可以細化奧氏體晶粒，為正火工藝創造條件。而在提高鋼板心部性能的各因素中，晶粒的細化作用也不可忽視。但如何有效的將軋制變形傳遞

9、至鋼坯心部，實現鋼坯心部晶粒組織的充分碎化和缺陷的最大限度焊合，保證鋼板心部韌性和抗層狀撕裂性能，是厚鋼板軋制工藝的難點。A）采用特厚鑄坯進行軋制，保證厚鋼板軋制的壓縮比大于3。為使鋼坯心部粗大的奧氏體晶粒碎化、保證探傷和提高Z向性能，采用特厚連鑄坯進行軋制。美國DGS研究指出，為保證探傷合格，鋼板必須保證至少2.63的壓縮比；而根據現場試驗研究，要保證Z向性能達到Z35水平，鋼板壓縮比必須要保證3以上。首秦公司生產的300-400mm的特厚連鑄板坯充分滿足了產品需要。B）優化再結晶軋制工藝規程，保證特厚板在再結晶區軋制的最大壓下率至少有1道次壓下率在20%以上。開發鋼種中含0.03%Nb微合

10、金元素，再結晶終止溫度在1000左右；再結晶軋制階段道次變形量越大，奧氏體晶粒尺寸越細小。因此在成分體系、相變點和正火狀態均已確定的情況下，提高轉鋼后縱軋階段的總壓下率（精軋階段保留20mm以上的壓下量足以保證產品板形），可以提高再結晶區軋制道次壓下率。重要的是粗軋階段滿足至少一道次接近20%的大壓下率，并呈現逐漸上升趨勢，可實現鋼坯心部組織的充分變形，為后續相變累計形變能，如圖5。另外，減少精軋階段變形量，以減少低溫形變對厚度方向組織不均勻的影響，精軋階段主要起控制鋼板尺寸精度的作用。3.3改善特厚板心部橫向沖擊韌性的途徑海上風電用特厚鋼板不僅要求縱向低溫沖擊功，用戶還特別要求保證心部橫向低

11、溫沖擊功。而在實際生產過程中，逐漸發現僅僅強調粗軋階段的大壓下，甚至直接縱軋，不能給特厚板心部橫向沖擊性能帶來顯著改善，必須保證適當的展寬。研究發現增加展寬比對屈服強度及抗拉強度影響不大，但顯然隨著展寬比的增加，鋼板心部橫向沖擊韌性先改善后降低（圖6）。降低原因主要是展寬比過大影響轉鋼后各軋制階段的壓下率，整體韌性下降。為改善特厚鋼板心部橫向低溫沖擊功，需要在保證大壓下率的前提下，保證一定量的展寬比，且不宜太大。圖5 130mm特厚板優化的軋制規程 圖6 展寬比與心部橫向沖擊韌性的關系Fig.5 130mm heavy plate optimized rolling schedule Fig.6 The relationship between the broadening of the lateral impact toughness in core of plates4結論（1）在低合金鋼成分基礎上添加Nb、Ti、Cu等元素，采用控軋和正火工藝試制的特厚鋼板,正火后在相當低的碳當量下獲得了正火態鋼板的強韌性指標和優良的心部性能。（2）采用首秦公司生產的300-400mm連鑄坯生產特厚板，保證壓縮比大于3，配合優化再結晶軋制規程，保證特厚板在再結晶區軋制的最大壓下率至少有1道次在20%以上，細化了鋼板晶粒，改善了性能均勻性。（3）通過合理控制展寬比，