一种高强度抗层状撕裂超厚水电钢板及其制备方法与流程

本发明属于材料制备领域，特别涉及一种高强度抗层状撕裂超厚水电钢板及其制备方法。

背景技术：

1、水电作为清洁能源已经成为人们获取能源的首选，高等级水电站用钢已应用在国内外各大型水电站的压力管道、蜗壳及岔管建设上，因其服役环境等特殊原因，要求水电用钢具备较高的强度和良好的韧性。近年来，国内外学者针对此类钢板进行了大量的研究，研究重点主要集中于钢板的轧制工艺、热处理工艺及焊接技术等方面。以上研究使该钢种的综合性能大幅度提升，且拓宽了其应用范围。

2、随着水电行业及下游企业的发展，对于该类钢板的厚度需求逐渐增加，如三峡等700mw及以上水电机组用抗层状撕裂特厚钢板的厚度要求为不小于170mm，对于该厚度级别的高强韧水电钢板钢板碳当量较高，焊接性能较差。

3、此类钢板在国标《gbt16270-2009》及欧标《en10025-6:2019》中的最大厚度分别为150、200mm。对于本发明中最大厚度240～320mm厚的高强度抗层状撕裂超厚钢板暂无现行国家及国际标准，仅在三峡企业标准q/ctg 25-2015《大型水轮发电机组特厚钢板技术条件》中有所提及。

技术实现思路

1、本发明提供了一种高强度抗层状撕裂超厚水电钢板及其制备方法，生产钢板厚度为240～320mm、强度级别高于550mpa级。

2、本发明的目的通过以下技术方案来实现：

3、本发明提供了一种高强度抗层状撕裂超厚水电钢板，按质量百分含量计，所述钢板的化学成分为c：0.10-0.15％；si：0.18-0.25％；mn：1.40-1.55％；p≤0.01％；s≤0.002％；cr：0.20-0.30％；mo：0.38-0.48％；ni：1.40-1.60％；b：0.0001-0.0017％；ti：0.02-0.05％；nb：0.01-0.05％；al：0.015-0.035％；cu≤0.03％；余量为fe。

4、本发明所述钢板的化学成分还包括la：0.01-0.04％。

5、本发明高强度抗层状撕裂超厚水电钢板的厚度为240～320mm，满足钢板淬透性指数di≥0.65×板厚(mm)。

6、本发明中关键元素的作用：

7、c元素：钢中最有效的强化元素，固溶于基体中起到固溶强化作用的同时可提高钢板的淬透性；在热处理过程中，可与强碳化物结合元素形成碳化物起到析出强化的作用；但c含量过高将导致钢板的碳当量较高，而水电钢板对于碳当量有严格要求，故本发明c含量为0.10-0.15％。

8、mn元素：奥氏体稳定元素，可显著提高钢板的淬透性，减慢热处理过程中组织的分解及转变速度，增加回火抗力；在一定程度上可阻碍组织内部形成mc类碳化物，减少ti、nb等元素的消耗；但其含量过高将不利于钢板的焊接性及韧性，因此，本发明中mn含量为1.40-1.55％。

9、cr元素：可提高钢板的淬透性，效果虽不及mn及mo元素，但成本效果较好；可显著提高钢板的耐腐蚀性及抗氧化能力；本发明中cr含量为0.20-0.30％。

10、mo元素：强淬透性元素，有助于大厚度钢板沿厚度方向上淬透，提高钢板的回火稳定性，可使钢板在较高温度下进行回火，进而提高钢板的塑韧性；可提高微合金元素在奥氏体中的溶解度，减少微合金元素的碳氮化物析出，使微合金元素在较低温度下由铁素体中析出，增强析出强化效果。

11、ni元素：钢中较好的固溶强化及淬透性增强元素，能够扩大奥氏体相区，降低奥氏体转变温度，阻止奥氏体向珠光体转变，进而降低钢的临界转变温度；ni与fe元素以互溶形式存在，可有效提高钢板的韧性，特别适用于改善特厚板心部塑韧性，但其成本较高，因此本发明中ni含量为1.40-1.50％。

12、b元素：淬透性提高元素，易于吸附在晶界降低晶界能，使先共析铁素体不易形核，延长了先共析铁素体和上贝氏体转变的孕育期，抑止并推迟铁素体转变进而提高淬透性，特别适用于提高特厚板的淬透性；但其在钢中溶解度较低，且受其存在形式影响，易形成b脆不利于钢的塑性，故本发明中其含量为0.0001-0.0017％。

13、ti：热加工过程中可抑制奥氏体的动态再结晶并阻碍晶粒长大，起到细晶强化的效果；与c、n等元素具有较强亲和力，在冶炼及热处理过程中可有效地降低b元素的消耗，间接促进特厚板的淬透性，本发明中其含量为0.02-0.05％。

14、la：稀土元素，净化钢质并使钢中夹杂变质，起到提高钢质纯净度的作用；具有一定捕氢能力，减少超厚板中白点等缺陷；形成的析出物可作为形核基础，进而起到细晶强化的作用，故本发明中其含量为0.01～0.04％。

15、al：作为钢中脱氧剂加入，并消耗钢中的n元素，与ti元素共同起到保b元素的作用，间接促进特厚板淬透性并起到一定的细化晶粒的作用，本发明中其含量为0.015-0.035％。

16、本发明还提供上述高强度抗层状撕裂超厚水电钢板的制备方法，包括如下步骤：

17、(1)采用铁水深脱硫+转炉冶炼+炉外精炼+真空处理+连铸工艺生产上述化学成分的连铸坯；

18、(2)以连铸坯作为电极，进行电渣重熔制备电渣锭，以提高连铸坯的钢质纯净度及均匀性；电渣过程中应做好气体保护并适量加入al等脱氧剂，保护坯料中b等易烧损关键元素，使b元素作为有效b形式存在。

19、(3)将电渣锭加热至1200±20℃，保温2.5h以上，沿长、宽、高三个方向进行三维立体锻造，为保证钢板各位置变形充分且晶粒尺度细小，要求各方向的锻造比大于3。

20、(4)为保证成品钢板沿厚度方向具有优异的综合力学性能，采用淬火+亚温淬火+回火工艺，该工艺充分发挥了钢中b、ni、ti等关键元素的作用，使超厚板的心部亦可获得优异的强韧性匹配。具体工艺如下：

21、淬火工艺：温度910～940℃，净保温时间2～3min/mm；

22、亚温淬火工艺：温度830～870℃，净保温时间0.2～0.5min/mm；

23、回火工艺：温度650～680℃，净保温时间1.5～2.5min/mm。

24、进一步的，步骤(1)中，采用双渣法操作进行深脱硫处理。

25、进一步的，步骤(1)中，炉外精炼要求lf炉造白渣精炼钢液，确保钢中[s]≤0.001％。

26、进一步的，步骤(1)中真空处理的rh净循环不得少于5分钟。

27、进一步的，步骤(1)中，连铸过程中，开浇前静置时间不得少于10分钟，保持钢包内渣面处于涌动状态且不露钢水面；通过复合脱氧剂(硅铝铁型复合脱氧剂，加入量为0.5～0.9千克/吨钢)处理使钢中夹杂物改性，以最大限度提高钢质纯净度；采用保护浇铸，避免钢水二次氧化。

28、进一步的，步骤(2)中，电渣重熔过程中应做好气体保护并适量加入al等脱氧剂(控制钢中氧含量在50ppm以下)，保护坯料中b等易烧损关键元素，使b元素作为有效b形式存在。

29、进一步的，步骤(3)中，一次加热完成锻造过程，避免回炉加热以减小晶粒尺度的长大程度。

30、本发明的有益效果如下：

31、(1)采用本发明生产的超厚板在同等强度级别条件下，其板厚远超国家标准及欧洲标准，最大厚度达320mm，。

32、(2)本发明中制备超厚板所采用的工艺流程相对较少，与其他复合焊接、锻造+轧制等技术制备特厚板相比，生产成本较低且钢板综合性能更为优越、成材率高，具有重大经济价值。

33、(3)采用本发明生产的240～320mm厚高强度抗层状撕裂超厚板，考核位置为钢板厚度方向二分之一处，其屈服强度≥530mpa、抗拉强度≥620mpa、-20℃冲击性能≥47j，特别是钢板的z向性能≥65％，特别是z向断面收缩率≥62％，综合性能高于同等强度级别、厚度远低于本发明中同类型钢板，具有较大的性能优势。

34、与现有技术相比，本发明创新性技术主要有以下两点：

35、(1)充分利用微量b(10～17ppm)及其辅助元素的作用，b为表面活性元素，易于吸附在晶界，降低晶界能，使先共析铁素体不易形核，延长了先共析铁素体和上贝氏体转变的孕育期，抑止并推迟铁素体转变而提高其淬透性，此外，b元素可使奥氏体等温转变曲线右移，并在珠光体形成温度范围内使转变开始曲线推迟，进而有利于上贝氏体形成；b元素为o、n亲和力较强元素，若与两者结合将降低钢中有效b含量，使其失去作用，辅以ti(0.02～0.05％)元素可增加钢中有效b含量，ti/b大于6可使钢中有效b含量高于90％；利用稀土元素la大幅度提高钢质纯净度并减少超厚板中白点等缺陷。

36、(2)结合材料特性，利用电渣重熔、三维立体锻造及亚温淬火等技术，可大幅度减少生产此类超厚钢板的制备流程，降低企业的生产成本；利用本发明制备的高强度抗层状撕裂钢板最大厚度达320mm，在该板厚条件下，其强度级别及z向断面收缩率均为国内之最。