一种船用低温钢板的火工工艺方法

技术领域

本发明属于钢铁加工技术领域，涉及一种船用低温钢板的火工工艺方法。

背景技术

近年来，船用低温钢不断向更低温环境服役的极限挑战，比如LPG船用低温钢至少需要接受零下60摄氏度的考验。对此类钢材而言，性能的稳定控制是巨大的考验，尤其是船舶制造过程中常需利用火工对钢板进行矫正和弯折，或者为了消除不良应力集中，然而经火工后钢板的强度和冲击韧性往往下降明显。因此，这类极限环境服役的船用低温钢的成分和组织设计以及火工工艺的控制至关重要。

中国专利CN114807762A公开了一种具有优良低温韧性的300MPa级低温钢，化学成分按重量百分比计为：C：0.10％～0.15％，Si：0.20％～0.40％，Mn：1.4％～1.7％，Ni：0.30％～0.80％，Al：0.015％～0.030％，S：≤0.005％，P：≤0.008％，余量为Fe和杂质；其中10C+Mn：2.45％～3％。该钢满足-80℃下的低温韧性要求，但该钢未涉及火工性能，其屈服强度也仅为300MPa级。中国专利CN110629111A公开了一种火工性能优异的船用低温钢板及其制造方法，其主要化学成分按质量百分数为：C：0.04%～0.08%，Si：0.15%～0.25%，Mn：0.80%～1.80%，P≤0.012%，S≤0.002%，Als：0.045%～0.070%，N≤0.0040%，Ti：0.005%～0.020%，其余为Fe和不可避免的杂质。该钢采用TMCP工艺生产，获得细化的铁素体+少量珠光体的组织，其火工前后屈服强度均在355MPa以上，-60℃冲击吸收功均在120J以上，但为保证钢板性能，火工次数要控制在2～3次以内。

发明内容

本专利旨在提供一种船用低温钢板的火工工艺方法，通过船用低温钢的成分和组织设计，采用本发明所述的火工方法，火工后其强度和低温冲击韧性不低于母材。

本发明的技术方案：

一种船用低温钢板的火工工艺方法，钢的化学成分质量百分比为C=0.05%~0.09%、Si=0.10%~0.30%、Mn=1.20%~1.80%、P≤0.008%、S≤0.002%、Al=0.05%~0.08%、Ti≤0.005%、Nb≤0.020%、N=0.0050%~0.0080%、B=0.0010%~0.0025%，余量为Fe和不可避免的杂质；钢板采用TMCP工艺生产，钢坯加热温度为1100~1150℃且在此温度范围内的加热时间≤120min，控制再结晶区和未再结晶区轧制累积变形量均≥90%，控制终轧温度为780±20℃，轧后以3~5℃/s的冷却速度加速冷却至650±20℃，然后空冷至室温；所述的火工工艺包括如下步骤：

（1）确定工件加热区域，标记边界线；然后准备两把射吸式焊炬，1号焊炬的加热嘴口径尺寸为3.0mm，2号焊炬的加热嘴口径尺寸为1.5mm；同时准备一根水管，水流量为80~120ml/s；

（2）首先用1号焊炬加热，使用乙炔作为燃料并采用中性焰，加热过程中控制焊炬倾角不小于60°，焰心距≤3mm；同时用红外线测温仪监控焰道温度，当加热区表面温度达到800±10℃时，不再继续升高温度并使之缓慢冷却；当该区域表面温度冷却到700±10℃时，使用2号焊炬重新加热，燃料为丙烷，采用中性焰或轻度碳化焰，且加热过程中焊炬倾角需控制在30~60°，焰心距为2~3mm，直至加热至目标温度，目标温度应高于800℃但不大于950℃；然后停止加热，开始空冷；

（3）加热后进行变形处理使之满足目标形状要求；若不能满足，可重复步骤（2），直至变形达到要求为止；

（4）按照步骤（2）再次在原焰道上进行加热，加热到目标温度后先空冷一段时间，然后使用水管浇水冷却；控制水火距在50~80mm之间；

（5）冷却至室温后，再次使用2号焊炬对原焰道加热，燃料为丙烷，采用中性焰，控制焊炬倾角在20~40°之间，焰心距为3~4mm，加热至650±20℃，然后空冷至室温。

本发明的原理：

本发明所述船用低温钢采用低碳、低磷和低硫，添加较多铝和氮，以及限制钛和铌、而添加硼的成分设计。低碳使钢板经TMCP工艺生产后获得大部分为细小等轴铁素体的基体组织，并能使钢板经本发明所述的火工工艺后得到的基体组织也大部分为细小的板条状或短棒状铁素体，细小的铁素体对获得高的低温韧性起决定作用；低磷可以改善钢的冷脆性，低硫可以减少条状MnS夹杂物而提高韧性，对铝、氮、钛、铌、硼等微量元素的控制是为了能形成较多数量的弥散分布的BN和AlN析出粒子，这些颗粒对控制火工过程晶粒的粗化有重要作用，从而确保火工后低温钢的强韧性。

本发明所述船用低温钢板采用TMCP工艺生产，采用较低的加热温度并避免长时间的加热，以及保证再结晶区有足够的变形量，是为了得到均匀细小的初始奥氏体晶粒，这使得后续火工过程即使出现异常晶粒长大也会有尺度限制；控制较低的终轧温度并保证未再结晶区的累积变形量，以及轧后进行加速冷却，是为了通过形变诱导铁素体相变获得细小的铁素体组织，从而提高钢板的强韧性。

本发明所述的火工工艺采用两把不同的焊炬加热，第一阶段加热采用较大的火焰能率（如用乙炔做燃料、使用大口径焊嘴等），同时采用较大的焊炬倾角使火焰更集中，因此，前期工件温度升高较快，加热效率得以提高，有利于后续变形的开展；其后第二阶段加热正好相反，加热效率变低，使在铁素体向奥氏体转变的过程中有较低的加热速度，从而避免出现组织遗传现象，有利于获得细小均匀的奥氏体晶粒；而且先加热至奥氏体区域再在两相区缓慢冷却然后重新加热至奥氏体区域，有效增加了奥氏体核坯的形核率、降低了奥氏体晶粒的长大倾向，对获得细小均匀的奥氏体晶粒也大为有利。按照这样的加热方法，为满足变形的需要，即使重复采用多次加热，也不会使奥氏体晶粒发生严重的粗化。工件变形完成后，再一次加热奥氏体化，然后采用水冷使之发生板条贝氏体和板条马氏体的转变，之后又重新加热进行回火处理，使之转变成已基本无碳的过饱和度的铁素体，碳化物也呈细小粒状或薄膜状分布，这样的复相组织具有高强韧性。

本发明的有益效果：本发明所述船用低温钢为碳锰钢，无需添加Ni、Mo、Cr等贵重合金元素，合金成本低；通过控制微合金元素和采用TMCP工艺，钢板具有良好的强韧性：屈服强度≥355MPa、抗拉强度≥490MPa、延伸率≥21%、-60℃冲击吸收功≥180J。采用本发明所述火工工艺，按照CB 1371标准对试板取样进行性能测试，焰道纵向拉伸：屈服强度≥420MPa、抗拉强度≥530MPa、延伸率≥21%；焰道横向拉伸：屈服强度≥420MPa、抗拉强度≥530MPa、延伸率≥21%；焰道中心冲击：-60℃冲击吸收功≥220J；焰道交界线冲击：-60℃冲击吸收功≥180J。可见所述船用低温钢火工后的强度和低温冲击韧性不低于母材。本发明涉及的钢的成分及采用的TMCP工艺和火工工艺容易实现，操作简单，成本低，生产效率高，完全满足LPG船等船舶制造所需低温钢及火工加工的要求。

附图说明

图1为实施例1试板焰道的金相组织照片。

实施方式

下面用实施例进一步说明本发明的内容。

实施例

一种船用低温钢板的火工工艺方法，钢的化学成分按质量百分数为：C=0.07%、Si=0.15%、Mn=1.45%、P=0.007%、S=0.002%、Al=0.065%、Ti=0.002%、Nb=0.003%、N=0.0058%、B=0.0012%，余量为Fe和不可避免的杂质；钢板采用TMCP工艺生产，钢坯加热温度为1120±10℃，且在1100~1150℃温度范围内的加热时间为60min，再结晶区轧制累积变形量为113.9%，未再结晶区轧制累积变形量未131.1%，终轧温度为780±20℃，轧后以约4.0℃/s的冷却速度加速冷却至650±20℃，然后空冷至室温；钢板厚度为16mm，取16mm×400mm（轧向、宽度）×1000mm（长度）的试板进行火工试验，首先将试板沿长度方向中心线机械弯折约10°，目标是通过火工将其矫正成平板，火工工艺包括如下步骤：

（1）沿试板弯折内表面划两条与弯折线对称、相距30mm的平行线，作为焰道，标记边界线；然后准备两把射吸式焊炬，1号焊炬的加热嘴口径尺寸为3.0mm，2号焊炬的加热嘴口径尺寸为1.5mm；同时准备一根水管，水流量为90±10ml/s；

（2）首先用1号焊炬加热，使用乙炔作为燃料并采用中性焰，加热过程中控制焊炬倾角在60~70°范围，焰心距≤3mm；同时用红外线测温仪监控焰道温度，当加热区表面温度达到 800±10℃时，不再继续升高温度并使之缓慢冷却；当该区域表面温度冷却到 700±10℃时，使用2号焊炬重新加热，燃料为丙烷，采用中性焰，且加热过程中焊炬倾角控制在35~45°，焰心距为 2~3mm，直至加热至目标温度，目标温度为 900±10℃；然后停止加热，开始空冷；

（3）加热后用小锤子对试板进行矫正，使其变成平板；按照步骤（2）重复进行3~5次，达到要求；

（4）之后按照步骤（2）再次在原焰道上进行加热，加热到900±10℃后首先空冷一段时间，然后使用水管浇水冷却；控制水火距为60±5mm；

（5）冷却至室温后，再次使用2号焊炬对原焰道加热，燃料为丙烷，采用中性焰，控制焊炬倾角在20~40°之间，焰心距为3~4mm，加热至650±20℃，然后空冷至室温。

对钢板取样进行组织观察和性能测试，钢板的显微组织以细小的等轴铁素体和少量珠光体为主，其屈服强度为390MPa、抗拉强度为510MPa、延伸率为35%、-60℃冲击吸收功为195J；火工后，对试板焰道进行组织观察，其主要以细小板条状或短棒状铁素体为基体的板条贝氏体、粒状贝氏体和回火索氏体组成，如图1所示。按照CB 1371标准对试板取样进行性能测试，焰道纵向拉伸：屈服强度为476MPa、抗拉强度为562MPa、延伸率为25%；焰道横向拉伸：屈服强度为481MPa、抗拉强度为565MPa、延伸率为24%；焰道中心冲击：-60℃冲击吸收功为235J；焰道交界线冲击：-60℃冲击吸收功为200J。可见实施例1船用低温钢火工后的强度更高，但低温冲击韧性未下降。

实施例

一种船用低温钢板的火工工艺方法，钢的化学成分按质量百分数为：C=0.08%、Si=0.22%、Mn=1.60%、P=0.005%、S=0.0015%、Al=0.068%、Ti=0.004%、Nb=0.013%、N=0.0067%、B=0.0015%，余量为Fe和不可避免的杂质；钢板采用TMCP工艺生产，钢坯加热温度为1120±10℃，且在1100~1150℃温度范围内的加热时间为90min，再结晶区轧制累积变形量为116.9%，未再结晶区轧制累积变形量未92.2%，终轧温度为780±20℃，轧后以约4.0℃/s的冷却速度加速冷却至650±20℃，然后空冷至室温；钢板厚度为32mm，取32mm×400mm（轧向、宽度）×1000mm（长度）的试板进行火工试验，目标是模拟消除应力集中，火工工艺包括如下步骤：

（1）沿试板长度方向划两条与中心线对称、相距30mm的平行线，作为焰道，标记边界线；然后准备两把射吸式焊炬，1号焊炬的加热嘴口径尺寸为3.0mm，2号焊炬的加热嘴口径尺寸为1.5mm；同时准备一根水管，水流量为100±10ml/s；

（2）首先用1号焊炬加热，使用乙炔作为燃料并采用中性焰，加热过程中控制焊炬倾角在70~80°范围，焰心距≤3mm；同时用红外线测温仪监控焰道温度，当加热区表面温度达到800±10℃时，不再继续升高温度并使之缓慢冷却；当该区域表面温度冷却到700±10℃时，使用2号焊炬重新加热，燃料为丙烷，采用轻度碳化焰，且加热过程中焊炬倾角控制在45~55°，焰心距为2~3mm，直至加热至目标温度，目标温度为940±10℃；然后停止加热，开始空冷；

（3）为模拟更彻底地消除应力集中，按照步骤（2）重复进行4次；

（4）之后按照步骤（2）再次在原焰道上进行加热，加热到940±10℃后首先空冷一段时间，然后使用水管浇水冷却；控制水火距为70±5mm；

（5）冷却至室温后，再次使用2号焊炬对原焰道加热，燃料为丙烷，采用中性焰，控制焊炬倾角在20~40°之间，焰心距为3~4mm，加热至650±20℃，然后空冷至室温。

对钢板取样进行性能测试，其屈服强度为375MPa、抗拉强度为495MPa、延伸率为36%、-60℃冲击吸收功为210J；火工后，按照CB 1371标准对试板取样进行性能测试，焰道纵向拉伸：屈服强度为459MPa、抗拉强度为546MPa、延伸率为25%；焰道横向拉伸：屈服强度为460MPa、抗拉强度为552MPa、延伸率为25%；焰道中心冲击：-60℃冲击吸收功为226J；焰道交界线冲击：-60℃冲击吸收功为192J。可见实施例2船用低温钢火工后的强度有所提高，低温冲击韧性基本相当。