一種大熱輸入焊接熱影響區性能優異的鋼板的冶煉方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬高焊接性能鋼板生產領域，特別設及一種大熱輸入焊接熱影響區性能優 異的鋼板的冶煉方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，造船、建筑、石油天然氣管道及海洋平臺等領域使用的鋼材逐漸向高強度 化、厚壁化發展，為了提高焊接效率，縮短建造周期，在焊接施工中采用多絲埋弧焊、氣電立 焊、電渣焊等高效的大熱輸入焊接。從確保安全性的觀點考慮，要求焊接結構中的薄弱環 節一-焊接熱影響區也需具備足夠的強初性能。
[0003] 然而，通常已知，隨著焊接熱輸入量的增大，則焊接熱影響區奧氏體晶粒嚴重長 大，冷卻后得到晶粒粗大的過熱組織，導致熱影響區塑性和初性下降。已有研究表明，利用 鋼中彌散分布的夾雜物不僅可W作為釘扎粒子在焊接熱循環中釘扎奧氏體晶界，抑制奧氏 體晶粒長大，而且可W作為形核核屯、，促進晶內鐵素體轉變，從而提高大熱輸入焊接熱影響 區性能。
[0004] 基于上述理論，前人進行了大量的研究工作。如專利JP5116890XN101586220B等 掲示了鋼材中添加一定量的Ti、N，利用TiN粒子抑制焊接熱影響區初性的惡化，使鋼板滿 足lOOkJ/cm的大熱輸入焊接。此后，JP3722044、CN100523255C等技術提出在烙敷金屬或 鋼板中添加一定量的B，通過B在融合線附近對N的固定來限制高溫下TiN的溶解，可使熱 輸入量提高到200kJ/cm。
[0005] 為使鋼板能適應更大熱輸入量焊接，研究者試圖利用具有更佳高溫穩定性的氧化 物粒子作為晶界釘扎粒子和晶內形核中屯、。如CN100523255CXN102108467A等技術采用A1 終脫氧，使鋼水中形成TiO、Al2〇3粒子，運些粒子的釘扎作用能在高溫下穩定存在，但A1 2〇3 粒子易在軟攬拌過程中聚集長大，失去彌散分布釘扎奧氏體晶界的效果。為此，日本專利 JP517300控制煉鋼初期脫氧的A1含量，同時提高鋼中Ti含量來提高TiO的數量，但同樣存 在大型鐵夾雜物形成和難W彌散分布兩大問題，因此難W保證200kJ/cmW上熱輸入時的 熱影響區初性。
[0006] 近年來的研究表明，TiO、TiN、Al2化、MnO、SiO和MnS等高烙點相都有高的表面能， 帶有多相成分的夾雜物粒子可W促進鐵素體的多維形核。基于上述結果，利用復合型夾 雜物細化大熱輸入焊接時鋼板熱影響區晶粒的技術也廣泛被開發，例如特開2007-277681 公布的技術利用含TiO的鋼中增大Μη的添加量而增大鐵素體相變驅動力，使TiO-MnS復 合析出物作為晶內相變核的效果增大，使得晶粒微細化而提高熱影響區初性。此外，特開 2010-77494、CN101545077B、CN101985719A、CN104404369A等公布的技術利用Ti、A1、Mg、 Ca、Zr等元素復合脫氧，控制運些元素與S、0含量及其相互間的比例，在鋼水中形成一定數 量并彌散分布的硫化物和氧化物的復合粒子，運些細小密布的粒子通過阻礙晶界運動、抑 制奧氏體在高溫下長大，從而大幅提高熱影響區的大熱輸入焊接性能。
[0007] 但W上技術也存在W下問題：
[000引 1.0作為復合夾雜物的關鍵元素，在不同冶煉工位上受鋼水合金化的影響較大，過 高或者過低的0含量都會影響后一工位的合金化，并導致鋼板中難W形成有效尺寸和足夠 數量的夾雜物粒子。而上述技術并未公布冶煉過程中的0含量控制方法和量化指標。
[0009] 2.Ti、B、Mg、Zr等微量元素在鋼中作用重大，但上述技術沒有公布煉鋼過程中的工 藝參數，如合金添加方式（包括包忍線尺寸，喂絲速度等），合金添加前的鋼水溫度、鋼水中 的溶解氧含量等；上述工藝參數直接決定了鋼中夾雜物類型、尺寸、密度、分布，進而直接決 定了鋼板的焊接性能。
[0010] 3.利用氧硫化物夾雜作為釘扎粒子的上述技術中S含量工藝窗口小，冶煉難度 大。當含量小于0. 005%時，難W形成足夠數量的氧硫化物夾雜，難W達到細化晶粒組織的 目的；當含量超過0.008%時，則會形成粗大的硫化物，運些粗大的硫化物會作為裂紋形成 的起點，降低母材和焊接熱影響區的初性，同時過高S含量還將導致板巧的中屯、偏析。
[0011] 4.上述專利公布的復合夾雜物技術W氧硫化物、氧氮化物為主，運些粒子多為尺 寸> 1μπι的夾雜物粒子，而對更小尺寸的純氧化物夾雜粒子的冶煉技術W及其化學組分、 尺寸、面密度、比例等特征缺乏定量描述。
【發明內容】
[0012] 本發明的目的是提供一種大熱輸入焊接熱影響區性能優異的鋼板的冶煉方法。該 冶煉方法可使鋼板中形成細小彌散的復合型氧化物夾雜，有效釘扎焊接熱影響區奧氏體晶 粒長大，促進晶內細小鐵素體形成，從而使工業化大熱輸入焊接（300~600kJ/cm)后，焊接 熱影響區抗拉強度> 490MPa，-40°C沖擊沖擊初性> 100J。
[0013] 本發明通過W下技術方案來實現：
[0014] 一種大熱輸入焊接熱影響區性能優異的鋼板的冶煉方法，采用鐵水預處理，復吹 轉爐煉鋼、LF精煉、RH真空精煉、合金包忍線喂絲、連鑄生產工藝，其特征在于：冶煉工藝中 控制關鍵工位上鋼液溶解氧含量，轉爐出鋼的氧含量為600~80化pm，嚴禁使用A1脫氧，終 渣堿度為3. 0~4. 0 ;LF精煉工位造白渣脫氧，終渣成分控制為化0/Si〇2= 1. 8~2. 5,出 鋼氧含量為100~15化pm。
[0015] 進一步，所述的冶煉方法中，RH精煉工位加入鐵鐵前定氧為10~120ppm，破空出 鋼時氧含量為5~60ppm時，軟攬拌3分鐘W后加入棚鐵；待鋼液溫度達到1600~1630°C， 定氧為10~12化pm，破空出鋼時氧含量為5~60ppm時，向鋼水中W4~5m/s速度喂入共 200~400m儀合金、錯合金包忍線的一種或兩種，并保證底吹氣軟攬拌不少于5分鐘。
[0016] 所述大熱輸入焊接熱影響區性能優異的鋼板的冶煉方法冶煉制得的鋼板的化學 組成按照質量百分比計為C0. 04~0.l%，Si0. 1~0. 2%，Mn1.0~2. 0%，P《0. 008%， S《0.005%，Ni0.2~0.4%，Nb0.01~0.03%，V0.01~0.03%，Al<0.01，Ti0.01~ 0. 05%，B0. 001 ~0. 005%，0 0. 001 ~0. 005%?及Mg0. 0002 ~0. 02%，ZrO. 0002 ~ 0. 02%中的一種或兩種，其余為鐵和不可避免的雜質元素，同時5 <Ti/0 < 12，（Mg+Zr)/ 燈i+Al) > 0. 02。 陽017] 進一步，所述的冶煉方法制得的鋼板中含有Ti-Mg、Ti-Zr、Ti-Mg-Zr復合氧化物 夾雜中的一種或兩種，其化學組成的質量百分比為2%<Ti< 40%，2%<Mg< 30%，2% <Zr<30%，5%<0<50%，面密度大于300個/mm2,且80 %W上夾雜物尺寸小于1μm。
[0018] 更進一步，所述的冶煉方法制得的鋼板在焊接熱輸入量為300~600kJ/cm條件 下，焊接熱影響區抗拉強度> 490MPa，-40°C沖擊沖擊初性> 100J。
[0019] 在本發明鋼的成分設計中：
[0020] C，增強鋼材強度的元素。對TMCP鋼板而言，為了保證特定的強度，C含量的下限 為0. 04%。同時為了抑制熱影響區島狀馬氏體組織的含量，因此取上限為0. 1%。
[0021] Si,重要的預脫氧元素，并且對母材具有強化作用，因此需要0. 1%W上，本發明中 在轉爐出鋼約1/5時W娃鐵加入。但當超過0. 2%，則會使大熱輸入焊接熱影響區中生成過 多島狀馬氏體而是初性變差，因此設定上限為0. 2%。進一步優選為0. 1~0. 15%。
[0022] Μη,預脫氧和母材強化元素。為使母材強度不過多依賴其它貴金屬元素，需要含有 1. 0%W上。另一方面，過量Μη會導致板巧中屯、偏析，同時導致大熱輸入焊接熱影響區的硬 化和島狀馬氏體生產，降低熱影響區初性，因此Μη的上限控制為2%。
[0023]Ρ，鋼中的有害元素，應盡量降低。過高的Ρ含量將導致中屯、偏析，降低熱影響區初 性，因此控制上限為0.008%。
[0024] S，本發明中作為雜質元素存在。過高S含量不僅易導致板巧中屯、偏析，還會形成 部分大尺寸的硫化物復合夾雜，抑制本發明中細小彌撒氧化物復合夾雜的形成，不利于母 材和焊接熱影響區的初性的改善。因此控制上限為0. 005%。
[00巧]Ni，提高強度和低溫初性的有效元素，其下限為0. 2%。但由于其價格昂貴，鑒于成 本考慮，其上限為0. 4%。 陽0%] 佩，確保母材強度、初性和接頭強度的有效元素。但低于0.01%時，效果并不顯 著。但是，過量地添加佩，也會促進熱影響區島狀馬氏體形成而惡化初性，因此控制其上限 為 0. 03%。
[0027]V，具有提高澤火性和抗回火軟化效果的元素，對提高大熱輸入焊接熱影響區強度 有利。但低于0.01%時，上述效果并不顯著。但是若V過量，則母材初性和熱影響區初性劣 化，因此將其上限取為0. 03%。 陽02引A1，本發明中作為雜質元素存在。將A1(酸溶態）的含量限制在0.01%W下，從而 減小鋼中氧化侶夾雜物的數量，并能一定程度上增加氧化物夾雜的含鐵量，有利于復合型 氧化物夾雜的細小彌散化，從而提高焊接性能；此外酸溶侶的減少，也減少了晶界側板條鐵 素體的產生，也利于低溫初性的提高。
[0029] Ti，在凝固時形成作為二次脫氧產物的Ti氧化物并呈彌散分布，運些粒子將作為 后續Mg、Zr復合氧化物夾雜形成的中屯、，從而有助于抑制焊接熱影響區中的奧氏體粗大 化，或促進晶內鐵素體相變形核而提高初性。已有研究證明，含Ti氧化物粒子尺寸越小，貝U 釘扎奧氏體晶界和促進細小晶內鐵素體形核的效果越好。本發明中保證尺寸< 1.0ymW 下的復合氧化物夾雜含量是確保大熱輸入焊接熱影響區性能的關鍵措施。因此，若Ti的添 加量低于0. 01 %，則無法確保含Ti夾雜物的量，另一方面，當Ti過剩時，易形成尺寸粗大的 氧化鐵夾雜，不利于復合氧化物夾雜的尺寸控制。因此，Ti的含量上限為0. 05%。
[0030]B，提高澤透性的元素，可細化鋼板組織并提高強度。在本發明中，微量B的添加有 利于鋼板在焊接熱循環過程中的相轉變行為，抑制晶界魏氏體、側板條鐵素體的產生，從而 為復合夾雜物促進晶內鐵素體形核創造先決條件。同時，B易與鋼中自由氧和氮發生作用 而喪失上述有益效果，因此RH工位上先加鐵鐵固氧和殘余氮元素，再加入適量棚鐵，才能 保證微量B的收得率。另一方面，過高的B會使大熱輸入焊接時形成粗大的貝氏體組織，反 而惡化熱影響區初性。綜上考慮，限制B含量為0. 001~0. 005%。
[0031] 0,形成復合氧化物夾雜的關鍵元素。形成大量細小彌散的復合氧化物夾雜是本 發明中釘扎奧氏體晶界，促進晶內鐵素體形核，從而確保大熱輸入焊接熱影響區強初性能 的關鍵技術。為了發揮運樣的效果，0含量不低于0.001 %。另一方面，過量0易在Ti脫 氧時就形成粗大的含