高强度高韧性热轧钢板及其生产方法

《高强度高韧性热轧钢板及其生产方法》属于冶金技术领域，涉及一种微合金化高强度低合金控轧控冷钢的技术领域，尤其涉及到一种高强度、高韧性和可焊性的热轧钢板，如大口径X70以上管线钢、压力容器用钢板、海洋结构用钢板、高强度桥梁板和工程机械用钢等生产方法。

1、一种高强度高韧性热轧钢板，其化学成份及各成份的重量百分比为：碳：0.03～0.09％；硅：0.15～0.35％；锰：1.40～2.0％；铝：0.02～0.05％；铌：0.05～0.13％；钛：0.010～0.025％；铜：≤0.30％；铬：≤0.30％；磷：≤0.012％；硫：≤0.004％；氮：≤0.004％；其余均为铁，且碳当量Ceq应不大于0.44，裂纹敏感指数Pcm应不大于0.23。

2、根据权利要求1所述的一种高强度高韧性热轧钢板，其特征在于：所述的化学成份中还含有镍，镍的重量百分比为：≤0.25％。即为进一步降低成本，可不用镍，也可使用少量的镍。

3、根据权利要求1或2所述的一种高强度高韧性热轧钢板，其特征在于：所述的化学成份中还含有钒，钒的重量百分比为：≤0.046％。

4、一种高强度高韧性热轧钢板的生产方法包括步骤为：设计成份进行配比备料，然后铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、RH（VD）处理、板坯连铸、板坯再加热、温度控制轧制、控制冷却、热矫直、冷床冷却、堆冷。其特征在于：在温度轧制及冷却控制中，轧制过程中坯料的平均温度最有价值，利用表面测量温度受厚度的影响，以下温度控制皆为平均温度；板坯再加热温度控制在：1180-1260摄氏度；粗轧结束温度1100-1220摄氏度；精轧开始温度840-1000摄氏度，精轧阶段总的压缩比≥65％，其结束温度800-930摄氏度；终冷温度500-600摄氏度，冷却速率8-25摄氏度/秒。

2007年12月前，在钢板应用领域随着结构件日益大型化、压力容器日益高能率化、石油天然气输气管大口径和高输气压力化，以及应用环境低温化发展趋势，要求在提高钢板强度、降低钢结构重量的同时，要求钢板具有更高的韧性指标，特别是其低温韧性，以保证钢板使用过程的安全性。此外，对一些焊接钢板还要求有良好的焊接性能，以降低钢结构和管线等的制造成本。以中国即将开工年输气量达300亿立方米的“西气东输二线”为例，该管线全长7000多公里，干线长4000公多公里，输气压力12兆帕、输气管直径1219毫米、钢级X80，壁厚18.4毫米以上，其中2类地区以上会采用壁厚22毫米以上直缝焊管。采用大口径输气管和高输送压力主要是为了提高管线运行的经济效率，但这要求采用大壁厚和大宽度钢板，并有高强度、高韧性和可焊性的性能保证。在大口径管线工程中，25％～40％的工程成本与材料有关，因此，降低材料成本对工程成本有举足轻重的影响。

截至2007年12月，通过微合金化结合控轧控冷工艺生产高强韧性钢是近20年来的一大主流技术。采用纯洁净钢炼钢技术，以及铌、钒、钛等元素微合金化和控轧控冷技术，生产的具有高性能的新型低合金高强韧性工程结构用钢具有以下属性：（1）含碳量低，具有良好的冷热成型性和焊接性；（2）钢中添加少量的碳、氮化合物形成元素铌、钒、钛、铝等，采用了晶粒细化和析出强化提高钢的强韧化性；（3）钢的屈服强度大于345兆帕；（4）采用热轧状态交货，而无需其它热处理过程进行调质处理，从而减少工序和能耗，达到降低制造成本。该钢种由于高效、节约合金元素和能源及在生产过程中向大气释放二氧化碳量少，是一种环境友好型的钢铁材料，已广泛地应用于桥梁、建筑、船舶、车辆、压力容器、采油平台、输油管道等各种工程结构。由于上述用途钢材的需求量一般占社会对钢材总需求量的60％左右，所以微合金钢的应用前景广阔，是现代钢铁工业中的主力产品。但现有技术中，这种高强度、高韧性、可焊性好的热轧钢板中所含的钼、钒和镍等微量金属元素，其价格大多比较昂贵，因此使得该产品的成本较高。

高强度高韧性热轧钢板及其生产方法专利目的

《高强度高韧性热轧钢板及其生产方法》的目的在于提供一种采用低成本微合金元素配方，即采用低碳、高锰、高铌、无钼、无钒、无镍或低镍配方生产成本的高强度高韧性热轧钢板。

该发明的另一目的在提供一种采用低成本微合金元素配方，并通过控轧控冷等工艺生产高强度低合金的高控轧控冷钢。

高强度高韧性热轧钢板及其生产方法技术方案

一种高强度高韧性热轧钢板，其化学成份及各成份的重量百分比为：碳：0.03～0.09％，硅：0.15～0.35％，锰：1.40～2.0％，铝：0.02～0.05％，铌：0.05～0.13％，钛：0.010～0.025％，铜：≤0.30％，铬：≤0.30％，磷：≤0.012％，硫：≤0.004％，氮：≤0.004％，其余均为铁，且碳当量Ceq应不大于0.44，裂纹敏感指数Pcm应不大于0.23；镍：≤0.25％；钒：≤0.06％。

为实现《高强度高韧性热轧钢板及其生产方法》的另一目的，一种高强度高韧性热轧钢板的生产方法包括步骤为：设计成份进行配比备料，然后铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、RH（VD）处理、板坯连铸、板坯再加热、温度控制轧制、控制冷却、热矫直、冷床冷却、堆冷，在温度轧制及冷却控制中，轧制过程中坯料的平均温度最有价值，利用表面测量温度受厚度的影响，以下温度控制皆为平均温度；板坯再加热温度控制在：1180-1260摄氏度；粗轧结束温度1100-1220摄氏度；精轧开始温度840-1000摄氏度，精轧阶段总的压缩比≥65％，其结束温度800-930摄氏度；终冷温度500-600摄氏度，冷却速率8-25摄氏度/秒。

高强度高韧性热轧钢板及其生产方法改善效果

《高强度高韧性热轧钢板及其生产方法》的优点是：

1、由于采用高Nb低C，充分利用Nb的析出强化及对钢的相变的影响，获得细小的具有高密度位错的针状铁素体 贝氏体 第二相组织，从而代替Mo对相变的影响，达到不加入Mo的效果，降低了合金成本；

2、由于该发明中的Ni元素可加可不加，因此，Ni的加入量对强度的影响不大，加入的Ni主要是减少因Cu导致的铸坯及钢板表面热脆倾向，但该发明中Cu的含量亦不是很高，因而可以考虑不加，达到降低成本的效果；

3、由于采用了低碳、高铌和微钛处理的简单合金化设计，降低了钢板的冷裂纹的敏感性，在一定程度上简化了焊接工艺，减小了焊接加工的制造成本；钢中氮化钛以及钛铌氮碳化物的高温稳定性将起到钉扎晶界、阻止晶粒长大的作用，能够使钢板承受的焊接线能量提高；

4、由于利用Nb对奥氏体再结晶的抑制作用，提高再结晶终止温度，使得轧制可以在较高的温度进行，降低轧制力及轧制能量消耗，提高了轧机的效率，保证了良好的板形；

5、由于采用了钢板的平均温度作为轧制过程温度的控制点，避免因表面温度存在测量误差，以及表面温度控制受制于轧制过程中钢板的厚度变化，很难对轧制的各个阶段的轧制温度进行精确把握；采用平均温度则避免了以上不确定因素，实现了该发明钢制造工艺的精确控制；

6、由于通过终止冷却温度控制，充分利用了Nb对相变的影响及析出作用，达到控制组织类型、细化组织及析出强化效果，提高强度和韧性作用；同时这一因素决定该发明的终冷温度与以往的高强度、高韧性钢板制造工艺中有了很大的提高，这样可以保证钢板在冷却之后进行热矫的温度，降低热矫直机的负荷和矫直能耗。

高强度高韧性热轧钢板及其生产方法操作内容

《高强度高韧性热轧钢板及其生产方法》的高强度高韧性可焊性热轧钢板是一种新型的低成本微合金化高强度低合金控轧控冷钢，采用低碳、高锰、高铌无钼、无钒（或加入少量钒）和无镍（或加入少量镍）的低成本合金化设计。钢中主要元素的设计依据如下：

碳（C）：碳是影响管线钢强度、韧性、硬度及焊接性能的主要元素，碳含量的增加，对提高钢的强度有明显作用。但碳含量的增加会对钢的延性、韧性及焊接性能有负面影响。所以，该发明选择的碳含量为0.03-0.09％，一方面主要是考虑过低的碳会使得钢板的屈强比增高，另一方面主要是考虑钢板的韧性及优良的焊接性能。

锰（Mn）：固溶强化元素，既可以提高钢的强度也能够改善钢的韧性。适度提高钢的淬透性，扩大γ相区，降低钢的γ→α相变温度，有助于获得细小的相变产物。此外，锰还能提高微合金元素铌（Nb）在钢中的溶解度，抑制碳氮化铌的析出。因此，该发明钢采用的锰含量为1.4～2.0％。

铌（Nb）：铌是有效的晶粒细化元素，能够明显的抑制奥氏体晶粒长大，延迟γ→α转变，从而获得更加细小的组织。在热轧过程中，析出的碳氮化铌可以延迟再结晶及晶粒的长大过程，碳氮化铌通过钉扎位错，使得基体中可以保留更多的位错密度，提高钢的强度和韧性。固溶状态的铌可以延迟γ→α转变，细化铁素体晶粒，提高钢的韧性，在冷却过程中固溶的铌可以继续以Nb（CN）析出，进一步提高钢的强度。该发明中，采用0.05-0.13％的高铌设计，体现了以上的分析精神，达到替代Mo的细化组织、沉淀强化的作用，降低钢的成本。

钛（Ti）：钛是强的固氮元素，可以与氮形成TiN颗粒，从而可以在坯料加热过程中抑制奥氏体晶粒的粗化，起到细化晶粒的作用，提高钢的低温韧性；同样，TiN颗粒对焊接热影响区晶粒的长大能够起到很好的抑制作用，改善焊接性能。此外，钛可以与铌复合析出，提高（TiNb）（CN）的热稳定性，对加热过程中坯料奥氏体晶粒的长大及焊接热影响区晶粒的粗化起到很好的抑制作用，改善钢板的韧性，提高钢板的焊接性能。钛的加入量一般不低于氮的3.4倍，该发明中钛的加入量为0.01-0.025％。

铜（Cu）：铜能够提高钢板及焊接热影响区的强度，铜的沉淀作用还可以提高钢的抗疲劳性能；此外，铜的另一个作用是提高钢板的耐腐蚀性能，近加入0.1％的铜就可以显著提高钢的耐大气腐蚀性。但过量的铜对焊接热影响区及焊接区的韧性是不利的，该发明钢采用了不大于0.3％的加入量。

铬（Cr）：铬同样是碳化物形成元素，能够提高钢板硬度，起到沉淀强化的作用；铬作为铁素体形成元素，在高Nb钢中可以得到更多的针状铁素体组织；铬还能够提高钢的抗腐蚀及耐氢致开裂性能。然而，过量的铬将降低钢板的延伸性能，促进晶粒的长大而影响韧性，导致焊接区域的冷裂纹的产生。因此，该发明中只采用了相对较安全的加入量，该发明钢采用了不大于0.3％的加入量。

镍（Ni）：镍通过固溶强化提高钢的强度，和Mo相比，加入的镍倾向于形成更少的硬化相，从而对低温韧性有利；同时，镍还有助于改善钢中加铜引起的热脆性。该发明钢采用了不大于0.25％的加入量，也可不加入镍。

钒（V）：析出强化及细化晶粒元素，能够与C、N元素形成VC和VN析出相，提高钢的强度，该发明中V为辅助添加元素，该发明钢采用了不大于0.06％的加入量，或干脆不加入钒元素。

该发明的特点之一采用了低成本的合金化设计，不添加钼，不添加或少量添加钒和镍这些成本昂贵的元素，采用了低碳、高铌的基本成分设计思路，辅以锰、铜、铬等元素及微钛处理，结合精确的轧制冷却工艺控制，实现性能稳定的高强度高强韧性和可焊性热轧钢板的生产。其化学成分重量百分比为：碳：0.03～0.09％；硅：0.15～0.35％；锰：1.40～2.0％；铝：0.02～0.05％；铌：0.05～0.13％；钛：0.010～0.025％；铜：≤0.30％；镍：≤0.25％；铬：≤0.30％；磷：≤0.012％；硫：≤0.004％；氮：≤0.004％；钒：≤0.06％，其余均为铁。

《高强度高韧性热轧钢板及其生产方法》的微合金化高强度低合金控轧控冷钢钢板主要应用于输送管线、海洋平台、锅炉和压力容器、桥梁和工程机械等重要场合，因此具有良好的焊接性能，包括广泛的焊接工艺适应性，高抗裂纹性，适用于大线能量焊接。钢板焊接裂纹敏感性与焊接后自淬性有关，碳当量Ceq和裂纹敏感指数Pcm决定了钢板的淬硬倾向。由于微合金化高强度低合金控轧控冷钢成分设计简单，合金总量减少，特别是碳含量低，为提高该钢种的抗冷裂性提供了保证。为提高焊接效率，埋弧自动焊、气电焊（单丝、多丝、熔嘴）、电渣焊（KES、SES）广泛应用，随焊接线能量的增加对焊接热影响区韧性的损伤越来越明显。这就要求新型微合金钢能有效阻止HAZ晶粒粗化的技术。钢中氮化钛和其它的钛铌碳氮化物具有高温稳定性，对钉扎晶界、阻止晶粒长大的作用，能够使钢板承受的焊接线能量提高。

该发明的特点之二是采用了较低的碳当量Ceq和裂纹敏感指数Pcm，发明钢中的碳当量Ceq[＝C Mn/6 （Cr Mo V）/5 （Cu Ni）/15]不大于0.45，裂纹敏感指数Pcm[＝C Si/30 （Mn Cu Cr）/20 Ni/60 Mo/15 V/10 5B]不大于0.23。由于降低了冷裂纹的敏感性，在一定程度上简化了焊接工艺，减小了焊接加工的制造成本。同时微合金化也提高了焊接热影响区的综合性能，焊接线能量得以提高，可实现高效焊接。

该发明的高强度高韧性钢的热轧钢板的制造方法，轧制及冷却过程中的温度控制，采用坯料的平均温度作为最终的参考依据，坯料表面温度为参考量。钢板制造工艺设计中，利用流变应力随温度的变化，来精确把握再结晶区、非再结晶区及混晶区，从而得到比较精确的温度控制，达到温度控制轧制的目的。以往的工艺规定的钢板粗轧结束温度、精轧结束温度基本上都是表面温度控制，其温度控制往往受制于轧制过程中钢板的厚度变化，这样使得轧制的各个阶段比较难于把握；该发明则克服以上的缺点，采用钢板的平均温度作为控制轧制各阶段的起点和终点，消除厚度的影响，达到精确控制的目的。

在钢板轧后冷却方面，该发明的终止冷却温度控制范围在500-600摄氏度，充分利用高Nb对γ→α相变的延迟来获得更多的针状铁素体组织，以及这一终冷温度下仍能使固溶Nb继续析出而提高强度的特点，达到提高钢的强度和韧性的目的。这使得该发明既保证了钢板强度和韧性，又避免钢板冷却之后进行热矫所需的温度，降低热矫直机的负荷和矫直能耗。

高强度高韧性热轧钢板的具体制造方法，工艺步骤包括：按照权利要求1的成分进行配比备料、铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、RH（VD）处理、板坯连铸、板坯再加热、温度控制轧制、控制冷却、热矫直、冷床冷却、堆冷，温度轧制及冷却控制中，轧制过程中坯料的平均温度最有价值，利用表面测量温度受厚度的影响，以下温度控制皆为平均温度；板坯再加热温度控制在：1180-1260摄氏度；粗轧结束温度1100-1220摄氏度；精轧开始温度840-1000摄氏度，精轧阶段总的压缩比≥65％，其结束温度800-930摄氏度；终冷温度500-600摄氏度，冷却速率8-25摄氏度/秒。

采用以上合金成分和生产工艺生产的高强度高韧性可焊性的热轧钢板的宽度最大达4400毫米，厚度达42毫米。

以上所述高强度高韧性热轧钢板屈服强度大于500兆帕，抗拉强度大于630兆帕，屈强比小于0.90，延伸率大于23％（采用直径12.7毫米圆棒试验，标距50.8毫米）；—20摄氏度的V型缺口夏比冲击试验吸收功大于250焦，剪切面积大于90％；—20摄氏度落锤撕裂试验（DWTT）的剪切面积大于90％。

高强度高韧性热轧钢板及其生产方法实施案例

表1给出了《高强度高韧性热轧钢板及其生产方法》的高强度高韧性可焊性热轧钢板化学成分的8个实例。

表2给出了表1中所列8个不同成分钢板的主要控制控冷工艺轧制工艺参数。

在上述实施例中，这种热轧钢板的焊接工艺采用4丝埋弧焊，电流在450～1000安，电压在20～30伏之间，热输入45千焦/厘米，焊丝移动速度1.7米/分钟，一道填充。

表3给出了《高强度高韧性热轧钢板及其生产方法》强度高韧性钢板的焊缝及热影响区的力学性能测试结果。

表3：上述两种热轧钢板的焊缝及热影响区的拉伸断口及夏比冲击韧性值

硬度试验：在焊接横截面上进行硬度试验，硬度测试点焊接的接缝处。

2013年，《高强度高韧性热轧钢板及其生产方法》获得第八届江苏省专利项目奖优秀奖。

荣誉表彰

2014年11月6日，《HRB500E钒氮高强度抗震钢筋及其生产方法》获得第十六届中国专利优秀奖。

《微晶挤压设备及其生产方法》涉及一种用于金属挤压工艺的生产设备及其方法，更具体地说是指一种连续式的微晶挤压设备及其生产方法。

微晶挤压设备及其生产方法专利目的

《微晶挤压设备及其生产方法》的目的在于提供一种连续式的微晶挤压设备及其生产方法，该发明通过各生产工艺参数的调节，使金属始终处于一种较好的挤压状态，从而实现高效率高质量的连续式挤压生产。

微晶挤压设备及其生产方法技术方案

微晶挤压设备，包括机座、设于机座上的挤压轮和压实轮，机座内还设有挤压模腔，机座上设有与挤压模腔对接的活动式模具和用于驱动活动式模具的动力机构，动力机构设于活动式模具的挤出端；动力机构设有与机座联接的固定端和与止抵于活动式模具外侧的活动端，还包括与动力机构联接的动力源。

其进一步技术方案为：所述的动力机构为与机座固定联接的液压缸结构体，所述的动力源为与液压缸结构体液压传动联接的液压泵站；所述的液压缸结构体包括设有

环形油腔的缸体和设于环形油腔内的活塞，所述的缸体构成前述的固定端，所述的活塞构成前述的活动端；所述缸体包括位于外周的外缸部和位于中心的且用于套设活塞的轴部，所述轴部的中心设有用于穿过挤压金属料的中心穿孔，所述的活塞止抵于活动式模具的外侧，所述的缸体上设有与液压泵站联接的进油口。

其进一步技术方案为：所述的动力机构包括止抵于活动式模具外侧的滑动环体、与滑动环体旋转式活动联接的旋转环体、用于固定支撑旋转环体的外套部，及与旋转环体传动联接的减速机构，所述的滑动环体、旋转环体的中心设有用于穿过挤压金属料的中心穿孔，所述的外套部与机座固定联接，所述的旋转环体与外套部为螺纹式联接；所述的动力源为与减速机构传动联接的电机。

其进一步技术方案为：还包括控制器，及与控制器联接的用于检测挤压模腔压力的压力传感器、用于检测挤压模腔温度的温度传感器、用于检测活动式模具位移的位移传感器和用于驱动动力源的第一驱动电路；还包括与挤压轮传动联接的挤压电机，所述控制器还联接有用于驱动挤压电机的第二驱动电路。

其进一步技术方案为：还包括与控制器联接的电流传感器，所述的电流传感器与第二驱动电路电性联接。

其进一步技术方案为：还包括设于机座的挤出端的冷却水槽、冷却水泵和冷却水传感器，所述的冷却水泵、冷却水传感器与控制器电性联接。

微晶挤压的生产方法，该生产方法是：被挤压金属料通过挤压轮与压实轮之间的摩擦牵引送入挤压模腔内，在后端的金属料的连续挤压下从活动式模具中挤压出来；在生产过程中采集挤压模腔的压力和温度，通过控制器的计算，输入控制信号给第一驱动电路和第二驱动电路，进而调整活动式模具与挤压模腔的距离和挤压轮的进料速度。

其进一步技术方案为：所述的被挤压金属料为磷铜棒料，所述磷铜棒料的挤入直径为16～20毫米，挤出直径为10～45毫米；磷铜挤压时温度为510±30℃，活动式模具的挤出口的厚度为20～30毫米，挤出端的冷却水槽的温度为90±10℃，所需时间为0.5～2秒，其冷却速度为210～840度/秒；从而细化磷铜料的晶粒为5～20微米。

其进一步技术方案为：所述的挤压模腔的压力为800～1200兆帕，中心值为1000兆帕；活动式模具的行程范围为0～8毫米，中心值为4毫米；挤压轮的进料速度为9～14米/分钟，中心值为11米/分钟。

其进一步技术方案为：挤压生产过程中，控制器优先采集挤压模腔的压力参数，通过活动式模具优先将其调节为中心值，其次再采集挤压模腔的温度，再通过活动式模具的位移来将其调节为中心值，当活动式模具的调节已到达极限时，再通过第二驱动电路，调节挤压轮的旋转速度，进而调节进料速度；在控制过程中，为了兼顾挤压模腔的压力和温度，可以同时调节活动式模具的集位移和挤压的进料速度，优先调节活动式模具的位移。

微晶挤压设备及其生产方法改善效果

《微晶挤压设备及其生产方法》与2011年之前的技术相比的有益效果是：该发明挤压设备利用计算机构成的控制反馈回路，能对挤压过程中的各个工艺参数进行实时的检测并及时地进行调节，使金属料在挤压过程，始终处于一个较为理想的挤压压力和挤压温度下，从而能保证金属料被挤压之后的材料性能保证较好的一致性；其结构合理并且比较简单，操作维护方便，有利于减少人为因素对产品质量的影响，提高产品质量。采用该发明的微晶挤压方法生产出来的磷铜阳极，由于其生产过程是在密闭中利用摩擦和强变形加热，因此生产能耗低，铜杆不会被氧化，表面和内部的磷含量也没有散失。通过该发明挤压设备可以有效地实现连续性挤压，用于磷铜的挤压生产时，能将固定直径（比如φ16、φ20）的磷铜杆变成任意尺寸或形状的铜杆，不单能使大杆变小杆，还实现了小杆变大杆，为进一步生产大尺寸磷铜阳极铜球提供了条件。经金相分析，通过连续挤压技术生产出来的阳极磷铜杆的微观组织结构能优于传统的热处理及轧制的微晶状态，其晶体的颗粒更为细小、均匀。由于金属料在连续性的挤压过程中将其内部的晶体进行重组，并且是较高压力下进行的，从而改变了金属料内部晶体结构的紧密度；能改变金属料的强度和硬度等性能；当金属料为阳极磷铜杆时，挤压后的磷铜杆在电解过程中，能使铜离子的析出更为均匀；在阳极磷铜杆的使用过程中发现，挤压之后的阳极磷铜杆在电解过程中，其下方沉淀的铜粉末明显少于未经过微晶挤压的磷铜杆，并且相同大小的阳极磷铜杆，其使用过程中的利用率比未经过微晶挤压的阳极磷铜杆多2.5％-6％。