本發明屬于船板、海洋平臺等用微合金鋼生產技術領域，更具體地說，涉及一種用于大線能量焊接用微合金鋼及其生產方法，在大型造船、海洋石油鉆井平臺等大線能量焊接等生產領域具有廣闊的應用前景。
背景技術：
船板、海洋平臺等用微合金鋼通常采用大線能量焊接技術，而大線能量焊接時鋼板與焊接熔合線部分的低溫沖擊性能對于保證其安全使用及使用壽命至關重要。現有技術中，為了提高鋼板與焊接熔合線部分的低溫沖擊性能，在船板、海洋平臺等用微合金鋼生產過程中通常加入能夠提高低溫沖擊性能的v、nb、ni、al、ti等貴重微量元素，但其不足之處在于鋼中加入的微量元素v、nb、al、ti價格昂貴，從而使生產成本居高不下，同時al、ti屬活潑金屬元素，易與鋼中的氧反應生成高熔點氧化夾雜物，難以去除，污染鋼水，從而影響連鑄正常生產。
為了有效降低船板、海洋平臺等用微合金鋼生產成本，減少微量合金al、ti加入對鋼水質量的影響，同時又能有效地提高和改善大線能量焊接時，鋼板與焊接熔合線部分的低溫沖擊性能，國內北科大、東北大學等院校開始重點研究氧化物在鋼中的冶金作用。其主要作用機理是通過外加金屬鋯、鎳鎂合金，使其與鋼中的氧反應生成鋯、鎂的氧化物，在船板、海洋平臺等微合金鋼采用大線能量焊接時，鋼中的氧化鋯、氧化鎂能夠促使鋼板與焊接熔合線邊緣的鐵素體生成針狀鐵素鐵，抑制晶粒長大，從而有效改善和提高鋼板與焊接熔合線部分的低溫沖擊性能，減少微合金鋼中ni、nb、v等貴重合金用量，降低船板、海洋平臺等微合金鋼生產成本。但金屬鋯、鎳鎂合金價格高達10萬元/t以上，同時金屬鋯在使用過程易發生爆炸，存在安全隱患，從而限制了該項研究成果在實際生產中的推廣應用。
經大量實驗研究表明，金屬mg的氧化物具有金屬鋯、鎳鎂合金氧化物在船板、海洋平臺等微合金鋼采用大線能量焊接時，抑制鐵素體晶粒長大和促使針狀鐵素鐵生成，從而有效改善和提高鋼板與焊接熔合線部分低溫沖擊性能的作用，且相比金屬鋯、鎳鎂合金的價格，金屬mg價格更低，生產成本更低。但金屬mg的活潑性極強，其熔點和汽化點比金屬鈣更低，使用過程中與鋼水反應更加激烈，產生噴濺更嚴重，同時鋼水中mg含量的控制難度更大，從而限制了金屬mg的使用功效，這也是目前導致金屬mg未能在船板、海洋平臺等微合金鋼生產中推廣使用的主要原因。
基于以上問題，國內外已有大量研究者將研究方向轉為微合金鋼的鎂合金化處理方面，以期通過該手段在有效降低生產成本的基礎上，提高微合金鋼在大線能量焊接時的低溫沖擊韌性。如，中國專利申請號為201210284441.x的申請案公開了一種可大熱輸入焊接的低溫鋼板的生產方法，該申請案的生產方法包括：鐵水預處理→復吹轉爐冶煉→lf精煉→rh精煉→喂絲→連鑄，lf精煉造白渣，鈦鐵在rh工位加入，待鋼水溫度達到1570～1600℃和鋼水溶解氧含量達到20～80ppm后，破空并向鋼水中以4～6米/秒的速度喂入200～400米鎂合金或鈣合金包芯線，經連續鑄造得到連鑄坯，連鑄坯經再加熱保溫后，通過控制軋制和控制冷卻，即可得到可大熱輸入焊接的低溫鋼板。該鋼板低溫韌性優異，-80℃夏比沖擊功>47j，經熱輸入量500～600kj/cm焊接后熱影響區的-60℃夏比沖擊功>47j，可廣泛適用于船舶、低溫壓力容器、海洋平臺等能源建設工程領域。
又如，中國專利申請號為201610532109.9的申請案公開了一種螢石-鎂粒包芯線及應用和大線能量焊接用鋼生產工藝，該申請案的包芯線包括外層和包芯，外層為低碳鋼，厚度為0.5～1.0mm，包芯為緩釋鈍化鎂粒，包芯包括緩釋劑及鈍化鎂粒，緩釋劑為螢石，緩釋劑占包芯含量的5～90％，鈍化鎂粒占包芯含量的10～95％，將該申請案的包芯線喂入鋼液中可有效減少鎂的汽化損耗，有利于提高鋼水中鎂的吸收率，實現鎂含量的精確控制。但上述兩申請案中鎂的損耗仍相對較多，噴濺嚴重，且含鎂包芯線的喂線量較大。
技術實現要素：
1.發明要解決的技術問題
本發明的目的在于克服現有船板、海洋平臺等用微合金鋼的生產成本相對較高，且采用大線能量焊接時，鋼板與焊接熔合線部分的低溫沖擊性能難以滿足使用要求的不足，提供了一種用于大線能量焊接用微合金鋼的生產方法。采用本發明的生產方法生產所得微合金鋼能夠滿足大線能量焊接時對鋼板與焊接熔合線部分低溫沖擊性能的要求，且其生產成本較低，便于推廣應用。
2.技術方案
為達到上述目的，本發明提供的技術方案為：
本發明的一種用于大線能量焊接用微合金鋼的生產方法，包括轉爐煉鋼、lf鋼包爐或vd爐精煉及軋制工藝，lf鋼包爐或vd爐精煉完畢出站前，定氧，將鋼水中[o]控制在20-45ppm，然后喂入almg合金包芯線，喂線量控制在0.10-1.65m/t，喂線速度控制在2.5-3m/s，喂線過程進行吹氬攪拌5-7分鐘，喂完線后繼續吹氬攪拌1-2分鐘。
更進一步的，almg合金包芯線喂線過程采用正常吹氬量的60-80％進行吹氬攪拌，喂完線后采用正常吹氬量的20-30％進行吹氬攪拌。
更進一步的，控制轉爐煉鋼工藝的出鋼終點c≧0.06％、溫度≧1670℃。
更進一步的，almg合金包芯線喂線結束后，所得鋼水中[mg]含量為20-35ppm。
更進一步的，所述的almg合金包芯線以金屬鎂絲為內芯，鎂絲外層依次包覆有鋁帶和低碳鋼帶。
更進一步的，所述almg合金包芯線的直徑為9-13mm，金屬鎂絲的直徑為4-6mm，所用鋁帶厚度為0.5-1mm，低碳鋼帶厚度為0.34-0.45mm。
更進一步的，所述包芯線中al、mg合金成分按重量百分比al占60-80％，mg占20-40％。
更進一步的，所述包芯線的喂線量控制在0.8-1.5m/t。
更進一步的，當所述微合金鋼用作船板鋼時，在目標冶煉成份為c0.12-0.14％、si0.20-0.4％、mn1.40-1.60％、als0.020-0.050％、ti0.010-0.020％、v0.030-0.04％、nb0.035-0.05％、ni0.028-0.035％的基礎上，將v、nb、ni分別降到0.030-0.04％、0.020-0.035％和0.018-0.030％，并取消鋼中ti量。
更進一步的，當所述微合金鋼用作海洋平臺時，在目標冶煉成份為c0.09-0.12％、si0.15-0.3％、mn1.10-1.25％、als0.020-0.050％、ti0.008-0.020％、nb0.015-0.025％、ni0.1-0.2％的基礎上，將nb、ni分別降到0.010-0.015、0.070-0.09％。
3.有益效果
采用本發明提供的技術方案，與現有技術相比，具有如下顯著效果：
(1)本發明的一種用于大線能量焊接用微合金鋼的生產方法，在lf鋼包爐或vd爐精煉結束后，向鋼液中喂入almg合金包芯線，從而一方面可以有效避免金屬鎂與鋼水過早反應產生的汽化、噴濺現象，另一方面可以將鋼液中鎂的添加量精確控制在特定范圍，進而能夠顯著提高采用大線能量焊接時鋼板與焊接熔合線部分的低溫沖擊性能，保證船板、海洋平臺等微合金鋼的使用性能，并減少微合金鋼中ni、nb、v等貴重合金用量，經濟效益顯著。
(2)本發明的一種用于大線能量焊接用微合金鋼的生產方法，控制轉爐煉鋼工藝的出鋼終點c≧0.06％、溫度≧1670℃，lf鋼包爐或vd爐精煉完畢出站前，將鋼水中[o]控制在20-45ppm，且almg合金包芯線喂線過程采用正常吹氬量的60-80％進行吹氬攪拌，喂完線后采用正常吹氬量的20-30％進行吹氬攪拌，通過對鋼水氧化性、吹氬攪拌及鋼水中氧含量等條件進行嚴格控制，從而能夠精確控制鋼水中的mg含量，進一步保證所得產品的大線能量焊接性能，保證鋼水中生成的鎂氧化物具有相同使用功效的前提下，相對于金屬鋯、鎳鎂合金具有不可比擬的成本優勢。
(3)本發明的一種用于大線能量焊接用微合金鋼的生產方法，通過對almg合金包芯線中的al、mg含量配比及包芯線的喂線量、喂線速度進行嚴格控制，從而可以進一步減少mg的汽化、噴濺，將鋼水中[mg]含量精確控制在20-35ppm，保證鋼水的鎂合金化效果，并防止過多的鋁進入鋼水中形成氧化鋁夾雜，對鋼水質量產生影響。在鋼包底吹氬氣的強烈攪拌作用下，金屬[mg]能夠充分與鋼水中的[o]發生氧化反應，生成超細納米級氧化鎂并均勻分布在鋼水中，保證鋼板與焊接熔合線部分的低溫沖擊性能滿足大線能量焊接需求。同時，采用本發明的技術方案，包芯線的喂線量相對較小。
具體實施方式
本發明的一種用于大線能量焊接用微合金鋼的生產方法，包括轉爐煉鋼、lf鋼包爐或vd爐精煉及軋制工藝。控制轉爐煉鋼工藝的出鋼終點c≧0.06％、溫度≧1670℃；lf鋼包爐或vd爐精煉完畢出站前，定氧，將鋼水中[o]控制在20-45ppm，然后喂入almg合金包芯線，喂線量控制在0.10-1.65m/t，喂線速度控制在2.5-3m/s，喂線過程采用正常吹氬量的60-80％進行吹氬攪拌5-7分鐘，喂完線后采用正常吹氬量的20-30％進行吹氬攪拌1-2分鐘。值得說明的是，由于鋼包大小不同，鋼廠不同，其吹氬量也有所不同。本發明限定正常吹氬量如下：50-100t鋼包的正常吹氬量為300l/min，100-200t鋼包的正常吹氬量為400l/min，200-300t鋼包的正常吹氬量為500l/min，300-400t鋼包的正常吹氬量為600l/min，以此類推。本發明的almg合金包芯線以金屬鎂絲為內芯，鎂絲外層依次包覆有鋁帶和低碳鋼帶，其中，金屬鎂絲的直徑為4-6mm，所用鋁帶厚度為0.5-1mm，低碳鋼帶厚度為0.34-0.45mm，almg合金包芯線的直徑為9-13mm，且包芯線中al、mg合金成分按重量百分比al占60-80％，mg占20-40％(此處是以al、mg質量百分比之和為100％計)。喂線結束后，所得鋼水中[mg]含量為20-35ppm。
針對現有微合金鋼生產所存在的生產成本較高、生產所得微合金鋼在大線能量焊接時的低溫沖擊韌性較差的問題，本發明通過向鋼液中喂入almg合金包芯線，并對almg合金包芯線中的al、mg含量，喂線速度，喂線量及鋼水中的[o]含量、吹氬攪拌工藝進行嚴格控制，將鋼水中的[mg]含量精確控制在20-35ppm，從而可以顯著提高所得微合金鋼在大線能量焊接時的低溫沖擊性能，并降低微合金鋼中的微量合金元素含量，使生產成本大大降低。向鋼水中喂入almg合金包芯線時，金屬鎂線外層鋁帶能有效地保護合金包芯線在喂入鋼水過程不受鋼水中氧的影響，減緩金屬mg與鋼水過早反應產生的汽化、噴濺，有利于實現鋼水中鎂含量的精確控制；同時鎂線外層鋁帶還可以對鋼水進行進一步脫氧處理，防止喂線之前鋼水中脫氧不充分，進一步保證了金屬鎂進入鋼水后的處理效果。值得說明的是，本發明所用almg合金包芯線中的al、mg含量百分比的控制對最終所得產品的性能至關重要，當al含量過低時，達不到保護鎂的效果，而當al含量過高時，會造成鋼水污染，產生al2o3夾雜，影響鋼水質量。發明人通過大量實驗研究發現，通過控制重量百分比al為60-80％，mg為20-40％，并配合適當的喂線工藝、吹氬工藝和氧氣氛，從而可以有效保護金屬鎂，減少鎂的損耗，進而有助于將鋼水中的[mg]含量精確控制在20-35ppm，保證所得微合金鋼產品的低溫沖擊韌性，，能夠有效滿足船板、海洋平臺等對大線能量焊接的要求。
具體的，在控制合適吹氬強度的攪拌作用下，上述鋼水中的[mg]充分與鋼水中的[o]發生氧化反應，生成的超細納米級氧化鎂均勻分布在鋼水中，利用氧化物冶金作用，在船板、海洋平臺等微合金鋼采用大線能量焊接時，鋼中的氧化鎂在高能量焊接時，能夠促使鋼板與焊接熔合線邊緣的鐵素體生成針狀鐵素鐵，抑制晶粒度長大，從而有效改善和提高鋼板與焊接熔合線部分的低溫沖擊性能，減少微合金鋼中ni、nb、v等貴重合金用量，可降低微合金鋼生產成本元10-30/t，經濟效益顯著。
為進一步了解本發明的內容，現結合具體實施例對本發明作詳細描述。
實施例1
本實施例的一種用于大線能量焊接用微合金鋼的生產方法，包括轉爐煉鋼、lf鋼包爐精煉及軋制工藝。將金屬mg擠壓成ф4mm金屬鎂線，外層包覆一層厚度為0.5mm的金屬鋁帶，再用厚度0.45mm的低碳鋼帶緊密包覆成直徑為ф9mm的almg合金包芯線，合金包芯線中按重量百分比al占60％，mg占40％。采用本實施例的方法生產e36船板鋼時，在目標冶煉成份控制c0.13％、si0.3％、mn1.60％、als0.020％、ti0.01％、v0.05％、nb0.05％、ni0.035％基礎上，將v、nb、ni分別降到0.030％、0.035％、0.025％，取消鋼中ti量，控制轉爐終點c≧0.06％、終點溫度≧1670℃，并嚴格控制轉爐下渣及鋼水氧化性，將鋼水中[o]控制在20ppm，然后喂入almg合金包芯線，喂線量精準控制在1.5m/t，喂線速度控制在2.5m/秒，從而可以減少mg的汽化損耗及鋼水噴濺。喂線過程采用正常吹氬量的70％吹氬攪拌6分鐘，喂完線后采用正常吹氬量的20％吹氬弱攪拌2分鐘，鋼水中[mg]目標控制35ppm。本實施例鋼包大小為75t，喂線過程控制吹氬量為210l/min，喂完線后吹氬量為60l/min。采用本實施例的生產方法，在減少微量合金元素添加量的基礎上，仍能夠有效保證所得微合金鋼的低溫沖擊韌性，使其滿足大線能量焊接需求。e36船板鋼板板材厚度33mm，采用130kj/cm大線能量焊接時，鋼板與焊接熔合線+1mm1/4處-40℃沖擊達到190j，在保證板材質量及力學性能的前提下，可降低合金成本8-12.5元/t。
實施例2
本實施例的一種用于大線能量焊接用微合金鋼的生產方法，包括轉爐煉鋼、lf鋼包爐精煉及軋制工藝。將金屬mg擠壓成ф6mm金屬鎂線，外層包覆一層1mm的金屬鋁帶，再用厚度0.34mm的低碳鋼帶緊密包覆成直徑為ф13mm的almg合金包芯線，合金包芯線中按重量百分比al占80％，mg占20％。采用本實施例的方法生產e36船板鋼時，在目標冶煉成份控制c0.14％、si0.4％、mn1.40％、als0.050％、ti0.020％、v0.06％、nb0.035％、ni0.028％基礎上，將v、nb、ni分別降到0.04％、0.020％、0.018％，取消鋼中ti量，控制轉爐終點c≧0.06％、終點溫度≧1670℃，并嚴格控制轉爐下渣及鋼水氧化性，將鋼水中[o]控制在45ppm，然后喂入almg合金包芯線，喂線量精準控制在0.8m/t，喂線速度控制在3m/秒，從而可以減少mg的汽化損耗及鋼水噴濺。喂線過程采用正常吹氬量的80％吹氬攪拌5分鐘，喂完線后采用正常吹氬量的30％吹氬弱攪拌1分鐘，鋼水中[mg]目標控制20ppm。本實施例鋼包大小為180t，喂線過程控制吹氬量為320l/min，喂完線后吹氬量為120l/min。e36船板鋼板板材厚度35mm，采用140kj/cm大線能量焊接時，鋼板與焊接熔合線+1mm1/4處-40℃沖擊達到150j，在保證板材質量及力學性能的前提下，可降低合金成本8-12.5元/t。
實施例3
本實施例的一種用于大線能量焊接用微合金鋼的生產方法，包括轉爐煉鋼、lf鋼包爐精煉及軋制工藝。將金屬mg擠壓成ф5mm金屬鎂線，外層包覆一層0.7mm的金屬鋁帶，再用厚度0.4mm的低碳鋼帶緊密包覆成直徑為ф11mm的almg合金包芯線，合金包芯線中按重量百分比al占72％，mg占28％。采用本實施例的方法生產e36船板鋼時，在目標冶煉成份控制c0.12％、si0.20％、mn1.50％、als0.040％、ti0.010％、v0.05％、nb0.04％、ni0.032％基礎上，將v、nb、ni分別降到0.035％、0.030％、0.020％，取消鋼中ti量，控制轉爐終點c≧0.06％、終點溫度≧1670℃，并嚴格控制轉爐下渣及鋼水氧化性，將鋼水中[o]控制在30ppm，然后喂入almg合金包芯線，喂線量精準控制在1.2m/t，喂線速度控制在2.8m/秒，從而可以減少mg的汽化損耗及鋼水噴濺。喂線過程采用正常吹氬量的60％吹氬攪拌7分鐘，喂完線后采用正常吹氬量的25％吹氬弱攪拌2分鐘，鋼水中[mg]目標控制28ppm。本實施例鋼包大小為210t，喂線過程控制吹氬量為300l/min，喂完線后吹氬量為125l/min。e36船板鋼板板材厚度30mm，采用130kj/cm大線能量焊接時，鋼板與焊接熔合線+1mm1/4處-40℃沖擊達到180j，在保證板材質量及力學性能的前提下，可有效降低合金成本8-12.5元/t。
實施例4
本實施例的一種用于大線能量焊接用微合金鋼的生產方法，采用該方法生產e36船板鋼時，其工藝基本同實施例1，區別主要在于：所用almg合金包芯線中，按重量百分比al占75％，mg占25％；鋼水中[o]控制在35ppm，almg合金包芯線的喂線量為0.10-1.65m/t，鋼水中[mg]目標控制30ppm。e36船板鋼板板材厚度30mm，采用150kj/cm大線能量焊接時，鋼板與焊接熔合線+1mm1/4處-40℃沖擊達到130j，在保證板材質量及力學性能的前提下，可降合金成本約10.0元/t。
實施例5
采用本實施例的用于大線能量焊接用微合金鋼的生產方法生產hye海洋平臺時，將金屬mg擠壓成ф4mm的金屬鎂線，外層包覆一層0.5mm的金屬鋁帶，再用厚度0.45mm的低碳鋼帶緊密包覆成直徑為ф9mm的almg合金包芯線，合金包芯線中，按重量百分比al占60％，mg占40％。在目標冶煉成份控制c0.10％、si0.22％、mn1.25％、als0.050％、ti0.015％、nb0.015％、ni0.1％基礎上，將nb、ni分別降到0.010、0.070％，轉爐終點c≧0.06％、終點溫度≧1670℃，嚴格控制轉爐下渣及鋼水氧化性，將鋼水中[o]控制在45ppm，然后喂入almg合金包芯線，喂線量精準控制在0.10m/t，喂線速度控制在3m/秒，喂線過程采用正常吹氬量的60％吹氬攪拌5分鐘，喂完線后吹氬弱攪拌2分鐘，鋼水中[mg]目標控制35ppm。hye海洋平臺厚度30mm，采用150kj/cm大線能量焊接時，鋼板與焊接熔合線+1mm1/4處-40℃沖擊達到140j，在保證板材質量及力學性能的前提下，可降合金成本約13.0元/t。
實施例6
采用本實施例的用于大線能量焊接用微合金鋼的生產方法生產hye海洋平臺時，將金屬mg擠壓成ф6mm的金屬鎂線，外層包覆一層1mm的金屬鋁帶，再用厚度0.35mm的低碳鋼帶緊密包覆成直徑為ф13mm的almg合金包芯線，合金包芯線中，按重量百分比al占75％，mg占25％。在目標冶煉成份控制c0.12％、si0.3％、mn1.10％、als0.020％、ti0.020％、nb0.025％、ni0.2％基礎上，將nb、ni分別降到0.014、0.09％，轉爐終點c≧0.06％、終點溫度≧1670℃，嚴格控制轉爐下渣及鋼水氧化性，將鋼水中[o]控制在35ppm，然后喂入almg合金包芯線，喂線量精準控制在0.5m/t，喂線速度控制在2.8m/秒，喂線過程采用正常吹氬量的80％吹氬攪拌7分鐘，喂完線后吹氬弱攪拌1分鐘，鋼水中[mg]目標控制30ppm。hye海洋平臺厚度33mm，采用150kj/cm大線能量焊接時，鋼板與焊接熔合線+1mm1/4處-40℃沖擊達到125j。
實施例7
采用本實施例的用于大線能量焊接用微合金鋼的生產方法生產hye海洋平臺時，將金屬mg擠壓成ф4mm的金屬鎂線，外層包覆一層0.5mm的金屬鋁帶，再用厚度.45mm的低碳鋼帶緊密包覆成直徑為ф9mm的almg合金包芯線，合金包芯線中，按重量百分比al占70％，mg占20％。在目標冶煉成份控制c0.09％、si0.15％、mn1.20％、als0.035％、ti0.008％、nb0.020％、ni0.2％基礎上，將nb、ni分別降到0.017、0.08％，轉爐終點c≧0.06％、終點溫度≧1670℃，嚴格控制轉爐下渣及鋼水氧化性，將鋼水中[o]控制在40ppm，然后喂入almg合金包芯線，喂線量精準控制在1.65m/t，喂線速度控制在2.5m/秒，喂線過程采用正常吹氬量的70％吹氬攪拌6分鐘，喂完線后吹氬弱攪拌1分鐘，鋼水中[mg]目標控制32ppm。hye海洋平臺厚度30mm，采用150kj/cm大線能量焊接時，鋼板與焊接熔合線+1mm1/4處-40℃沖擊達到132j。