CN102127719B - 屈服强度500MPa级海洋平台结构用厚钢板及制造方法 - Google Patents

Abstract

一种屈服强度500MPa级海洋平台结构用厚钢板及其制造方法，属于轧钢技术领域。该钢板的化学成分按质量百分比为：C：0.05~0.09%，Si：0.25~0.38%，Mn：1.3~1.8%，P：≤0.006%，S：≤0.002%，Al：0.02~0.04%，Cr：0.15~0.25%，Ni：0.2~1.0%，Cu：0.18~0.25%，Mo：0.15~0.20%，V：0.025~0.040%，Ti：0.01~0.02%，Nb：0.06~0.08%，余量为Fe。制造工艺为：原料经过冶炼，连铸成坯料，将坯料加热，在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行两阶段控制轧制；轧后进行两相区淬火和高温回火热处理。本发明能显著改善钢板厚度方向显微组织不均的问题，钢板具有较好的低温冲击韧。

Description

屈服强度500MPa级海洋平台结构用厚钢板及制造方法

技术领域

本发明属于轧钢技术领域，特别涉及一种屈服强度500MPa级海洋平台结构用厚钢板的制造方法。

背景技术

造船用钢一般是指按船级社建造规范要求生产的用于制造船体结构的钢材，目前我国几大钢铁企业均有生产，而且可以按照用户需要生产不同国家规范的船用钢材。船体结构用钢按照其最小屈服点划分强度级别为：一般强度结构钢和高强度结构钢。中国船级社规范标准的一般强度结构钢分为：A、B、D、E四个质量等级；中国船级社规范标准的高强度结构钢分为三个强度级别，每一强度级别按冲击韧性分为四个等级：A32、A36、A40、D32、D36、D40、E32、E36、E40、F32、F36、F40共12级。为保证船舶的安全性和可靠性，各国船级社对不同规格、牌号船板的化学成分、机械性能和交货状态都有严格的规定，同时还要求各牌号的钢板具有良好的焊接性能和耐海水腐蚀性能。

我国目前尚无专用的海洋平台用钢标准，所用平台钢大多采用美国海洋结构用钢API规范，或由船用钢、压力容器用钢等移植而来，并且要满足我国海上固定(移动)平台入级与建造规范的要求。海洋平台的服役环境恶劣，除承受重力载荷外，还要考虑到风载荷、波浪载荷、海流载荷、冰载荷、地震载荷等的影响，这就决定了海洋平台用钢的特殊性，特别是平台节点用Z向钢要求高强度、高韧性、抗疲劳、耐腐蚀、抗层状撕裂以及可焊性好等性能。近年来，市场对于高强度、厚规格海洋平台用钢的需求越来越大，而我国在这方面的技术能力还比较落后，迫切需要研发系列拥有自主知识产权的高强度、高韧性、厚规格的海洋平台用钢，这对于充分利用我国海域资源，实现国家的能源战略也具有深远的意义。

在厚度大于60mm，屈服强度大于500MPa的F级海洋平台钢的生产中，若只采用TMCP(Thermo-mechanical Control Process：热机械轧制工艺)技术，一方面，易受到轧机设备能力的限制，难以保证足够的道次下压量，对强度和韧性都有损害；另一方面，受到冷却设备能力的限制，冷却速率难以保证，从而极易造成厚度方向显微组织不均匀，以致难以获得较好的抗层状撕裂性能与低温韧性。因此，在上述海洋平台钢的工业化生产中，合理的热处理工艺的应用是十分必要的。

相关专利的申请：

(1)、公开号为JP6240355A，发明名称为“高韧性TMCP型厚钢板的制造方法”的日本专利公开文本，其合金设计成分简单，只要求C含量为0.1wt％以下，但是在TMCP工艺中的变形量及温度参数要求过于严格，对设备能力要求较高。

(2)、公开号为CN101514424A，发明名称为“一种TMCP型海洋结构用厚板及其制造方法”的中国专利公开文本，对于60mm以下D40、E40船体结构及海洋平台用厚板提供了低成本TMCP生产方法，但是对于60mm以上高强度、厚规格钢板的生产并未提及。

(3)、公开号为CN101358320A，发明名称为“控轧控冷海洋平台用钢及其生产方法”的中国专利公开文本，轧制钢板厚度为10～60mm，同样未提及60mm以上海洋平台用钢及制造方法。

(4)、公开号为CN101613828A，发明名称为“屈服强度460MPa级低屈强比建筑用特厚钢板及其制造方法”，采用中碳(碳含量为0.14～0.18％)成分体系，调质工艺生产80mm以上特厚钢板，只保证了-20℃以下的低温冲击韧性，对于如何保证-60℃及-60℃以下的低温韧性并未提及。

发明内容

针对现有技术存在的问题，为解决厚规格海洋平台结构用钢板的生产问题，本发明提供了一种屈服强度500MPa级海洋平台结构用厚钢板及其制造方法。本发明在低C、高Mn的基础上，复合添加Nb、V、Ti等微合金元素，并且为改善钢板低温韧性添加适量的Ni元素，结合TMCP工艺控制及亚温淬火和回火的热处理工艺，设计出了一种高强度、高韧性、厚规格海洋平台用钢，并提供了所述钢板的制造方法。

本发明的屈服强度500MPa级海洋平台结构用厚钢板，其化学成分按质量百分比为：C：0.05～0.09wt％，Si：0.25～0.38wt％，Mn：1.3～1.8wt％，P：≤0.006wt％，S：≤0.002wt％，Al：0.02～0.04wt％，Cr：0.15～0.25wt％，Ni：0.2～1.0wt％，Cu：0.18～0.25wt％，Mo：0.15～0.20wt％，V：0.025～0.040wt％，Ti：0.01～0.02wt％，Nb：0.06～0.08wt％，余量为Fe。

本发明钢板的部分成分范围限定理由说明：

C：是钢中最经济、最基本的强化元素，通过固溶强化和析出强化作用可以提高钢的强度，但是碳对于焊接性有着不良的影响，含碳量愈高，熔点愈低；含碳愈低，熔点愈高，因此近代钢的发展是一个不断降碳的过程。本发明中采用碳含量0.05～0.09wt％的超低碳成分。

Mn：可以溶入铁素体，提高钢的强度和硬度，还能与S形成MnS，以消除S的有害作用。工业用钢一般都含有一定数量的Mn，它能消除或者减弱钢因S所引起的热脆性，从而改善钢的热加工性能。Mn也强烈增加钢的淬透性。本发明中锰含量控制为1.3～1.8wt％。

S、P：是钢中不可避免会存在的有害元素，需要在炼钢过程中严格控制其含量。本发明控制P≤0.006wt％，S≤0.002wt％。

Cr：能显著改善钢的抗氧化作用，增加钢的耐蚀能力。可以提高钢的淬透性，使钢经过淬火、回火处理后具有较高的综合力学性能。本发明中将Cr含量控制为0.15～0.25wt％。

V：细化钢的组织和晶粒，提高晶粒粗化温度，从而降低钢的过热敏感性，并且可以提高钢的强度和韧性，还可以增加淬火钢的回火稳定性，并产生二次硬化效应。本发明中控制V含量为0.025～0.040wt％。

Ni：是形成稳定奥氏体的主要元素，由于可以降低临界转变温度和降低钢中各元素的扩散速度，因而可以提高钢的淬透性。同时，可以显著改善钢的低温韧性，提高钢的回火稳定性。Ni对酸、碱、盐以及大气都有一定的耐蚀能力。本发明中控制Ni含量为0.2～1.0wt％。

本发明屈服强度500MPa级海洋平台结构用厚钢板的制造方法，包括冶炼、连铸、轧制、淬火和回火等工序：

(1)、冶炼：以C、Si、P、S、Mn、Al、Nb、V、Ti、Cu、Cr、Ni、Mo和Fe为原料，进行冶炼；

(2)、连铸：经冶炼后连铸成坯料；

(3)、轧制：将坯料加热至1150～1210℃后，进行两阶段轧制，即在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行两阶段控制轧制，粗轧阶段开轧温度为1050～1100℃，粗轧阶段终轧温度为1050～1080℃，粗轧压下量控制为20～25％，粗轧与精轧之间采用空冷待温，精轧阶段开轧温度为870～890℃，精轧阶段终轧温度为810～850℃，精轧压下量控制为15～20％，粗轧和精轧各道次间均采用空冷，轧后以10～13℃/s的冷却速率冷至500～600℃，之后空冷至室温；

(4)、淬火：轧后板材进行γ+α两相区淬火，将轧态厚板加热至两相区820～860℃保温，保温时间系数选用1～3min/mm，之后进行淬火，淬火介质为常温水；

(5)、回火：板材淬火后进行回火热处理，在500～600℃回火，回火时间系数选用1～3min/mm。

本发明解决了高级别海洋平台用钢生产过程中的两个关键技术难题：(1)低压缩比控轧条件下，采用γ+α两相区淬火与高温回火相配合的亚温调质热处理工艺，保证了钢板的高强度与高韧性；(2)显著改善了厚钢板心部的低温冲击韧性。

本发明可制造60mm厚屈服强度为500MPa级海洋平台结构用钢，钢板具有较高的低温冲击韧性(钢板厚度方向1/4处-60℃和-80℃的横向夏比冲击功均可达到150J以上，厚度方向1/2处可达70J以上)。本发明还显著改善了厚度大于60mm屈服强度为500MPa级海洋平台结构用钢厚度方向显微组织不均的问题。

附图说明

图14％硝酸酒精溶液腐蚀的本发明实施例钢板经γ+α两相区淬火后厚度1/4处的金相照片；

图2用Lepera试剂腐蚀的本发明实施钢板经γ+α两相区淬火后厚度1/4处的金相照片；

图3 4％硝酸酒精溶液腐蚀的本发明海洋结构用钢厚度1/4处的金相照片。

具体实施方式

实施例1

海洋平台结构用厚钢板的化学成分按质量百分比为：C：0.07wt％，Si：0.32wt％，Mn：1.5wt％，P：≤0.006wt％，S：≤0.002wt％，Al：0.03wt％，Cr：0.20wt％，Ni：0.60wt％，Cu：0.21wt％，Mo：0.18wt％，V：0.032wt％，Ti：0.015wt％，Nb：0.07wt％，余量为Fe。

钢板的制造方法为：以C、Si、Mn、P、S、Al、Nb、V、Ti、Cu、Cr、Ni、Mo和Fe为原料，经过冶炼，并连铸成坯料，将坯料加热至1180℃后，进行两阶段轧制，轧后进行两相区淬火和高温回火热处理，获得屈服强度为500MPa级海洋平台结构用厚板。

上述的两阶段轧制，即在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行两阶段控制轧制，粗轧阶段开轧温度为1080℃，粗轧阶段终轧温度为1065℃，粗轧压下量控制为22％，粗轧与精轧之间采用空冷待温，精轧阶段开轧温度为880℃，精轧阶段终轧温度为830℃，精轧压下量控制为18％，粗轧和精轧各道次间均采用空冷，轧后以12℃/s的冷却速率冷至550℃，之后空冷至室温。

上述的γ+α两相区淬火和高温回火热处理，是指将轧态厚板加热至两相区840℃保温，保温时间系数选用2min/mm，之后进行淬火，淬火介质为常温水，然后进行550℃回火，回火时间系数选用2min/mm。

所制备的海洋平台结构用厚钢板屈服强度为550MPa。

实施例2

海洋平台结构用厚钢板的化学成分按质量百分比为：C：0.09wt％，Si：0.38wt％，Mn：1.8wt％，P：≤0.006wt％，S：≤0.002wt％，Al：0.04wt％，Cr：0.25wt％，Ni：1.0wt％，Cu：0.25wt％，Mo：0.20wt％，V：0.040wt％，Ti：0.01wt％，Nb：0.06wt％，余量为Fe。

本发明钢板的制造方法为：以C、Si、Mn、P、S、Al、Nb、V、Ti、Cu、Cr、Ni、Mo和Fe为原料，经过冶炼，并连铸成坯料，将坯料加热至1210℃后，进行两阶段轧制，轧后进行两相区淬火和高温回火热处理，获得屈服强度为500MPa级海洋平台结构用厚板。

上述的两阶段轧制，即在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行两阶段控制轧制，粗轧阶段开轧温度为1100℃，粗轧阶段终轧温度为1080℃，粗轧压下量控制为25％，粗轧与精轧之间采用空冷待温，精轧阶段开轧温度为890℃，精轧阶段终轧温度为850℃，精轧压下量控制为20％，粗轧和精轧各道次间均采用空冷，轧后以13℃/s的冷却速率冷至500℃，之后空冷至室温。

上述的γ+α两相区淬火和高温回火热处理，是指将轧态厚板加热至两相区860℃保温，保温时间系数选用3min/mm，之后进行淬火，淬火介质为常温水，然后进行600℃回火，回火时间系数选用3min/mm。

所制备的海洋平台结构用厚钢板屈服强度为560MPa。

实施例3

海洋平台结构用厚钢板的化学成分按质量百分比为：C：0.05wt％，Si：0.25wt％，Mn：1.3wt％，P：≤0.006wt％，S：≤0.002wt％，Al：0.02wt％，Cr：0.15wt％，Ni：0.20wt％，Cu：0.18wt％，Mo：0.15wt％，V：0.025wt％，Ti：0.02wt％，Nb：0.08wt％，余量为Fe。

本发明钢板的制造方法为：以C、Si、Mn、P、S、Al、Nb、V、Ti、Cu、Cr、Ni、Mo和Fe为原料，经过冶炼，并连铸成坯料，将坯料加热至1150℃后，进行两阶段轧制，轧后进行两相区淬火和高温回火热处理，获得屈服强度为500MPa级海洋平台结构用厚板。

上述的两阶段轧制，即在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行两阶段控制轧制，粗轧阶段开轧温度为1050℃，粗轧阶段终轧温度为1050℃，粗轧压下量控制为20％，粗轧与精轧之间采用空冷待温，精轧阶段开轧温度为870℃，精轧阶段终轧温度为810℃，精轧压下量控制为15％，粗轧和精轧各道次间均采用空冷，轧后以10℃/s的冷却速率冷至600℃，之后空冷至室温。

上述的γ+α两相区淬火和高温回火热处理，是指将轧态厚板加热至两相区820℃保温，保温时间系数选用1min/mm，之后进行淬火，淬火介质为常温水，然后进行500℃回火，回火时间系数选用1min/mm。

所制备的海洋平台结构用厚钢板屈服强度为540MPa。

Claims (2)

1.一种屈服强度500MPa级海洋平台结构用厚钢板的制备方法，包括冶炼连铸，经冶炼后连铸成坯料，然后按以下步骤进行：

（1）、轧制：将坯料加热至1150~1210℃后，进行两阶段轧制，即在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行两阶段控制轧制，进行粗轧和精轧，轧后以12~13℃/s的冷却速率冷至500~600℃，之后空冷至室温；

（2）、淬火：轧后板材进行γ+α两相区淬火，将轧态厚板加热至两相区820~860℃保温，保温时间系数选用1~3min/mm，之后进行淬火，淬火介质为常温水；

（3）、回火：板材淬火后进行回火热处理，在500~600℃回火，回火时间系数选用1~3min/mm，制得的钢板化学成分按质量百分比为：C：0.05~0.09wt%，Si：0.25~0.38wt%，Mn：1.3~1.8wt%，P：≤0.006wt%，S：≤0.002wt%，Al：0.02~0.04wt%，Cr：0.15~0.25wt%，Ni：0.6~1.0wt%，Cu：0.18~0.25wt%，Mo：0.15~0.20wt%，V：0.025~0.040wt%，Ti：0.01~0.02wt%，Nb：0.06~0.08wt%，余量为Fe；钢板厚度≥60mm，该钢板低温韧性：在钢板厚度方向1/4处－60℃和－80℃的横向夏比冲击功达150J以上，在钢板厚度方向1/2处达70J以上。

2.如权利要求1所述的屈服强度500MPa级海洋平台结构用厚钢板的制造方法，其特征在于：在所述的轧制步骤（1）中，粗轧与精轧之间采用空冷待温，粗轧和精轧各道次间均采用空冷。

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