CN103031498A - 低压缩比特厚超高强应变时效的海洋工程钢板的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种低压缩比特厚超高强应变时效的海洋工程钢板的制造方法，通过转炉冶炼，LF及RH精炼，对控轧控冷工艺的合理设定及优化，进行调质热处理。本发明钢板性能良好，抗拉强度为780～850MPa，屈服强度为720～800MPa，延伸率为18～21%，-40℃低温横向冲击≥120J，-40℃低温时效冲击性能≥100J，具有超高强、高韧及优异的低温时效韧性，生产工艺稳定。

Description

低压缩比特厚超高强应变时效的海洋工程钢板的制造方法

技术领域

本发明涉及一种钢板的制造方法，具体的说是一种低压缩比特厚超高强应变时效的海洋工程钢板的制造方法。

背景技术

随着经济社会的发展，人类对能源的消耗增速呈指数型增长。陆生能源日趋枯竭，海洋能源日渐成为世界各国竞相开采的一片蓝海。据报道，海洋待开发石油资源量（含凝析油）548亿吨，待开发天然气资源量78.5万亿立方米，分别占世界待开发油气资源量的47%和46%，全球海洋油气资源潜力巨大。可见，作为海上油气钻采作业的海洋工程装备前景广阔，而对海洋工程用钢，其强度、低温韧性、耐蚀性等方面有了更高的要求。目前，国内海洋工程用超高强钢以进口为主，尽管国内部分钢企所开发的550MPa级海洋工程用钢获得国际上主要船级社认证，并将产品推向市场。但是，超高强度高韧性的690Mpa级海洋工程用钢，目前市场占有率低。

海洋工程用钢服役环境恶劣性，要求钢板具有高强、高韧等优异性能的同时，还应具有一定的低温应变时效性能。应变时效是存在于钢材中较普遍的现象，海洋工程设备建造过程中，钢板要经受包括冷矫、辊弯、模压、卷边和折边弯等冷加工塑性变形，在冷加工过程中由于出现了应变时效会使钢板强度上升，塑性和韧性下降，应变时效性能差可能成为海洋工程设备安全隐患之一。可见，应变时效性能是海洋工程用钢关键性能指标之一。

目前，国内多家钢企生产的厚度60mm以下规格的钢板，采用调质态交货，性能较为稳定，但厚度规格不能满足海洋工程用钢发展的需求。随着海洋工程用钢厚度的增加，60mm以上的钢板需求量越来越大。一般钢企生产60mm以上钢板的性能不够稳定，应变时效后冲击韧性会出现较大波动。为了保证钢板在使用过程中的性能稳定性及使用安全性，有必要对钢板的强度、塑性、低温韧性及应变时效性能与其成分、工艺的关系进行深入的研究与分析，开发一种特厚超高强应变时效性能优异的海洋工程用钢，得以满足钢材在恶劣的海洋环境下应用的要求。

现有关于海洋工程用钢制造方法的专利，主要是通过控轧控冷和热处理方法获得海洋工程用钢板，具体生产方法如下：

中国专利 CN 101709432公开了一种大厚度调质型海洋平台用钢，工艺流程为电炉冶炼→VD炉真空处理→LF处理→浇铸，碳成分设计为0.16～0.18%，获得大厚度的超高强度，高韧性海洋工程用钢。由于碳成分设计为中碳，且加入大量影响焊接性能的合金及微合金元素，碳当量较高，恶化钢板的焊接性能。

中国专利 CN 102400043公开了一种大厚度海洋工程用钢板及生产方法，工艺流程为电炉冶炼→VD炉真空脱氧→浇铸，钢坯进行两阶段轧制，随后调质处理，获得大厚度海洋工程用钢板，抗拉强度为530～650MPa之间。该钢种强度偏低，已不能适应海洋工程用钢的需求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为了克服现有技术的缺点和不足，考虑到海洋工程用钢板的超高强度、高韧性及优异应变时效性能等，提出一种低压缩比特厚超高强应变时效的海洋工程钢板的制造方法，该方法通过合理的成分设计，控轧控冷工艺及合理的调质工艺，获得性能优异的超高强海洋工程用钢板，有效地增强了低合金钢的抗应变时效能力，且织为均匀的回火索氏体组织。

本发明解决以上技术问题的技术方案是：

低压缩比特厚超高强应变时效的海洋工程钢板的制造方法，钢板的化学成分重量百分比为：C：0.05～0.09%，Si：0.20～0.35%，Mn：1.10～1.60%，P：≤0.010%，S：≤0.0020%，Ni：0.70～1.30%，Cr：0.25～0.50%，Cu：0.15～0.50%，Mo：0.40～0.60%，Nb：0.030～0.050%，Ti：0.005～0.020%，Alt：0.020～0.040%，其余为Fe及不可避免的杂质；

化学成分是影响连铸坯内部质量与高强钢板性能的关键因素之一，本发明为了使所述钢获得优异的综合性能，对所述钢的化学成分进行了限制，低碳、低磷和低硫的控制，并与其他微量合金元素配合，可以有效地增强低合金钢的抗应变时效能力，各成分的限制具体原因在于：

C：碳是影响超高强度钢力学性能的主要元素，通过间隙固溶提高钢的强度，当碳含量低于0.04时强度低，含量过高，则存在韧性和可焊性变差的缺点。为了改善钢板焊接性能，本发明碳含量控制在0.05～0.09%。

Si：硅是炼钢必要的脱氧元素，同时具有一定的固溶强化作用，但硅含量过高，不利于钢板表面质量及低温韧性，本发明硅含量控制在0.20～0.35%。

Mn：锰具有细化组织、提高强度及低温韧性的作用。在调质钢中可以增加钢的淬透性，而且成本低廉。锰含量过高时，易造成连铸坯偏析。本发明锰含量控制在1.10～1.60%。

Ni：镍能提高钢的强度、韧性及耐腐蚀性能，抑制碳从奥氏体中脱溶，降低晶界碳化物析出倾向，显著减少晶间碳化物数量。但是钢中镍含量过高，生产成本会显著增加，本发明镍含量控制在0.70～1.30%。

Cr、Cu：铬与铜是提高钢淬透性的元素，能够抑制多边形铁素体和珠光体的形成，促进低温组织贝氏体或马氏体的转变。铬与铜含量过高影响钢的韧性，并引起回火脆性，本发明中铬含量控制在0.25～0.50%，铜含量控制在0.15～0.50%。

Mo：钼能够显著提高钢的淬透性，大量添加时会增加成本，并降低韧性和可焊性。本发明钼含量控制在0.40～0.60%。

Nb：微量铌对奥氏体晶界具有钉扎作用，抑制形变奥氏体的再结晶，并在冷却或回火时形成析出物，提高强度和韧性。铌添加量小于0.030%时效果不明显，大于0.050%时韧性降低，并引起连铸坯表面裂纹产生，此外对焊接性能也有恶化作用。本发明铌含量控制在0.030～0.050%。

Ti：钛能固定钢中的气体氮，形成氮化钛，阻止在加热、轧制、焊接过程中的晶粒长大，改善母材和焊接热影响区的韧性。本发明钛成分控制在0.005～0.020%。

Al：铝是一种重要的脱氧元素，钢水中加入微量的铝，可以有效减少钢中的夹杂物含量，并细化晶粒。但过多的铝，会促进连铸坯产生表面裂纹降低板坯质量，全铝含量应控制在0.020～0.040%。

钢中的杂质元素，如S、P等，会严重损害所述钢和焊接近焊缝区的低温韧性，增加连铸坯偏析程度。因此，硫、磷含量应分别控制在≤0.0020%和≤0.010%以下。其它不可避免的杂质元素，分别控制为：O≤0.0015%，N≤0.0040%，H≤0.00010%，As≤0.012%，Pb≤0.010%，Sn≤0.010%，Sb≤0.010%。

制造方法包括以下步骤：

冶炼连铸：工艺流程为铁水脱硫预处理→转炉冶炼→LF精炼→RH真空处理→静搅→连铸，铁水脱硫处理后硫含量控制在[S]≤0.002%，转炉冶炼采用双渣法严格控制[P]含量，即转炉冶炼时倒两次渣，倒两次渣减少钢渣中P向钢液中的回流，LF精炼采用白渣操作脱硫脱氧，RH抽真空处理严格控制气体含量，利用钢液中气体正压溢出控制氢气气体含量；连铸控制中包温度在液相线以上10～15℃；连铸坯下铺上盖，堆垛缓冷72—240小时；

轧制：采用控轧控冷，连铸坯加热温度为1180-1200℃，采用奥氏体再结晶区和未再结晶区两阶段控制轧制，粗轧采用道次大压下量破碎奥氏体晶粒，道次压下量≥20mm（压下量越大轧制力越大奥氏体晶粒破碎越小），粗轧终轧温度为1030-1080℃；精轧开轧温度为850-870℃，精轧终轧温度为830-850℃，轧后钢板获得贝氏体组织；轧后控制冷却，返红温度为600-640℃，随后空冷；

热处理：钢板加热到Ac₃之上30-50℃完全奥氏体化，保温30-50min进行淬火热处理，淬火温度在890-910℃，淬火时间为5-10min，淬火后钢板获得均匀的板条状马氏体组织；淬火态钢板在590-630℃进行回火热处理，回火时间为1.5-2.5min/mm×板厚+30min，回火后钢板获得均匀的回火索氏体组织。

本发明通过合理优化的成分设计，经过转炉冶炼，LF及RH精炼，对控轧控冷工艺的合理设定及优化，进行调质热处理，使钢板的组织由贝氏体组织转变为马氏体组织，再由马氏体组织组织转变为索氏体组织，这样的组织形态转变有利于增强低合金钢的抗应变时效能力，通过工艺级组织形态的转变从而使发明钢板性能良好，具体表现为：抗拉强度为780～850MPa，屈服强度为720～800MPa，延伸率为18～21%，-40℃低温横向冲击≥120J，-40℃低温时效冲击性能≥100J，具有超高强、高韧及优异的低温时效韧性，生产工艺稳定，可操作性强等特点。

本发明还具有以下有益效果：

⑴本发明采用转炉冶炼、连铸生产海洋工程用钢，适应众多国内外钢企生产；本发明选用220mm厚铸坯生产60～80mm厚690Mpa级海洋工程用钢板，压缩比低，轧制道次少有利于控制成本，同时对大厚度、低压缩比类似钢种的开发具有借鉴意义。

⑵本发明通过合理的成分设计，采用低碳、低磷、低硫冶炼工艺，并与其他微量合金元素配合，有效地增强了低合金钢的抗应变时效能力；同时采用控轧控冷技术，通过离线调质热处理方法，保证了钢板的成分及组织均匀，使钢板的组织完成贝氏体组织-马氏体组织-索氏体组织的转变，获得低压缩比高强高韧的海洋工程用钢。

⑶本发明通过Nb微合金化技术，微量铌对奥氏体晶界有钉扎作用，抑制形变奥氏体再结晶，并在冷却或回火时形成析出物，提高强度和韧性；可扩大奥氏体非再结晶区间，使得终轧温度可在较高的温度下进行，减少中间坯待温时间，加快生产节奏，缩短生产周期，降低生产成本。

附图说明

图1为实施例3的80mm超高强高韧应变时效性能优异的海洋工程用钢热轧态沿厚度方向1/4处组织形貌图。

图2为实施例3的80mm超高强高韧应变时效性能优异的海洋工程用钢调质态沿厚度方向1/4处组织形貌图。

具体实施方式

实施例

实施例1-3为一种低压缩比特厚超高强高韧应变时效性能优异的海洋工程用钢的制造方法，采用低碳、低磷、低硫冶炼工艺，与其他微量合金元素配合，同时采用控轧控冷技术，通过离线调质热处理方法生产高强高韧的海洋工程用钢。主要的生产工艺路线为：铁水脱硫预处理→转炉冶炼→LF精炼→RH精炼→连铸→铸坯堆垛缓冷→铸坯检验→铸坯判定→铸坯验收→钢坯加热→除鳞→轧制→冷却→探伤→淬火→回火→切割、取样→喷印标识→入库→检验。

各实施例的主要化学成分如表1所示：

表1  各实施例的主要化学成分（wt%）

 

采用奥氏体再结晶区和奥氏体未再结晶区两阶段控制轧制技术，粗轧采用道次大压下量破碎奥氏体晶粒，粗轧终轧温度控制在1030-1060℃；精轧严格控制开轧温度为850-870℃；精轧终轧温度为830-850℃，轧后钢板获得贝氏体组织；轧后控制冷却，返红温度为600-640℃。各实施例的轧制冷却工艺参数如表2所示：

表2  各实施例的轧制冷却工艺参数表

实施例	厚度mm	粗轧终轧温度℃	精轧开轧温度℃	终轧温度℃	轧制道次	返红温度℃
							实施例1	60	1037	860	842	7（4+3）	635
实施例2	60	1034	856	840	7（4+3）	632
							实施例3	80	1048	867	845	5（3+2）	636

钢板轧后进行调质处理，钢板加热到Ac₃之上30-50℃完全奥氏体化，保温30-50min进行淬火热处理，淬火温度在890～910℃，得了均匀的板条状马氏体；淬火态钢板在590～620℃进行回火热处理，回火时间为（1.5～2.5）min/mm×板厚+30min，回火后钢板获得均匀的回火索氏体组织。各实施例的热处理具体工艺参数如表3所示：

表3  各实施例的热处理工艺参数表

实施例热轧态组织为贝氏体，调质处理后组织为均匀的回火索氏体。图1为实施例3的80mm超高强高韧性海洋工程用钢热轧态厚度方向1/4位置金相照片，为贝氏体组织。图2为实施例3的80mm超高强高韧性海洋工程用钢热轧后再经调质沿厚度方向1/4处金相照片，为回火索氏体组织，金相显微镜下可观察到回火索氏体片层间距较为细小。

按照本发明调质态钢板拉伸性能如表4所示，低温韧性如表5所示。本发明实施例的钢板性能结果良好，抗拉强度为780～850MPa，屈服强度为720～800MPa，延伸率为18～21%，-40℃低温横向冲击≥120J，-40℃低温时效冲击性能≥100J，满足DNV、CCS、ABS等船级社E690钢认证要求，并且具有批量化生产条件，生产工艺稳定，可操作性强等特点。

表4  本发明实施例调质态钢板拉伸性能

表5  本发明实施例调质态钢板低温韧性

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (3)

1.低压缩比特厚超高强应变时效的海洋工程钢板的制造方法，其特征在于：所述钢板的化学成分重量百分比为：C：0.05～0.09%，Si：0.20～0.35%，Mn：1.10～1.60%，P：≤0.010%，S：≤0.0020%，Ni：0.70～1.30%，Cr：0.25～0.50%，Cu：0.15～0.50%，Mo：0.40～0.60%，Nb：0.030～0.050%，Ti：0.005～0.020%，Alt：0.020～0.040%，其余为Fe及不可避免的杂质；

所述制造方法包括以下步骤：

冶炼连铸：工艺流程为铁水脱硫预处理→转炉冶炼→LF精炼→RH真空处理→静搅→连铸，铁水脱硫处理后硫含量控制在[S]≤0.002%，转炉冶炼采用双渣法严格控制[P]含量，即转炉冶炼时倒两次渣，倒两次渣减少钢渣中P向钢液中的回流，LF精炼采用白渣操作脱硫脱氧，RH抽真空处理严格控制气体含量，利用钢液中气体正压溢出控制氢气气体含量；连铸控制中包温度在液相线以上10-15℃；连铸坯下铺上盖，堆垛缓冷72-240小时；

轧制：采用控轧控冷，连铸坯加热温度为1180-1200℃，采用奥氏体再结晶区和未再结晶区两阶段控制轧制，粗轧采用道次大压下量破碎奥氏体晶粒，道次压下量≥20mm，粗轧终轧温度为1030-1080℃；精轧开轧温度为850-870℃，精轧终轧温度为830-850℃，轧后钢板获得贝氏体组织；轧后控制冷却，返红温度为600-640℃，随后空冷；

热处理：钢板加热到Ac₃之上30-50℃完全奥氏体化，保温30-50min进行淬火热处理，淬火温度在890-910℃，淬火时间为5-10min，淬火后钢板获得均匀的板条状马氏体组织；淬火态钢板在590-630℃进行回火热处理，回火时间为1.5-2.5min/mm×板厚+30min，回火后钢板获得均匀的回火索氏体组织。

2.如权利要求1所述的低压缩比特厚超高强应变时效的海洋工程钢板的制造方法，其特征在于：所述钢板的不可避免的杂质元素控制为：O≤0.0015%，N≤0.0040%，H≤0.00010%，As≤0.012%，Pb≤0.010%，Sn≤0.010%，Sb≤0.010%。

3.如权利要求1所述的低压缩比特厚超高强应变时效的海洋工程钢板的制造方法，其特征在于：所述制造方法选用220mm厚铸坯生产60-80mm厚690Mpa级海洋工程用钢板。

Images