專利名稱:一種超高強高韌性海洋工程用鋼板及其生產方法
技術領域:
本發(fā)明屬于鋼鐵領域,尤其是一種超高強高韌性海洋工程用鋼板及其生產方法。
背景技術:
人類的不斷開發(fā)使陸地不可再生資源日趨枯竭,海洋日漸成為滿足各國需要的寶藏。海洋油氣產業(yè)、海洋旅游產業(yè)、現代海洋漁業(yè)、海洋交通運輸業(yè)已成為目前海洋經濟的四大支柱產業(yè),其中海洋油氣產業(yè)是全球最大的海洋產業(yè)。而作為海上油氣鉆采作業(yè)的支撐結構物海洋工程裝備前景廣闊,發(fā)展勢頭強勁。由海洋工程裝備制造衍生而來的海洋工程配套設施的進一步發(fā)展,將拉動海洋工程用鋼向更高強度發(fā)展,如作為海洋石油平臺及船舶等貨物裝卸和人員輸送的設備海洋平臺起重機,如吊臂和轉臺一般需690MPa以上高 強鋼,這種高強鋼在需要有高強度的同時,還需要一定的耐寒冷氣侯,不同于普通的高強機械鋼。目前,國內有一些鋼鐵企業(yè)已獲得550MPa級以下海洋工程用鋼已獲得國際上主要船級社認證,并將產品推向市場。但是,超高強度高韌性的690Mpa級海洋工程用鋼,目前市場上基本上以進口為主。為了進一步滿足市場及鋼鐵企業(yè)產品多元化的需要,高附加值產品690Mpa級海洋工程用鋼的研制與開發(fā)勢在必行。生產海洋工程用鋼通常用電爐或轉爐兩種方法冶煉,用模鑄或者連鑄方法進行鑄坯??紤]到用轉爐冶煉、連鑄生產的方式生產海洋工程用鋼的低廉成本,以及為了適應眾多國內鋼鐵生產企業(yè)生產習慣。本發(fā)明選擇連鑄坯為220mm,生產690Mpa級海洋工程用鋼,成品鋼板厚度介于40 80mm厚。對于220mm生產40 80mm的低壓縮比鋼來講,連鑄坯的質量,夾雜物的控制以及有害無素的控制顯得尤為重要。另外,海洋工程用鋼由于其服役環(huán)境惡劣性,要求鋼不光具有超高強度、高韌性還有具有一定的應變時效性。通常來說,鋼的強度越高,塑性與低溫韌性越難提高。為了大幅度提高了海洋工程用鋼的強度和低溫韌性、時效性,及與之相匹配的良好塑性,需要合理的合金化,通過合理工藝,使鋼材獲得理想的組織形態(tài),才能滿足鋼材能夠在惡劣的海洋環(huán)境下應用?,F有的涉及海洋工程用鋼的生產方法的專利,主要是通過控軋控冷或熱處理方法獲得海洋工程用鋼板,具體生產方法如下
中國專利CN 102400043提供了一種大厚度海洋工程用鋼板及其生產方法,它通過微合金化,通過電爐冶煉、VD爐真空脫氧,拉成330mm厚坯,隨后進行兩階段軋制,最后進行調質處理,獲得了鋼板厚度為150mm的大厚度海洋工程用鋼板,屈服強度在460MPa以上,抗拉強度介于530 650MPa之間,_40°C的沖擊功優(yōu)異。但是該鋼種強度偏低,并且是電爐冶煉,產能較低。中國專利CN 101709432公開了一種大厚度調質型海洋平臺用鋼,鋼中碳成分設計為O. 16 O. 18%,通過電爐冶煉、VD爐真空處理,送入LF處理,隨后澆鑄。沒說明以何種方式澆鑄,獲得了大厚度的超高強度,高韌性海洋工程用鋼。但是由于鋼板較厚,鋼中碳成分設計為O. 16 O. 18%,且加入大量的影響焊接性能的合金及微合金元素,碳當量較高,惡化鋼板的焊接性能。
中國專利CN 102392192提供了一種80mm厚低壓縮比海洋工程用鋼板及制造方法,采用控軋控冷工藝結合正火處理,最終組級別為鐵素體與珠光體。由于其鋼中碳、錳含量相對高,從提供的組織圖來看,存在一定的帶狀組織。且強度較低,屈服強度介于36(Γ370MPa之間。
發(fā)明內容
鑒于以上現有技術 的不足,考慮到海洋工程用鋼板的超高強度、高韌性、可焊性及可生產性,本發(fā)明的目的是提供一種超高強高韌性海洋工程用鋼板及其生產方法,該方法通過合理的化學成分設計,軋制階段的合理壓縮比TMCP工藝控制,及合理的調質工藝,獲得了性能優(yōu)異的超高強海洋工程用鋼板。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案來實現的
一種超高強高韌性海洋工程用鋼板,其特征在于該超高強度海洋工程用鋼板的化學成分按重量百分比計,C 0. 06 O. 10%, Si 0. 20 O. 40%,Mn 1. 10 I. 65%, P :彡 O. 010%,S :彡 O. 0020%, Nb :0. 030 O. 050%, V :0. 020 O. 060%, Ti :0. 006 O. 015%, Ni :0. 60
I.30%, Cr 0. 30 O. 60%, Cu 0. 20 O. 60%, Mo 0. 40 O. 60%, Alt 0. 020 O. 040%,余量為Fe及不可避免的雜質。由于鋼的化學成分是影響連鑄坯內部質量與高強鋼板性能的關鍵因素之一,本發(fā)明為了使所述鋼獲得優(yōu)異的綜合性能,對所述鋼的化學成分進行了限制,原因在于
C:碳是影響超高強度鋼力學性能的主要元素,通過間隙固溶提高鋼的強度,提高鋼的淬透性。當碳含量較低則強度低,當含量過高,則存在韌性和可焊性變差的缺點。另外,當碳含量介于O. 10 O. 13%時,鋼處于包晶區(qū),增大冶煉控制難度,故本發(fā)明中碳含量控制在O. 06 O. 010%OSi :硅是煉鋼脫氧的必要元素,也具有一定的固溶強化作用,但硅含量過高,對鋼板表面質量及韌性存在較大影響,故本發(fā)明中將硅限定在O. 20 O. 40%的范圍內。Mn :錳對細化組織,提高強度和韌性有利。在調質鋼中可以增加鋼的淬透性,并且成本低廉。錳含量過高時,則會在實際生產中引起連鑄坯偏析。對于本發(fā)明鋼,為了適應在爐卷軋機上生產,錳含量控制在I. 10 I. 50%的范圍內。Nb 微量鈮的溶質拖曳作用和鈮對奧氏體晶界的釘扎作用,均抑制形變奧氏體的再結晶,并在冷卻或調質處理的回火時形成析出物,從而使強度和韌性均得到提高。本發(fā)明鋼中,添加量小于O. 030%時效果不明顯,大于O. 050%時韌性降低,促進連鑄坯產生表面裂紋,此外對焊接性能也有惡化作用。因此,鈮含量應控制在O. 030 O. 050%的范圍內。V:釩是鋼的優(yōu)良脫氧劑。鋼中加入釩可細化組織晶粒,提高強度和韌性?;鼗饡r或焊接后冷卻時形成碳化物,有利于增加強度。添加量小于O. 020%時效果不明顯,大于O. 060%時,鋼的韌性與可焊接性降低。因此,釩含量應控制在O. 020 O. 060%的范圍內。Ti :鈦是用來固定鋼中的氮元素,在適當條件下,鈦、氮形成氮化鈦,阻止鋼坯在加熱、軋制、焊接過程中晶粒長大,改善母材和焊接熱影響區(qū)的韌性。鈦低于O. 006%時,固氮效果差,超過O. 015%時,固氮效果達到飽和,過剩的鈦會使鋼的韌性惡化。故在本發(fā)明中,結合實際生產中鋼中氮含量控制范圍,將鈦成分控制在O. 006 O. 015%。Ni :鎳在鋼中能提高鋼的強度、韌性、耐性以及在空氣、海水和某些酸中的耐腐蝕性。鎳能抑制碳從奧氏體中脫溶,降低晶界碳化物析出傾向,顯著減少晶間碳化物數量。但是鋼中鎳含量增高,生產成本會顯著增加,故本發(fā)明中鎳含量控制在O. 60 I. 30%。Cr、Cu :鉻與銅是提高鋼淬透性的元素,能夠抑制多邊形鐵素體和珠光體的形成,促進低溫組織貝氏體或馬氏體的轉變,是調質鋼常加入的元素。但Cr與Cu含量過高將影響鋼的韌性,并引起回火脆性,本發(fā)明中鉻含量控制在O. 30 O. 60%,銅含量控制在O. 20
O.60%οMo :提高鋼的淬透性,大量添加時會增加成本,并降低韌性和可焊性。回火時,形成碳化物顆粒,有利于析出強化。一般限制在O. 40 O. 60%。Al :鋁是煉鋼過程中一種重要的脫氧元素,即使在鋼水中加入微量的鋁,也可以有效減少鋼中的夾雜物含量,并細化晶粒。但過多的鋁,會促進連鑄坯產生表面裂紋,產生內部鋁系夾雜物,降低板坯質量,因此,全鋁含量應控制在O. 020 O. 040%。
鋼中的雜質元素,如S、P等,會嚴重損害所述鋼和焊接近焊縫區(qū)的低溫韌性,增加連鑄坯偏析程度。因此,硫、磷含量應分別控制在彡O. 0020%和彡O. 010%以下。并控制其它不可避免的雜質元素如O、N、H、As、Pb、Sn、Sb分別控制如下0 ( O. 0018%, N彡O. 0040%,H 彡 O. 00015%, As ( O. 012%, Pb ( O. 010%, Sn ( O. 010%, Sb ( O. 010%。一種超高強高韌性海洋工程用鋼板的生產方法,其特征在于該生產方法包括如下工序
冶煉連鑄工藝采用鐵水預處理脫硫-轉爐冶煉-LF精煉-RH真空處理-喂鈣線-靜攪-板坯連鑄。脫硫處理后,鐵水中碳含量控制為[S] < 0.002%,轉爐終點溫度控制為16000C -1660°C,到LF溫度1540_1600°C,采用鋁脫氧方法脫氧。LF爐中停留時間大于30分鐘。采用微正壓操作控制包內氣氛。RH真空處理,高真空度(彡5. Ombar)條件下保持時間彡25分鐘。RH破真空后進行喂純鈣線處理,喂線長度180-220米。鈣線處理后進行靜攪,靜攪處理時間彡12min。隨后進行連鑄。中包溫度控制在液相線溫度以上10 15°C。連鑄坯切割后,用其他爐號的熱連鑄坯下鋪上蓋,堆垛緩冷72小時以上。軋制工藝采用控軋控冷工藝,軋前連鑄坯加熱溫度介于1200°C 1220°C,采用奧氏體再結晶區(qū)和奧氏體未再結晶區(qū)兩階段控制軋制,粗軋每道次壓下率> 12%,粗軋終軋溫度105(Tll00°C,粗軋成I. 5 2. 5倍成品厚度的中間坯;精軋開軋溫度為830 870°C,軋后采用層流冷卻,終冷溫度600 650°C,冷卻速率8 15°C /s,隨后空冷。熱處理工藝將空冷后的鋼板再進行加熱,加熱溫度在Ac3之上30 80°C進行奧氏體相區(qū)淬火處理,淬火溫度在900 920°C,淬火保溫時間為2min/mmX板厚,淬火后鋼板獲得了均勻淬火板條狀馬氏體,原始奧氏體晶粒細小,淬火后在600 630°C回火,回火保溫時間為(I. 5 2. 5) min/mmX 板厚 +30min。本發(fā)明通過合理的成分控制,利用合理的壓下比分配制度的TMCP技術與調質熱處理工藝獲得了一種超高強度海洋工程用鋼,組織為回火索氏體,片層間距較為細小,原奧氏體晶粒細小。本發(fā)明鋼具有超高強度,具有低溫韌性優(yōu)異、塑性較高。通過本發(fā)明獲得的超高強度鋼具體性能為抗拉強度為770 840MPa,屈服強度為710 800MPa,延伸率為16 19%,-40°C低溫橫向沖擊、以及低溫時效沖擊性能彡90J,冷彎性能良好。滿足DNV、CCS、ABS等船級社E690鋼認證要求,并且具有批量化生產條件,生產工藝穩(wěn)定,可操作性強等特點。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點
I、本發(fā)明適應眾多國內鋼鐵生產用轉爐冶煉、連鑄方式生產海洋工程用鋼。本發(fā)明選擇連鑄坯為220mm,生產690Mpa級海洋工程用鋼,成品鋼板厚度介于40 80mm厚,壓縮比低,降低軋制成本。同時有利于指導其它大厚度、低壓縮比類似鋼種的開發(fā)。2、在利用合理的化學成分設計方式和易于在生產中實現的TMCP工藝的前提下,通過離線調質熱處理方法,無需要增加其它特殊工藝,其它任何設備,便可獲得低壓縮比高強度高韌性的海洋工程用鋼。3、通過簡單的淬火處理方法,使原連鑄坯中心存在的偏析得到進一步減輕。調過回火處理,得到鋼鐵村料中軟硬相合理匹配,充分發(fā)揮鋼在TMCP過程中來不及析出的微合金元素的強化作用,使鋼材的抗拉強度上升,延伸率上升,低溫沖擊韌性提高。4、本發(fā)明制造方法,通過調質熱處理,比常規(guī)鋼板的調質熱處理溫度區(qū)間相近,便 于與其它鋼種統(tǒng)籌組織生產,節(jié)省工業(yè)排產時間。5、本發(fā)明制造方法,對于如此超高強度鋼板制造,通過Nb微合金化技術,擴大奧氏體非再結晶區(qū)間,使得終軋溫度可在較高的溫度下進行,減少中間坯待溫時間,減少軋制道次,加快生產節(jié)奏,節(jié)省能源,縮短生產周期,降低生產成本。
圖I為實施例2 60mm超高強高韌性海洋工程用鋼熱軋態(tài)沿厚度方向1/4處組織形貌,組織為貝氏體組織。圖2為實施例2 60mm超高強高韌性海洋工程用鋼調質態(tài)沿厚度方向1/4處組織形貌,組織為回火索氏體組織。
具體實施例方式根據本發(fā)明的生產工藝,共冶煉兩個爐次,冶煉流程為鐵水預處理一轉爐冶煉—LF爐精煉一RH真空處理一連鑄機連鑄一鑄坯堆垛緩冷一鑄坯檢驗一鑄坯判定一鑄坯驗收。脫硫處理后,鐵水中碳含量控制為[S] ( O. 002%,吹煉后轉爐終點溫度分別為1601與1620°C,到LF分別溫度1551、1569°C,采用鋁脫氧方法脫氧。LF爐中停留時間40 50分鐘。采用微正壓操作控制包內氣氛。RH真空處理,高真空度(彡5. Ombar)條件下保持時間為30分鐘。RH破真空后進行喂純鈣線處理,喂線長度200米。鈣線處理后進行靜攪,靜攪處理時間15min,隨后進行連鑄。中包溫度控制在液相線溫度以上10 15°C。連鑄坯切割后,連鑄坯斷面為220mmX2260mm,用其他爐號的熱連鑄坯下鋪上蓋,堆垛緩冷72小時以上,盡可能的擴氫。經低倍檢驗,板坯內部質量存在輕度偏析,無裂紋、氣泡、夾雜等其它缺陷,表面質量良好。冶煉的兩爐實施例主要化學成分如表I所示。表I本發(fā)明實施例的主要化學成分(wt%)
實施例 |c [Si [Mn Ip Is [Nb [Ti [Ni [Cr [Cu [Mo |V [Alt實施例 1、2 0Γθ65~ O. 25 Τ763~ O. 0080 α 0015 O. 036~ O. 013 I. 25~ O. 56 O. 2θ' O. 45 O. 045 O. 0039實施例 3、4 |θ. 095 |θ. 26| .48|θ. 0057 |θ· 0010 |θ· 030 |θ· 015 |θ· 90 |θ· 29 |θ· 29 |θ· 48 |θ· 032 |θ· 0030
采用控軋控冷工藝中厚板爐卷軋機上軋制,軋前連鑄坯加熱溫度介于1200°C 1220°C,并且保證鋼板在爐時間,總在爐時間為220 264分鐘,采用奧氏體再結晶區(qū)和奧氏體未再結晶區(qū)兩階段控制軋制,粗軋每道次壓下率> 12%,粗軋終軋溫度105(T110(TC,粗軋成I. 5 2. 5倍成品厚度的中間坯;精軋開軋溫度為830 870°C,軋后采用層流冷卻,終冷溫度600 650°C,冷卻速率8 15°C /s,隨后空冷。表2軋制冷卻工藝參數表
權利要求
1.一種超高強高韌性海洋工程用鋼板,其特征在于該鋼板的化學成分按重量百分比計,C 0. 06 O. 10%, Si 0. 20 O. 40%,Mn :1. 10 I. 65%,P .く O. 010%, S .く O. 0020%,Nb O.030 O. 050%, V 0. 020 O. 060%, Ti 0. 006 O. 015%, Ni 0. 60 I. 30%, Cr 0. 30 O.60%, Cu 0. 20 O. 60%, Mo 0. 40 O. 60%, Alt 0. 020 O. 040%,余量為 Fe 及不可避免的雜質。
2.根據權利要求I所述的超高強高韌性海洋工程用鋼板,其特征在于該鋼板的化學成分中的雜質元素控制如下O≤O. 0018%, N≤O. 0040%, H≤O. 00015%, As≤O. 012%,Pb く O. 010%, Sn く O. 010%, Sb く O. 010%。
3.根據權利要求I所述的超高強高韌性海洋工程用鋼板,其特征在于該鋼板組織為回火索氏體,組織均勻。
4.一種權利要求I所述的超高強高韌性海洋工程用鋼板的生產方法,其特征在于該生產方法包括如下エ序 冶煉連鑄エ藝采用鐵水預處理脫硫-轉爐冶煉-LF精煉-RH真空處理-喂鈣線-靜攪-板坯連鑄工藝;脫硫處理后,鐵水中硫含量控制為[S] ^ O. 002%,轉爐終點溫度控制為16000C -16600C,到LF溫度1540_1600°C,采用鋁脫氧方法脫氧;LF爐中停留時間大于30分鐘;采用微正壓操作控制包內氣氛;RH真空處理,真空度≤5. Ombar條件下保持時間≥25分鐘;RH破真空后進行喂純鈣線處理,喂線長度180-220米;鈣線處理后進行靜攪,靜攪處理時間≥12min,隨后進行連鑄;中包溫度控制在液相線溫度以上10 15°C ;連鑄坯切割后,用熱連鑄坯下鋪上蓋,堆垛緩冷72小時以上; 軋制エ藝采用控軋控冷エ藝,軋前連鑄坯加熱溫度介于1200°C 1220°C,采用奧氏體再結晶區(qū)和奧氏體未再結晶區(qū)兩階段控制軋制,粗軋每道次壓下率> 12%,粗軋終軋溫度1050 1100で,粗軋成I. 5 2. 5倍成品厚度的中間坯;精軋開軋溫度為830 870°C,軋后采用層流冷卻,終冷溫度600 650°C,冷卻速率8 15°C /s,隨后空冷; 熱處理工藝將空冷后的鋼板再進行加熱,加熱溫度在鐵素體奧氏體平衡相變點Ac3之上進行奧氏體相區(qū)淬火處理,淬火溫度在900 920°C,淬火保溫時間為2min/mmX板厚,淬火后鋼板獲得了均勻淬火板條狀馬氏體,原始奧氏體晶粒細小,淬火后在600 630°C回火,回火時間為(I. 5 2. 5) min/mmX板厚+30min ;得到超高強高韌性海洋工程用鋼板。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超高強高韌性海洋工程用鋼板及制造方法,該超鋼板化學成分按重量百分比計,C0.06~0.10%,Si0.20~0.40%,Mn1.10~1.65%,P≤0.010%,S≤0.0020%,Nb0.030~0.050%,V0.020~0.060%,Ti0.006~0.015%,Ni0.60~1.30%,Cr0.30~0.60%,Cu0.20~0.60%,Mo0.40~0.60%,Alt0.020~0.040%,余量為Fe及不可避免的雜質。通過轉爐冶煉,爐卷可逆軋機上軋制,通過TMCP工藝,最后進行調質熱處理。本發(fā)明鋼板性能良好,抗拉強度為770~840MPa,屈服強度為710~800MPa,延伸率為16~19%,-40℃低溫橫向沖擊、以及低溫時效沖擊性能≥90J,冷彎性能合格,超高強度、低溫沖擊及低溫時效沖擊性能優(yōu)異,生產工藝穩(wěn)定。
文檔編號C21D8/02GK102851622SQ201210348440
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月19日 優(yōu)先權日2012年9月19日
發(fā)明者吳年春, 尹雨群, 劉朝霞, 崔強, 李恒坤, 車馬俊 申請人:南京鋼鐵股份有限公司