一種海洋工程用耐低溫高韌性熱軋角鋼及其制造方法與流程

本發(fā)明屬于冶金
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體地，本發(fā)明涉及一種海洋工程用耐低溫高韌性熱軋角鋼及其制備方法。
背景技術(shù)：
：隨著石油和天然氣需求的日益增大，油氣開采已呈現(xiàn)出陸海并進(jìn)的局面。隨著作業(yè)區(qū)域的拓展，目前已經(jīng)涵蓋歐洲北部以及北極附近海域及陸地等極寒地區(qū)。另外，我國北方很多地區(qū)冬季氣溫在-20℃以下，極限氣溫達(dá)-40℃以下，給油氣開采帶來很多問題。近年來，石油平臺的建設(shè)不僅要求鋼材的強(qiáng)度提高，同時(shí)要求低溫下保持較高的韌性，解決載荷大、施工條件惡劣等系列問題。因此，能夠滿足在-40℃甚至更低溫度下使用，并且沖擊韌性穩(wěn)定的海洋平臺用角鋼是目前國內(nèi)外石油行業(yè)發(fā)展的重大需求，該類產(chǎn)品的使用和發(fā)展將給社會和企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。在海洋工程用鋼中，除了板材，H型鋼等常規(guī)產(chǎn)品大量使用外，角鋼作為其中的一種常用在制造海洋平臺過程中起到支撐和固定作用，其材料的強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能決定平臺的制造成本和使用壽命，作用突出。目前國內(nèi)外制備角鋼的企業(yè)較多，但是所制備耐低溫角鋼產(chǎn)品中適合極低溫度使用的較少。申請?zhí)枮?00910073969.0的專利文獻(xiàn)，公開了一種高強(qiáng)Q420C級鐵塔角鋼，其化學(xué)成分配比為：C0.10～0.16％，Mn1.15～1.45％，Si0.30～0.50％，S、P≤0.025％，V0.07～0.10％，Ti0.004～0.010％，余量Fe，Ceq≤0.42％。其缺點(diǎn)是該鋼只提出了0℃的沖擊韌性要求，不能滿足在更低溫度下的嚴(yán)寒地區(qū)使用。申請?zhí)枮?01310441360.0的專利文獻(xiàn)，公開了一種輸電鐵塔用耐低溫沖擊角鋼，所述角鋼化學(xué)成分的重量百分比為：C：0.05～0.15％，Mn：1.20～1.60％，Si：0.01～0.05％，V：0.02～0.10％，Ni：0.02～0.06％，Ca：0.001～0.005％，Cr：0.01～0.20％，Cu：0.10～0.25％，P：0.01～0.03％，Mo：0.20～0.35％，S：0.005～0.02％，其余為Fe。其缺點(diǎn)是，該鋼耐低溫沖擊滿足-40℃，但是強(qiáng)度低，不能滿足大型石油平臺的建造和使用，其采用的熱鍍鋅工藝存在環(huán)境污染大、能耗大、成本高、投資大等問題，同時(shí)對于-50℃以下極寒地區(qū)使用受到限制。申請?zhí)枮?01610138492.X的專利文獻(xiàn)，公開了一種耐低溫角鋼及其生產(chǎn)方法。該角鋼按質(zhì)量百分比由以下化學(xué)成分組成：C：0.10～0.15％，Si：0.20～0.50％，Mn：1.3～1.7％，V：0.04～0.06％，Al：0.005～0.015％，N≤0.01％，O≤0.006％，P≤0.020％，S≤0.010％，余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。其生產(chǎn)方法包括鐵水預(yù)脫硫、轉(zhuǎn)爐冶煉、LF精煉、方坯連鑄機(jī)連鑄及軋制工序。該發(fā)明采用釩微合金化工藝，耐低溫性能滿足-40℃沖擊能≥100J，但是屈服強(qiáng)度僅滿足Rel≥345MPa，強(qiáng)度較低。綜上，發(fā)明一種同時(shí)滿足強(qiáng)度高，具有-50℃以下耐低溫性能角鋼，滿足建造高水平海洋石油平臺等設(shè)施，具有非常大的必要性。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，為了滿足低溫環(huán)境下海洋石油鋼的需求，提供一種海洋工程用耐低溫高韌性熱軋角鋼及其制造方法。更具體是說，本發(fā)明提供一種屈服強(qiáng)度400MPa及以上級別，-50℃以下耐低溫角鋼及其低成本制造方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：本發(fā)明的海洋工程用耐低溫高韌性熱軋角鋼，其化學(xué)成分組成按重量百分比為：C：0.06％～0.10％；Si：≤0.25％；Mn：0.8％～1.5％；Nb：0.01％～0.03％；V：0.02％～0.06％；Ni：0.05％～0.25％；P≤0.02％；S≤0.01％；N≤0.015％；Al：0.01％～0.04％；O≤0.004％；其余為Fe和不可避免雜質(zhì)。本發(fā)明的熱軋角鋼，其屈服強(qiáng)度大于等于400MPa，延伸率大于等于20％，-50℃縱向沖擊功大于等于34J。在本發(fā)明中主要合金元素的作用如下：C：在該鋼中與V，Nb等強(qiáng)碳化合物元素相結(jié)合，形成細(xì)小彌散的碳氮化物，起到抑制晶粒長大和析出強(qiáng)化的作用，是最有效的強(qiáng)化元素之一。過高的C對于鋼的低溫韌性不利，因此C控制在0.06％～0.10％；Mn：能夠降低奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的相變溫度，而奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變的相變溫度的降低對于熱軋態(tài)或正火態(tài)鋼材的鐵素體晶粒尺寸有細(xì)化作用，因此，Mn作為高強(qiáng)度微合金鋼中的主要合金元素而被廣泛應(yīng)用。Mn過高將增加裂紋敏感性顯著增加，影響焊接性能，增加偏析程度，過低則固溶強(qiáng)化效果不明顯，從而影響強(qiáng)度。故Mn的取值范圍確定在0.8％～1.5％。Si：固溶于鐵素體和奧氏體中，提高鋼的強(qiáng)度、硬度、彈性和耐磨性。當(dāng)鋼中Si含量較高時(shí)，鋼的焊接性能會惡化。Si含量高于0.5％以上將損害鋼的韌性和塑性；同時(shí)過高使得氧化鐵皮不易去除從而影響鋼的表面質(zhì)量。Nb：為強(qiáng)碳化合物形成元素，在鋼中形成的Nb(C,N)等第二相粒子可阻礙鋼在再加熱時(shí)的奧氏體晶粒長大，并能夠抑制軋制后的再結(jié)晶及再結(jié)晶后的晶粒長大，起到細(xì)化晶粒的作用，進(jìn)而提高鋼材的強(qiáng)度和低溫韌性；當(dāng)過量時(shí)易產(chǎn)生晶間裂紋，并降低鋼的可焊性，所以含量控制在0.01％～0.03％。V：釩在該鋼中有沉淀強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和晶界強(qiáng)化作用。V既是強(qiáng)碳化物形成元素，同時(shí)也是強(qiáng)氮化物形成元素。在800-1000℃時(shí)，V與C生成VC，這些VC顆粒以細(xì)小質(zhì)點(diǎn)形式存在將阻止奧氏體晶粒長大起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用。另外，在冷卻過程中，這些V的碳化物以彌散形式析出，對鋼起到沉淀強(qiáng)化作用，故V含量應(yīng)控制在0.02～0.06％。Ni：鎳在鋼中強(qiáng)化鐵素體并細(xì)化珠光體，可以提高鋼的強(qiáng)度。鎳在提高鋼強(qiáng)度的同時(shí)，對鋼的韌性、塑性以及其他工藝的性能的損害較其他合金元素的影響小。低碳鋼中加入一定的鎳能使鋼的韌性和塑性有所提高。鎳可以提高鋼對疲勞的抗力和減小鋼對缺口的敏感性。鎳降低鋼的低溫脆性轉(zhuǎn)變溫度，這對低溫用鋼有極重要的意義?？紤]到成本等因素，Ni含量應(yīng)控制在0.05％～0.25％。P：是鋼中的有害元素，由于其偏析傾向嚴(yán)重，容易在晶界聚集惡化鋼的基體組織，惡化鋼的力學(xué)性能，因此本發(fā)明將磷含量控制到0.02％以下。S：是有害元素，容易使鋼具有偏析傾向，易引起鋼材低溫沿晶斷裂，并能導(dǎo)致鋼材具有各向異性韌性低等缺點(diǎn)，本發(fā)明將硫含量控制在0.01％以下。Al：脫氧劑，同時(shí)可以與鋼中的N形成AlN，細(xì)化鐵素體晶粒，起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用，同時(shí)改善鋼的韌性。過多的Al不利于組織的純凈度，因此控制含量在0.01％～0.04％。配合上述化學(xué)成分，本發(fā)明還提供了一種上述熱軋角鋼的制造方法，其生產(chǎn)制備工藝主要包括轉(zhuǎn)爐冶煉，LF精煉，連鑄和孔型熱軋成材，具體步驟如下：1)轉(zhuǎn)爐冶煉：為控制低溫韌性，入爐鐵水砷含量≤90ppm；渣料必須于終點(diǎn)前4分鐘加完；終渣堿度控制在2.3～3.3范圍內(nèi)；2)精煉：精煉采用全程底吹氬氣攪拌，保證夾雜物上浮，保證精煉軟吹氬不小于12分鐘；3)連鑄：連鑄過程中間包液面≥850mm，采用全保護(hù)澆注工藝；拉速控制在1.0～1.6m/min；保證鑄坯角部不產(chǎn)生裂紋；4)熱軋：在軋制過程中，加熱爐的均熱溫度為1100～1260℃，鑄坯在爐時(shí)間為130～220min；開軋溫度為1100～1150℃，終軋溫度在翼緣外側(cè)為850～920℃，角鋼的壁厚范圍為5～15mm；邊寬度控制在50～200mm。粗軋和精軋過程以控制溫度和變形為主，不僅孔型充滿，而且保證產(chǎn)品組織和適當(dāng)?shù)牧W(xué)性能。5)軋后冷卻：角鋼軋后在線經(jīng)過水槽進(jìn)行冷卻，出冷卻水槽后溫度在500～650℃。根據(jù)本發(fā)明的制造方法，其中作為優(yōu)選，步驟2)采用雙擋渣出鋼工藝，放鋼時(shí)間不小于3min，控制轉(zhuǎn)爐下渣量≤80mm；采用鋁錳鐵脫氧，鋁錳鐵加入量1.0～4.5kg/t鋼，爐前可視情況補(bǔ)加；采用金屬錳、釩氮合金，鈮鐵，鎳鐵等進(jìn)行合金化。根據(jù)本發(fā)明的制造方法，為保證生產(chǎn)順行，步驟3)在精煉出站前喂入鈣線50～150m/爐。根據(jù)本發(fā)明的制造方法，其中作為優(yōu)選，步驟4)所述精軋采用孔型軋制在精軋連軋機(jī)上進(jìn)行，機(jī)架間水冷全部開啟。步驟5)軋后進(jìn)行控制冷卻，從而獲取與力學(xué)性能相匹配的組織。本發(fā)明通過低碳和復(fù)合微合金化配以控制冷卻的工藝設(shè)計(jì)思路，應(yīng)用鋁脫氧、以Nb-V-Ni-Al-N為主的工藝技術(shù)，結(jié)合加熱溫度和終軋溫度，冷卻溫度等過程溫度控制，實(shí)現(xiàn)海洋工程用中小規(guī)格角鋼產(chǎn)品生產(chǎn)。本發(fā)明添加Nb，V后，結(jié)合水冷控制溫度，析出細(xì)小的碳氮化物，從而細(xì)化最終第二相及基體組織，使得所制備的角鋼低溫韌性穩(wěn)定性顯著提高。與現(xiàn)有技術(shù)相比，增加水冷控制能夠更好的發(fā)揮元素在粗軋，精軋以及終冷過程的作用，使得組織改善明顯，從而改善力學(xué)性能，尤其是耐低溫性能。同時(shí)，加熱溫度可以適當(dāng)降低，能夠更好的節(jié)省能源。本發(fā)明制備的角鋼與現(xiàn)有角鋼相比較，金相組織更加均勻細(xì)化，析出的碳氮化物均勻彌散分布在基體組織中。其中，具體的組織金相圖參見圖2。本發(fā)明未提及的工序，均可采用現(xiàn)有技術(shù)。同目前高強(qiáng)度角鋼及生產(chǎn)方法比較，本發(fā)明技術(shù)方案的優(yōu)點(diǎn)在于：1、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利涉及技術(shù)充分利用細(xì)晶強(qiáng)化機(jī)制和沉淀強(qiáng)化機(jī)制，細(xì)化基體組織晶粒到15微米以下，提高低溫韌性；同時(shí)，采用低碳含量控制，避免出現(xiàn)過多的珠光體和帶狀組織，提高組織均勻性。2、Nb-Ni-V-N復(fù)合微合金化工藝，合金回收率穩(wěn)定，通過軋后簡單的水冷就可以實(shí)現(xiàn)組織的細(xì)化以及穩(wěn)定性，大幅度提高角鋼的強(qiáng)度，從而得到耐極低溫度的低溫海工用角鋼。3、本發(fā)明涉及的海工用角鋼產(chǎn)品其力學(xué)性能良好，屈服強(qiáng)度大于等于400MPa，抗拉強(qiáng)度大于等于500MPa，尤其是-50℃縱向沖擊功大于等于34J，適合極寒地區(qū)使用。附圖說明圖1是本發(fā)明的耐低溫高韌性熱軋角鋼外形示意圖。其中，b-邊部寬度；d-邊厚度；t-腿厚度；Z0-重心距離；r-內(nèi)圓弧半徑；r1-邊端圓弧半徑。圖2是本發(fā)明的耐低溫高韌性熱軋角鋼的組織金相圖。具體實(shí)施方式以下列舉具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行說明。需要指出的是，實(shí)施例只用于對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，不限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，其他人根據(jù)本發(fā)明做出的非本質(zhì)的修改和調(diào)整，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。下述實(shí)施例中的連鑄坯均按以下工藝流程制備：根據(jù)設(shè)定的化學(xué)成分范圍(表1)，以化學(xué)成分C，Si，Mn，S，P和Fe為原料，進(jìn)行轉(zhuǎn)爐冶煉、精煉、連鑄、鑄坯直接加熱或者均熱。制備的熱軋角鋼外形示意圖如圖1所示。實(shí)施例1-3的制備步驟如下：1、轉(zhuǎn)爐冶煉：入爐鐵水砷含量小于80ppm；渣料必須于終點(diǎn)前4分鐘加完，全程渣子化好、化透。終渣堿度控制在2.8～3.2范圍內(nèi)。采用雙擋渣出鋼工藝，放鋼時(shí)間6min，控制轉(zhuǎn)爐下渣量60mm。2、精煉：執(zhí)行全程底吹氬攪拌吹氬制度，保證夾雜物上浮，保證精煉軟吹氬16分鐘。為保證生產(chǎn)順行，精煉出站前喂入鈣線110m。3、連鑄：采用全保護(hù)澆注工藝；拉速控制在1.3m/min.4、熱軋：粗軋和精軋過程以控制溫度和變形為主，終軋溫度檢測角部外側(cè)。5、軋后冷卻采用槽式裝備在線水冷，溫度控制在580～620℃。實(shí)施例1-3的化學(xué)成分見下表1。表1實(shí)施例1-3的化學(xué)成分(wt％,余量鐵)項(xiàng)目CSiMnPSAlVNNbNi實(shí)施例10.060.251.20.020.0100.0200.060.0120.010.15實(shí)施例20.080.251.400.0190.0090.0250.0350.0080.020.2實(shí)施例30.120.281.00.0180.0080.0300.030.010.030.25實(shí)施例1-3的熱軋工藝條件見表2。按照標(biāo)準(zhǔn)為BSENISO377-1997《力學(xué)性能試驗(yàn)試樣的取樣位置和制備》；屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率的試驗(yàn)方法參照標(biāo)準(zhǔn)ISO6892-1-2009《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》；沖擊功試驗(yàn)方法參照標(biāo)準(zhǔn)ISO148-1《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)》，結(jié)果見表2。表2實(shí)施例1-3的熱軋工藝條件從表中可見，本發(fā)明實(shí)施例1-3屈服強(qiáng)度保持400MPa級別，其-50℃沖擊功較高?？梢詽M足制備海洋工程構(gòu)件在極低環(huán)境下的使用條件，適用于制作海洋石油平臺、海洋遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶等具有較高低溫韌性要求的支撐結(jié)構(gòu)件。本
技術(shù)領(lǐng)域：
中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，以上的實(shí)施例僅是用來說明本發(fā)明，而并非用作為對本發(fā)明的限定，只要在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神范圍內(nèi)，對以上所述實(shí)施例的變化、變形都將落在本發(fā)明的權(quán)利要求書范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3