CN102400063A - 屈服强度550Mpa的超高强船体及海洋平台用钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种屈服强度550Mpa的超高强船体及海洋平台用钢及其生产方法，其特征是，其化学成分按重量％为：C0.04～0.07％、Si0.3～0.5％、Mn1.45～1.60％、P≤0.02％、S≤0.005％、Cr0.25～0.4％、Ni0.6～0.8％、Mo0.2～0.3％、V0.04～0.06％、Cu0.6～0.8％、Als0.015～0.045％，其余为Fe及杂质。其生产方法是轧制采用两阶段控制轧制和控制冷却，得到板条状贝氏体和铁素体组织。与现有技术相比，本发明的优点是：在满足国家标准FH550钢级的相关成分范围基础上，采用低C含量设计，微合金元素强化，具有良好的焊接性能和耐腐蚀性能。

Description

屈服强度550Mpa的超高强船体及海洋平台用钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及金属材料技术领域，尤其涉及屈服强度550Mpa的超高强船体及海洋平台用钢及其生产方法。

背景技术

目前国内生产的船板钢材屈服强度较低，如被大多厂家采用的《船体结构钢GB/T 712-2000》标准，该标准中，钢板的最大强度和质量级别为：FH40；在开展本发明研究之前，我国能够自行生产的船板的顶级产品为EH36，即强度等级最高为屈服355Mpa级，能满足韧性要求的最低温度为-40℃。390Mpa级高强船板和550MPa级的超高强度船体及海洋工程用钢都不能生产，而且各强度级别都不能达到-60℃低温冲击要求，其生产方法主要有正火和热轧两种形式。我国船体及海洋工程用钢产品碳当量高造成焊接性等应用性能不良，使用户在焊接加工不得不采取预热、后热等技术措施，降低效率，恶化工作条件，增加生产成本。

TMCP(ThermoMechanicalControlProcess：热机械控制工艺)就是在热轧过程中，在控制加热温度、轧制温度和压下量的控制轧制(ControlRolling)的基础上，再实施空冷或控制冷却及加速冷却(AcceleratedCooling)的技术总称。由于TMCP工艺在不添加过多合金元素，也不需要复杂的后续热处理的条件下生产出高强度高韧性的钢材，被认为是一项节约合金和能源、并有利于环保的工艺，故自20世纪80年代开发以来，已经成为生产低合金高强度宽厚板不可或缺的技术。随着市场对TMCP钢的要求不断提高，TMCP工艺本身也在应用中不断发展。从近几年的研究工作看，重点是放在控制冷却，尤其是加速冷却方面。通过加快轧制后的冷却速度，不仅可以抑制晶粒的长大，而且可以获得高强度高韧性所需的超细铁素体组织或者贝氏体组织，甚至获得马氏体组织。

现有技术发明200580027658.0：焊接性和韧性均优异的抗拉强度550Mpa以上的高强度钢材及其制造方法，其与本发明的不同之处是钢的断面组织中60％以上为贝氏体组织，化学成分有异。

发明内容

本发明的目的是提供一种屈服强度550Mpa的超高强船体及海洋平台用钢及其生产方法，改变目前国内不能生产超高强度船体及海洋平台用钢的现状，提供一种成分设计合理、采用TMCP工艺生产的超高强度的船体及海洋平台用钢。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

屈服强度550Mpa的超高强船体及海洋平台用钢，其化学成分按重量％组成为：C 0.04～0.07％、Si 0.30～0.50％、Mn 1.45～1.60％、P≤0.020％、S≤0.005％、Cr 0.25～0.40％、Ni 0.60～0.80％、Mo 0.20～0.30％、V 0.04～0.06％、Cu 0.60～0.80％、Als 0.015～0.045％，其余为Fe以及不可避免的杂质，各成分总和为100％。

所述的屈服强度550Mpa的超高强船体及海洋平台用钢的生产方法，包括转炉冶炼、吹炼深脱碳、RH或VD真空炉处理以及LF处理、连铸、轧制，其特征在于，轧制采用两阶段控制轧制和控制冷却，其操作步骤如下：

1)、轧前的加热温度控制在1150～1200℃以保证细小的奥氏体晶粒，保温2～3小时；

2)第一阶段控制轧制在大于1000～1050℃的奥氏体再结晶温度范围内进行，累计变形量50～60％；

3)、第二阶段控制轧制在830～890℃奥氏体再结晶温度以下温度范围内轧制，累计变形量40～50％，终轧温度820～880℃；

4)以10℃～15℃/s的速度冷却，终冷温度在400℃～550℃之间，最后得到板条状贝氏体和铁素体组织。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在满足国家标准中FH550钢级的相关成分范围基础上，采用低C含量设计，微合金元素强化，具有良好的焊接性能和耐腐蚀性能，屈服强度达到了550Mpa，TMCP轧制工艺通过两阶段控制轧制和控制冷却速度，不仅可以抑制晶粒的长大，而且可以获得高强度高韧性所需的超细铁素体组织或者贝氏体组织，甚至获得马氏体组织，减少合金元素的添加量，保证金属材料产品的经济性。

附图说明

图1是不同碳含量与碳当量下焊接难易程度的GRIVI图；

图2是Nb、V、Ti微合金元素对钢再结晶温度影响的关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

本发明的屈服强度550Mpa的超高强船体及海洋平台用钢，其化学成分按重量％组成为：C 0.04～0.07％、Si 0.30～0.50％、Mn 1.45～1.60％、P≤0.020％、S≤0.005％、Cr 0.25～0.40％、Ni 0.60～0.80％、Mo 0.20～0.30％、V 0.04～0.06％、Cu 0.60～0.80％、Als 0.015～0.045％，其余为Fe以及不可避免的杂质。

根据生产设备及工艺条件，考虑产品的经济性，超高性能船板采用的合金设计依据如下：

C：在船板钢的化学成分设计中，碳对钢的强度、韧性、焊接性能等影响很大。为了使钢板具有良好的焊接性能、较好的低温冲击韧性，必须降低钢中的含碳量。图1为不同碳含量与碳当量下焊接难易程度的GRIVI图。传统的船板钢C含量设计大于0.1％，在一定条件下可不冷裂的Ⅱ区或高冷裂敏感性的Ⅲ区，焊接性不好。本发明使碳含量降至不敏感的Ⅰ区，可以保证钢板具有良好焊接性。

S：硫是钢中的有害元素。钢的硫化物夹杂显著降低钢的延伸率，加大了钢的各向异性，对韧性也非常不利。尤其是严重损害钢的Z向性能。在本发明中对硫进行了严格的控制，尤其是Z向性能钢板要求S≤0.005％。

Mn：锰是提高强度和韧性的有效元素，它是弱碳化物形成元素，它在冶炼中的作用是脱氧和消除硫的影响，还可以降低奥氏体转变温度，细化铁素体晶粒，对提高钢板强度和韧性有益。同时还能固溶强化铁素体和增加钢的淬透性。一般用低碳高锰类型的钢作为焊接结构钢时，Mn/C比值越大(达2.5以上)，钢的低温韧性就越好。另外在低碳条件下它对贝氏体转变有显著的促进作用。

Nb：图2是Nb、V、Ti微合金元素对钢再结晶温度影响的关系图，Nb对提高再结晶温度的效果最强。铌是超低碳贝氏体钢中的重要添加元素，对TMCP技术的运用具有关键作用。铌能够有效地延迟变形奥氏体的再结晶，阻止奥氏体晶粒长大，提高奥氏体再结晶温度，细化晶粒。铌细化晶粒的强烈效果与在轧制时碳氮化铌析出延迟奥氏体的再结晶有关系。本发明中铌含量可以保证二阶段轧制完全在再结晶温度以下。

Ti：加入微量的钛，是为了固定钢中的氮元素。另外Ti有强烈的析出强化作用，可以提高钢的强度，对焊接热影响区处的硬度也有好的影响作用。当钢中的Ti、N原子之比为1∶1时，TiN粒子最为细小且分布弥散，对高温奥氏体晶粒的细化作用最强。本发明中使Ti/N比尽可能接近理想化学配比。

Cu和Ni：在钢中加入铜不仅对焊接热影响区硬化性及韧性没有不良影响，ε-Cu的析出大大的提高了钢的强度。另外，Cu对钢的耐蚀性、改善焊接性、低温韧性、成型性与机加工性能等都非常有益。但另一方面，Cu含量高时连铸钢坯加热或热轧时易产生裂纹，恶化钢板表面性能，必须添加适量的Ni以阻止这种裂纹的产生。

Mo和Cr：提高钢的淬透性以提高母材的强度，同时与Cu、Ni等元素共同作用可以提高钢板的耐蚀性。钼属于缩小奥氏体相区的元素，它存在于钢的固溶体和碳化物中，有固溶强化作用。在碳化物相中，当钼含量较低时，与铁及碳形成复合的渗碳体；当含量较高时，则形成它自己的特殊碳化物。钼的扩散速度远小于碳的扩散速度。因此，它在钢种可以减缓碳化物在奥氏体中的溶解速度，对钢由奥氏体分解为珠光体的转变有强烈的抑制作用，但对由奥氏体分解为贝氏体的转变速度的影响则微不足道，对亚共析钢由奥氏体分解析出铁素体的速度也有抑制作用，因此有利于得到贝氏体钢。铬的添加可以降低钢种的相变点，细化组织，有效的提高强度，还可以提高钢种抗氧化性及高温耐腐蚀性能等。

屈服强度550Mpa的超高强船体及海洋平台用钢的生产方法，包括转炉冶炼→LF/VD精炼→连铸→板坯加热→TMCP工艺轧制→探伤→检查、检验→入库，转炉冶炼要进行铁水脱硫预处理，脱硫渣扒净，使用清洁废钢和合金，合金要充分烧烤；钢包要保证清洁干燥，不得有残渣、残钢，转炉挡渣出钢，出钢后渣层厚度＜100mm，熔炼成分按上述目标成份进行控制；在LF处造白渣并合理调整精炼渣系，调整精炼过程合适的底吹氩气供气强度或流量，使钢水中夹杂充分上浮排除，降低有害气体O、H、N等以及S的有害作用。VD处理时保压时间或RH钢水循环时间≥10min；VD处理后静吹氩时间≥5min，RH处理后镇静时间≥5min。浇注过程钢包吹氩时间≥10min，中间包目标过热度按小于25℃控制；全程保护浇注，并投入两段电磁搅拌，搅拌电流I＝1000A，连铸板坯按YB/T 2012进行检查及清理，TMCP工艺轧制采用两阶段控制轧制和控制冷却，其操作步骤如下：

1)轧前的加热温度控制在1150～1200℃以保证细小的奥氏体晶粒，保温2～3小时，以便Nb充分熔入奥氏体中，在轧制后起到细化晶粒的作用；

2)第一阶段控制轧制在大于1000～1050℃的奥氏体再结晶温度范围内进行，累计变形量50～60％；

3)第二阶段控制轧制在830～890℃奥氏体再结晶温度以下温度范围内轧制，累计变形量40～50％，终轧温度820～880℃；

4)以10～15℃/s的速度冷却，终冷温度在400℃～550℃之间，最后得到板条状贝氏体和铁素体组织。

本发明的FH550钢级超高强船体及海洋平台用钢物理性能检验结果如下表1。

鞍钢企业标准(Q/ASB141-2009)中超高强度船体及海洋工程系列钢板化学成分范围(％)见表2。

表1

表2

注：Z向性能钢要求S≤0.005％，其他合金元素适量添加。

Claims (2)

1.屈服强度550Mpa的超高强船体及海洋平台用钢，其特征在于，其化学成分按重量％组成为：C 0.04～0.07％、Si 0.30～0.50％、Mn 1.45～1.60％、P≤0.020％、S≤0.005％、Cr 0.25～0.40％、Ni 0.60～0.80％、Mo 0.20～0.30％、V 0.04～0.06％、Cu 0.60～0.80％、Als 0.015～0.045％，其余为Fe以及不可避免的杂质，各成分总和为100％。

2.权利要求1所述的屈服强度550Mpa的超高强船体及海洋平台用钢的生产方法，包括转炉冶炼、吹炼深脱碳、RH或VD真空炉处理以及LF处理、连铸、轧制，其特征在于，轧制采用两阶段控制轧制和控制冷却，其操作步骤如下：

1)轧前的加热温度控制在1150～1200℃以保证细小的奥氏体晶粒，保温2～3小时；

2)第一阶段控制轧制在大于1000～1050℃的奥氏体再结晶温度范围内进行，累计变形量50～60％；

3)第二阶段控制轧制在830～890℃奥氏体再结晶温度以下温度范围内轧制，累计变形量40～50％，终轧温度820～880℃；

4)以10℃～15℃/s的速度冷却，终冷温度在400℃～550℃之间，最后得到板条状贝氏体和铁素体组织。

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