CN102534378A - 一种金相组织均匀的耐海水腐蚀结构钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金相组织均匀的耐海水腐蚀的结构用钢及其生产方法。其组分及重量百分比为：C：0.05～0.45％，Si：0.05～0.45％，Mn：1.50～2.50％，P：≤0.025％，S≤0.006％，Ti：0.001～0.0048％，余为Fe和不可避免的杂质；其生产步骤：冶炼并进行真空处理，连铸成坯；对铸坯常规加热及均热；分段轧制，即：铸态组织轧制，细化晶粒的轧制，晶粒大小均匀化的轧制；自然冷却至室温，待用。本发明用200倍金相显微镜观察，成品钢板中尺寸为10～25μm的晶粒占80％～90％，＞25μm的晶粒为≤5％，余为＜10μm的晶粒，其耐海洋腐蚀率提高至少45％，并具有良好的强韧性配合，且冷、热变形及焊接性能优良。

Description

一种金相组织均匀的耐海水腐蚀结构钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及钢铁材料，具体属于耐海水腐蚀的结构用钢及其生产方法。

背景技术

海洋钻井平台等结构用钢，尤其位于海水以下部位的结构用钢材，不仅要求具有良好的综合力学性能、工艺性能，而且还要求具有良好的抗腐蚀性能，以保障钢结构工程的安全。现役的海洋钻井平台等结构用钢，一般为相关船级社规定的DH36、AH36、EH36、D420、E420、D460、E460、E690等，据有关文献报道，上述材料在使用过程中有的抗疲劳性能不能满足要求，疲劳寿命低于钢结构使用寿命设计要求，有的抗海水腐蚀性能不能满足要求，在海水环境过早出现点蚀现象，威胁钢结构安全，有的钢材强度、韧性等性能指标偏低，导致在寒冷地区使用过程中，由于海面结冰、海浪等环境的影响使得钻井平台整体倾斜、倒塌等事故。因此，本发明的目的在于提供晶粒尺寸均匀的海洋钻井平台用钢，具有良好的综合力学性能、冷热加工性能和抗腐蚀性能，满足海上钻井平台等等大型海洋工程建造用钢需求，延长工程使用寿命。

在本申请以前，中国专利申请200610020027.2公开了一种“一种耐海水腐蚀性能的海洋钻采平台用钢及其制造方法”，其化学元素组成包括C：0.03～0.09，Mn：0.90～1.60，Si：0.10～0.50，P：0.006～0.020，Cr：0.004～0.100，Cu：0.02～0.40，Als：0.010～0.060，Nb：0.005～0.060，Ti：0.005～0.030，余量为Fe及不可避免的杂质。制造方法采用铁水脱硫、转炉顶底吹炼、真空处理、连铸，以及控轧控冷工艺制成。不足之处在于碳含量为0.03％～0.09％C，经所述制造方法生产的钢板强度偏低，降低在海浪、寒冷结冰地区钻井平台的稳定性。钢中添加了0.010％～0.060％Als，在制造钢板过程中易形成颗粒粗大的Al₂O₃且不易除净，降低钢的断裂韧性和钢板表面质量，在连铸过程中生成的Al₂O₃容易堵塞浇铸水口，造成生产事故。钢中添加了0.004％～0.100％的Cr，容易在钢材中形成含Cr的系列化合物如Cr₂C₃、Cr₆C₂₃等，增加了夹杂物与Fe基体的电极电位，容易造成腐蚀，尤其易发生点蚀。中国专利申请200710052135.2公开了“一种大线能量焊接高强度海洋用钢板及其制造方法”，板坯的化学成分及其含量是：C为0.01～0.25wt％、Si为0.05～0.5wt％、Mn为0.5～1.8wt％、Ni为0.1～1.5wt％、Cu为0.1～1.5wt％、Als为0.001～0.06wt％、Nb为0.01～0.08wt％、Ti为0.01～0.08wt％、N为0.002～0.012wt％、B为0.0001～0.003wt％、P为＜0.010wt％、S为＜0.005wt％，其余为Fe及不可避免的杂质。制造工艺是：经炼钢后用Fe-Ti合金或者金属Ti进行脱氧，用Al线进行最终脱氧后加入B。再经连铸、均热、控制轧制、轧后弛豫控制、在线冷却即可。该专利技术不足之处在于添加了合金元素Cu，且含量在0.1～1.5％范围，在生产钢板的过程中易产生热裂纹，增大了钢结构潜在安全隐患。钢中添加了一定数量的Ni、Cu等合金元素，依靠这些合金元素虽然可以提高钢板的耐腐蚀性能，但生产成本大幅度提高，性价比降低。中国专利申请201010270319.8介绍了一种“一种未再结晶区两阶段控制轧制中板的方法”，该方法在未再结晶区温度范围内为两阶段轧制，提高未再结晶区轧制的开轧温度，减少中间坯高温阶段待温时间，具体步骤为：中间坯一旦待温冷却到未再结晶温区，立即进行第一次高压水除鳞操作，并进行未再结晶区第一阶段轧制；中间坯在轧机前或后辊道上进行摆动待温；待温到设定温度后进行第二次高压水除鳞操作，并进行未再结晶区第二阶段轧制，得到符合要求中板。该专利技术不足之处在于未提及再结晶温度区域轧制过程，而再结晶区域轧制是结构钢板轧制过程不可避免的轧制过程，主要目的是破碎铸坯铸态晶粒和粗大组织，为下一阶段轧制奠定基础，是得到晶粒尺寸均匀、组织均匀钢板的不可缺少的轧制过程。中国专利申请03156179.9公开了“一种超细组织低碳钢的控制轧制方法”，化学成分及其重量百分含量是：0.05～0.20C-0.05～0.40Si-0.10～2.0Mn-0.03～0.10Nb的低碳钢，首先在1100～1250℃加热0.5～1小时，使钢坯完全奥氏体化，并使微合金元素充分溶解，然后在950～1100℃进行1～2道次再结晶控轧，道次压下量为20～30％；再在820～720℃进行3～5道次变形诱导铁素体相变轧制，道次压下量为30～50％，道次间隔时间大于5s。轧后以＞10℃/s冷速加速冷却。该方法可以获得平均晶粒尺寸不大于4μm，体积分数大于85％的变形诱导相变铁素体。一般地，结构钢化学成分相同时，晶粒尺寸越小，晶粒晶界面积综合越大，由于晶界与晶内存在能量不同、成分不同和结构不同，晶界比晶内更易被腐蚀，因此，晶粒越小的结构钢抗腐蚀性能相对较低。

发明内容

本发明要解决的是现有技术存在的由于金相晶粒粗大，均匀性差而引起的抗海洋腐蚀性能较低，使用周期较短的不足，提供一种在满足海洋结构用钢的各种力学性能的前提下，使钢的耐海洋腐蚀率提高至少45％，钢的晶粒尺寸在10～25μm的晶粒数量占80％～90％，且钢的晶粒尺寸均匀的耐海水腐蚀的结构用钢及其生产方法。

实现上述目的的措施：

一种金相组织均匀的耐海水腐蚀结构钢，其组分及重量百分比为：C：0.05～0.45％，Si：0.05～0.45％，Mn：1.50～2.50％，P：≤0.025％，S≤0.006％，Ti：0.001～0.0048％，余为Fe和不可避免的杂质。

生产一种金相组织均匀的耐海水腐蚀结构钢的方法，其步骤：

1)冶炼并进行真空处理，连铸成坯；

2)对铸坯进行常规加热及均热；

3)分段进行轧制：进行第一阶段即铸态组织轧制，并控制其开轧温度在1150℃～1320℃，终轧温度控制在980℃～1120℃；在第一阶段轧制后相隔60秒～300秒内，进行第二阶段的轧制，即细化晶粒的轧制，并控制其开轧温度在950℃～1050℃，终轧温度控制在880℃～960℃；在第二阶段轧制后相隔20秒～120秒内，进行第三阶段的轧制，即进行晶粒大小均匀化的轧制，并控制其开轧温度在850℃～940℃，终轧温度控制在750℃～840℃；

4)自然冷却至室温，待用。

本发明主要合金元素含量的设定及制造方法，依据以下原理：

晶粒尺寸均匀的结构钢不仅具有良好的强度、韧性配合，而且还具有良好的塑性指标如延伸率等，因为，在外力的作用下，大小相近的晶粒可以协同变形，变形量相当，晶粒之间不会因变形量差别过大而过早出现裂纹，因而具有良好的综合力学性能和工艺性能。

C：为保障其强度，一定C含量是必不可少的，但是过高的C含量会使钢在生产过程中产生Fe₃C及珠光体组织，增加钢的在海水及海洋大气环境下的腐蚀速率。综合平衡钢的力学性能和耐腐蚀性能，将C含量的取值范围确定为：0.05～0.45％。

Si：是结构钢中常用的经济型合金元素，加入钢中可显著提高钢的强度，另外。Si在钢中由于“拖曳”作用抑制C原子扩散，减少Fe₃C形成的可能性，有利于提高钢的耐腐蚀性能。但如果钢中Si含量偏高，会使钢的韧性，尤其使低温韧性明显降低，综合钢的强度、韧性及耐腐蚀性能诸方面的考虑，将Si的成分范围确定为：0.05～0.45％。

Mn：不仅可以增加钢的强度，还可以降低钢的相变温度，通过控制轧制过程，在提高钢的强度同时提高其断裂韧性，但若Mn含量过高，在钢中易形成MnS夹杂，减低钢的耐腐蚀性能，故将Mn含量的范围设定为1.50～2.50％。

S：是钢中有害的杂质元素，在钢中易形成MnS夹杂物，不仅强烈减低钢的力学性能尤其是韧性，而且降低钢的耐腐蚀性能，因此S含量越低越好，但若将其含量限定得过低，会增加生产难度，提高生产成本，故将钢的S含量限定在S≤0.006％范围。

P：通常被认为是钢中有害元素，显著降低钢的韧性，但一定的P含量可改善钢的抗大气腐蚀性能，因此，在保障钢的综合力学性能的前提下，一般耐大气腐蚀结构钢中添加一定含量廉价的P，在本申请中将P含量设定为P≤0.025％。

Ti：晶粒尺寸与耐腐蚀性能密切相关，晶粒尺寸越小，晶粒表面积总和越大，发生晶间腐蚀部位就越多，总体腐蚀量就越高，整个钢板腐蚀速率就越快。相反地，若晶粒尺寸越大，强度、韧性、工艺性能等均降低，因此，须将晶粒尺寸控制在一定水平。其Ti的合理含量，则对细化晶粒非常有利。申请人经多次反复试验，将钢的含钛量控制在0.001～0.0048％，可使晶粒尺寸控制在10～25μm范围内最为适宜，也容易控制实现。在钢中添加Ti，还可以固化钢中残余的N含量，形成TiN第二相。少量细小的TiN颗粒可以抑制晶界扩展，获得期望的晶粒尺寸；相反的，如果钢中Ti含量高于0.0048％，则易形成数量较多粗大的TiN颗粒，降低钢的力学性能，加速腐蚀。

本发明采用三阶段轧制将铸坯轧制成钢板，其第一阶段在于破碎粗大的铸态晶粒。因为铸坯边部是粗大的柱状晶粒，中心部位是粗大的等轴晶粒，如果不有效地破碎这些粗大地晶粒，钢板的各项性能均不能得到保障；第二阶段的目的，是由于经第一阶段轧制后，晶粒尺寸仍然较大，通过第二阶段轧制可将晶粒尺寸轧制到设定范围；第三阶段的目的在于为晶粒大小均匀化而进行。第一阶段轧制与第二阶段轧制间隔时间为60～300秒：目的在于使奥氏体有足够的时间再结晶，便于进行下一阶段轧制；第二阶段轧制与第三阶段轧制间隔时间为20～120秒：目的在于铁素体及可能存在的部分奥氏体进行再结晶转变，可均匀化晶粒。

本发明与现有技术相比，其用200倍金相显微镜观察，成品钢板中尺寸大小为10～25μm的晶粒数量占80％～90％，尺寸＞25μm的晶粒数量≤5％，尺寸＜10μm的晶粒数量≤15％，其耐海洋腐蚀率提高至少45％，并具有良好的强度、韧性配合，且冷变形、热变形及焊接性能也很优良，完全满足市场需求。

附图说明

附图为本发明钢的金相组织图

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

进行了五批次试验及两个对比例研究，其各实施例与对比例的成分及重量百分比取值见表1，各实施例与对比例的生产工艺主要参数见表2，各实施例与对比例的性能检测结果见表3。

生产工艺按照以下步骤进行：

1)冶炼并进行真空处理，连铸成坯；

2)对铸坯进行常规加热及均热；

3)分段进行轧制：进行第一阶段即铸态组织轧制，并控制其开轧温度在1150℃～1320℃，终轧温度控制在980℃～1120℃；在第一阶段轧制后相隔60秒～300秒内，进行第二阶段的轧制，即细化晶粒的轧制，并控制其开轧温度在950℃～1050℃，终轧温度控制在880℃～960℃；在第二阶段轧制后相隔20秒～120秒内，进行第三阶段的轧制，即进行晶粒大小均匀化的轧制，并控制其开轧温度在850℃～940℃，终轧温度控制在750℃～840℃；

4)自然冷却至室温，待用。

表1.各实施例与对比例的化学成分(重量百分数％)

表2.各实施例与对比例的主要工艺参数

表3各实施例与对比例的晶粒尺寸与力学性能及腐蚀情况

由表3可见，按本发明生产的钢板微观晶粒尺寸均在10～25μm范围，腐蚀量显著低于对比钢种，抗拉强度均合格。

Claims (2)

1.一种金相组织均匀的耐海水腐蚀结构钢，其组分及重量百分比为：C：0.05～0.45％，Si：0.05～0.45％，Mn：1.50～2.50％，P：≤0.025％，S≤0.006％，Ti：0.001～0.0048％，余为Fe和不可避免的杂质。

2.生产权利要求1所述的一种金相组织均匀的耐海水腐蚀结构钢的方法，其步骤：

1)冶炼并进行真空处理，连铸成坯；

2)对铸坯进行常规加热及均热；

3)分段进行轧制：进行第一阶段即铸态组织轧制，并控制其开轧温度在1150℃～1320℃，终轧温度控制在980℃～1120℃；在第一阶段轧制后相隔60秒～300秒内，进行第二阶段的轧制，即细化晶粒的轧制，并控制其开轧温度在950℃～1050℃，终轧温度控制在880℃～960℃；在第二阶段轧制后相隔20秒～120秒内，进行第三阶段的轧制，即进行晶粒大小均匀化的轧制，并控制其开轧温度在850℃～940℃，终轧温度控制在750℃～840℃；

4)自然冷却至室温，待用。