CN102732781B

CN102732781B - 一种-40℃ctod≥2毫米的海洋平台用钢及其生产方法

Info

Publication number: CN102732781B
Application number: CN201210209422.0A
Authority: CN
Inventors: 陈颜堂; 张开广
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Corp
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2012-06-25
Filing date: 2012-06-25
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2032-06-25
Also published as: CN102732781A

Abstract

一种-40℃CTOD≥2毫米的海洋平台用钢，其化学成分及wt%为：C：0.065～0.15%,Si:0.16～0.55%,Ni:0.05～0.50%，B：0.0002～0.002%，Ti≤0.005%，La：0.0008～0.008%，P≤0.010%,S≤0.005%,Mn≤0.08%，Als≤0.008%，O≤0.0015%,N≤0.001%,H≤0.0001%，其余为Fe和不可避免的杂质；其工艺：铁水深脱硫；转炉冶炼；在RH炉中真空处理；连铸并对铸坯加热；分段轧制；冷却；待用。本发明在保证钢板使用的力学性能及防止海水的腐蚀性能的前提下，在-40℃环境下钢板的CTOD≥2毫米，保证钢的服役可靠性，并能使使用周期提高至不低于30年，并且成分及工艺简单，相对制造成本就会较低。

Description

一种-40℃CTOD≥2毫米的海洋平台用钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及低碳低合金高强度工程用钢及其生产方法，具体属于一种-40℃CTOD≥2毫米的海洋平台用钢及其生产方法。

背景技术

海洋平台钢结构处于海浪、海风动载荷状态。钢中微裂纹在动载荷的作用下发生扩展，钢板抵抗裂纹的扩展能力称为材料的断裂韧性，以裂纹尖端张开位移CTOD衡量，CTOD值越高，材料的断裂韧性越好，海洋平台钢结构质量越高，使用寿命越长。目前，常用的海洋平台用钢对钢板的断裂韧性没有要求，只是要求海洋平台设计使用寿命≥20年。经计算，一般-40℃CTOD不超过1.5毫米。随着海洋工程的发展，海洋平台设计使用寿命则要求提高。然而，建造海洋平台的钢板质量及性能直接影响海洋平台的可靠性和服役寿命。

目前使用的海洋平台钢，由于对钢板的断裂韧性没有要求，海洋平台在使用中，会在飓风的冲击或冰块积压下产生断裂或倾覆等事故。

经检索，中国专利申请号为200810033765.X的专利文献，公开了 “一种TMCP型海洋结构用厚板及其制造方法”，其化学元素组成包括C：0.015～0.18wt％、Mn：0.5～2.0wt％、Si≤0.6wt％、S≤0.003wt％、P≤0.015wt％、 Nb：0.015～0.120wt％、Ti：0.005～0.030wt％、Alt≤0.060wt％、Ca≤0.010wt％、N： 0.003～0.010wt％、O：0.001～0.006wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。其存在的不足是：钢中有害气体元素N、O含量较高，降低钢的断裂韧性和加工性能，且Alt含量较高，Al在钢中形成的不规则形状的Al₂O₃剧烈破坏钢的断裂韧性。

中国专利申请号为200810119506.9的专利文献，其公开了“ 控轧控冷海洋平台用钢及其生产方法”，板坯的化学成分及其含量是：C 0.05～0.09％，Mn 1.20～1.60％，Si 0.20～0.50％，Nb 0.03～ 0.05％，Ti 0.010～0.020％，V 0.03～0.06％，S≤0.005％，Als 0.020～ 0.040％，P≤0.015％，余量为Fe及杂质。经炼钢、精炼后采用板坯连铸、TMCP工艺生产。将按成分冶炼好的钢水浇铸成220～250mm厚板坯；将坯料装入板坯加热炉加热，出炉进行轧制。粗轧开轧温度在1060～1160℃；精轧开轧温度在840～940℃；终轧温度在780～820℃；轧制钢板厚度10～60mm。开始冷却温度在760～ 810℃；终止冷却温度在550～650℃；冷却速率在10～17℃/s。

上述两项专利技术不足：钢中添加了含量较高的Mn，易与钢中不能除净的S反应生成易变形夹杂MnS，这样的夹杂等同于裂纹，显著降低钢的断裂韧性，不足之处之二在于钢中还添加了合金元素Nb，根据大量实际生产数据显示，添加Nb的低合金结构钢中存在没有熔化的单质Nb块，不仅导致钢板质量低劣，还恶化钢的断裂韧性。

中国专利申请号为201010281752.1的专利文献，公开了一种“ 屈服强度550Mpa的超高强船体及海洋平台用钢及其生产方法”，其化学成分按重量百分比计为：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。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。不足之处在于钢中含有Cu、Cr、Mo、Ni、V等合金元素，添加的合金元素多且复杂，加大了生产难度，降低了生产效率，提高了生产成本。

中国专利申请号为201110319500.8的专利文献，其公开了“一种低裂纹敏感海洋平台用结构钢板及其生产方法”，该钢板的化学成分按质量百分比为：C:0.10-0.15%，Si：0.10-0.50%，Mn:1.0-1.6%，P<0.015%，S<0.005%，Nb:0.020-0.050%，V:0.050-0.100%，Ti:0.005-0.020%，Als：0.015-0.050%，Pcm≤0.23%，余量为Fe和不可避免杂质。制造工艺为：在中厚板炉卷轧机条件下，通过低Pcm、低磷和低硫及正火热处理工艺，生产低裂纹敏感海洋平台用结构钢板。该专利文献的不足之处在于钢中添加了1.0-1.6%的Mn，与钢中残余S易生成MnS夹杂，降低钢的断裂韧性，添加Nb:0.020-0.050%，V:0.050-0.100%，Ti:0.005-0.020%，在生产过程中易形成Nb(NC)、VC、Ti(NC)等大颗粒夹杂，严重降低钢的断裂韧性。生产过程要求正火热处理，降低了生产效率，增加了生产成本。

上述的现有专利文献，其共同的不足在于钢中元素较多，且Mn含量高于1.0%，因Mn在结构钢中易与S形成MnS夹杂，降低钢的力学性能，尤其恶化钢的低温冲击韧性，故对于要求-80℃低温冲击韧性的钢来讲，MnS的存在是很不利的。

发明内容

本发明的目的在于克服目前服役的海洋工程用钢的不足，提供一种在保证钢板力学性能及防止海水的腐蚀性能的前提下，钢板在-40℃环境下CTOD≥2毫米，保证钢板的服役可靠性，并能使使用周期提高至不低于30年的海洋平台用钢及其生产方法。

实现上述目的的措施：

一种-40℃CTOD≥2毫米的海洋平台用钢，其化学成分及重量百分比含量为：C：0.065～0.15%, Si: 0.16～0.55%,Ni: 0.05～0.50%，B：0.0002～0.002% ， Ti≤0.005%，La：0.0008～0.008%，并控制：P≤0.010%, S≤0.005%,Mn≤0.08%，Als≤0.008%，O≤0.0015%, N≤0.001%, H≤0.0001%，其余为Fe和不可避免的杂质；金相组织为贝氏体及铁素体，其中贝氏体体积百分比占有量不低于60%。

生产一种-40℃CTOD≥2毫米的海洋平台用钢的方法，其步骤：

1）对铁水进行深脱硫，控制铁水中的S≤0.0008%；

2）进行转炉冶炼；

3）在RH炉中进行真空处理，并控制铁水中的O≤0.0015%, N≤0.001%, H≤0.0001%；

4）连铸并对铸坯加热，控制铸坯均热温度在1180～1250℃；

5）分段进行轧制，控制粗轧开轧温度在1050～1150℃，精轧段终轧温度在760～880℃；

6）冷却：首先控制钢板开始层流冷却时的温度在750～860℃，进行层流冷却，在冷却速度为2.8～16℃/秒下，冷却到610～700℃，此时，控制金相组织为贝氏体及铁素体，其中贝氏体体积百分比占有量不低于60%，余下为铁素体；

7）待用。

本发明主要合金元素含量及工艺参数设定的依据：

为保障海洋平台钢结构安全可靠地服役预期时间，高品质钢材必不可少。在钢种设计及生产过程中应尽可能降低钢中有害夹杂物的含量，对钢的品质和性能具有破坏作用的夹杂包括硫化物MnS、不规则形状大块的Al₂O₃、呈四方体形态的TiN等，为降低钢中夹杂物数量，改善夹杂物的形态及分布，本发明申请将Mn的含量限制在Mn≤0.08%，将Ti的含量控制在Ti≤0.005%，没有添加合金元素Al，并用微合金元素La改善钢中夹杂物的形态和分布，经试验，得到预期效果，钢中夹杂物呈小颗粒、圆形、弥散分布状态，钢的-40℃断裂韧性优良。

制造方法：铁水经预处理深脱S，炼钢过程精炼钢水以减少钢中夹杂及N、O气体等有害成分，因钢中残余N、O气体剧烈降低钢的力学性能，尤其降低钢的断裂韧性，然后将钢水连续浇注成板坯。钢坯加热、均热温度设定为1180～1250℃，目的在于在该温度范围可将铸坯烧透，便于轧制；开轧温度≥1050℃，目的在于采用高温大压下破碎粗大的铸态组织。终轧后采用层流冷却装置对钢板喷水加速冷却钢板，开始进入层流冷却装置温度：750～860℃，钢板离开层流冷却装置时的温度控制在610～700℃，目的在于固化终轧后微观组织和晶粒，抑制晶粒长大，得到断裂韧性优良的高品质钢板。

以下简述本发明钢中选定各合金元素及成分范围的理由。

C是钢中间隙固溶强化合金元素，强化效果显著，但在提高强度的同时，会大幅度降低钢的断裂韧性，综合平衡钢的强度和断裂韧性，将C含量的取值范围确定为: 0.065～0.15%。

Si属我国资源丰富合金元素，结构钢中通常添加一定含量的Si可提高钢的强度，但降低钢的断裂韧性，综合考虑将Si的成分范围设定为: 0.16～0.55%。

Mn 一般设计结构钢的合金成分时，采用“高Mn低C”的设计思路，但在要求高品质海洋平台用钢时，重点考虑的是钢的纯净度，尽可能降低钢中硫化物等夹杂物的数量，MnS剧烈降低钢的断裂韧性，故将钢的Mn含量设定为Mn≤0.08%。

Ni结构钢中添加Ni，可显著改善钢的低温断裂韧性。因Ni是昂贵合金元素，过量添加不仅造成浪费，还增加成本，故将Ni含量的范围设定为0.05～0.50%。

S是海洋平台钢中有害的杂质元素，硫化物夹杂会降低钢的断裂韧性，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≤0.005%。

P是海洋平台钢中有害元素，降低钢的断裂韧性，炼钢脱P成本较高，在本申请中将P含量设定为P≤0.010%。

B 结构钢中添加微量的合金元素B，在控制轧制过程中可显著改善钢的微观组织结构，形成具有优良断裂韧性的微观组织和细小晶粒，保证钢中贝氏体组织含量不低于60%。但若含量过高会导致“B脆”，恶化钢的断裂韧性，故将钢的B含量设定在0.0002～0.0020%。

Ti 钢中添加Ti可细化晶粒，提高钢的强度和韧性，但形成的TiN方块形夹杂会严重降低钢的断裂韧性，故将Ti的含量限定在Ti≤0.005%

La 在本发明申请中添加0.0008～0.0080%的La，目的在于改善钢中不能完全消除的夹杂物特性，使钢中夹杂物呈细小、圆形、弥散分布，提高钢的断裂韧性，另外，微量的La还有细化钢的晶粒的作用，对提高钢的力学性能有利。

Als是有效的脱氧元素，本发明申请不采用添加Al的冶炼工艺脱氧，因若钢中含有较多的Al，易与O形成颗粒较大的尖角不规则形状的Al2O3，降低钢的断裂韧性。

N、O、H被视为钢中有害气体元素，含量过高会恶化钢的断裂韧性，还会降低钢的加工性能，应尽可能降低钢中N、O、H的含量，但若要求过高，会增加生产成本，故将本发明申请N、O、H含量分别控制在N≤0.001%, O≤0.0015%, H≤0.0001%。

本发明与现有技术相比，其在保证钢板使用的力学性能及防止海水的腐蚀性能的前提下，在-40℃环境下钢板的CTOD≥2毫米，保证钢的服役可靠性，并能使使用周期提高至不低于30年，并且成分及工艺简单，相对制造成本就会较低。

附图说明

附图为本发明的金相组织图。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例及对比例的组分取值列表；

表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；

表3为为本发明各实施例及对比例力学性能检验结果列表。

本发明各实施例按照以下步骤生产：

其步骤：

1）对铁水进行深脱硫，控制铁水中的S≤0.0008%；

2）进行转炉冶炼；

4）连铸并对铸坯加热，控制铸坯均热温度在1180～1250℃；

6）冷却：首先控制钢板开始层流冷却时的温度在750～860℃，进行层流冷却，在冷却速度为2.8～16℃/秒下，冷却到610～700℃，此时，控制金相组织为贝氏体及铁素体，其中贝氏体体积百分比占有量不低于60%，余为铁素体；

7）待用。

表1 本发明各实施例及对比例的取值列表(wt%)

表2 本发明各实施例及对比例的主要工艺参数和贝氏体体积分量及-40℃CTOD列表

按照本申请成分要求，冶炼了8批本发明钢及2批对比钢，化学成分见表1，表2为生产本发明钢的工艺、贝氏体体积含量及-40℃断裂韧性裂纹尖端张开位移CTOD数据。从表2可见，本发明钢具有优良的低温断裂韧性，而对比钢中由于C含量较高，Ni含量较低，且Mn含量较高，且添加了Ti等合金元素，制造过程精轧终轧后没有进行控制冷却，其-40℃CTOD均小于1.5mm，若应用于海洋平台建设，安全隐患严重。

Claims

1.一种-40℃CTOD≥2毫米的海洋平台用钢，其化学成分及重量百分比含量为：C：0.065～0.15%, Si: 0.16～0.45%,Ni: 0.05～0.430%，B：0.0002～0.002% ， Ti≤0.005%，La：0.0008～0.008%，并控制：P≤0.010%, S≤0.005%,Mn≤0.08%，Als≤0.008%，O≤0.0015%, N≤0.001%, H≤0.0001%，其余为Fe和不可避免的杂质；金相组织为贝氏体及铁素体，其中贝氏体体积百分比占有量不低于60%。

2.生产权利要求1所述的一种-40℃CTOD≥2毫米的海洋平台用钢的方法，其步骤：

1）对铁水进行深脱硫，控制铁水中的S≤0.0008%；

2）进行转炉冶炼；

4）连铸并对铸坯加热，控制铸坯均热温度在1180～1190℃；

5）分段进行轧制，控制粗轧开轧温度在1050～1150℃，精轧段终轧温度在760～790℃；

6）冷却：首先控制钢板开始层流冷却时的温度在750～860℃，进行层流冷却，在冷却速度为2.8～16℃/秒下，冷却到660～700℃，此时，控制金相组织为贝氏体及铁素体，其中贝氏体体积百分比占有量不低于60%，余下为铁素体；

7）待用。