CN102766810B - 一种自升式采油平台用齿条钢的生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自升式采油平台用齿条钢的生产方法，属于金属材料领域。本发明以两块以上的连铸板坯为原料，采用气体保护焊、埋弧焊和真空电子束焊组合焊接工艺或全真空电子束焊接工艺，将选定坯料组焊成大厚度坯料，装车底式炉或均热炉加热，出炉后经厚板轧机轧制、水冷、热处理，最终生产制造出自升式采油平台用齿条钢板，本发明生产的采油平台用齿条钢板综合力学性能好，可操作性强，成本低，生产效率高。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，涉及一种自升式采油平台用齿条钢的生产方法。
背景技术
特厚高强度自升式海洋平台用齿条钢是目前海工领域最高端的产品，对于钢板全厚度强度、韧性、耐腐蚀性以及平直度等要求尤为严格。齿条钢的厚度要求在80毫米以上，最厚达到210mm，一般采用模铸钢锭、电渣锭等形式轧制生产，工艺过程存在成材率低，能耗高，生产效率低等缺点。相比模铸钢锭、电渣锭，连铸坯生产效率高，质量好，但是受连铸坯料厚度的限制，国内用连铸坯生产齿条钢板难度很大，一般最厚只能到80mm。专利CN102345045A“一种海洋平台齿条用钢A514GrQ钢板及其生产方法”公开了一种齿条用钢A514GrQ钢板的方法，但采用的原料仍然是模铸钢锭，且生产厚度只能达到120-150mm。
发明内容
本发明为了克服上述问题，突破连铸坯坯料厚度限制，提供一种利用现有连铸板坯生产特厚高强度自升式采油平台用齿条钢的生产方法，可生产最大厚度220mm的齿条用钢板。
本发明通过以下技术方案实现：一种自升式采油平台用齿条钢的生产方法，包括以下步骤：
（1）以两块以上（包含两块）四周相同尺寸（即长度、宽度相等，厚度可以不同）的连铸板坯为原料，所用连铸板坯包含如下化学成分（质量百分比，wt%）：C：0.14～0.20％，Si：0.20～0.50％，Mn：1.10～1.60％，S≤0.010%，P≤0.018％，Cu1.0-3.0%，Mo0.4-0.6%，Ni1.0-2.0%，微合金化元素（Nb+V+Ti）≤0.20％；
（2）将所有连铸板坯拟焊接面的三条边通过火焰切割或刨、铣等形式加工坡口，坡口深度10-40mm，坡口角度15-35°，将连铸板坯叠放在一起，并旋转90°竖直放置，组齐对正，然后采用气体保护焊的焊接方式，对连铸板坯有坡口的三个面上的边缝进行打底焊接，再采用埋弧自动焊进行填充及盖面焊接，最后将剩余面上的边缝在高真空下进行真空电子束焊接，组焊成大厚度坯料；或者不开坡口，将连铸板坯叠放在一起，并旋转90°竖直放置，组齐对正，然后全部采用真空电子束焊接的方式将4个面焊接成大厚度坯料；
（3）对焊接好的大厚度坯料装车底式炉或均热炉加热，出炉温度控制在1160～1280℃；
（4）出炉后轧制，采用二阶段轧制法，第一阶段开轧温度1000～1150℃，第二阶段开轧温度820～920℃，中间坯厚度不小于成品厚度的1.4倍；
（5）对轧后钢板进行弱水冷却，冷却速度<5℃/S，表面返红温度620～780℃；
（6）对钢板进行调质热处理，淬火工艺：加热温度850～950℃，保温系数1.2～2.0min/mm，出炉后水淬；回火工艺：加热温度520～680℃，保温系数1.5～3.0min/mm。
所述步骤（1）的连铸板坯为经转炉炼钢、LF和RH炉外精炼、连铸工序的连铸板坯，所述RH炉外精炼工序中要进行真空脱气处理，要求：真空度≤100Pa，保压时间10分钟以上。
所述步骤（2）连铸板坯，其焊接前通过铣床、刨床等机加工方法，去除待复合表面的氧化铁皮、油污等，实现表面洁净。
所述步骤（2）气体保护焊，其焊丝直径1.2-2.0mm，焊接电压20-35V，焊接电流120-400A，焊接速度250-600mm/min，焊丝干伸长度15-25mm，保护气体CO2或Ar+CO2，保护气体流量15-25L/min，熔深5-20mm；
所述步骤（2）埋弧自动焊，其焊丝直径4.0-6.0mm，焊接电压30-45V，焊接电流250-1600A，焊接速度250-600mm/min，焊丝干伸长度25-45mm，熔深10-30mm；
所述步骤（2）真空电子束焊接，其焊接电压30-150KV，真空度高于1×10-1Pa，焊接电流100-500mA，焊接速度50-700mm/min，熔深20-50mm。
本发明利用经转炉炼钢、炉外精炼的连铸板坯，采取多元微合金化成分设计的路线，其化学成分如上所述，其化学成分设计原则如下：C、Mn为主要强化元素，为降低生产成本，在保证易焊接性的前提下，C、Mn含量尽量高；P、S元素含量尽量降低，以减少钢中夹杂物等对钢板内部质量的影响；Mo为淬透性元素，提高厚钢板后续淬火热处理过程中心部的淬透性；Cu可以提高钢的抗大气腐蚀能力，通过沉淀强化提高钢板的强度，并能够稍加改善钢的淬透性；Ni不但能够改善钢板的低温韧性，并且和Cu共同使用，避免Cu致裂纹的产生；Nb、V、Ti等微合金元素在加热过程中抑制奥氏体的形变再结晶并阻止其晶粒长大，并通过它们的碳氮化合物的应变诱导析出，对钢进行沉淀强化。
本发明采用RH炉外精炼脱气，其主要目的：一是为了充分脱气，尽可能降低钢中氢等气体的含量，减少氢致裂纹等对钢板内部质量的影响；二是为了使钢水中的夹杂物尽可能上浮，减少钢中夹杂物的含量。
本发明采用气体保护焊、埋弧焊和真空电子束焊组合焊接工艺，将坯料组焊成大厚度坯料，焊接后坯料为高的真空状态，在后续热加工变形过程中，极易焊合在一起，形成一个整体，与基体保持一致，可充分利用形成的大厚度坯料增加轧制成品钢板的压缩比。
本发明对焊接好的大厚度坯料采用车底式炉或均热炉进行加热，适当增加高温段保温时间，确保钢板烧透、烧均匀。
本发明轧制过程中采用二阶段轧制法，在第一阶段进行高温低速大压下轧制，通过反复再结晶过程细化晶粒；第二阶段采用控制轧制，增加相变形核点细化晶粒，中间坯1.4倍成品厚度是为了保证二阶段轧制过程的累积变形量。
本发明对轧后钢板进行弱水冷却，轧后水冷是为了更快地冷却到相变点，防止晶粒过分长大，低冷却速度是为了减少钢板厚度方向上的组织性能差异。
本发明的有益效果是：本发明生产的自升式采油平台用齿条钢综合力学性能良好、最大厚度达220mm，探伤合格率达到98％以上，-50℃冲击吸收功平均在160J以上，Z向拉伸断面收缩率达到60％以上，坯材收得率85％以上；本发明生产工艺可操作性强，成本低，生产效率高。尤其是气体保护焊、埋弧焊和真空电子束焊的组焊方式，具有以下优势：
1、本发明对连铸板坯组的三条边缝首先采用气体保护焊进行打底焊接，在不污染结合面的前提下自动高效地完成基础焊接，并为下一步埋弧焊做好准备；然后对这三条边缝再采用埋弧自动焊的方式快速地完成焊缝的填充焊接，最后将剩余一条边缝在真空环境下应用真空电子束焊工艺，完成坯料的最终焊接；相比四边真空电子束焊工艺大幅度提高了焊接效率；
2、本发明采用固定顺序进行先后焊接的工艺，不是气体保护焊、埋弧焊和真空电子束焊的简单结合，而是严格按照大厚度板坯制备的内在质量要求，充分考虑了三种焊接方式的各自优势，将其优化组合的结果。因为气体保护焊不会污染板坯组结合面同时可以实现自动化提高焊接效率，埋弧自动焊是比气体保护焊更加高效的一种焊接方式，而气体保护焊和埋弧焊操作均在正常环境下进行，不像真空焊接时需要反复进出真空室，从而不必反复抽真空操作，因此大幅减少了真空作业时间，这种组合焊接顺序和方式可以在保证焊接要求（特别是对结合面的洁净度要求）的前提下大幅度提高焊接效率，降低了生产成本。
3、本发明由于板坯组是竖直方向放置，因此可以保证坯料之间保持1mm左右的间隙，而不会形成局部的封闭区域。真空电子束焊确保了最终的焊接在高真空中完成，避免了结合面处存在空气影响轧后质量的可能性，相比较现有真空焊接工艺而言，只需要一次性抽真空和焊接操作，同时由于板坯组为竖直放置焊接，避免了水平焊接时复杂的机械机构和升降操作，大幅度提高了焊接效率。
4、本发明组焊工艺可以完全替代全真空环境下的制造工艺，所生产的特厚钢板内部质量优良，性能优异，完全达到全真空复合轧制工艺的水平；且与全真空复合轧制工艺相比，本发明操作简单、投资少，成本降低80%以上，生产效率提高一倍以上，生产组织形式灵活，适用于大批量工业化生产，而全真空电子束焊接无法批量生产。
附图说明
图1为实施例1生产的钢板原始铸坯结合面金相组织图。
实施具体方式
以下结合具体的实施例，对采油平台用齿条钢板的制造工艺作详细描述。
实施例1：采用气体保护焊、埋弧焊和真空电子束焊组合焊接工艺生产150mm厚齿条钢：
1)高纯净度钢水冶炼，钢液经转炉冶炼后进行LF+RH双精炼，RH真空处理保持真空度100Pa保压时间11分钟，精炼后钢液气体含[O]12ppm，[H]2ppm。
2）钢水连铸过程采用全程保护浇注，并使用电磁搅拌，恒速浇注。生产连铸坯厚度为250mm，熔炼成分分析结果如下表：
表1实施例1连铸坯化学成分
3）将生产好的两支250mm厚连铸板坯拟焊接面的三条边利用火焰切割方法加工坡口，坡口深度25mm，坡口角度25°。
4）将完成加工坡口的坯料通过铣床加工，去除表面的氧化铁皮、油污等，并将两支坯料加工成相同尺寸。
5）将加工好的坯料叠放在一起，组齐对正，且焊接前将叠放在一起的连铸板坯旋转90°竖直放置。
6）采用气体保护焊的焊接方式，对已加工好坡口的三条边缝进行打底焊接，焊丝直径2.0mm，焊接电压20V，焊接电流200A，焊接速度300mm/min，焊丝干伸长度25mm，保护气体CO2，保护气体流量20L/min，熔深15mm。
7）将经气体保护焊打底焊接后的三条边缝，再采用埋弧自动焊进行填充及盖面焊接，焊丝直径5.0mm，焊接电压40V，焊接电流500A，焊接速度350mm/min，焊丝干伸长度30mm，熔深20mm。
8）将剩余边缝在高真空度下采用真空电子束焊接，最终形成500mm大厚度坯料。焊接电压50KV，真空度1×10-2Pa，焊接电流300mA，焊接速度150mm/min，熔深35mm。
9）采用台车炉对500mm厚坯料进行加热，总加热时间12个小时以上，出炉温度1280℃。
10）轧制过程中粗轧开轧1120℃，粗轧过程尽量加大每道次的压下量，中间坯厚350mm；精轧开轧温度880℃，轧制过程中通过压下量的调整控制钢板板型良好。
11）轧后钢板进行弱水冷，冷却速度4℃/S，冷却后钢板表面返红温度740℃。
12）钢板进行调质热处理。淬火工艺：加热温度900℃，保温系数1.8min/mm，出炉后水淬；回火工艺：加热温度650℃，保温系数2min/mm。
利用该工艺生产的钢板心部显微组织主要为粒状贝氏体及少量多边形铁素体组织，铸坯原始结合面已完全融合，和基体组织一致，如图1所示。
实施例2：采用全真空电子束焊接方式生产150mm厚齿条钢：
1)高纯净度钢水冶炼，钢液经转炉冶炼后进行LF+RH双精炼，RH真空处理保持真空度100Pa保压时间11分钟，精炼后钢液气体含[O]12ppm，[H]2ppm。
2）钢水连铸过程采用全程保护浇注，并使用电磁搅拌，恒速浇注。生产连铸坯厚度为250mm，熔炼成分分析结果如下表：
表2实施例2连铸坯化学成分
3）将生产好的两支250mm厚连铸板坯通过铣床加工，去除表面的氧化铁皮、油污等，并将两支坯料加工成相同尺寸。
4）将加工好的坯料叠放在一起后，旋转90°竖直放置并组齐对正。
5）将组齐对正的两支连铸板坯，高真空度下全部采用真空电子束焊接的方式对4条边缝进行焊接，形成500mm大厚度坯料。焊接电压50KV，真空度1×10-2Pa，焊接电流300mA，焊接速度150mm/min，熔深35mm。
6）采用台车炉对500mm厚坯料进行加热，总加热时间12个小时以上，出炉温度1280℃。
7）轧制过程中粗轧开轧1120℃，粗轧过程尽量加大每道次的压下量，中间坯厚350mm；精轧开轧温度880℃，轧制过程中通过压下量的调整控制钢板板型良好。
8）轧后钢板进行弱水冷，冷却速度4℃/S，冷却后钢板表面返红温度740℃。
9）钢板进行调质热处理。淬火工艺：加热温度900℃，保温系数1.8min/mm，出炉后水淬；回火工艺：加热温度650℃，保温系数2min/mm。
对实施例1和实施例2的钢板按标准进行心部拉伸、冲击、Z向、探伤等实验检测，各项性能检测指标良好，如下表3所示。实施例1的气体保护焊、埋弧焊和真空电子束焊接的组焊方式（简称组焊方式）和实施例2的全真空电子束焊接的抽真空次数、生产周期及电耗指标如表4所示，从表4可以看出：组焊方式比全真空电子束焊接方式生产效率大幅提高，且节能。
表3实施例1和实施例2制备的齿条钢板的性能指标
表4两种焊接方式主要指标对比
| 工艺 | 抽真空次数 | 生产周期（h） | 电耗（元/t） |
| 实施例2全真空电子束焊接方式 | 2 | 20 | 30 |
| 实施例1组焊方式 | 1 | 8 | 14.5 |
Claims (3)
1. 一种自升式采油平台用齿条钢的生产方法，其特征是，包括以下步骤：
（1）以两块以上四周相同尺寸的连铸板坯为原料，所用连铸板坯包含如下化学成分：C 0.14～0.20％，Si 0.20～0.50％，Mn1.10～1.60％，S≤0.010％, P≤0.018％,Cu 1.0-3.0%,Mo0.4-0.6%,Ni1.0-2.0%,微合金化元素≤0.20％，所述微合金化元素为Nb+V+Ti；
（2）对所有连铸板坯的三条边加工坡口，坡口深度10-40mm，坡口角度15-35°，将连铸板坯叠放在一起，并旋转90°竖直放置，组齐对正，然后采用气体保护焊的焊接方式，对连铸板坯有坡口的三个面上的边缝进行打底焊接，再采用埋弧自动焊进行填充及盖面焊接，最后将剩余面上的边缝在高真空下进行真空电子束焊接，组焊成大厚度坯料；或者不开坡口，将连铸板坯叠放在一起，并旋转90°竖直放置，组齐对正，然后全部采用真空电子束焊接的方式将4个面焊接成大厚度坯料；
所述真空电子束焊接，其焊接电压30-150KV，真空度高于1×10-1Pa，焊接电流100-500mA，焊接速度50-700mm/min，熔深20-50mm；
所述气体保护焊，其焊丝直径1.2-2.0mm，焊接电压20-35V，焊接电流120-400A，焊接速度250-600mm/min，焊丝干伸长度15-25 mm，保护气体CO2或Ar+CO2，保护气体流量15-25L/min，熔深5-20mm；
所述埋弧自动焊，其焊丝直径4.0-6.0mm，焊接电压30-45V，焊接电流250-1600A，焊接速度250-600mm/min，焊丝干伸长度25-45 mm，熔深10-30mm；
（3）对焊接好的大厚度坯料采用车底式炉或均热炉进行加热，出炉温度控制在1160～1280℃；
（4）出炉后轧制，采用二阶段轧制法，第一阶段开轧温度1000～1150℃，第二阶段开轧温度820～920℃，中间坯厚度不小于成品厚度的1.4倍；
（5）对轧后钢板进行弱水冷却，冷却速度<5℃/S，表面返红温度620～780℃；
（6）对钢板进行调质热处理，淬火工艺：加热温度850～950℃，保温系数1.2～2.0min/mm，出炉后水淬；回火工艺：加热温度520～680℃，保温系数1.5～3.0min/mm。
2.如权利要求1所述的一种自升式采油平台用齿条钢的生产方法，其特征是，所述步骤（1）的连铸板坯为经转炉炼钢、LF和RH炉外精炼、连铸工序的连铸板坯，所述RH炉外精炼工序中要进行真空脱气处理，要求：真空度≤100Pa，保压时间10分钟以上。
3.如权利要求1或2所述的一种自升式采油平台用齿条钢的生产方法，其特征是，所述步骤（2）为：对所有连铸板坯的三条边加工坡口，坡口深度10-40mm，坡口角度15-35°，将连铸板坯叠放在一起，并旋转90°竖直放置，组齐对正，然后采用气体保护焊的焊接方式，对连铸板坯有坡口的三个面上的边缝进行打底焊接，再采用埋弧自动焊进行填充及盖面焊接，最后将剩余面上的边缝在高真空下进行真空电子束进行焊接，组焊成大厚度坯料。
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