CN103725986B - 低温下使用的高韧性f级特厚齿条钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低温下使用的高韧性F级特厚齿条钢板及其制造方法。所述钢板以Fe为基础元素，且包含C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo、Ni、Cu、Al、V、Nb、N、B，余量为Fe及杂质元素；碳当量CEV？￡0.75。制造方法包括依次进行的电炉冶炼、LF精炼、VD精炼、模铸、钢锭加热、开坯轧制、控制缓冷、钢坯加热、轧制及调质处理等工序。本发明制造的齿条钢板厚度可达180mm，屈服强度在690MPa以上，抗拉强度在790~930MPa的范围，延伸率320%，钢板的Z向性能（断面收缩率）335%，-60℃下的夏比冲击功＞100J，综合力学性能优良。

Description

低温下使用的高韧性F级特厚齿条钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种低温下使用的高韧性F级特厚齿条钢板及其制造方法。

背景技术

建造用于寒冷海域进行油气开采的自升式平台时，要求平台中的关键部件 ¾ 齿条不仅具有高的强度、良好的塑性而且还要求在很低温度下(-60°C)具有高的冲击韧性。通常，要求齿条钢的屈服强度 ³690MPa，抗拉强度在790 ~ 930MPa的范围，延伸率 ³14%，在钢板1/4以及1/2厚度处-60°C下的夏比冲击功都应 ³ 69J。根据平台工作海域的水深不同，所需齿条钢板通常在127mm到180mm的厚度范围。目前，大多数正在建造的平台为400呎的平台，它要求齿条钢板的厚度为177.8mm或180mm。在这样大的厚度下，要同时保证钢板在1/4和1/2厚度处的拉伸性能以及-60°C下在钢板1/4和1/2厚度处的冲击韧性，即满足F级齿条钢板的要求是一件非常困难事情，在国内目前还未见有商业化制造的报道。

专利公开号为102605280A的发明专利提出了一种海洋平台用特厚高强度优良低温韧性钢板及其制造方法，可用于海洋平台用齿条钢板的制造。但是，由此制造的钢板仅能够满足-40°C下冲击韧性的要求，不能满足F级齿条钢板在-60°C下的冲击韧性要求。即使对-40°C下的冲击韧性，该发明专利并未披露其结果究竟是来自于钢板1/4厚度处还是1/2厚度处。另外，该专利的实施例表明，即使对厚度仅为127mm到152mm的钢板，其碳当量CEV ( = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Cu + Ni)/15))也均很高，在0.81到0.86的范围，不利于齿条钢板的焊接和切割加工。

专利公开号为CN102766810A的发明专利提出了一种采用焊接方法将多张板坯复合起来制成大厚度的复合坯，然后，以此为坯料制造大厚度齿条钢板的方法。使用这种方法，该发明专利制造出了最大厚度为150mm的钢板，但其冲击韧性仅能满足-50°C的要求，仍然不能满足F级齿条钢板在-60°C下的冲击韧性要求。与公开号为102605280A的发明专利披露冲击韧性结果的方式相同，即使对-50°C下的冲击韧性结果，CN102766810A也并未披露它们究竟来自于沿钢板厚度方向的哪一个位置。

专利公开号为103014541A的发明专利披露了一种690MPa级厚规格海洋工程用钢及其制造方法，由此制造的最厚钢板(120mm)的冲击韧性基本达到了-60°C下夏比冲击功 ³69J的要求。但是，该技术仅能够制造最大厚度为120mm的钢板，不能制造厚度为127mm到180mm的需求量很大的特厚海洋平台用齿条钢板。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种低温下使用的高韧性F级特厚齿条钢板及其制造方法。其厚度可达180mm，屈服强度在690MPa以上，抗拉强度在790 ~ 930MPa的范围，延伸率 ³14%，-60°C下夏比冲击功 ³69J。

本发明的目的是这样实现的：

一种低温下使用的高韧性F级特厚齿条钢板，所述钢板以Fe为基础元素，且包含如下质量百分比化学成分：C：0.10 ~ 0.16%，Si：0.15 ~ 0.35%，Mn：0.95 ~ 1.25%，P：£0.010%，S：£0.005%，Cr：0.4 ~ 0.9%，Mo：0.4 ~ 0.7%， Ni：1.2 ~ 2.8%， Cu：0.2 ~ 0.4%，Alt：0.06 ~ 0.10%， V：0.03 ~ 0.06%，Nb £0.04%，N：£ 0.008%，B：0.001 ~ 0.002%，余量为Fe 及杂质元素，碳当量CEV ( = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Cu + Ni)/15) £ 0.75。

进一步地讲：所述齿条钢板的碳当量CEV £0.75，厚度为120 ~ 180mm，采用模铸扁钢锭制造。所得屈服强度 ³690MPa，抗拉强度在790 ~ 930MPa的范围，延伸率 ³20%，钢板的Z向性能（断面收缩率） ³35%，-60°C下的夏比冲击功 >100J，综合力学性能优良。

以下对本发明中所含组分的作用及用量选择作具体说明：

C：是确保钢板强度所必须的元素，提高钢中的碳含量将会增加它的马氏体转变能力，从而提高它的强度。但过高的C 含量对钢的延性、韧性不利。另外，过高的C 含量也会导致更严重的中心C偏析从而影响钢板的心部性能。本发明控制其含量为0.10 ~ 0.16%。

Si：是钢中的脱氧元素，并以固溶强化形式提高钢的强度。Si 含量低于0.10%时，脱氧效果较差，Si 含量较高时降低韧性。本发明Si 含量控制为0.15 ~ 0.35%。

Mn：是提高钢淬透性的元素，并起固溶强化作用以弥补钢中因C 含量降低而引起的强度损失。当钢中Mn含量低于0.8%时，无法充分发挥强度确保的作用，但当Mn 含量过高时则会增加其碳当量从而损坏焊接性能。另外，Mn易在钢板中心产生偏析，降低钢板中心部位的冲击韧性。因此，本发明Mn 含量控制为0.95 ~ 1.25%。

Ni：是提高钢板的淬透性并可以显著改善其低温韧性的元素，对冲击韧性和韧脆转变温度具有良好的影响。但Ni 含量太高时，板坯表面易生成黏性较高的氧化铁皮，难以去除，影响钢板的表面质量。另外，Ni 也是贵重金属，含量过高会增加成本。因此，本发明将其含量控制在1.2 ~ 2.8%，有利于达到最优的性价比。

Cr：是提高钢的淬透性而有助于强度提高的元素。在C 含量较低的情况下，添加适量的Cr，可以保证钢板达到所需的强度，但是若添加过量，则将降低材料的韧性同时也降低材料的焊接性能，因此，本发明将其含量控制在0.4 ~ 0.9%。

Mo：可以显著提高钢的淬透性和强度。在低合金钢中添加少量的Mo 还能起到克服热处理过程中的回火脆性以改善热处理性能，但Mo也是贵重金属，含量过高会增加成本同时也降低材料的焊接性能。本发明中Mo 的含量控制在0.4 ~ 0.7%。

Cu：可提高钢板的淬透性和耐大气腐蚀和耐海水腐蚀性能，降低钢的氢致裂纹敏感性。但过高的Cu 含量不利于钢板的焊接性能，而且也易产生铜脆现象，恶化钢板的表面性能。因此本发明控制Cu 含量为0.2 ~ 0.4%。

V：是使V(C，N) 析出的元素，能以弥散析出的形式显著提高钢的强度。但若添加量过高，则将降低钢板的韧性和焊接性能。因此，本发明控制其含量在0.03 ~ 0.06%。

Nb：是一种在轧制过程中对晶粒细化起显著作用的元素。在再结晶轧制阶段，Nb通过应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复、再结晶从而细化晶粒，这就为大厚度的钢板在调质处理后仍然具有细小的组织提供了基础，有利于提高其韧性。但受C 含量的限制及加热温度的影响，过高的Nb 无法固溶，同样发挥不了作用而且增加成本，此外，过高的Nb对焊接性能有不利的影响。因此，本发明控制其含量 £0.04%。

Al：主要是起固氮和脱氧作用。Al与N 接合形成的AlN可以有效地细化晶粒，但含量过高会损害钢的韧性。因此，本发明控制其含量(Alt)在0.06 ~ 0.10%。

B：是提高钢的淬透性最为显著的元素，含量过低或过高均对淬透性不利。过高的B将增大焊接裂纹敏感性从而使钢板的焊接性能降低。因此，本发明控制其含量在0.0010 ~ 0.0020%。

S、P：为钢中的有害杂质元素，易形成偏析、夹杂等缺陷。作为杂质元素会给钢板的韧性(特别是心部的韧性)和焊接热影响区的韧性带来不利的影响，应尽量地减少其含量。本发明控制P £0.010%、S £0.005%，且须通过Ca 处理技术使夹杂物球化和分布均匀，减少其对韧性的影响并保证钢板的Z 向性能。

如上所述的低温下使用的高韧性F级特厚齿条钢板通过模铸扁钢锭来制造是这样实现的：

选用优质生铁和钢板边角料按所述化学组成配制冶炼原料，依次经电炉冶炼、LF精炼、VD精炼、模铸，生产出S £ 0.002%, P £ 0.005%, H £ 0.00012%, O £ 0.0015%, N £ 0.005%的钢水并采用过热度为30 - 40°C的低过热度全程氩气保护浇注成扁钢锭。钙处理在VD 破空后通过喂硅钙线进行。浇注前，钢锭模和底盘须预热至60 - 130°C并确保其充分干燥。浇注过程中，采用过热度为30 - 40°C的低过热度全程氩气保护浇注。在钢锭脱帽后，带模入缓冷坑进行³48小时的冷却后脱模，使H充分去除从而提高钢锭的心部质量进而确保产品钢板的心部性能。缓冷完成后对钢锭表面进行带温清理。

将清理后的钢锭在均热炉中加热至1260 ~ 1280°C保温10 ~ 20小时，出炉后经高压水除鳞，然后开坯轧制。开坯后的钢坯在冷床上空冷至适于调运的最高温度后进行控制条件(在550 ~ 650°C下保温24 ~ 72小时后缓冷)下的缓慢冷却以充分降低钢坯中的H含量，为成品钢板的心部性能满足要求提供保证。

将经过上述处理的钢坯加热至1180 ~ 1280°C保温2 ~ 4小时，使钢中的合金元素充分固溶以保证最终产品的成份及性能的均匀性。钢坯出炉后经高压水除鳞处理后进行两阶段轧制。第一阶段轧制(粗轧)的开轧温度在1050 ~ 1150°C的范围，采用大压下量轧制，最大单道次压下率 ³ 14%。第二阶段轧制(精轧)开轧温度在870 ~ 930°C的范围。轧制完成之后实施空冷和矫直。

将矫直后的钢板堆缓冷48小时以上以进一步降低其中的H含量从而进一步提高钢板的心部质量以确保钢板的心部性能。

对缓冷后的钢板进行调质处理即获得成品齿条钢板。调质阶段的淬火加热使用连续炉进行以精确控制淬火加热的温度和时间。淬火加热温度为880 ~ 930°C，在炉时间为1.7 ~ 2.0min/mm，使用淬火机水淬。

紧接着的回火处理也须使用连续炉来进行以对其进行精确控制。回火温度为600 ~ 680°C，在炉时间为2.8 ~ 4.0min/mm，出炉后空冷至室温。

本发明针对目前海洋装备制造业对F级特厚齿条钢板的需求，使用优化的成分设计、纯净度高的钢水、低过热度（30 - 40°C）全程氩气保护浇注生产的模铸扁钢锭作为坯料，通过后续的轧制及调质热处理以及在整个生产过程中充分降低H的含量制造出具有高的强度、良好的塑性以及在-60°C下具有高的低温韧性的特厚F级齿条钢板。本发明制造的齿条钢板的最大厚度达180mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1) 可以制造最大厚度达180mm的低温下使用的高韧性F级特厚齿条钢板。

(2) 按照本发明生产的钢板不仅拉伸性能优良(屈服强度 ³690MPa，抗拉强度790 ~ 930MPa，延伸率 ³20%)， Z向性能（断面收缩率³35%）高，而且，不管在钢板的1/4还是1/2厚度处其在-60°C下的夏比冲击功均 ³100J。

(3) 本发明制造的钢板具有较低的碳当量(CEV £0.75)，有利于钢板的焊接和切割加工。

具体实施方式

以下结合本发明的较佳实施例对本发明的技术方案作更详细的描述。但该等实施例仅仅是对本发明较佳实施方式的描述，而不能对本发明的范围产生任何限制。

实施例1

本实施例涉及的齿条钢板厚度为180mm，所包含的成分及其质量百分数为：C：0.12%，Si：0.23 %，Mn：1.08%，P：0.003%，S：0.001%，Cr：0.70%，Mo：0.50%，Ni：2.51%，Cu：0.24%， Alt：0.077%，V：0.040%，Nb：0.022%，N：0.0032%，B：0.0018%，余量为铁及不可避免的杂质元素，碳当量CEV ( = C + Mn/6 + (Cr + Mo + V)/5 + (Cu + Ni)/15)) = 0.73。

该齿条钢板的生产工艺如下：

按上述齿条钢板的化学组成配置冶炼原料依次进行电炉冶炼 – LF精炼 – VD精炼 – 模铸 – 缓冷坑缓冷 – 钢锭加热 – 开坯轧制 – 控制条件下的缓慢冷却 – 钢坯加热 – 高压水除鳞 – 控轧 – 矫直 – 堆缓冷 – 调质。

在VD精炼 破空后通过喂硅钙线进行钙处理。

进一步的讲，上述涉及到开坯轧制、控轧及冷却这些制造步骤的具体工艺为：将清理完毕的钢锭在均热炉中加热至1260 ~ 1280°C保温19小时后出炉，经高压水除鳞后进行开坯轧制，开坯成厚度为380mm的钢坯。钢坯在冷床上空冷至适于调运的最高温度后下线进行控制条件(加热至650°C保温24小时后随炉冷却)下的缓慢冷却以对钢坯进行扩H处理。缓冷至约200°C后对钢坯进行带温清理。

将清理后的钢坯重新加热至1270°C保温2.5小时。出炉后经高压水除鳞，然后进行两阶段轧制。第一阶段轧制(即粗轧)开轧温度为1080°C，中间坯厚220mm，总压缩率 = 42%，采用大压下量轧制，最大单道次压下率= 14.4%；第二阶段轧制(即精轧)开轧温度为900°C，最终板厚180mm。轧后矫直，然后堆缓冷。

堆缓冷完成后的钢板进入连续炉淬火加热，加热温度 = 900°C，在炉时间 = 1.8min/mm，使用淬火机水淬。淬火后的钢板使用连续炉来进行回火处理。回火加热温度 = 660°C，在炉时间 = 2.8min/mm，出炉后空冷至室温。

经由上述工艺制造的成品钢板具有高的强度、良好的塑性、高的低温韧性和高的Z向性能，综合性能优异，其力学性能见表1所示。

表 1 实施例1制造的海洋平台用齿条钢板的力学性能

实施例2

本实施例涉及的齿条钢板厚度为127mm，所包含的成分及其质量百分数为：C：0.14%，Si：0.24 %，Mn：1.06%，P：0.003%，S：0.002%，Cr：0.50%，Mo：0.49%，Ni：1.40%，Cu：0.25%， Alt：0.07%，V：0.039%，N：0.0046%，B：0.0015%，余量为铁及不可避免的杂质元素，碳当量CEV = 0.63。

该实施例的冶炼及模铸制造工艺与实施例1 基本相同，主要差别在于开坯轧制、对钢坯的控轧以及随后的调质热处理方面，具体如下：

将清理完毕的钢锭在均热炉中加热至1260 ~ 1280°C保温16小时后出炉，经高压水除鳞后进行开坯轧制，开坯成380mm厚的钢坯。在对钢坯进行控制条件下的缓冷处理(加热至650°C保温24小时后随炉冷却)后，对钢坯进行带温(~200°C)清理。

将清理后的钢坯重新加热至1260°C保温2.5小时。出炉后经高压水除鳞，然后进行两阶段轧制。第一阶段轧制(即粗轧)开轧温度为1060°C，中间坯厚190mm，总压缩率 = 50%，采用大压下量轧制，最大单道次压下率= 16.7%；第二阶段轧制(即精轧)开轧温度为890°C，最终板厚127mm。轧后矫直，然后堆缓冷。

完成堆缓冷的钢板进入连续炉进行淬火加热，加热温度 = 910°C，在炉时间 = 1.9min/mm，使用淬火机水淬。淬火完成的钢板使用连续炉来进行回火处理。回火温度 = 640°C，在炉时间 = 3.5min/mm，出炉后空冷至室温。

经由上述工艺制造的成品钢板具有高的强度、良好的塑性、高的低温韧性和高的Z向性能，综合性能优异，其力学性能见表2所示。

表 2 实施例2制造的海洋平台用齿条钢板的力学性能

Claims (4)

1.一种低温下使用的高韧性F级特厚齿条钢板，其特征在于：所述钢板以Fe为基础元素，且包含如下质量百分比的化学成分：C：0.10~0.16%，Si：0.15~0.35%，Mn：0.95~1.25%，P：≤0.010%，S：≤0.005%，Cr：0.4~0.9%，Mo：0.4~0.7%， Ni：1.2~2.8%， Cu：0.24~0.4%，Alt：0.06~0.10%， V：0.03~0.06%，Nb ≤0.04%，N：≤ 0.008%，B：0.001~0.002%，余量为Fe 及杂质元素；碳当量CEV ≤0.75；

所述齿条钢板的厚度为120~180mm，屈服强度 ≥690MPa，抗拉强度在790~930MPa的范围，延伸率 ≥20%，钢板的Z向断面收缩率 ≥35%，-60°C下钢板在1/4厚度和1/2厚度处的夏比冲击功均＞100J。

2.制造权利要求1 所述的低温下使用的高韧性F级特厚齿条钢板的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

①冶炼原料依次经电炉冶炼、LF精炼、VD精炼，生产出钢水并采用过热度为30 - 40°C的低过热度全程氩气保护浇注成扁钢锭；在钢锭脱帽后，带模入缓冷坑进行 ≥48小时的冷却，然后脱模；缓冷完成后对钢锭表面进行带温清理；

②将清理后的钢锭在均热炉中加热至1260~1280°C保温10~20小时，出炉后经高压水除鳞，然后开坯轧制成钢坯，钢坯从冷床下线后，在550~650°C下保温24~72小时后缓冷；

③将缓冷后的钢坯加热至1180~1280°C保温2~4小时，出炉后经高压水除鳞然后进行两阶段轧制；第一阶段轧制为粗轧，开轧温度在1050~1150°C的范围，采用大压下量轧制，最大单道次压下率 ≥14%；第二阶段轧制为精轧，开轧温度在870~930°C的范围，轧制完成之后实施空冷和矫直；

④矫直后的钢板在冷床下线后进行堆缓冷；

⑤对堆缓冷后的钢板进行调质处理即获得成品齿条钢板。

3.根据权利要求2所述的低温下使用的高韧性F级特厚齿条钢板的制造方法，其特征在于：步骤⑤的调质阶段的淬火加热使用连续炉进行；淬火加热温度为880~930°C，在炉时间为1.7~2.0min/mm，使用淬火机水淬；紧接着的回火处理也需使用连续炉来进行，回火温度为600~680°C，在炉时间为2.8~4.0min/mm，出炉后空冷至室温。

4.根据权利要求2所述的低温下使用的高韧性F级特厚齿条钢板的制造方法，其特征在于：在VD精炼 破空后通过喂硅钙线进行钙处理。