CN103805856A - 屈服强度≥800MPa耐腐蚀海洋结构用钢及生产方法 - Google Patents

Abstract

屈服强度≥800MPa耐腐蚀海洋结构用钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.08～0.18%,Si:0.15%～0.25%,Mn:1.10%～1.50%,P：0.08%～0.25%,S≤0.002%,Ni:0.15%～0.30%，Cu：0.5%～0.9%,Mo：0.08%～0.18%；生产步骤：冶炼并连续浇注成厚度为200～300mm的板坯；对铸坯均热；分两阶段进行轧制；进行水冷；自然冷却至室温；进行保温处理；空冷至室温。本发明屈服强度不低于800MPa、年化腐蚀速率低于0.19g/mm²·y，且冷、热工艺性能优良，切成分相对简单，易控制。

Description

屈服强度≥800MPa耐腐蚀海洋结构用钢及生产方法

技术领域

本发明涉及一种海洋平台用钢及其生产方法，具体地属于一种屈服强度≥800MPa耐腐蚀海洋结构用钢及生产方法。 

背景技术

海洋钻井平台附属设备如直升机停机坪、大型起重吊车等钢结构因长期受到海洋大气腐蚀影响，且受较强外力作用，在腐蚀和应力的共同作用下最易发生加速断裂失效，而造成严重恶果。另一方面，这些钢结构在运行过程中由于受外力较大，因此对钢材的屈服强度要求高，耐腐蚀性能要求要更好。 

经检索，在现有技术中，中国专利申请号为200610024963.0的专利文献，其公开了一种“抗海水和潮湿环境腐蚀钢”，化学成分为C: 0.06%～0.09%, Si: 0.20～0.50%, Mn: 0.30%～0.40%, Cr: 1.00%～1.20%, Al: 0.40%～0.60%, Mo: 0.25%～0.35%,P：≤0.015%, S≤0.010%, Cu:≤0.15%, Ni≤0.20%, Ti≤0.020%, Sn≤0.020%, As≤0.020%, Pb≤0.0025%, Bi≤0.010%, Sb≤0.004%,[N]≤0.030%,[O]≤0.0025%，[H]≤0.00015%，其余为Fe和不可避免杂质。经电弧炉初炼、钢包炉真空精炼、轧钢机热加工轧制成材。该专利技术不足之处在于钢中强氧化合金元素Al含量太多，高达0.60%，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1.00%～1.20%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。 

中国专利申请号为200780006797.4的专利文献，其公开了“船舶用耐腐蚀钢材”， 该船舶用耐腐蚀钢材以质量％计，含有C：0.03～0.25％、Si：0.05～0.50％、 Mn：0.1～2.0％、P：0.025％以下、S：0.01％以下、Al：0.005～0.10％、 W：0.01～1.0％、Cr：0.01％以上且小于0.20％，根据需要还含有选自 Sb：0.001～0.3％和Sn：0.001～0.3％中的1种或2种，和/或选自Ni： 0.005～0.25％、Mo：0.01～0.5％、Co：0.01～1.0％中的1种或2种以上，余量由Fe和不可避免的杂质构成。该专利技术不足之处在于有意添加了合金元素W，且含量在0.01～1.0％范围，W熔点很高，易在钢中形成单质W夹杂，降低钢的耐腐蚀性能，又因为钢中Cr含量在0.01％以上且小于0.20％，增加了钢中含Cr夹杂物种类及数量，不利于提高钢的耐腐蚀性能。 

发明内容

本发明针对现有技术存在的屈服强度低，即不超过750MPa，抵抗较强外界动载荷不够，耐海水腐蚀性能差的不足，提供一种屈服强度不低于800MPa、年化腐蚀速率低于0.19g/mm²·y，且冷、热工艺性能优良的耐腐蚀海洋结构用钢及生产方法。 

海洋工程钢结构应力＋腐蚀失效常见的失效形式之一，提高钢材的耐海洋大气腐蚀性能是增强钢结构安全运行的重要措施。本发明在于通过高P并辅于一定含量的Ni、Cu等合金元素保障钢材的耐海洋大气腐蚀性能。本发明另一特征在于添加适量的合金元素并实施本发明的制造方法，获得屈服强度≥800MPa的钢材，保障钢材的力学性能，保证钢结构在服役期间内安全运行。 

本申请为了实现上述目的，对实现本申请的目的的起影响或者关键作用的合金元素及工艺进行了深入的研究其结果，为了即使在保证综合力学性能的前提下，还能实现年化腐蚀速率小于0.19g/mm²·y耐腐蚀的目的，因此提出了采用在成分方面主要是采用了Cu、Ni元素，目的在于Cu、Ni的复合作用，抵抗海洋环境中O^2-的腐蚀。在海洋环境下，钢材中添加的[Cu]、[Ni]与[O]发生作用，生成的Cu_xO_y、Ni_nO_m紧密的附着在Fe基体上，阻止了O^2-的进一步侵入腐蚀；其次还采用了Mo元素，与Ni元素反应形成的Mo_aNi_b系列化合物可有效抵抗海洋环境中Cl^-的腐蚀危害，能进一步达到钢材耐腐蚀的目的；成分的优化，还需要匹配的工艺才行，因此，本申请经研究，工艺方面主要是采取了“同类”微观组织(贝氏体铁素体+铁素体)制造工艺措施。在第一阶段、第二阶段轧制中间控制中间坯厚度在60～120mm，目的在于获得不低于70%的贝氏体组织，因贝氏体中间隙原子C等的固溶量高于铁素体，可得到屈服强度≥800MPa的力学性能。贝氏体和铁素体中均没有Fe₃C析出，更没有珠光体组织，二者的电极电位相近，耐腐蚀性能优于“异类”组织（如铁素体+渗碳体）。 

实现上述目的的措施： 

屈服强度≥800MPa耐腐蚀海洋结构用钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.08～0.18%, Si: 0.15%～0.25%, Mn:1.10%～1.50%, P：0.08%～0.25%, S≤0.002%, Ni: 0.15%～0.30%，Cu：0.5%～0.9%, Mo：0.08%～0.18%，余为Fe和不可避免的杂质；力学性能：屈服强度均不低于800MPa，年化腐蚀速率小于0.19g/mm²·y，金相组织：贝氏体占体积百分比不低于70%，其余为铁素体。

优选地：Ni的重量百分比含量为0.23～0.30%。 

优选地：Cu的重量百分比含量为0.62～0.83%。 

优选地：Mo的重量百分比含量为0.087～0.145%。 

生产屈服强度≥800MPa耐腐蚀海洋结构用钢的方法，其步骤： 

1）转炉冶炼并控制S的含量在设定范围、连续浇注成厚度为200～300mm的板坯；

2）对铸坯均热，控制铸坯均热温度为：1180～1250℃；

3）分两阶段进行轧制：控制第一阶段开轧温度不低于990℃，其结束温度不低于950℃，并控制中间坯厚度在60～120mm；控制第二阶段开轧温度不高于940℃，其阶段终轧温度在770～880℃；

4）进行水冷，在冷却速度为5～25℃/s下冷却至470～570℃；

5）自然冷却至室温；

6）对钢板进行保温处理，在保温温度为570～630℃的下保温1～2小时后；

7）出炉后空冷至室温。

本发明中各元素及主要工序的作用 

C： 为获得屈服强度≥800MPa，在钢中添加适量的强化元素C，在本发明中C元素属间隙强化方式，尽可能避免由C形成的析出强化方式。C低于0.08%通过本发明的制造方法，屈服强度难于达到800MPa，C含量高于0.18%，易在钢中产生珠光体，显著降低钢的耐海洋大气腐蚀性能，故将其含量控制在0.08～0.18%。

P：钢中添加一定含量的P有利于提高钢的耐海洋大气腐蚀性能，但若钢中P含量高于0.25%，易导致脆性，故将其含量控制在。 

S≤0.002%,钢中S使耐海洋大气腐蚀性能降低，制造过程中S含量越低越好，但将S含量控制过低增加生产成本，因此将S控制在≤0.002%0.08%～0.25%。 

Ni及Cu： 钢中添加适量Ni、Cu等合金元素有利于提高钢的耐海洋大气腐蚀性能，Ni、Cu与合金元素P共同作用，在钢材表面形成致密的Ni-Cu-P薄膜，可有效阻止海洋大气中腐蚀元素Cl^-、O^2-等与钢材发生反应，遏制腐蚀。但当Ni含量低于0.15%，则会导致形成的Ni_nO_m、Mo_aNi_b量太少，不能有效地保护Fe基体，腐蚀速率增加。如高于0.30%，则又会造成浪费，不经济，故将其含量控制在0.15%～0.30%，优选地将Ni控制在0.23～0.30%；当Cu含量低于0.5%，则形成Cu_xO_y量太少，不能有效地阻止O^2-的侵入，腐蚀速率增加，如高于0.90%，则又会导致在制造过程中形成热裂纹，废品率高，生产成本增加，故将其含量控制在0.5%～0.9%,优选地将Cu控制在0.62～0.83%； 

Mo：钢中添加一定含量的Mo，可阻止珠光体的形成，促使贝氏体＋细小铁素体组织形成，获得屈服强度≥800MPa的钢材，另一方面，钢板在600±30℃的热处理炉内保温1～2小时过程中，Mo可阻止原子长程扩散，保证钢的强度。Mo属昂贵合金元素，不宜过多添加，故控制在0.08%～0.18%，优选地控制在0.087～0.145%。

钢板经热轧第一阶段轧制后的中间厚度控制在60～120mm，目的是为了进一步在轧制过程中细化晶粒，设定中间坯厚度，可在第二阶段轧制后获得70%贝氏体组织，一方面获得屈服强度≥800MPa的力学性能，另一方面获得贝氏体+铁素体的同类组织，具有良好的耐腐蚀性能。 

钢板在600±30℃的热处理炉内保温1～2小时，目的在于消除钢板在制造过程中产生的残余应力，减少钢材在运行过程中的应力值。 

本发明与现有技术相比，屈服强度不低于800 MPa、年化腐蚀速率低于0.19g/mm²·y，且冷、热工艺性能优良，切成分相对简单，易控制。 

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。

本发明各实施例按照以下步骤生产： 

1）转炉冶炼并控制S的含量在设定范围、连续浇注成厚度为200～300mm的板坯；

2）对铸坯均热，控制铸坯均热温度为：1180～1250℃；

3）分两阶段进行轧制：控制第一阶段开轧温度不低于990℃，其结束温度不低于950℃，并控制中间坯厚度在60～120mm；控制第二阶段开轧温度不高于940℃，其阶段终轧温度在770～880℃；

4）进行水冷，在冷却速度为5～25℃/s下冷却至470～570℃；

5）自然冷却至室温；

6）对钢板进行保温处理，在保温温度为570～630℃的下保温1～2小时后；

7）出炉后空冷至室温。

表1. 本发明各实施例与对比例的化学成分(wt.%) 

表2.本发明各实施例钢及对比例的主要工艺参数和性能

从表2可以看出，可见，按本发明成分和工艺生产的钢屈服强度均高于800MPa，年化腐蚀速率低于0.19g/mm²·y。不在本发明钢成分范围或/和生产工艺不在本发明范围内的对比钢屈服强度低于602MPa，年化腐蚀速率高于本发明申请钢种5倍以上，不宜用于制造大型海洋工程设施。

上述实施例仅为最佳例举，而并非是对本发明的实施方式的限定。 

Claims (5)

1.屈服强度≥800MPa耐腐蚀海洋结构用钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.08～0.18%, Si: 0.15%～0.25%, Mn:1.10%～1.50%, P：0.08%～0.25%, S≤0.002%, Ni: 0.15%～0.30%，Cu：0.5%～0.9%, Mo：0.08%～0.18%，余为Fe和不可避免的杂质；力学性能：屈服强度均不低于800MPa，年化腐蚀速率小于0.19g/mm²·y，金相组织：贝氏体占体积百分比不低于70%，其余为铁素体。

2.如权利要求1所述的屈服强度≥800MPa耐腐蚀海洋结构用钢，其特征在于：Ni的重量百分比含量为0.23～0.30%。

3.如权利要求1所述的屈服强度≥800MPa耐腐蚀海洋结构用钢，其特征在于：Cu的重量百分比含量为0.62～0.83%。

4.如权利要求1所述的屈服强度≥800MPa耐腐蚀海洋结构用钢，其特征在于：Mo的重量百分比含量为0.087～0.145%。

5.生产权利要求1所述的屈服强度≥800MPa耐腐蚀海洋结构用钢的方法，其步骤：

1）转炉冶炼并控制S的含量在设定范围、连续浇注成厚度为200～300mm的板坯；

2）对铸坯均热，控制铸坯均热温度为：1180～1250℃；

3）分两阶段进行轧制：控制第一阶段开轧温度不低于990℃，其结束温度不低于950℃，并控制中间坯厚度在60～120mm；控制第二阶段开轧温度不高于940℃，其阶段终轧温度在770～880℃；

4）进行水冷，在冷却速度为5～25℃/s下冷却至470～570℃；

5）自然冷却至室温；

6）对钢板进行保温处理，在保温温度为570～630℃的下保温1～2小时后；

7）出炉后空冷至室温。

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