CN104911503B - 一种特厚调质海洋工程用eh40钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特厚调质海洋工程用EH40钢，该钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.12～0.15%，Si：0.15～0.50%，Mn：1.30～1.60%，P：≤0.010%，S：≤0.0050%，Nb：0.020～0.050%，V：0.020～0.050%，Ti：0.008～0.020%，Ni：0.15～0.40%，Cr：0.10～0.20%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。钢板的制造工艺流程为冶炼→连铸→再加热→轧制→调质，采用调质工艺替代正火工艺生产低缩比特厚板，避免中心偏析带来的负面作用。

Description

一种特厚调质海洋工程用EH40钢及其制备方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金领域，具体涉及一种厚度为100～120mm的调质海洋工程用EH40钢及其制备方法。

背景技术

随着世界经济的高速发展和能源资源的枯竭，资源开发重点已从陆地转向海洋，海洋资源已成为世界各国竞相争夺的对象。海洋油气钻采作业的海洋工程装备及由此衍生的军事装备、海边配备资源发展前景广阔。随着海洋装备技术力量不断发展，海洋平台及海洋装备逐渐向大吨位、深海发展，对海洋工程用钢，其强度、低温韧性、焊接性、耐蚀性等方面有了更高的要求。目前，海洋工程用主体钢级仍以EH36为主。随着深海、北冰洋新航线的开发，海洋主体钢级有向更高级别、低温韧性要求极高的更大厚度特殊性能的EH40发展趋势。

因海洋工程用钢服役环境极为恶劣，处于海洋飞溅区与潮差区等多个环境恶劣的区带，受风浪、海底潮流、冰凌等影响较大，主体钢板除了要求具有高强高韧性之外，还需具有一定的低温应变时效性能。海洋工程装备建造过程中，钢板还要经受包括冷矫，辊弯、模压等冷加工塑性变形，应变时效性能差可能成为海洋设备安全隐患之一。可见，应变时效性能是海洋工程用钢关键性能指标之一。

目前， EH40钢船级社规范中，100mm以下可以采取正火状态交货，但对于100mm以上没有规定。对于100mm～120mm EH40钢，正火交货态下，为了使其钢板满足-40℃的稳定的良好冲击性能及力学性能，需要大量的合金元素。这一方面增加了生产成本，另一方面厚度方向上的因其正火空气冷却的过程中，钢板沿厚度方向上冷却性能不均匀性，导致厚度方向上的性能不均匀。由于合金元素的大量加入，也使碳当量升高，提高后期拼接过程中的焊接难度，增加了使用成本。

生产100～120mm 特厚EH40钢主要存在如下几个难点：其一，船级社规范中对EH40的成分体系适用于≤100mm，对于100mm 以上的EH40钢，主要基于船级社≤100mm成分性能签订技术协议或者执行GB 712。GB 712的成分范围适用钢板厚度范围为≤150mm，而随着厚度增加，强度不下降，相当于普通高强机械460MPa级钢。其二，考虑到钢板的安全使用，大部分客户要求三倍以上压缩比（连铸坯厚度与钢板厚度的比值），且连铸坯越厚，内在质量越难控制。国内大部分厂家不具备特厚铸坯的生产能力，或者具有大厚度连铸坯，但因厚板坯内部质量问题，无法满足高强度、耐低温要求极高的EH40级钢的生产。

经检索，涉及大厚度海洋工程用钢专利甚少，仅有几个相关专利如下：

中国专利 CN 102400043 公开了“一种大厚度海洋工程用钢板及其生产方法”通过电炉冶炼，经LF精炼、VD真空脱气，采用300 mm厚度连铸坯，通过调质工艺生产，获得了屈服强度460MPa以上，抗拉强度在530～650MPa, -40℃的冲击功大于100J。此发明中的Ni含量较高，Ni含量范围介于0.60～0.70%。还加入了贵重合金Mo元素来保证钢板的强韧性。成本高，超过船级社或GB712 标准中EH40的成分体系。因而不具有推广性。

中国专利 CN 103725959A公开了“一种130mm低合金低温韧性厚板及其生产方法”，通过成本低廉的C、Mn、Nb、V、Ti的成分体系，选用400mm的铸坯，保证钢板大压缩比的前提下，经过TMCP两阶段控轧，随后进行正火+加速冷却到650～720℃区间，冷却速度为2～8℃/s。最终钢板性能满足船级社规范中EH36力学性能，部分实施例钢板满足FH40力学性能。中国专利 CN103205640A公开了“一种E40高强度船板钢及制备方法”，通过控轧控冷工艺，结合正火处理后进行水冷的控制方式，获得了E40钢板。这两项发明方法生产钢板虽然经济，但是难以控制，不能大范围推广应用。国内大部分厂家在正火炉后往往是配套淬火机，而淬火机很难如ACC装置进行精确控制。如要推广应用，需要配套加速冷却装置，设备改造成本大。在市场行情严峻的形势下，该方法不可取。其次，通过对正火后的大厚度钢板进行ACC冷却，钢板在厚度方向上性能不均匀，钢板表面易形成激冷层。这对钢板焊接材料的匹配、焊接、钢板成型、耐蚀性能都会带来一系列负面作用。另外、铸坯越厚，中心偏析就越难以控制。本发明专利仅给出厚度1/4处的力学性能，而船级社规范尤其是ABS规范中，对于100mm 以上的海洋工程用钢板，不仅需要钢板1/4处的力学性能，而且也需要钢板1/2处的力学性能。此外，发明中获得的钢板延伸率较低，偏船级社规范或标准的下限，给后期的加工带来一定的风险。

因此，现有技术还不能完全满足EH40所具备高强度、高冲击韧性、抗低温应变时效性能要求，对特厚海洋工程用钢EH40开发仍存在技术上不足。为了降低成本，保证钢板在使用过程中的性能稳定性及使用安全性，需要综合考虑钢板的高强度、塑性、低温韧性、应变时效性能及其成分、工艺的关系进行合理配套研究与分析，需开发一种特厚调质海洋工程用EH40钢。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种厚度在100mm～120mm调质海洋工程用EH40钢及其制备方法，该钢板在常规力学性能满足EH40钢级基础上，还具有高的韧性值、抗低温应变时效性能，良好的焊接性能，弯曲性能等，并且克服特厚板在厚度方向均匀性差的缺点。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种特厚调质海洋工程用EH40钢，该钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.12～0.15%，Si：0.15～0.50%，Mn：1.30～1.60%，P：≤0.010%，S：≤0.0050%，Nb：0.020～0.050%，V：0.020～0.050%，Ti：0.008～0.020%，Ni：0.15～0.40%，Cr：0.10～0.20%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。

优选地，该钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.13%，Si：0.25%，Mn：1.55%，P：0.007%，S：≤0.002%，Nb：0.035%，V：0.025%，Ti：0.017%，Ni：0.35%，Cr：0.15%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。

本发明中钢成分的限定理由阐述如下：

C的加入可以增加钢的淬透性，特别是中厚板生产，可以显著提高调质钢的强度，但是C含量过多不利于钢的低温冲击性能、低温应变时效性能、焊接性能以及耐蚀性能，所以本发明中碳含量控制在0.12～0.15%。

Si主要用于脱氧，虽要依据不同的冶炼方式来确定其加入量，但要获得良好的钢板性能，必须在0.15%以上，但若超过0.50%以上又会造成心部偏析以及破坏焊接性能，所以规定其上限为0.50%。

Mn在所述钢中具有推迟奥氏体向铁素体转变的作用，对细化铁素体，提高强度和韧性有利。当锰的含量较低，上述作用不显著，钢板强度和韧性偏低等。过高则又会引起连铸坯偏析、韧性差和可焊性降低等，故本发明中考虑到合金的综合加入，规定锰含量加入量介于1.30～1.60%的范围内。

Nb的溶质拖曳作用和Nb(C,N)对奥氏体晶界的钉扎作用，均抑制形变奥氏体的再结晶，扩大奥氏体非再结晶区间，减少特厚板生产待温时间。并在冷却或回火时形成析出物，从而使强度和韧性均得到提高，还可以提高钢的耐蚀性能。添加量小于0.020%时效果不明显，大于0.050%时韧性降低，导致连铸坯产生表面裂纹。因此，本发明规定铌含量应介于0.020～0.050%的范围内。

V是钢的优良脱氧剂，是有效的细化晶粒元素，提高钢的强度和韧性。在调质钢中，V属于析出强化元素。添加量大于0.050%时韧性降低，厚板的中心偏析显著。因此，本发明规定铌含量应介于0.020～0.050%的范围内。

Ti是用来固定钢中的氮元素，在适当条件下，钛、氮形成氮化钛，阻止钢坯在加热/轧制/焊接过程中晶粒长大，改善母材和焊接热影响区的韧性。钛低于0.008%时，固氮效果差，超过0.03%时，固氮效果达到饱和，过剩的钛会使钢的韧性恶化。当钢中的Ti、N原子之比为1：1时，TiN粒子最为细小且分布弥散，对高温奥氏体晶粒的细化作用最强，不仅可获得优良的韧性，而且能够实现30KJ/cm以上的大线能量焊接。此时相于Ti、N重量之比为3.42，Ti的微量加入也可以提升钢材的耐蚀性，本发明规定最小为0.008%，上限为0.020%。

Ni是提高钢淬透性的元素，也是有效提高钢的低温韧性的最常用元素。此外，与钢中Cr、P复合作用，将有助于提高钢的耐腐蚀性，但是加入量过高，将会显著提高钢的成本。故在本明中，规定镍含量介于0.15～0.40%。

Cr是提高钢淬透性的元素，能够抑制多边形铁素体和珠光体的形成，促进低温组织贝氏体或马氏体的转变，提高钢的强度。但Cr含量过高将影响钢的韧性，并引起回火脆性，船级社规范要求不超过0.20%。故本发明中铬含量控制在0.10～0.20%。

Ni、Cr、以及钢中的P复合可以有效提高钢板的耐蚀性能。

P虽能提高耐蚀性，但会降低低温韧性和妨碍可焊性，对结构钢是不适当的，本发明规定其控制在0.010%以下。

S形成MnS夹杂物，也会导致中心偏析，对耐蚀性也有不良影响，本发明规定在其控制在0.005%以下。

本发明另提供上述特厚调质海洋工程用EH40钢的制备方法，具体工艺如下，

冶炼连铸工艺：采用铁水预处理，KR深脱硫，硫含量低于0.0020%，扒渣干净，转炉采用双渣法脱P，P≤0.010%，转炉终点C≤0.08%（碳分先后两次添加，转炉冶炼控制低碳冶炼），出钢过程进行15～20min吹氩气，进行LF、RH精炼：RH真空保持20min以上；之后连铸，板坯连铸过程中过热度保持在10～20℃，连铸拉坯速度0.50～0.80m/min，连铸坯厚度为370mm或以上；

轧制工艺：采用控轧控冷TMCP工艺，连铸坯再加热温度1150℃～1200℃，采用粗轧和精轧两阶段控制轧制，粗轧单道次压下率为12～20%，粗轧终轧温度1000～1080℃，粗轧后所得中间坯的厚度为1.5～1.8倍于成品厚度；精轧开轧温度为830～850℃，轧后采用层流冷却，钢板终冷温度620～700℃，冷却速率6～10℃/s，随后空冷；

热处理工艺：采用淬火和回火调质处理工艺，淬火温度860～920℃，淬火保温时间为1.8～2.2min/mm，回火温度620～660℃，回火保温时间2.5～4.0min/mm。

本发明通过成本低廉的成分设计方法，利用调质工艺获得了一种特厚调质海洋工程用EH40钢，组织不同于普通EH40钢的珠光体铁素体组织，而是由具有优异性能的铁素体、针状铁素体、贝氏体以及弥散分布的渗碳体多相组织组成。钢板1/4厚度处组织以铁素体、渗碳体为主，贝氏体以及针状铁素体为辅。钢板1/2厚度处组织以贝氏体以及针状铁素体、渗碳体为主，铁素体为辅。这是因为钢板通过淬火处理，钢板通过本身的淬透性元素，使钢板在1/4厚度处组织以马氏体为主，随着板厚增加，淬透能力减弱，1 /2厚度处马氏体量逐渐减少，贝氏体量增加。回火过程中，一方面，马氏体发生相变生成铁素体，渗碳体弥散分布于铁素体相中，得到了很好的软硬相搭配，表现在性能上便是良好的强韧性匹配。另一方面，微合金元素与钢中的间隙元素形成析出相，起到钉轧晶界作用。

对于特厚板生产海洋工程用钢，调质工艺与正火工艺明显区别在于，在正火工艺中，不希望厚度1/2处组织出现低温组织（贝氏体或马氏体）。而实际因要满足一定的强度，正火特厚板成分设计上多选择C含量超过0.13%，因而连铸坯的中心偏析不可避免的要导致特厚板1/2处组织出现低温组织。这就使得正火特厚板1/2处冲击性能的稳定性难以保证。而调质工艺，在淬火过程中，希望尽可能的将材料淬成低温组织，特厚板1/2处的偏析导致C、Mn元素成分较高，其淬透能力更加优异，更易得到马氏体或贝氏体组织。因而调质工艺就解决了低压缩比特厚板生产时的中心偏析的负面影响。

本发明获得的特厚板在满足常规力学性能EH40级的基础上，在厚度1/2处强度、冲击性能仍然保持优异性，还具有优异的低温韧性、抗低温应变时效性能、弯曲性能等。具体性能为：屈服强度横向拉伸性能介于410～480MPa之间，抗拉强度介于530～600 MPa之间，屈强比介于0.75～0.85 之间，延伸率优良≥25%。-40℃纵向冲击韧性值≥200 J，应变时效后，-40℃冲击韧性值没有明显降低，具有优异的抗低温时效性能。弯曲性能良好、厚度方向上断面收缩率≥65%。完全满足海洋工程用钢高强度、高冲击韧性、耐腐蚀性、抗低温和抗撞击等综合性能要求。具有生产工艺稳定，易于批量化生产。

本发明具有如下优点：

1、通过调质工艺替代正火工艺生产低缩比特厚板，避免中心偏析带来的负面作用。

2、钢中Ni含量加入介于0.15～0.40%，成本低廉，其余成分也介于船级社规范中的EH40钢的范围之内。本成分体系完全可以通过正火生产100mm 以下的EH40、Q345E、EH36等钢种，便于炼钢组炉生产，节减成本与提高效率。

3、采用调质钢生产特厚板，在淬火过程中，利用适当碳含量，添加淬透性元素Ni、Mn、Cr等保证特厚钢板适当的淬透性，在回火过程中，加入Nb、V、Ti等等微合金元素，有效的保证组织的细化，同时通过析出相增加钢板的强度。组织不同于普通EH40钢的珠光体铁素体组织，而是由具有优异性能的铁素体、针状铁素体、贝氏体以及弥散分布的渗碳体多相组织组成。

4、较高的精轧开轧温度，有效的减短特厚板待温时间，对于工业来讲，非常重要，提高生产节奏。对于尺寸较短的钢板，高温轧制有利于避免低温大压下轧制而导致的钢板板形问题，无需经过强力矫直，可推广至无强力矫直设备的钢厂生产。

5、本发明通过调质生产，一方面提高钢板的稳定性，减少厚度方向上性能差异，减少贵重合金元素Ni的加入量，便可获得低温韧性优异的海洋工程用EH40钢。Ni的加入量减少，钢坯表面质量也易于控制。

附图说明

图1为本发明实施例1中钢板厚度方向1/4处典型组织；

图2为本发明实施例1中钢板厚度方向1/2处典型组织。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明各实施例所对应的特厚调质海洋工程用EH40钢的化学成分见表1，表中数据为各元素的质量百分比含量，剩余为Fe及不可避免的杂质元素，其中实施例1、2对应炉号S11408150，实施例3、4对应炉号S11408151.

表1

钢板的冶炼工艺：

冶炼连铸工艺：按照实施例成本备料，经KR铁水预处理，深脱硫，使硫含量低于0.0020%，扒渣干净，转炉采用双渣法脱P，P≤0.010%，转炉终点C≤0.08%（碳分先后两次添加），出钢过程进行15～20min吹氩气，进行LF、RH精炼：RH真空保持20min以上；之后连铸，板坯连铸过程中过热度保持在10～20℃，连铸拉坯速度0.50～0.80m/min，连铸坯厚度为370mm；

轧制工艺：采用控轧控冷TMCP工艺，连铸坯再加热温度1150℃～1200℃，采用粗轧和精轧两阶段控制轧制，粗轧单道次压下率为12～20%，粗轧终轧温度1000～1080℃，粗轧后所得中间坯的厚度为1.5～1.8倍于成品厚度；精轧开轧温度为830～850℃，轧后采用层流冷却，钢板终冷温度620～700℃，冷却速率6～10℃/s，随后空冷。表2、表3为各实施例的轧制工艺参数。

热处理工艺：采用淬火和回火调质处理工艺，淬火温度860～920℃，淬火保温时间为1.8～2.2min/mm，回火温度620～660℃，回火保温时间2.5～4.0min/mm。表4为各实施例的具体热处理工艺参数。

表2

表3

表4

按照上述各实施例的冶炼工艺制得的钢板，其拉伸性能见表5。从实施例对应EH40钢的拉伸性能来看，钢板屈服强度横向拉伸性能介于410～470MPa之间，抗拉强度介于580～620 MPa之间，屈强比介于0.86～0.89 之间，延伸率适中。实施例钢板1/2厚度处拉伸性能略低于1/2厚度处，但差别不大于48MPa。实施例钢板的低温冲击韧性如表5所示，-40℃纵向冲击韧性值≥140 J。

表5

各实施例钢板的低温时效冲击性能如表6所示，大部分试样-40℃纵向冲击值≥170 J，仅有个别值≥100 J。

表6

各实施例钢板的落锤性能如表7所示，从表7可见钢板的弯曲性能优异，实施例钢板全部弯曲试样弯曲性能完好，弯曲后弯曲面无裂纹。

表7

各实施例钢板在厚度方向的拉伸性能如表8所示，一组平行3个试样，断面收缩率指标都≥65%，这是因为本发明在冶炼工艺过程进行有效控制，如在冶炼过程中尽可能控制P、S含量，以及其它杂质元素，尽可能的纯净钢冶炼，低过热度浇注，减轻中心偏析。在轧制过程中采取相对高温轧制，尽可能的消除条带状的组织出现几率。如图1、图2所示，实施例1典型金相组织也可见到在板厚1/2处未可见到明显的条带状组织。

表8

Claims (2)

1.一种特厚调质海洋工程用EH40钢，其特征在于：该钢板的厚度为100～120mm，化学成分按质量百分比计为C：0.12～0.15%，Si：0.15～0.50%，Mn：1.30～1.60%，P：≤0.010%，S：≤0.0050%，Nb：0.020～0.050%，V：0.020～0.050%，Ti：0.008～0.020%，Ni：0.15～0.40%，Cr：0.10～0.20%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素；

钢板的制备工艺包括如下工序，

冶炼连铸工艺：采用铁水预处理，KR深脱硫，硫含量低于0.0020%，扒渣干净，转炉采用双渣法脱P，P≤0.010%，转炉终点C≤0.08%，出钢过程进行15～20min吹氩气，进行LF、RH精炼：RH真空保持20min以上；之后连铸，板坯连铸过程中过热度保持在10～20℃，连铸拉坯速度0.50～0.80m/min，连铸坯厚度为370mm或以上；

轧制工艺：采用控轧控冷TMCP工艺，连铸坯再加热温度1150℃～1200℃，采用粗轧和精轧两阶段控制轧制，粗轧单道次压下率为12～20%，粗轧终轧温度1000～1080℃，粗轧后所得中间坯的厚度为1.5～1.8倍于成品厚度；精轧开轧温度为830～850℃，轧后采用层流冷却，钢板终冷温度620～700℃，冷却速率6～10℃/s，随后空冷；

热处理工艺：采用淬火和回火调质处理工艺，淬火温度860～920℃，淬火保温时间为1.8～2.2min/mm，回火温度620～660℃，回火保温时间2.5～4.0min/mm。

2.根据权利要求1所述的特厚调质海洋工程用EH40钢，其特征在于：该钢板的化学成分按质量百分比为C：0.13%，Si：0.25%，Mn：1.55%，P：0.007%，S：≤0.002%，Nb：0.035%，V：0.025%，Ti：0.017%，Ni：0.35%，Cr：0.15%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。