CN106834944A

CN106834944A - 一种海洋工程用耐低温高韧性热轧角钢及其制造方法

Info

Publication number: CN106834944A
Application number: CN201710073103.4A
Authority: CN
Inventors: 赵培林; 王中学; 杜传治; 李超; 武玉利; 方金林; 郭秀辉; 杨栋; 韩文习; 赵传东; 王毅
Original assignee: Shandong Iron and Steel Group Co Ltd SISG
Current assignee: Shandong Iron and Steel Group Co Ltd SISG
Priority date: 2017-02-10
Filing date: 2017-02-10
Publication date: 2017-06-13

Abstract

本发明属于冶金技术领域，具体地，本发明涉及一种海洋工程用耐低温高韧性热轧角钢及其制备方法。本发明所述热轧角钢的化学成分组成按重量百分比为：C：0.06％～0.10％；Si：≤0.25％；Mn：0.8％～1.5％；Nb：0.01％～0.03％；V：0.02％～0.06％；Ni：0.05％～0.25％；P≤0.02％；S≤0.01％；N≤0.015％；Al：0.01％～0.04％；O≤0.004％；其余为Fe和不可避免杂质。本发明充分利用细晶强化机制和沉淀强化机制，细化基体组织晶粒到15微米以下，提高低温韧性；同时，采用低碳含量控制，避免出现过多的珠光体和带状组织，提高组织均匀性。本发明大幅度提高角钢的强度，从而得到耐极低温度的低温海工用角钢。

Description

一种海洋工程用耐低温高韧性热轧角钢及其制造方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，具体地，本发明涉及一种海洋工程用耐低温高韧性热轧角钢及其制备方法。

背景技术

随着石油和天然气需求的日益增大，油气开采已呈现出陆海并进的局面。随着作业区域的拓展，目前已经涵盖欧洲北部以及北极附近海域及陆地等极寒地区。另外，我国北方很多地区冬季气温在-20℃以下，极限气温达-40℃以下，给油气开采带来很多问题。近年来，石油平台的建设不仅要求钢材的强度提高，同时要求低温下保持较高的韧性，解决载荷大、施工条件恶劣等系列问题。因此，能够满足在-40℃甚至更低温度下使用，并且冲击韧性稳定的海洋平台用角钢是目前国内外石油行业发展的重大需求，该类产品的使用和发展将给社会和企业带来巨大的经济和社会效益。

在海洋工程用钢中，除了板材，H型钢等常规产品大量使用外，角钢作为其中的一种常用在制造海洋平台过程中起到支撑和固定作用，其材料的强度和韧性等力学性能决定平台的制造成本和使用寿命，作用突出。

目前国内外制备角钢的企业较多，但是所制备耐低温角钢产品中适合极低温度使用的较少。申请号为200910073969.0的专利文献，公开了一种高强Q420C级铁塔角钢，其化学成分配比为：C 0.10～0.16％，Mn1.15～1.45％，Si 0.30～0.50％，S、P≤0.025％，V0.07～0.10％，Ti0.004～0.010％，余量Fe，Ceq≤0.42％。其缺点是该钢只提出了0℃的冲击韧性要求，不能满足在更低温度下的严寒地区使用。

申请号为201310441360.0的专利文献，公开了一种输电铁塔用耐低温冲击角钢，所述角钢化学成分的重量百分比为：C：0.05～0.15％，Mn：1.20～1.60％，Si：0.01～0.05％，V：0.02～0.10％，Ni：0.02～0.06％，Ca：0.001～0.005％，Cr：0.01～0.20％，Cu：0.10～0.25％，P：0.01～0.03％，Mo：0.20～0.35％，S：0.005～0.02％，其余为Fe。其缺点是，该钢耐低温冲击满足-40℃，但是强度低，不能满足大型石油平台的建造和使用，其采用的热镀锌工艺存在环境污染大、能耗大、成本高、投资大等问题，同时对于-50℃以下极寒地区使用受到限制。

申请号为201610138492.X的专利文献，公开了一种耐低温角钢及其生产方法。该角钢按质量百分比由以下化学成分组成：C：0.10～0.15％，Si：0.20～0.50％，Mn：1.3～1.7％，V：0.04～0.06％，Al：0.005～0.015％，N≤0.01％，O≤0.006％，P≤0.020％，S≤0.010％，余量为Fe和不可避免的杂质。其生产方法包括铁水预脱硫、转炉冶炼、LF精炼、方坯连铸机连铸及轧制工序。该发明采用钒微合金化工艺，耐低温性能满足-40℃冲击能≥100J，但是屈服强度仅满足Rel≥345MPa，强度较低。

综上，发明一种同时满足强度高，具有-50℃以下耐低温性能角钢，满足建造高水平海洋石油平台等设施，具有非常大的必要性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，为了满足低温环境下海洋石油钢的需求，提供一种海洋工程用耐低温高韧性热轧角钢及其制造方法。更具体是说，本发明提供一种屈服强度400MPa及以上级别，-50℃以下耐低温角钢及其低成本制造方法。

本发明的技术方案如下：

本发明的海洋工程用耐低温高韧性热轧角钢，其化学成分组成按重量百分比为：C：0.06％～0.10％；Si：≤0.25％；Mn：0.8％～1.5％；Nb：0.01％～0.03％；V：0.02％～0.06％；Ni：0.05％～0.25％；P≤0.02％；S≤0.01％；N≤0.015％；Al：0.01％～0.04％；O≤0.004％；其余为Fe和不可避免杂质。

本发明的热轧角钢，其屈服强度大于等于400MPa，延伸率大于等于20％，-50℃纵向冲击功大于等于34J。

在本发明中主要合金元素的作用如下：

C：在该钢中与V，Nb等强碳化合物元素相结合，形成细小弥散的碳氮化物，起到抑制晶粒长大和析出强化的作用，是最有效的强化元素之一。过高的C对于钢的低温韧性不利，因此C控制在0.06％～0.10％；

Mn：能够降低奥氏体向铁素体转变的相变温度，而奥氏体向铁素体转变的相变温度的降低对于热轧态或正火态钢材的铁素体晶粒尺寸有细化作用，因此，Mn作为高强度微合金钢中的主要合金元素而被广泛应用。Mn过高将增加裂纹敏感性显著增加，影响焊接性能，增加偏析程度，过低则固溶强化效果不明显，从而影响强度。故Mn的取值范围确定在0.8％～1.5％。

Si：固溶于铁素体和奥氏体中，提高钢的强度、硬度、弹性和耐磨性。当钢中Si含量较高时，钢的焊接性能会恶化。Si含量高于0.5％以上将损害钢的韧性和塑性；同时过高使得氧化铁皮不易去除从而影响钢的表面质量。

Nb：为强碳化合物形成元素，在钢中形成的Nb(C,N)等第二相粒子可阻碍钢在再加热时的奥氏体晶粒长大，并能够抑制轧制后的再结晶及再结晶后的晶粒长大，起到细化晶粒的作用，进而提高钢材的强度和低温韧性；当过量时易产生晶间裂纹，并降低钢的可焊性，所以含量控制在0.01％～0.03％。

V：钒在该钢中有沉淀强化、细晶强化和晶界强化作用。V既是强碳化物形成元素，同时也是强氮化物形成元素。在800-1000℃时，V与C生成VC，这些VC颗粒以细小质点形式存在将阻止奥氏体晶粒长大起到细晶强化的作用。另外，在冷却过程中，这些V的碳化物以弥散形式析出，对钢起到沉淀强化作用，故V含量应控制在0.02～0.06％。

Ni：镍在钢中强化铁素体并细化珠光体，可以提高钢的强度。镍在提高钢强度的同时，对钢的韧性、塑性以及其他工艺的性能的损害较其他合金元素的影响小。低碳钢中加入一定的镍能使钢的韧性和塑性有所提高。镍可以提高钢对疲劳的抗力和减小钢对缺口的敏感性。镍降低钢的低温脆性转变温度，这对低温用钢有极重要的意义。考虑到成本等因素，Ni含量应控制在0.05％～0.25％。

P：是钢中的有害元素，由于其偏析倾向严重，容易在晶界聚集恶化钢的基体组织，恶化钢的力学性能，因此本发明将磷含量控制到0.02％以下。

S：是有害元素，容易使钢具有偏析倾向，易引起钢材低温沿晶断裂，并能导致钢材具有各向异性韧性低等缺点，本发明将硫含量控制在0.01％以下。

Al：脱氧剂，同时可以与钢中的N形成AlN，细化铁素体晶粒，起到细晶强化的作用，同时改善钢的韧性。过多的Al不利于组织的纯净度，因此控制含量在0.01％～0.04％。

配合上述化学成分，本发明还提供了一种上述热轧角钢的制造方法，其生产制备工艺主要包括转炉冶炼，LF精炼，连铸和孔型热轧成材，具体步骤如下：

1)转炉冶炼：

为控制低温韧性，入炉铁水砷含量≤90ppm；渣料必须于终点前4分钟加完；终渣碱度控制在2.3～3.3范围内；

2)精炼：

精炼采用全程底吹氩气搅拌，保证夹杂物上浮，保证精炼软吹氩不小于12分钟；

3)连铸：

连铸过程中间包液面≥850mm，采用全保护浇注工艺；拉速控制在1.0～1.6m/min；保证铸坯角部不产生裂纹；

4)热轧：

在轧制过程中，加热炉的均热温度为1100～1260℃，铸坯在炉时间为130～220min；开轧温度为1100～1150℃，终轧温度在翼缘外侧为850～920℃，角钢的壁厚范围为5～15mm；边宽度控制在50～200mm。粗轧和精轧过程以控制温度和变形为主，不仅孔型充满，而且保证产品组织和适当的力学性能。

5)轧后冷却：

角钢轧后在线经过水槽进行冷却，出冷却水槽后温度在500～650℃。

根据本发明的制造方法，其中作为优选，步骤2)采用双挡渣出钢工艺，放钢时间不小于3min，控制转炉下渣量≤80mm；采用铝锰铁脱氧，铝锰铁加入量1.0～4.5kg/t钢，炉前可视情况补加；采用金属锰、钒氮合金，铌铁，镍铁等进行合金化。

根据本发明的制造方法，为保证生产顺行，步骤3)在精炼出站前喂入钙线50～150m/炉。

根据本发明的制造方法，其中作为优选，步骤4)所述精轧采用孔型轧制在精轧连轧机上进行，机架间水冷全部开启。步骤5)轧后进行控制冷却，从而获取与力学性能相匹配的组织。

本发明通过低碳和复合微合金化配以控制冷却的工艺设计思路，应用铝脱氧、以Nb-V-Ni-Al-N为主的工艺技术，结合加热温度和终轧温度，冷却温度等过程温度控制，实现海洋工程用中小规格角钢产品生产。

本发明添加Nb，V后，结合水冷控制温度，析出细小的碳氮化物，从而细化最终第二相及基体组织，使得所制备的角钢低温韧性稳定性显著提高。与现有技术相比，增加水冷控制能够更好的发挥元素在粗轧，精轧以及终冷过程的作用，使得组织改善明显，从而改善力学性能，尤其是耐低温性能。同时，加热温度可以适当降低，能够更好的节省能源。

本发明制备的角钢与现有角钢相比较，金相组织更加均匀细化，析出的碳氮化物均匀弥散分布在基体组织中。其中，具体的组织金相图参见图2。

本发明未提及的工序，均可采用现有技术。

同目前高强度角钢及生产方法比较，本发明技术方案的优点在于：

1、与现有技术相比，本专利涉及技术充分利用细晶强化机制和沉淀强化机制，细化基体组织晶粒到15微米以下，提高低温韧性；同时，采用低碳含量控制，避免出现过多的珠光体和带状组织，提高组织均匀性。

2、Nb-Ni-V-N复合微合金化工艺，合金回收率稳定，通过轧后简单的水冷就可以实现组织的细化以及稳定性，大幅度提高角钢的强度，从而得到耐极低温度的低温海工用角钢。

3、本发明涉及的海工用角钢产品其力学性能良好，屈服强度大于等于400MPa，抗拉强度大于等于500MPa，尤其是-50℃纵向冲击功大于等于34J，适合极寒地区使用。

附图说明

图1是本发明的耐低温高韧性热轧角钢外形示意图。其中，

b-边部宽度；d-边厚度；t-腿厚度；Z₀-重心距离；r-内圆弧半径；r₁-边端圆弧半径。

图2是本发明的耐低温高韧性热轧角钢的组织金相图。

具体实施方式

以下列举具体实施例对本发明进行说明。需要指出的是，实施例只用于对本发明作进一步说明，不限制本发明的保护范围，其他人根据本发明做出的非本质的修改和调整，仍属于本发明的保护范围。

下述实施例中的连铸坯均按以下工艺流程制备：根据设定的化学成分范围(表1)，以化学成分C，Si，Mn，S，P和Fe为原料，进行转炉冶炼、精炼、连铸、铸坯直接加热或者均热。制备的热轧角钢外形示意图如图1所示。实施例1-3的制备步骤如下：

1、转炉冶炼：

入炉铁水砷含量小于80ppm；渣料必须于终点前4分钟加完，全程渣子化好、化透。终渣碱度控制在2.8～3.2范围内。采用双挡渣出钢工艺，放钢时间6min，控制转炉下渣量60mm。

2、精炼：

执行全程底吹氩搅拌吹氩制度，保证夹杂物上浮，保证精炼软吹氩16分钟。为保证生产顺行，精炼出站前喂入钙线110m。

3、连铸：

采用全保护浇注工艺；拉速控制在1.3m/min.

4、热轧：

粗轧和精轧过程以控制温度和变形为主，终轧温度检测角部外侧。

5、轧后冷却

采用槽式装备在线水冷，温度控制在580～620℃。

实施例1-3的化学成分见下表1。

表1实施例1-3的化学成分(wt％,余量铁)

项目	C	Si	Mn	P	S	Al	V	N	Nb	Ni
											实施例1	0.06	0.25	1.2	0.02	0.010	0.020	0.06	0.012	0.01	0.15
实施例2	0.08	0.25	1.40	0.019	0.009	0.025	0.035	0.008	0.02	0.2
											实施例3	0.12	0.28	1.0	0.018	0.008	0.030	0.03	0.01	0.03	0.25

实施例1-3的热轧工艺条件见表2。按照标准为BS EN ISO 377-1997《力学性能试验试样的取样位置和制备》；屈服强度、抗拉强度、延伸率的试验方法参照标准ISO6892-1-2009《金属材料室温拉伸试验方法》；冲击功试验方法参照标准ISO 148-1《金属材料夏比摆锤冲击试验》，结果见表2。

表2实施例1-3的热轧工艺条件

从表中可见，本发明实施例1-3屈服强度保持400MPa级别，其-50℃冲击功较高。可以满足制备海洋工程构件在极低环境下的使用条件，适用于制作海洋石油平台、海洋远洋运输船舶等具有较高低温韧性要求的支撑结构件。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变形都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims

1.一种海洋工程用耐低温高韧性热轧角钢，其特征在于，所述热轧角钢的化学成分组成按重量百分比为：C：0.06％～0.10％；Si：≤0.25％；Mn：0.8％～1.5％；Nb：0.01％～0.03％；V：0.02％～0.06％；Ni：0.05％～0.25％；P≤0.02％；S≤0.01％；N≤0.015％；Al：0.01％～0.04％；O≤0.004％；其余为Fe和不可避免杂质。

2.根据权利要求1所述的热轧角钢，其特征在于，所述热轧角钢的屈服强度大于等于400MPa，延伸率大于等于20％，-50℃纵向冲击功大于等于34J。

3.一种权利要求1或2所述热轧角钢的制造方法，包括以下步骤：

1)转炉冶炼：

入炉铁水砷含量≤90ppm；渣料于终点前4分钟加完；终渣碱度控制在2.3～3.3范围内；

2)精炼：

精炼采用全程底吹氩气搅拌，精炼软吹氩不小于12分钟；

3)连铸：

连铸过程中间包液面≥850mm，采用全保护浇注工艺；拉速控制在1.0～1.6m/min；

4)热轧：

在轧制过程中，加热炉的均热温度为1100～1260℃，铸坯在炉时间为130～220min；开轧温度为1100～1150℃，终轧温度在翼缘外侧为850～920℃，角钢的壁厚范围为5～15mm；边宽度控制在50～200mm；

5)轧后冷却：

4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，步骤2)采用双挡渣出钢工艺，放钢时间不小于3min，控制转炉下渣量≤80mm；采用铝锰铁脱氧，铝锰铁加入量1.0～4.5kg/t钢；采用金属锰、钒氮合金、铌铁和镍铁中的一种或几种进行合金化。

5.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，步骤3)在精炼出站前喂入钙线50～150m/炉。

6.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，步骤4)所述精轧采用孔型轧制，在精轧连轧机上进行，机架间水冷全部开启。