CN107557685A

CN107557685A - 低温环境下440MPa级船舶用耐蚀钢及其生产方法

Info

Publication number: CN107557685A
Application number: CN201710765168.5A
Authority: CN
Inventors: 张开广; 陈颜堂; 范巍; 童明伟; 郭斌; 卜勇; 洪霞; 黄静; 郑静
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Wuhan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2017-08-30
Filing date: 2017-08-30
Publication date: 2018-01-09
Anticipated expiration: 2037-08-30
Also published as: CN107557685B

Abstract

本发明公开了一种低温环境下440MPa级船舶用耐蚀钢及其生产方法，属于材料钢技术领域。它包括如下质量百分比含量的组分：C：0.031～0.105％、Si：0.18～0.65％、Mn：0.52～2.05％、P≤0.009％、S≤0.001％、Als：0.080～0.200％、Nb：0.021～0.070％、Ti：0.045～0.125％、Ni：0.10～0.35％，余量为Fe及不可避免的杂质。生产方法为1)常规铁水脱硫；2)转炉冶炼和RH真空处理；3)铸坯连铸及加热；4)分段轧制；5)冷却。制备的钢板可以在‑80℃左右的极寒低温环境下使用，钢板的屈服强度≥440Mpa，冲击韧性KV₂≥100J，海水腐蚀性能优于传统的耐海水腐蚀钢种10CrMoAl。

Description

低温环境下440MPa级船舶用耐蚀钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种海洋工程用钢及其生产方法，属于材料钢技术领域，具体地涉及一种低温环境下440MPa级船舶用耐蚀钢及其生产方法。

背景技术

北极是世界各国争夺的焦点之一，取道北极航道可节省大量海洋运输资源，因而促进了北极穿梭油船、破冰船、破冰集装箱船等新概念船舶的发展，同时也对这些高等级船舶用钢提出了新的要求，包括在极寒环境下的高强度、高韧性以及耐海水腐蚀等。

申请人于2017年6月19日申请了一件题为可用于-60℃低温环境的高强度、高韧性耐腐蚀钢及其生产方法的发明专利申请文件，该申请文件公开了钢的组分及质量百分比含量为C：0.062％-0.115％，Si：0.22％-0.65％，Mn：0.82％-2.05％，P：≤0.009％，S：≤0.001％，Als：0.100％-0.280％，Nb：0.041％-0.080％，Ti：0.090％-0.135％，Ni：0.20％-0.40％，Cr：0.40％-1.40％。生产步骤：铁水脱硫；转炉冶炼；常规连铸并对铸坯加热；三阶段轧制；冷却。该申请文件制备得到的钢材，屈服强度≥620Mpa，冲击韧性KV₂≥100J并具有优良耐海水腐蚀性能，可以作为对强度、低温韧性、经济型及使用性能均有一定要求的船舶、海洋工程和海洋资源运输装备用钢。缺点是制备的钢材使用温度最低只有-60℃，同时，为了进一步的提高钢材的耐腐蚀性，还需要添加价格昂贵的Zr和Ta等合金元素，为提高钢材的强度还需要添加Cr元素。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明公开了一种低温环境下440MPa级船舶用耐蚀钢及其生产方法。

为实现上述目的，本发明公开了一种低温环境下440MPa级船舶用耐蚀钢及其生产方法。它包括如下质量百分含量的组分：C：0.031～0.105％、Si：0.18～0.65％、Mn：0.52～2.05％、P≤0.009％、S≤0.001％、Als：0.080～0.200％、Nb：0.021～0.070％、Ti：0.045～0.125％、Ni：0.10～0.35％，余量为Fe及不可避免的杂质。

进一步地，还包括W：0.05～0.13％或Sn：0.08～0.10％中的一种或两种组分。

再进一步地，Mn：0.52～0.80％、Nb：0.021～0.040％、Ti：0.045～0.085％、Ni：0.10～0.20％。

一种低温环境下440MPa级船舶用耐蚀钢的生产方法，包括如下步骤：

1)常规铁水脱硫；2)转炉冶炼和RH真空处理；3)铸坯连铸及加热；4)分段轧制；5)冷却；其特征在于：所述步骤4)中，采用三阶段轧制，控制第一阶段开轧温度在1000～1190℃之间，控制第二阶段开轧温度不高于975℃，第二阶段终轧温度不低于885℃；控制第三阶段开轧温度不高于870℃，第三阶段终轧温度为830±15℃；

所述步骤5)中，开始冷却温度控制在770～810℃，控制冷却速度在2.5～9.5℃/秒，控制返红温度≤600℃。

进一步地，所述步骤4)中，所述步骤4)中，采用三阶段轧制，控制第一阶段开轧温度在1000～1080℃之间，控制第二阶段开轧温度≤975℃，第二阶段终轧温度≥890℃；控制第三阶段开轧温度≤850℃，第三阶段终轧温度为830±10℃。

再进一步地，所述步骤5)中，开始冷却温度控制在800～810℃，控制冷却速度在2.5～9.5℃/秒，控制返红温度≤580℃。

更进一步地，所述步骤3)中，控制铸坯加热温度在1200～1300℃之间。

更进一步地，所述步骤2)中，控制钢水中C：0.031～0.105％，P≤0.009％。

更进一步地，所述步骤1)中，控制铁水中S≤0.001％。

1、本发明的钢材中各元素及含量的选用原理：

碳(C)：是提高钢材强度最有效的元素，碳含量的增加钢的抗拉强度和屈服强度随之提高，但延伸率和冲击韧性下降，耐腐蚀能力也会下降，而且钢材的焊接热影响区还会出现淬硬现象，导致焊接冷裂纹的产生。为保证钢板获得良好的综合性能，因此，本发明的C含量优选为0.031～0.105％。

硅(Si)：能改善钢的耐腐蚀性能，常被添加到不锈钢、低合金钢、耐蚀合金中，以提高这些合金的耐蚀性，使它们具有耐氯化物应力腐蚀破裂、耐点蚀、耐热浓硝酸腐蚀、抗氧化、耐海水腐蚀等性能。Si还能提高低合金钢在海水中飞溅带的耐蚀性，本发明的Si含量优选为0.18～0.65％。

锰(Mn)：是重要的强韧化元素，随着Mn含量的增加，钢的强度明显增加，而冲击转变温度几乎不发生变化，含1％的Mn大约可提高抗拉强度100MPa，同时，Mn稍有提高钢的耐腐蚀性能，本发明的Mn含量优选为0.52～2.05％。

磷(P)、硫(S)是钢中的杂质元素，P具有一定的提高耐腐蚀性作用，但P是一种易于偏析的元素，在钢的局部产生严重偏析，降低塑性及韧性，对低温韧性极为有害，S元素在钢中易于偏析和富集，是对耐腐蚀性能用害的元素，因此控制P≤0.009％，S≤0.001％。

铝(Al)：是钢中的主要脱氧元素，另外，Al的熔点较高，在生产中，钢中Al可与N形成AlN，而AlN可阻碍高温奥氏体长大，起到细化晶粒的作用。此外，Al在水中能迅速形成一层薄且致密的、与其表面结合的氧化膜，而且如果氧化膜被破损，其在多数环境介质下可以自愈，从而使Al具有良好的耐蚀性，本发明优选Als含量为0.080～0.200％。

钛(Ti)、铌(Nb)是两种强烈的碳化物和氮化物形成元素，与氮、碳有极强的亲合力，可与之形成极其稳定的碳氮化物。弥散分布的Nb的碳氮化物第二相质点沿奥氏体晶界的分布，可大大提高原始奥氏体晶粒粗化温度，在轧制过程中的奥氏体再结晶温度区域内，Nb的碳氮化析出物可以作为奥氏体晶粒的形核核心，而在非再结晶温度范围内，弥散分布的Nb的碳氮化析出物可以有效钉扎奥氏体晶界，阻止奥氏体晶粒进一步长大，从而细化铁素体晶粒，达到提高强度和冲击韧性的目的；Ti的氮化物能有效地钉扎奥氏体晶界，有助于控制奥氏体晶粒的长大，大大改善焊接热影响区的低温韧性。因此，通过Nb、Ti微合金元素的细晶强化和沉淀强化作用，可以使钢板获得优良的强韧性。另一方面，Ti也是一种高钝化的元素，其只要暴露在空气或水溶液中，就会在表面形成一层牢固附着的致密氧化物保护膜，这使得Ti及Ti合金在淡水、以及富含Cl^-离子的海水中都具有良好的耐腐蚀性，本发明控制Nb：0.021～0.070％，并优选0.021～0.040％；控制Ti：0.045～0.125％，并优选0.045～0.085％。

镍(Ni)：在钢中能强化铁素体基体，抑制粗大的先共析铁素体，显著改善钢材的韧性，降低钢材的韧脆转变温度，提高钢的低温冲击韧性。同时，Ni是一种具有优良耐腐蚀性能的合金元素，其在海水及各种盐溶液中都具有良好的耐蚀性，其能有效抑制C1^－离子的侵入，促进保护性锈层生成，降低钢的腐蚀速率。由于Ni属于贵金属元素，本发明综合考虑钢的耐腐蚀、低温冲击韧性以及合金成本，本发明控制Ni：0.10～0.35％，并优选0.10～0.20％。

锡(Sn)：可以提高合金的耐腐蚀性和强度，但会降低合金的高温机械性能，因此严重影响合金的加工性能；本发明优选Sn：0.08～0.10％。

钨(W)：能耐高温，而且溶于钢中会与碳形成碳化物称为碳化钨，能提高钢的强度，还可以提高钢的猝火温度，对钢的猝透性也有一定的影响，本发明优选W：0.05～0.13％。

2、本发明的钢材具备高强度、高韧性和优良的耐海水腐蚀性能的原因：

(1)本发明的钢材控制C、Si、Mn等基础元素的含量，并在其基础上添加Nb、Ti强碳化物和氮化物形成元素，通过细晶强化和沉淀强化等微合金作用，再配合钢板三阶段轧制及冷却工艺，形成钢板合理的金相组织，保证钢板在获得高强度的同时具有一定的低温冲击韧性；

(2)本发明的钢材通过添加细化晶粒元素，如Nb、Ti、Ni，阻止奥氏体晶粒进一步长大，从而细化铁素体晶粒，降低钢材的韧脆转变温度，提高钢的低温冲击韧性，同时，配合轧制、冷却工艺，进一步获得细小的金相组织，进一步的提升了钢材的冲击韧性；

(3)本发明的钢材采用纯净钢冶炼技术，控制P≤0.009％，S≤0.001％，提升钢板纯净度，降低因夹杂物诱发的腐蚀源；同时添加Ni、W、Sn等耐腐蚀性元素并结合其合理的配比，此外，还提升了Al元素含量，发挥Al在耐腐蚀方面的作用；

(4)本发明的钢材采用三阶段轧制工艺，并配合专用的冷却工艺，使钢板获得以贝氏体为主的组织结构，降低钢板组织电位差，从结构方面进一步提升耐腐蚀性能。

有益效果：

1、本发明的钢材可以在-80℃左右的极寒低温环境下使用，钢板的屈服强度≥440Mpa，冲击韧性KV₂≥100J，海水腐蚀性能优于传统的耐海水腐蚀钢种10CrMoAl；

2、本发明的钢材用于制备的船体结构重量轻，降低了建造成本，还可在低温环境下使用，同时由于使用了耐腐蚀性能优良的钢材，可以减少或免除因涂装、维护引起的昂贵费用，减少钢材因腐蚀而对结构造成安全隐患的问题，延长船体使用寿命。

具体实施方式

为了更好地解释本发明，以下结合具体实施例进一步阐明本发明的主要内容，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施例。

通过控制各实施例的化学组分及质量百分比含量，得到的表1如下所示：

表1本发明各实施例及对比例的化学组分及质量百分比含量

将上述实施例1～实施例8的由各化学组分组成的钢材按照如下工艺步骤进行：1)常规铁水脱硫：控制铁水中S≤0.001％；

2)转炉冶炼和RH真空处理：控制钢水中C：0.031～0.105％，P≤0.009％；

3)铸坯连铸及加热：控制铸坯加热温度在1200～1300℃之间；

4)分段轧制：采用三阶段轧制，控制第一阶段开轧温度在1000～1190℃之间，控制第二阶段开轧温度不高于975℃，第二阶段终轧温度不低于885℃；控制第三阶段开轧温度不高于870℃，第三阶段终轧温度为830±15℃；

5)冷却：开始冷却温度控制在770～810℃，控制冷却速度在2.5～9.5℃/秒，控制返红温度≤600℃。

实施例1～实施例8及对比例的具体工艺参数如表2所示：

表2本发明各实施例及对比例的主要工艺参数

控制上述表1的化学组成和表2的工艺参数，得到的各实施例的钢板的综合性能检测结果如表3所示；

表3本发明各实施例及对比例的综合性能检测结果

钢种	屈服强度/MPa	-80℃纵向KV₂/J	腐蚀速率g/m²·h
				实施例1	501	131,147,131	0.4054
实施例2	486	143,138,145	0.3822
				实施例3	488	132,157,130	0.3501
实施例4	460	145,121,123	0.3815
				实施例5	449	135,128,145	0.4402
实施例6	497	157,147,145	0.3389
				实施例7	510	157,150,149	0.4718
实施例8	513	134,140,148	0.4021
				对比钢1	520	45，53，58	0.9092
对比钢2	415	40，35，42	0.9857
				10CrMoAl	—	—	0.7951

由表3可知，

1)本发明的实施例钢材产品的屈服强度满足≥440MPa要求，且优于对比钢2，其中对比钢2中添加了可提高产品强度的质量百分比含量为0.96％的Cr元素，而本发明各实施例未添加Cr元素；虽然各实施例制备的钢材产品的屈服强度与对比钢1略有差别，但由表1可知，对比钢1还添加了V、Cr、RE和Zr等合金元素，制造成本要远大于各实施例。

2)本发明的实施例在-80℃左右的冲击性能明显优于对比钢1和2，因此采用本发明组分制备得到的钢板在低温环境下具有优良的冲击韧性；

3)本发明实施例钢材的耐海水腐蚀性能优于对比钢，且优于传统的耐海水腐蚀钢种10CrMoAl。

综上，本发明的钢板可用于制备破冰船等在极寒环境下使用。

以上实施例仅为最佳举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。除上述实施例外，本发明还有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims

1.一种低温环境下440MPa级船舶用耐蚀钢，其特征在于：它包括如下质量百分比含量的组分：C：0.031～0.105％、Si：0.18～0.65％、Mn：0.52～2.05％、P≤0.009％、S≤0.001％、Als：0.080～0.200％、Nb：0.021～0.070％、Ti：0.045～0.125％、Ni：0.10～0.35％，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述低温环境下440MPa级船舶用耐蚀钢，其特征在于：还包括W或Sn中的一种或两种，W的质量百分比含量为0.05～0.13％，Sn的质量百分含量为0.08～0.10％。

3.根据权利要求1或2所述低温环境下440MPa级船舶用耐蚀钢，其特征在于：它包括如下质量百分比含量的组分：C：0.031～0.105％、Si：0.18～0.65％、Mn：0.52～0.80％、P≤0.009％、S≤0.001％、Als：0.080～0.200％、Nb：0.021～0.040％、Ti：0.045～0.085％、Ni：0.10～0.20％，余量为Fe及不可避免的杂质。

4.一种如权利要求1所述低温环境下440MPa级船舶用耐蚀钢的生产方法，包括如下步骤：

1)常规铁水脱硫；2)转炉冶炼和RH真空处理；3)铸坯连铸及加热；4)分段轧制；5)冷却；其特征在于：所述步骤4)中，采用三阶段轧制，控制第一阶段开轧温度在1000～1190℃之间，控制第二阶段开轧温度≤975℃，第二阶段终轧温度≥885℃；控制第三阶段开轧温度≤870℃，第三阶段终轧温度为830±15℃；

所述步骤5)中，控制开始冷却温度在770～810℃之间，控制冷却速度为2.5～9.5℃/s，控制返红温度≤600℃。

5.根据权利要求4所述的低温环境下440MPa级船舶用耐蚀钢的生产方法，其特征在于：所述步骤4)中，采用三阶段轧制，控制第一阶段开轧温度在1000～1080℃之间，控制第二阶段开轧温度≤975℃，第二阶段终轧温度≥890℃；控制第三阶段开轧温度≤850℃，第三阶段终轧温度为830±10℃。

6.根据权利要求5所述的低温环境下440MPa级船舶用耐蚀钢的生产方法，其特征在于：所述步骤5)中，控制开始冷却温度在800～810℃之间，控制冷却速度为在2.5～9.5℃/s，控制返红温度≤580℃。

7.根据权利要求4～6中任意一项所述的低温环境下440MPa级船舶用耐蚀钢的生产方法，其特征在于：所述步骤3)中，控制铸坯加热温度在1200～1300℃之间。

8.根据权利要求4～6中任意一项所述的低温环境下440MPa级船舶用耐蚀钢的生产方法，其特征在于：所述步骤2)中，控制钢水中C和P的质量百分比含量，C：0.031～0.105％，P≤0.009％。

9.根据权利要求4～6中任意一项所述的低温环境下440MPa级船舶用耐蚀钢的生产方法，其特征在于：所述步骤1)中，控制铁水中S的质量百分比含量，S≤0.001％。