CN108588569B

CN108588569B - 一种屈服强度≥450MPa的海洋工程用钢及其制备方法

Info

Publication number: CN108588569B
Application number: CN201810909197.9A
Authority: CN
Inventors: 陈颜堂; 王孝东; 张开广; 范巍; 黄大军; 黄道昌; 张欢
Original assignee: Wuhan Iron and Steel Group Echeng Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baowu Group Echeng Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2018-08-10
Filing date: 2018-08-10
Publication date: 2020-05-19
Anticipated expiration: 2038-08-10
Also published as: CN108588569A

Abstract

本发明公开了一种屈服强度≥450MPa的海洋工程用钢及其制备方法，其化学组分和质量百分比含量为：C 0.052‑0.11%，Si 0.14‑0.23%，Mn 1.1‑1.9%，P≤0.015%，S≤0.004%，Cr 0.51‑0.73%，其余为Fe和不可避免的杂质，制备时，首先在铁水罐中调节各化学组分的质量百分比，再进行铁水脱硫、转炉脱磷与合金化、精炼脱硫、炉外吹Ar精炼以及铸坯、再分粗轧和精轧两个阶段进行轧制，最后浇水快速冷却即可；本发明的海洋工程用钢化学成分和生产工艺简单，生产成本低，综合力学性能优良，在海洋环境下稳定性好，具有良好的应用和推广前景。

Description

一种屈服强度≥450MPa的海洋工程用钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金结构钢制造技术领域，具体是一种屈服强度≥450MPa的海洋工程用钢及其制备方法。

背景技术

海洋工程钢结构的稳定性常用“刚度”来评定，刚度=强度×厚度，刚度越高，钢结构的稳定性越好，能够抗击海洋环境飓风、海浪等外力作用。钢材厚度的增加导致加工难度加大，尤其在焊接过程中，需要预热，致使工作环境恶劣，而且，焊接接头容易出现裂纹等缺陷，质量和性能难于保证，存在安全隐患。目前海洋工程用钢多采用屈服强度为345MPa级别的钢种建造，为了保证钢结构的稳定性，不得不将钢材的厚度提高到80mm以上，厚度增加导致钢材在冷弯等加工过程中对制造工艺装备提出了更高的要求，由于厚度大，钢板对应两边变形量差异较大，受拉应力的外边容易产生裂纹，废品率高。若采用高强度级别如屈服强度≥450MPa的钢种建造海洋工程钢结构，钢板厚度可降低30%，对钢板的加工变得更加容易，加工后的钢材质量及性能得到保障，尤其在焊接加工过程中，由于钢板较薄，不用预热，焊工的工作环境得到改善，焊接接头的质量和性能优良，建造的海洋工程钢结构安全性得到保障。

中国发明专利申请，申请号为CN201110341100.7公开了一种80mm厚低压缩比海洋工程用钢板及其制造方法，该钢板的化学成分按重量百分比计为：C 0.12～0.16%，Si 0.20～0.40%，Mn 1.20～1.60%，P≤0.010%，S≤0.003%，Nb 0.025～0.050%，V 0.030～0.050%，Ti 0.010～0.020%，Cr≤0.20%，Ni 0.10～0.40%，Cu≤0.20%，Mo≤0.08%，Al 0.0250～0.050%，O≤20ppm，N≤40ppm，H≤3ppm，余量为Fe及不可避免的杂质。采用控轧控冷工艺，轧前加热温度1180℃～1250℃，粗轧温度1000～1100℃，精轧开轧温度850～880℃；轧后层流冷却，终冷温度640～680℃，冷却速率5～15℃/s；进行正火处理，正火温度为890～910℃，升温速率为1.4min/mm，保温时间为50～90min，得到的钢具有高强度、良好的Z向抗层状撕裂性能和高塑性等特点。该技术不足之处在于化学成分复杂，操作难度大，添加了昂贵合金元素V、Ni、Mo等，生产成本高，且经890～910℃正火热处理后，屈服强度不能够达到450MPa。

中国发明专利，专利号为CN201110359475.6公开了一种超高强度海洋工程结构用钢板及其生产方法，成分为：C 0.05-0.13%，Si 0.1-0.4%，Mn 0.7-1.7%，Al 0.01-0.04%，Nb0.02-0.05%，V 0-0.05%，Ti 0.008-0.02%，Cr 0-0.6%，Mo 0.2-0.4%，Ni 0.15-0.8%，Cu 0-0.5%，B 0-0.0011%，P＜0.01%，S＜0.005%，O＜0.0010%，N＜0.005%，H＜0.00015%，Nb+V+Ti≤0.12%，其余为Fe和不可避免杂质。针对不同厚度规格采用不同的化学成分、轧制及热处理工艺参数，生产工艺包括铁水脱硫、转炉顶底复吹、真空处理、连铸、控轧控冷、淬火、回火。优点在于，生产成本较低，综合力学性能满足海洋工程用钢对各项力学性能的要求。但存在含有昂贵合金元素，原材料成本高，生产工序复杂，流程长，能源消耗高，环境不友好。

中国发明专利申请，申请号为CN201110355557.3公开了一种大厚度海洋工程用钢板及其生产方法，大厚度海洋工程用钢板由以下重量百分含量的组分组成：C：0.07～0.09%，Si：0.15～0.40%，Mn：1.40～1.50%，P≤0.012%，S≤0.005%，Ni：0.60～0.70%，Nb：0.030～0.040%，Al：0.020～0.045%，Mo：0.13～0.17%，V：0.04～0.05%，Ti：0.012～0.020%，余量为Fe和不可避免的杂质。该发明的大厚度海洋工程用钢板具有以下优点：钢质纯净，低温冲击韧性好，厚度(Z向)拉伸断面收缩率高，钢板厚度大，强度高，低温时效冲击韧性好，生产成本低。但由于含有较多昂贵合金元素Mo、V、Ni、Nb，导致存在生产成本高，冶炼过程合金元素成分含量不易控制，操作难度大等问题。

鉴于目前海洋工程用钢存在的上述不足，研发一种屈服强度≥450MPa的海洋工程用钢及其制备方法具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的就是要解决目前海洋工程用钢原材料的成本高，采用淬火+回火工艺生产，工序复杂，得到的钢材表面质量差，成材率低等问题，提供一种屈服强度≥450MPa的海洋工程用钢及其制备方法，本发明的海洋工程用钢化学成分和生产工艺简单，生产成本低，综合力学性能优良，具有良好的应用和推广前景。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种屈服强度≥450MPa的海洋工程用钢，其化学组分和质量百分比含量为：C 0.052-0.11%，Si 0.14-0.23%，Mn 1.1-1.9%，P≤0.015%，S≤0.004%，Cr 0.51-0.73%，其余为Fe和不可避免的杂质。

优选地，本发明中所述化学组分和质量百分比含量为：C 0.056-0.087%，Si 0.14-0.23%，Mn 1.61-1.87%，P≤0.015%，S≤0.004%，Cr 0.58-0.69%，其余为Fe和不可避免的杂质。

进一步地，本发明中所述化学组分和质量百分比含量为：C 0.11%，Si 0.20%，Mn1.10%，P 0.01%，S 0.0009%，Cr 0.51%，其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明的一种屈服强度≥450MPa的海洋工程用钢的制备方法，包括以下步骤：

（1）在铁水罐中兑入质量分数P≤0.150%、S≤0.050%，且温度T≥1280℃的铁水，然后将铁水用脱硫剂1进行深脱硫预处理，再进入顶底复吹转炉冶炼，加入脱磷剂将铁水中的磷含量降低至P≤0.015%，再进入精炼炉加入脱硫剂2将铁水中的硫含量S≤0.004%，添加合金料SiFe、MnFe、CrFe调整至铁水中Si的含量为0.14-0.23%、Mn的含量为1.61-1.87%，Cr的含量为0.58-0.69%，除渣次数≥2次；

（2）再对转炉冶炼的铁水进行吹Ar精炼，使钢中夹杂的物质充分上浮，钢包铁水镇静5-8min后连铸成铸坯；

（3）对铸坯分两个阶段轧制成钢板，第一阶段粗轧开轧温度≥1061℃，第二阶段精轧开轧温度为921-982℃，终轧温度≤887℃；

（4）将精轧后的钢板浇水快速冷却至380-443℃即可。

优选地，本发明中所述脱磷剂的主要成分为石灰。

优选地，本发明中所述脱硫剂1的主要成分为石灰和碳化钙。

优选地，本发明中所述脱硫剂2的主要成分为石灰或萤石。

优选地，本发明中所述钢板的厚度为6-81mm。

本发明中各组分的作用及控制的理由是：

C：C是低合金高强钢中最为有效的间隙固溶强化元素之一，价格低廉，添加操作简单方便，含量若过低，强度难于保证，含量若过高，韧性难于保证。

Si：硅是钢中的有益元素，溶于铁素体后有很强的固溶强化作用，能显著提高钢的强度和硬度，但含量较高时，将使钢的塑性和韧性降低。

Mn：钢中添加适量Mn含量，一方面可以与Fe形成置换固溶强化，另一方面可以可稳定高温奥氏体，降低临界相变温度，使得奥氏体变形在较低温度下完成，获得良好的综合力学性能。

Cr：添加适量的铬与铁基金属晶体形成置换固溶强化，可显著提高钢铁材料的强度，另一方面，可以屏蔽Fe原子，增强钢的耐腐蚀性能。

P、S：钢中P、S属杂质元素，降低钢的物理性能及力学性能，故钢中P、S含量越低越好，但若控制含量过低，导致生产工艺成本增加。

本发明与现有技术相比，具有以下几个优点：

（1）工艺上将轧制过程分两阶段完成，第一阶段属再结晶轧制，即在高温下将铸态粗大非均匀晶粒在≥1061℃温度轧制成均匀的等轴晶粒；第二阶段属非再结晶细化晶粒轧制。精轧后浇水快速冷却至380～443℃目的在于通过精轧后避免发生铁素体晶粒异常长大，获得良好的综合力学性能。

（2）通过固溶强化及制造过程的细化晶粒强化获得屈服强度≥450MPa的海洋工程用钢，用于建造海洋钻井平台等海洋工程钢结构，由于强度高，在同样钢材厚度时，钢结构刚度提高，在海洋环境下稳定性好，可抵抗海浪、飓风等外力的冲击，安全运行。

（3）本发明的化学成分和生产工艺简单，生产成本低，综合力学性能优良，钢板屈服强度≥450MPa，钢板厚度可低至6mm，对钢板的加工变得更加容易，加工后的钢材质量及性能得到保障，尤其在焊接加工过程中，由于钢板较薄，不用预热，焊工的工作环境得到改善，焊接接头的质量和性能优良，建造的海洋工程钢结构安全性得到保障。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，便于更清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

按照本发明化学元素成分、质量百分比及生产方法要求，制备了五个实施例，分别为实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5。为验证各化学组分和质量百分比含量以及轧制过程中的粗轧开轧温度、精轧终轧温度、精轧后的冷却温度对海洋工程用钢性能参数的影响，制备了三个对比实施例，即对比实施例1、对比实施例2和对比实施例3，即冶炼并轧制了8批钢板。其中，对比实施例1的化学组分和质量百分比含量在本发明的范围内，而制备过程的工艺参数不在本发明的范围内，对比实施例2的化学组分和质量百分比含量不在本发明的范围内，而制备过程的工艺参数在本发明的范围内，对比实施例3的化学组分和质量百分比含量及制备过程的工艺参数均不在本发明的范围内。按照本发明方法的五个实施例及两个对比实施例的化学元素成分质量百分比参见表1，其中余量为Fe和不可避免的杂质。生产过程控制参数与钢板质量情况参见表2。

表1 本发明实施例及对比实施例的化学成分对比（wt%）

表2 本发明实施例及对比实施例生产过程控制对钢板性能情况表

从表1和表2可看出，本发明实施例1-5的化学成分及质量百分比、及生产工艺过程控制的轧制温度所生产的钢板屈服强度均高于450MPa，而对比实施例1、对比实施例2和对比实施例3的钢成分范围或/和生产工艺不在本发明范围内所生产的对比钢板屈服强度低于401MPa。其中，本发明实施例5所制备的钢板的屈服强度为502MPa，综合力学性能优良，在海洋环境下稳定性好，可抵抗海浪、飓风等外力的冲击，安全运行，为最佳实施例。

Claims

1.一种屈服强度≥450MPa的海洋工程用钢，其特征在于，其化学组分和质量百分比含量为：C 0.052-0.11%，Si 0.14-0.23%，Mn 1.1-1.9%，P≤0.015%，S≤0.004%，Cr 0.51-0.73%，其余为Fe和不可避免的杂质；

制备时，包括以下步骤：

（4）将精轧后的钢板浇水快速冷却至380-443℃即可。

2.根据权利要求1所述的一种屈服强度≥450MPa的海洋工程用钢，其特征在于，其化学组分和质量百分比含量为：C 0.056-0.087%，Si 0.14-0.23%，Mn 1.61-1.87%，P≤0.015%，S≤0.004%，Cr 0.58-0.69%，其余为Fe和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的一种屈服强度≥450MPa的海洋工程用钢，其特征在于，其化学组分和质量百分比含量为：C 0.11%，Si 0.20%，Mn 1.10%，P 0.01%，S 0.0009%，Cr 0.51%，其余为Fe和不可避免的杂质。

4.根据权利要求1所述的一种屈服强度≥450MPa的海洋工程用钢，其特征在于：所述脱磷剂的主要成分为石灰。

5.根据权利要求1所述的一种屈服强度≥450MPa的海洋工程用钢，其特征在于：所述脱硫剂1的主要成分为石灰和碳化钙。

6.根据权利要求1所述的一种屈服强度≥450MPa的海洋工程用钢，其特征在于：所述脱硫剂2的主要成分为石灰或萤石。

7.根据权利要求1所述的一种屈服强度≥450MPa的海洋工程用钢，其特征在于：所述钢板的厚度为6-81mm。