CN110923544A - 一种低成本特厚耐磨型海洋平台齿条用钢板及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低成本特厚耐磨型海洋平台齿条用钢板，该钢板的各化学成分质量百分比如下，C：0.30%～0.40%、Si：0.15%～0.35%、Mn：0.5%～0.6%、P：≤0.012%、S：≤0.002%、Ni：0.5%~0.6%、Cr：0.8%~0.9%、Mo：0.50%~0.60%、TAl（全铝）：0.020%～0.045%，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明采用电炉冶炼、抽真空、模铸、晾温轧制、特厚淬火机两次不同温度调质处理等工艺方法制得，其力学性能具有强度、硬度高，耐磨性好，低温冲击韧性性能良好的特点，由于贵重合金元素含量低，具有低成本的特点。

Description

一种低成本特厚耐磨型海洋平台齿条用钢板及其生产方法
技术领域
本发明属于钢铁技术领域，具体涉及一种低成本特厚耐磨型海洋平台齿条用钢板及其生产方法。
背景技术
近年来，随着国内外对海洋资源开发力度的不断加强，海洋工程机械用钢发展迅猛，市场对海洋平台用钢板的需求也越来越大，尤其是各国纷纷向深海领域发展，用于制造深海自升式海洋平台最重要部件之一齿条，其大厚度、高强度、高韧性趋势显著，并且其使用环境特殊，对钢板的耐磨性能也提出了较高的要求。
传统的自升式平台桩腿用齿条钢采用低碳高镍的思路设计，其齿面硬度主要靠钢板原始调质性能，硬度较低，另外添加大量的贵重金属而导致成本较高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低成本特厚耐磨型海洋平台齿条用钢板，该钢板的厚度为180mm，且该钢板抗拉强度、硬度高、耐低温冲击韧性和耐磨性好等特点。
本发明的目的还在于提供一种低成本特厚耐磨型海洋平台齿条用钢板的生产方法。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种低成本特厚耐磨型海洋平台齿条用钢板，该钢板的各化学成分质量百分比如下：C：0.30%～0.40%、Si：0.15%～0.35%、Mn：0.5%～0.6%、P：≤0.012%、S：≤0.002%、Ni：0.5%~0.6%、Cr：0.8%~0.9%、Mo：0.50%~0.60%、TAl全铝：0.020%～0.045%，余量为Fe和不可避免的杂质。
优选的，所述钢板的厚度为180mm。
优选的，所述P、S的质量百分含量为P≤0.012%，S≤0.002%。
一种低成本特厚耐磨型海洋平台齿条用钢板的生产方法，包括如下步骤：
（1）冶炼工艺：将含有质量百分比为：C：0.30%～0.40%、Si：0.15%～0.35%、Mn：0.5%～0.6%、P：≤0.012%、S：≤0.002%、Ni：0.5%~0.6%、Cr：0.8%~0.9%、Mo：0.50%~0.60%、TAl全铝：0.020%～0.045%成分的钢水先经电炉冶炼，之后送入LF精炼炉精炼，钢水温度为1570±10℃时转入VD炉进行真空脱气处理；
（2）浇铸工艺：冶炼后的钢水进行浇铸，过热度控制在30-40℃，得到钢锭；
（3）加热工艺：将钢锭进行加热处理，1000℃以下时升温速度为100～120℃/h，加热至1260±10℃时保温，总加热时间28小时；
（4）轧制工艺：采用晾温型轧制工艺，Ⅰ阶段轧制温度为930～1100℃，单道次压下量为10%～25%，累计压下率为60%～70％，晾钢厚度240mm；Ⅱ阶段轧制温度为820～910℃，单道次压下量为10%～27%，累计压下率为30%～40％，终轧温度820±10℃，轧后直接进行在线热矫直；
（5）探伤预处理工艺：步骤（4）后所得粗制钢板上冷床待下钢，冷至400-500℃下钢堆垛，堆垛48h，进行扩氢消应处理；
（6）退火处理：进行退火处理，加热至900℃炉冷，至室温后按ASTM A578/A578M 标准C级进行探伤；
（7）热处理工艺：对步骤（6）后所得钢板在厚板淬火机进行调质处理，第一次淬火工艺为，500℃入炉，升温5h到900±5℃，保温时间1.8min/mm，出加热炉淬火，淬火在辊底式淬火机进行，高压段辊速0.15m/s，水压0.85MPa，低压段摇摆时间50分钟，总水量大于15000m 3/h；
第二次淬火工艺为，500℃入炉，当温度升至660℃时保温3小时，然后快速升温至860±5℃，保温时间2min/mm，然后出加热炉淬火，淬火在辊底式淬火机进行，高压段辊速0.15m/s，水压0.85MPa，低压段摇摆时间50分钟，水量大于15000m3/h；保温3小时后快速升温，升温速率＞200℃/h；
回火工艺为，300℃入炉，升温4h到650±5℃，保温时间3.5min/mm，出炉后空冷。
优选的，步骤（1）中在精炼时喂入Al线。
优选的，步骤（1）中真空脱气处理的真空度为0～66.6Pa，真空保持时间为≥25min。
优选的，步骤（2）中的浇铸温度为1536～1546℃。
优选的，步骤（4）中Ⅰ阶段轧制的开轧温度为1050～1100℃，终轧温度为930～960℃；Ⅱ阶段轧制的开轧温度为890～910℃，终轧温度为820±10℃，轧后直接在线热矫直。
优选的，步骤（5）中钢板冷床晾至400-500℃，堆垛缓冷48h，然后进行退火处理。
优选的，步骤（6）中钢板的调质在厚板淬火机中处理，采用循环阶梯温度淬火，回火出炉后冷却方式空冷。
优选的，步骤（7）中对钢板的调质工艺在外机炉加热处理，采用辊底式淬火机淬火，并采用两次不同温度的淬火工艺，在第二次淬火加热时采用特殊的加热曲线，即：温度升至660℃进行保温3小时，然后以＞200℃/h的升温速率快速升温至860℃保温6小时，回火出炉后冷却方式为空冷。
本发明低成本特厚耐磨型海洋平台齿条用钢板中各化学成分的作用是：
C对钢的屈服、抗拉强度、硬度产生显著影响，碳通过间隙固溶可显著提高钢板强度，硬度，但碳含量过高时会影响钢的焊接性能及韧性；
Si在炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂，同时Si能起到固溶强化作用，但含量超过0.5%时，会造成钢的韧性下降，降低钢的焊接性能；
Mn能增加钢的韧性、强度和硬度，提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能，但锰含量过高时会减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能；
P和S在一般情况下都是钢中的有害元素，会增加钢的脆性，P使钢的焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏，S降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时会造成裂纹，因此应尽量减少P和S在钢中的含量；
Cr 含量对钢板的强度、塑性和低温冲击韧性均有较大影响，这是由于Cr 既能固溶于铁素体和奥氏体中，又能与钢中的C 形成多种碳化物。Cr 固溶于奥氏体时，可提高钢的淬透性，当Cr 与C 形成复杂碳化物，并在钢中弥散析出时，可起到弥散强化作用，由于Cr 提高淬透性和固溶强化的作用，能提高钢在热处理状态下的强度和硬度，因而广泛应用于低合金结构钢中，但是Cr 在钢中起到强化作用的同时亦使塑性有所降低，并增加回火脆性，因此可根据对强塑性的要求，确定合适的Cr 含量；
Ni对钢板的强度和塑性均略有提高，但低温冲击韧性提高幅度较大，这是由于N i 在钢中只形成固溶体，而且固溶强化作用不明显，而主要是通过在塑性变形时增加晶格滑移面来提高材料塑性，Ni还可提高合金钢的淬透性，并能改善钢在低温下的韧性，使韧脆转变温度下降，由于Ni的价格较高，故其含量不宜过高，以0. 7% 以下为宜；
Mo对钢板强度、塑性和低温冲击韧性均有较大提高，这是由于Mo 固溶于铁素体和奥氏体时，可使钢的C 曲线右移，从而显著提高钢的淬透性，而且Mo 能显著提高钢的再结晶温度，提高回火稳定性，调质后可获得细晶粒的索氏体，使强韧性得到改善，当形成Mo 的碳化物时，可起到弥散强化作用，因此随Mo 含量增加，强韧性得到提高；
Al是钢中常用的脱氧剂，钢中加入少量的Al，可细化晶粒，提高冲击韧性，Al还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝含量过高则影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能；
本发明低成本特厚耐磨型海洋平台齿条用钢板的化学成分设计合理，C、Mn具有固溶强化作用。为进一步减少贵重合金成分降低成本，采用低Ni的设计思路，另外淬火采用循环阶梯温度淬火，尽可能改善力学性能，开辟了一条新的热处理工艺。
本发明钢板的生产方法为电炉冶炼、精炼、抽真空、模铸钢锭的工艺路线，确保了轧制时合理的压缩比，同时得到的钢锭内部致密，钢质纯净；钢锭采用晾钢轧制工艺，解决了轧机轧制压力不足而造成的晶粒粗大不均，生产的钢板有优良的综合性能，钢板延伸率有相当大的富裕量，海洋平台工程应用前景广阔；采用厚板淬火机生产，具有稳定均匀性强的特点，使钢板整体性能趋于一致，厚度方向上性能差异小，所得到的钢板组织均匀、细化。本发明制得的成品钢板的厚度达180mm，成品钢板的力学性能良好，具有良好的组织、综合性能和焊接性能。
本发明低成本特厚耐磨型海洋平台齿条用钢板强度、硬度高、耐磨性好、耐低温冲击韧性良好。钢板的钢质更纯净，P≤0.012%，S≤0.002%；低温冲击良好，厚度1/4位置及1/2位置-30℃的冲击功均在100J以上；抗拉强度950MPa以上，布氏硬度大于300HB。
本发明的低成本耐磨型齿条钢设计采用的中碳低镍型设计，节约了大量的贵重金属，生产成本大幅度降低，同时提高了桩腿耐磨性及其使用寿命。为我国的海洋平台桩腿用齿条钢的升级换代具有重要意义。
具体实施方式
实施例1
本实施例的大厚度海洋平台用钢板，该钢板的化学成分按质量百分比为： C：0.30%、Si：0.20%、Mn：0.6%、P：0.010%、S：0.002%、Ni：0.51%、Cr：0.85%、Mo：0.57%、TAl：0.037%，余量为Fe和不可避免的杂质。钢板的厚度为180mm。
该实施例钢板的生产方法，包括如下步骤：
（1）冶炼工艺：将含有质量百分比为C：0.30%、Si：0.20%、Mn：0.6%、P：0.010%、S：0.002%、Ni：0.51%、Cr：0.85%、Mo：0.57%、TAl：0.037%成分的钢水先经电炉冶炼，之后送入LF精炼炉精炼，在精炼时喂入Al线，钢水温度为1575℃时转入VD炉进行真空脱气处理，真空脱气处理的真空度为30Pa，真空保持时间为25分钟；
（2）浇铸工艺：将冶炼后的钢水浇铸，浇铸温度为1540℃，得到钢锭；
（3）加热工艺：以步骤（2）得到的钢锭进行加热处理，1000℃以下时升温速度为100℃/h，加热至1260℃时保温，总加热时间28小时；
（4）轧制工艺：采用晾钢轧制工艺，Ⅰ阶段轧制温度为1100℃，单道次压下量为10%～25%，累计压下率为70％，晾钢厚度240mm；Ⅱ阶段轧制温度为910℃，单道次压下量为10%～27%，累计压下率为30％，终轧温度820℃，轧后进行热矫直；
（5）轧后钢板进行热堆垛，堆垛时间48小时，之后进行退火处理。
（6）热处理工艺：对步骤（5）后所得钢板在厚板淬火机进行调质处理，第一次淬火工艺为，500℃入炉，升温5h到工艺温度905℃，保温时间1.8min/mm，出加热炉淬火，淬火在辊底式淬火机进行，高压段辊速0.15m/s，水压0.85MPa，低压段摇摆时间50分钟，总水量大于15010m3/h；第二次淬火工艺为：500℃入炉，当温度升至660℃时保温3小时，然后快速升温（＞200℃/h）至工艺温度865℃，保温时间2min/mm，然后出加热炉淬火，淬火在辊底式淬火机进行，高压段辊速0.15m/s，水压0.85MPa，低压段摇摆时间50分钟，水量大于15100m3/h。
回火工艺为，300℃入炉，升温4h到工艺温度655℃，保温时间3.5min/mm，出炉后空冷；
本实施例的钢板的力学性能：屈服强度855MPa，抗拉强度965MPa，厚度1/2位置-30℃冲击105 J， 1/4位置-30℃冲击132 J，表面硬度312HB，该钢板的耐低温冲击韧性和强度、硬度性能良好。
实施例2
本实施例的大厚度海洋平台用钢板，该钢板的化学成分按质量百分比为： C：0.39%、Si：0.33%、Mn：0.51%、P：0.009%、S：0.001%、Ni：0.6%、Cr：0.80%、Mo：0.51%、TAl：0.028%，余量为Fe和不可避免的杂质。钢板的厚度为180mm。
该实施例钢板的生产方法，包括如下步骤：
（1）冶炼工艺：将含有质量百分比为C：0.39%、Si：0.33%、Mn：0.51%、P：0.009%、S：0.001%、Ni：0.6%、Cr：0.80%、Mo：0.51%、TAl：0.028%，成分的钢水先经电炉冶炼，之后送入LF精炼炉精炼，在精炼时喂入Al线，钢水温度为1565℃时转入VD炉进行真空脱气处理，真空脱气处理的真空度为23Pa，真空保持时间为25分钟；
（2）浇铸工艺：将冶炼后的钢水浇铸，浇铸温度为1538℃，得到钢锭；
（3）加热工艺：以步骤（2）得到的钢锭进行加热处理，1000℃以下时升温速度为105℃/h，加热至1260℃时保温，总加热时间28小时；
（4）轧制工艺：采用晾钢轧制工艺，Ⅰ阶段轧制温度为1100℃，单道次压下量为10%～25%，累计压下率为70％，晾钢厚度240mm；Ⅱ阶段轧制温度为910℃，单道次压下量为10%～27%，累计压下率为30％，终轧温度820℃，轧后进行热矫直；
（5）轧后钢板进行热堆垛，堆垛时间48小时，之后进行退火处理。
（6）热处理工艺：对步骤（5）后所得钢板在厚板淬火机进行调质处理，第一次淬火工艺为，500℃入炉，升温5h到工艺温度900℃，保温时间1.8min/mm，出加热炉淬火，淬火在辊底式淬火机进行，高压段辊速0.15m/s，水压0.85MPa，低压段摇摆时间50分钟，总水量大于15050m3/h；第二次淬火工艺为：500℃入炉，当温度升至660℃时保温3小时，然后快速升温（＞200℃/h）至工艺温度855℃，保温时间2min/mm，然后出加热炉淬火，淬火在辊底式淬火机进行，高压段辊速0.15m/s，水压0.85MPa，低压段摇摆时间50分钟，水量大于15306m3/h。
回火工艺为，300℃入炉，升温4h到工艺温度650℃，保温时间3.5min/mm，出炉后空冷；
本实施例的钢板的力学性能：屈服强度886MPa，抗拉强度1000MPa，厚度1/2位置-30℃冲击102 J， 1/4位置-30℃冲击121 J，表面硬度327HB，该钢板的耐低温冲击韧性和强度、硬度性能良好。
实施例3
本实施例的大厚度海洋平台用钢板，该钢板的化学成分按质量百分比为： C：0.35%、Si：0.26%、Mn：0.55%、P：0.011%、S：0.002%、Ni：0.55%、Cr：0.80%、Mo：0.55%、TAl：0.030%，余量为Fe和不可避免的杂质。钢板的厚度为180mm。
该实施例钢板的生产方法，包括如下步骤：
（1）冶炼工艺：将含有质量百分比为C：0.35%、Si：0.26%、Mn：0.55%、P：0.011%、S：0.002%、Ni：0.55%、Cr：0.80%、Mo：0.55%、TAl：0.030%成分的钢水先经电炉冶炼，之后送入LF精炼炉精炼，在精炼时喂入Al线，钢水温度为1570℃时转入VD炉进行真空脱气处理，真空脱气处理的真空度为41Pa，真空保持时间为25分钟；
（2）浇铸工艺：将冶炼后的钢水浇铸，浇铸温度为1543℃，得到钢锭；
（3）加热工艺：以步骤（2）得到的钢锭进行加热处理，1000℃以下时升温速度为112℃/h，加热至1260℃时保温，总加热时间28小时；
（4）轧制工艺：采用晾钢轧制工艺，Ⅰ阶段轧制温度为1100℃，单道次压下量为10%～25%，累计压下率为70％，晾钢厚度240mm；Ⅱ阶段轧制温度为910℃，单道次压下量为10%～27%，累计压下率为30％，终轧温度820℃，轧后进行热矫直；
（5）钢板在冷床冷至400-500℃下钢，堆垛48小时，然后进行退火处理。
（6）热处理工艺：对步骤（5）后所得钢板在井式炉进行调质处理，淬火工艺，第一次淬火工艺为，500℃入炉，升温5h到工艺温度895℃，保温时间1.8min/mm，出加热炉淬火，淬火在辊底式淬火机进行，高压段辊速0.15m/s，水压0.85MPa，低压段摇摆时间50分钟，总水量大于15060m3/h；第二次淬火工艺为：500℃入炉，当温度升至660℃时保温3小时，然后快速升温（＞200℃/h）至工艺温度860℃，保温时间2min/mm，然后出加热炉淬火，淬火在辊底式淬火机进行，高压段辊速0.15m/s，水压0.85MPa，低压段摇摆时间50分钟，水量大于15108m3/h；
本实施例的钢板的力学性能：屈服强度875MPa，抗拉强度981MPa，厚度1/2位置-30℃冲击116 J， 1/4位置-30℃冲击122 J，布氏硬度318HB，该钢板的强度、硬度等性能良好。

Claims (10)

1.一种低成本特厚耐磨型海洋平台齿条用钢板，其特征在于，该钢板的各化学成分质量百分比如下：C：0.30%～0.40%、Si：0.15%～0.35%、Mn：0.5%～0.6%、P：≤0.012%、S：≤0.002%、Ni：0.5%~0.6%、Cr：0.8%~0.9%、Mo：0.50%~0.60%、TAl全铝：0.020%～0.045%，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的低成本特厚耐磨型海洋平台齿条用钢板，其特征在于，所述钢板的厚度为180mm。
3.根据权利要求1所述的低成本特厚耐磨型海洋平台齿条用钢板，其特征在于：所述P、S的质量百分含量为P≤0.012%，S≤0.002%。
4.一种权利要求1-3任一项所述的低成本特厚耐磨型海洋平台齿条用钢板的生产方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）冶炼工艺：将含有质量百分比为：C：0.30%～0.40%、Si：0.15%～0.35%、Mn：0.5%～0.6%、P：≤0.012%、S：≤0.002%、Ni：0.5%~0.6%、Cr：0.8%~0.9%、Mo：0.50%~0.60%、TAl全铝：0.020%～0.045%成分的钢水先经电炉冶炼，之后送入LF精炼炉精炼，钢水温度为1570±10℃时转入VD炉进行真空脱气处理；
（2）浇铸工艺：冶炼后的钢水进行浇铸，过热度控制在30-40℃，得到钢锭；
（3）加热工艺：将钢锭进行加热处理，1000℃以下时升温速度为100～120℃/h，加热至1260±10℃时保温，总加热时间28小时；
（4）轧制工艺：采用晾温型轧制工艺，Ⅰ阶段轧制温度为930～1100℃，单道次压下量为10%～25%，累计压下率为60%～70％，晾钢厚度240mm；Ⅱ阶段轧制温度为820～910℃，单道次压下量为10%～27%，累计压下率为30%～40％，终轧温度820±10℃，轧后直接进行在线热矫直；
（5）探伤预处理工艺：步骤（4）后所得粗制钢板上冷床待下钢，冷至400-500℃下钢堆垛，堆垛48h，进行扩氢消应处理；
（6）退火处理：进行退火处理，加热至900℃炉冷，至室温后按ASTM A578/A578M 标准C级进行探伤；
（7）热处理工艺：对步骤（6）后所得钢板在厚板淬火机进行调质处理，第一次淬火工艺为，500℃入炉，升温5h到900±5℃，保温时间1.8min/mm，出加热炉淬火，淬火在辊底式淬火机进行，高压段辊速0.15m/s，水压0.85MPa，低压段摇摆时间50分钟，总水量大于15000m 3/h；
第二次淬火工艺为，500℃入炉，当温度升至660℃时保温3小时，然后快速升温至860±5℃，保温时间2min/mm，然后出加热炉淬火，淬火在辊底式淬火机进行，高压段辊速0.15m/s，水压0.85MPa，低压段摇摆时间50分钟，水量大于15000m3/h；保温3小时后快速升温，升温速率＞200℃/h；
回火工艺为，300℃入炉，升温4h到650±5℃，保温时间3.5min/mm，出炉后空冷。
5.根据权利要求4所述的低成本特厚耐磨型海洋平台齿条用钢板的生产方法，其特征在于，步骤（1）中在精炼时喂入Al线。
6.根据权利要求4所述的低成本特厚耐磨型海洋平台齿条用钢板的生产方法，其特征在于，步骤（1）中真空脱气处理的真空度为0～66.6Pa，真空保持时间为≥25 min。
7.根据权利要求4所述的低成本特厚耐磨型海洋平台齿条用钢板的生产方法，其特征在于，步骤（2）中的浇铸温度为1536～1546℃。
8.根据权利要求4所述的低成本特厚耐磨型海洋平台齿条用钢板的生产方法，其特征在于，步骤（4）中Ⅰ阶段轧制的开轧温度为1050～1100℃，终轧温度为930～960℃；Ⅱ阶段轧制的开轧温度为890～910℃，终轧温度为820±10℃，轧后直接在线热矫直。
9.根据权利要求4所述的低成本特厚耐磨型海洋平台齿条用钢板的生产方法，其特征在于，步骤（5）中对钢板进行了48 h堆垛缓冷处理，步骤（6）对钢板进行退火处理。
10.根据权利要求4所述的低成本特厚耐磨型海洋平台齿条用钢板的生产方法，其特征在于，步骤（7）中对钢板的调质工艺在外机炉加热处理，采用辊底式淬火机淬火，并采用两次不同温度的淬火工艺，在第二次淬火加热时采用特殊的加热曲线，即：温度升至660℃进行保温3小时，然后以＞200℃/h的升温速率快速升温至860℃保温6小时，回火出炉后冷却方式为空冷。
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