CN111155022B - 一种具有低温韧性的390MPa级极地船体结构钢及其制备方法 - Google Patents

一种具有低温韧性的390MPa级极地船体结构钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种具有低温韧性的390MPa级极地船体结构钢及其制备方法，属于微合金钢技术领域，用于解决现有钢种不能满足极地环境温度使用条件，且生产成本高的问题。本申请包括以下步骤：步骤1、铁水预处理；步骤2、添加优质废钢，采用转炉进行冶炼，钢包中采用Al进行深脱氧，脱氧后加入铌铁；步骤3、合金化处理；步骤4、连铸过程采取全程保护浇注，保证钢水的过热度10‑30℃，拉坯速度控制为0.6～1.5m/min，调整第二次冷却水强度使钢水温度处于920℃～970℃之间；步骤5、控制轧制和控制冷却，制备得到极地船体结构钢。本申请制备的船体结构钢的屈服强度≥390MPa，四分之一位置‑100℃冲击功≥200J，冲击断口纤维率≥80％，此能够用于在极地区域服役的船舶建造。

Description

一种具有低温韧性的390MPa级极地船体结构钢及其制备方法
技术领域
本发明涉及微合金钢技术领域，尤其涉及一种低温韧性的390MPa级极地船体结构钢及其制备方法。
背景技术
极地油气资源非常丰富，北极航道对于我国参与全球经济活动极为重要。然而，北极资源勘探、开发和航行活动却面临着地质和气候条件极端恶劣、港口设施和救援能力不足带来的高风险挑战。
北极冬季漫长而寒冷，大部分地区冬季最低气温可降至-70℃，且大部分海域覆盖着冰层。北极严酷环境对极地船舶、石油钻井平台等装备提出了苛刻的技术安全要求，因此开发相关材料对保证我国极地油气资源的开采和运输具有重要意义。
现有的EH40钢板不能满足极地环境温度使用条件，且生产成本较高。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种具有低温韧性的390MPa级极地船体结构钢及其制备方法，用以解决现有钢种不能满足极地环境温度使用条件，且生产成本较高的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种具有低温韧性的390MPa级极地船体结构钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、铁水经过KR搅拌脱硫后保证S含量≤0.005％，脱硫时间≤25min；
步骤2、添加优质废钢，采用转炉进行冶炼，钢包中采用Al进行深脱氧，脱氧后加入铌铁；
步骤3、在LF精炼阶段，先造白渣，进行脱硫和目标成分调整，后依次喂入钛线和钙线，在合金化完成后，钢包吊装到连铸台；
步骤4、连铸过程采取全程保护浇注，保证钢水的过热度10-30℃，拉坯速度控制为0.6～1.5m/min，调整二冷水强度使钢水温度处于920℃～970℃之间，获得连铸坯；
步骤5、将连铸坯进行加热，对连铸坯进行控制轧制和控制冷却，得到极地船体结构钢。
进一步地，在步骤4中，控制连铸坯与极地船体结构钢的厚度比大于8，在步骤5中，将连铸坯加热到1150℃。
进一步地，在步骤5中，控制轧制分为第一阶段轧制和第二阶段轧制，第一阶阶段轧制的终轧温度≥950℃，采用3～5道次，1-2道次变形量不低于20％；第一阶段轧制的累积变形量≥50％。
进一步地，在步骤5中，第二阶段轧制的轧制温度≤850℃，采用3～5道次，终轧温度低于800℃，终轧变形量≥25％；轧后进行水冷，冷却速度10-15℃/s。
进一步地，在步骤2中，脱氧后加入铌铁以保证钢中的铌含量为0.015～0.030％。
进一步地，在步骤5中，极地船体结构钢的组织类型包括铁素体、珠光体和少量的贝氏体，铁素体的含量大于等于80％，晶粒尺寸小于7μm。
进一步地，在步骤5中，极地船体结构钢的厚度小于40mm。
另一方面，本申请还提供了一种具有低温韧性的390MPa级极地船体结构钢，钢板化学成分以及质量百分数(％)为C 0.08～0.12％、Si 0.10～0.20％、Mn 1.0-2.0％、S≤0.005％、P≤0.005％、Als 0.02～0.03％、Ti 0.01～0.02％、N≤0.0040％、Nb 0.015～0.030％，其余为Fe。
优选地，钢的化学成分及质量百分含量为C 0.08％、Si 0.1％、Mn 1.5％、S0.004％、P 0.005％、Als 0.02％、Ti:0.015％、N 0.0030％、Nb:0.015％，其余为Fe。
优选地，钢的化学成分为C 0.10％、Si 0.2％、Mn 1.8％、S 0.005％、P 0.004％、Als 0.03％、Ti:0.02％、N 0.0034％、Nb:0.030％，其余为Fe。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
(1)本发明的钢板通过上述工艺生产的钢板的组织特征为细小的铁素体、珠光体和少量的贝氏体，铁素体的含量不小于80％，晶粒尺寸小于7μm，屈服强度≥390MPa，四分之一位置-100℃冲击功≥200J，冲击断口纤维率≥80％，本申请制备钢板的生产工艺简单，生产的极地船体结构钢能够用于在极地区域服役的船舶建造。
(2)本发明钢板的生产工艺简单，有利于实际生产过程中的组织和实施。
(3)本发明通过控制轧制和控制冷却工艺提高钢板的低温韧性，较调质钢和Ni系低温钢成本大幅度降低。
(4)本申请制备的极地船体结构钢与采用超快冷工艺生产的钢板相比，经焊接后焊接接头不发生软化。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书实施例以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例1提供的轧制钢板四分之一位置金相组织；
图2为本发明实施例1提供的轧制钢板表层位置系列冲击功；
图3为本发明实施例1提供的轧制钢板四分之一位置系列冲击功；
图4为本发明实施例1提供的轧制钢板心部位置系列冲击功。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
本实施例提供了一种具有低温韧性的390MPa级极地船体结构钢的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、铁水经过KR搅拌脱硫后保证S含量≤0.005％，脱硫时间≤25min；
步骤2、添加优质废钢，采用转炉进行冶炼，钢包中采用Al进行深脱氧，脱氧后加入铌铁；
步骤3、在LF精炼阶段，先造白渣，进行脱硫和目标成分调整，后依次喂入钛线和钙线，在合金化完成后，钢包吊装到连铸台；
步骤4、连铸过程采取全程保护浇注，保证钢水的过热度10-30℃，拉坯速度控制为0.6～1.5m/min，调整二冷水强度使钢水温度处于920℃～970℃之间；
步骤5、控制轧制和控制冷却，制备得到极地船体结构钢。
具体地，在步骤1中，本申请利用KR搅拌脱硫能够保证极地船体结构钢中较低的硫含量；在步骤2中，通过采用向转底炉中添加优质废钢，回收利用了废钢，在脱氧后加入铌铁保证了极地船体结构钢中铌含量，在步骤4中，连铸过程采用全程保护浇注，避免了钢液在浇注过程中被氧化；将钢水的过热度控制在10-30℃能够保证钢液的流动性，在步骤5中，通过合理的优化两阶段轧制工艺，充分发挥控轧控冷工艺对材料晶粒尺寸的细化作用，以使极地船体机构钢钢板的组织特征为细小的铁素体、珠光体和少量的贝氏体，如图1所示，铁素体的含量不小于80％，晶粒尺寸小于7μm，屈服强度≥390MPa，四分之一位置-100℃冲击功≥200J，冲击断口纤维率≥80％。此钢板生产工艺简单，可用于在极地区域服役的船舶建造。
在步骤4中，控制连铸坯与极地结构钢板的厚度比大于8，连铸坯加热到1150℃。
需要强调的是，本申请通过合理的优化两阶段轧制工艺，充分发挥控轧控冷工艺对材料晶粒尺寸的细化作用，具体工艺参数为：
在步骤5中，第一阶阶段轧制的终轧温度≥950℃，采用3～5道次，其中1-2道次变形量大于20％，第一阶段轧制的累积变形量≥50％；第二阶段轧制的轧制温度≤850℃，采用3～5道次，终轧温度低于800℃，终轧变形量≥25％；轧后进行水冷，冷却速度10-15℃/s。
需要说明的是，第一阶段轧制的主要目的是对奥氏体晶粒的破碎及细化，通过变形促进粗大奥氏体晶粒发生再结晶，温度和累积变形量对奥氏体晶粒的再结晶过程其重要影响，若轧制温度低于950℃，奥氏体晶粒主要发生加工硬化，不能发生奥氏体再结晶和晶粒细化，因此终轧温度需要≥950℃；另一方面，累积变形量和单道次变形量对奥氏体晶粒的细化程度有重要影响，当累积变形量增加和单道次变形量增加的时候，奥氏体晶粒细化的程度增加。
针对第二阶段的轧制控制，第二阶段的目的是为了获得带有变形带和一定位错密度的奥氏体晶粒，这些变形带将作为铁素体晶粒的形核位置。变形温度和终轧变形量影响奥氏体晶粒变形带的形成，当变形温度低于奥氏体晶粒的再结晶温度时，奥氏体中将产生大量的变形带，当采用较大的终轧变形量时，能够产生大量的变形带且奥氏体中形成大量的位错，为后续铁素体的形核提供更多的位置。
针对轧后进行水冷，冷却速度10-15℃/s，轧后进行水冷的目的是抑制相变形成的铁素体晶粒长大，保证其细小。
在步骤2中，脱氧后加入铌铁以保证钢中的铌含量为0.015～0.030％。
在步骤5中，极地船体结构钢的组织类型包括铁素体、珠光体和少量的贝氏体，铁素体的含量大于等于80％，晶粒尺寸小于7μm。
为了保证极地船体结构钢的强度，在步骤5中，极地船体结构钢的厚度规格为40mm。
需要强调的是，本申请的极地船体机构钢钢板的组织特征为细小的铁素体、珠光体和少量的贝氏体，铁素体的含量不小于80％，晶粒尺寸小于7μm，屈服强度≥390MPa，四分之一位置-100℃冲击功≥200J，冲击断口纤维率≥80％，本发明的极地船体结构钢在极地环境(-70℃到-100℃)都具有良好的低温韧性，能够满足极地环境下船舶的建造。
实施例2
本实施例提供了一种具有低温韧性的390MPa级极地船体结构钢，钢板化学成分以质量百分数(％)为C 0.08～0.12％、Si 0.10～0.20％、Mn1.0-2.0％、S≤0.005％、P≤0.005％、Als 0.02～0.03％、Ti 0.01～0.02％、N≤0.0040％、Nb 0.015～0.030％，其余为Fe。
与现有技术相比，本申请提供的具有低温韧性的390MPa级极地船体结构钢在组分上并未添加贵金属元素Ni、Cr、Mo、V等元素，大大节省了生产成本；通过轧制工艺获得较为细小的铁素体组织，极大的提升了极地船体结构钢的韧性。
示例性地，钢的化学成分为C 0.08％、Si 0.1％、Mn 1.5％、S 0.004％、P0.005％、Als 0.02％、Ti:0.015％、N 0.0030％、Nb:0.015％，其余为Fe。
示例性地，钢的化学成分为C 0.10％、Si 0.2％、Mn 1.8％、S 0.005％、P0.004％、Als 0.03％、Ti:0.02％、N 0.0034％、Nb:0.030％，其余为Fe。
对本发明中用于制备一种具有低温韧性的390MPa级极地船体结构钢及其制备方法的连铸坯成分限定理由进行说明，以下仅用％表示组成中的质量百分比。
对于C：碳是保证钢板强度的元素，并且将显著的影响材料的焊接性。C含量低于0.08％，TMCP钢板的强度将降低；当C含量过高时，将降低钢板的低温韧性。因此，C含量控制在0.07～0.12％。
对于Mn：Mn固溶于钢中将提高钢的强度，Mn含量应控制在1.0％以上以保证钢的强度。Mn含量超过2.0％时，一方面将产生中心偏析，使钢板冷却过程中产生淬硬组织，降低母材低温韧性。因此，Mn含量控制在1.0-2.0％。
对于Si：Si通常作为炼钢时的脱氧剂使用，当硅含量低于0.1％时，钢水易氧化。Si也是固溶强化元素，但是多量的Si对焊接性能通常是不利的，为保证焊接热影响区韧性，Si含量应控制在小于0.2％。因此，Si含量控制在0.1-0.2％。
对于硫和磷：S和P是钢中杂质元素，严重损害母材和焊接热影响区的韧性。因此，硫、磷含量应当分别控制在0.005％以下和0.005％以下。
对于氮：一定含量的N能够与Ti形成TiN，抑制焊接热影响区奥氏体晶粒长大，并与Ti、Nb等形成碳氮化物提高材料强度；如果钢中的N含量较高，将影响材料的低温韧性。因此N含量应该控制在小于0.004％。
对于钛：Ti与N结合形成TiN，一方面抑制连铸坯在加热过程中的奥氏体晶粒长大过程，在焊接热循环过程中钉扎奥氏体晶粒尺寸，从而提高钢板和焊接热影响区的韧性。Ti含量低于0.01％，不容易发挥上述作用；过量的Ti致使TiN析出时间降低、温度升高，对奥氏体晶粒的钉扎作用降低。因此，Ti的含量控制在0.01％-0.02％。
对于酸溶铝：Als是炼钢过程中的一种重要脱氧元素，Als含量小于0.02％时，难以将氧含量控制在0.004％以下；当Als含量较高时，将会形成粗大的Al的氧化物夹杂，并聚集成团簇状，发生炼钢喷嘴的堵塞，或者作为裂纹源导致韧性的降低。因此，Als含量应控制在0.02-0.03％。
对于铌：铌元素通常通过溶质拖曳作用和析出粒子(Nb(C,N))其作用，一方面在材料变形过程中钉扎原始奥氏体晶界，另一方面析出强化提高材料的强度。
实施例3
本实施例提供了一种具有低温韧性的390MPa级极地船体结构钢的化学成分为C0.08％、Si 0.1％、Mn 1.5％、S 0.004％、P 0.005％、Als 0.02％、Ti:0.015％、N0.0030％、Nb:0.015％，其余为Fe。
采用转炉冶炼，轧制钢板的厚度为40mm，所用连铸坯的厚度为360mm，连铸坯加热到1130℃，第一阶段经过三道次纵轧，终轧温度为1000℃，累积变形量55％，中间坯厚度为162mm；二阶段轧制开展温度为温度820℃，经过四道次轧制，终轧温度为770℃，终轧变形量不小于20％；轧后采用立即水冷，冷却速度10.5℃/s。力学性能如表1所示，钢板不同位置系列温度冲击功如图2-4所示。
实施例4
本实施例提供了一种具有低温韧性的390MPa级极地船体结构钢的化学成分为C0.10％、Si 0.2％、Mn 1.8％、S 0.005％、P 0.004％、Als 0.03％、Ti:0.02％、N 0.0034％、Nb:0.030％，其余为Fe。
采用转炉冶炼，轧制钢板的厚度为40mm，所用连铸坯的厚度为360mm，连铸坯加热到1140℃，第一阶段经过三道次纵轧，终轧温度为1000℃，累积变形量52％，中间坯厚度为172mm；二阶段轧制开展温度为温度810℃，经过四道次轧制，终轧温度为750℃，终轧变形量20％；轧后采用立即水冷，冷却速度14.3℃/s。力学性能如表1所示。
表1实施例3和实施例4制备的钢材的力学性能及组织特征
Figure GDA0002684095630000091
本申请制备的极地船体结构钢的屈服强度为420～440MPa，抗拉强度为530～550MPa，-100℃冲击功为250～260J，纤维率为82～83％，能够满足极地环境(-70～-100℃)的船舶建造。
对照例1
本对照例提供了一种特厚调质海洋工程用EH40钢及其制备方法，通过转炉冶炼→LF精炼→VD真空脱气→控轧控冷→调质工艺生产，屈服强度在420MPa以上，抗拉强度530～580MPa以上，-40℃冲击功在200J～230J，本对照例的成分设计思路是Nb+V+Ti设计，同时添加贵金属元素Ni和Cr，轧制后再进行调质处理，工艺流程复杂且成本较高。
对照例2
本对照例提供了一种E40高强度船板钢及制备方法，生产工艺为铁水预处理工艺→转炉冶炼工艺→吹氩处理→LF精炼工艺→VD精炼工艺→连铸工艺→控轧控冷→热处理。其其屈服强度控制在400～440MPa，抗拉强度控制在550～580MPa，伸长率控制在22％～24％，-40℃V型冲击功控制在210～280J，其主要缺陷在于添加了0.3-0.35％的贵金属元素Ni，同时钢板需要进行正火快冷处理，热处理工艺成本较高。
对照例3
本对照例提供了一种多相组织高韧性船板钢EH40的生产方法，该工艺突破传统TMCP工艺轧制连铸坯压缩比限制，不需追加热处理工艺；生产低温冲击要求-40℃以下的高韧性钢板，但是需要采用Mulpic的DQ超快冷工艺，冷却速率要求钢板的心部510℃/s，终冷温度≤200℃。该方法依靠超快冷工艺，对设备的依赖度较大，同时材料在超快速冷却条件下内部组织易形成淬火应力，经过加工变形后容易发生弯曲变形。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有低温韧性的390MPa级极地船体结构钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、铁水经过KR搅拌脱硫后保证S含量≤0.005％，脱硫时间≤25min；
步骤2、添加优质废钢，采用转炉进行冶炼，脱氧后加入铌铁；
步骤3、在LF精炼阶段，先造白渣，进行脱硫和目标成分调整，后依次喂入钛线和钙线，完成合金化处理；
步骤4、连铸过程保证钢水的过热度10-30℃，拉坯速度控制为0.6～1.5m/min，控制第二次冷却水强度使钢水温度处于920℃～970℃之间，获得连铸坯；
步骤5、将连铸坯进行加热，对连铸坯进行控制轧制和控制冷却，得到极地船体结构钢，所述极地船体结构钢的组织类型包括铁素体、珠光体和贝氏体，所述铁素体的含量大于等于80％，铁素体的晶粒尺寸小于7μm；
所述极地船体结构钢的化学成分及质量百分数含量为：C 0.08～0.12％、Si 0.10～0.20％、Mn 1.0-2.0％、S≤0.005％、P≤0.005％、Als 0.02～0.03％、Ti 0.01～0.02％、N≤0.0040％、Nb 0.015～0.030％，其余为Fe。
2.根据权利要求1所述的具有低温韧性的390MPa级极地船体结构钢的制备方法，其特征在于，在所述步骤4中，控制连铸坯与极地船体结构钢的厚度比大于8，在步骤5中，将连铸坯加热到1150℃。
3.根据权利要求2所述的具有低温韧性的390MPa级极地船体结构钢的制备方法，其特征在于，在所述步骤5中，控制轧制分为第一阶段轧制和第二阶段轧制，第一阶段轧制的终轧温度≥950℃，采用3～5道次，1-2道次变形量不低于20％；第一阶段轧制的累积变形量≥50％。
4.根据权利要求3所述的具有低温韧性的390MPa级极地船体结构钢的制备方法，其特征在于，在所述步骤5中，第二阶段轧制的轧制温度≤850℃，采用3～5道次轧制，终轧温度低于800℃，终轧变形量≥25％；轧后进行水冷，冷却速度10-15℃/s。
5.根据权利要求1所述的具有低温韧性的390MPa级极地船体结构钢的制备方法，其特征在于，在所述步骤2中，脱氧后加入铌铁，保证钢中的铌含量为0.015～0.030wt％。
6.根据权利要求1所述的具有低温韧性的390MPa级极地船体结构钢的制备方法，其特征在于，在所述步骤5中，所述极地船体结构钢的厚度小于40mm。
7.一种具有低温韧性的390MPa级极地船体结构钢，其特征在于，采用权利要求1至6任一项所述的具有低温韧性的390MPa级极地船体结构钢的制备方法制备得到，极地船体结构钢的化学成分及质量百分数含量为：C 0.08～0.12％、Si 0.10～0.20％、Mn 1.0-2.0％、S≤0.005％、P≤0.005％、Als 0.02～0.03％、Ti 0.01～0.02％、N≤0.0040％、Nb 0.015～0.030％，其余为Fe。
8.根据权利要求7所述的具有低温韧性的390MPa级极地船体结构钢，其特征在于，极地船体结构钢的化学成分及质量百分数含量为：C 0.08％、Si 0.1％、Mn 1.5％、S 0.004％、P0.005％、Als 0.02％、Ti:0.015％、N 0.0030％、Nb:0.015％，其余为Fe。
9.根据权利要求7所述的具有低温韧性的390MPa级极地船体结构钢，其特征在于，极地船体结构钢的化学成分及质量百分数含量为：C 0.10％、Si 0.2％、Mn 1.8％、S 0.005％、P0.004％、Als 0.03％、Ti:0.02％、N 0.0034％、Nb:0.030％，其余为Fe。
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