CN111621711B - 785MPa级别海洋平台用特厚调质齿条钢板及制备方法 - Google Patents

785MPa级别海洋平台用特厚调质齿条钢板及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种785MPa级别海洋平台用特厚调质齿条钢板及制备方法，所述钢板化学组成按重量百分比为：C：0.08～0.15％，Mn：0.60～1.5％，Si：0.10～0.50％，S：0.002～0.005％，P：0.005～0.015％，Ni：2.7～4.％，Cr：0.40～1.00％，Mo：0.30～0.70％，Cu：0.10～0.40％，Nb：0～0.080％，V：0～0.10％，Ti：0～0.08％，Al：0.02～0.08％，B：0.0008～0.0015％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。采用低C、高Ni‑Cr‑Mo合金化及Nb、V、Ti微合金化成分体系，屈服强度≥795MPa，抗拉强度≥865MPa，‑60℃夏比V型缺口冲击功≥140J，Z≥35％，最大厚度为100mm，可用于制造海洋平台用齿条。本发明所述的785MPa级别高淬透性高强韧海洋平台用特厚调质齿条钢板还具有低屈强比的特点，应用范围更广，结构安全性更高，适用于极低温度海域的工作环境。

Description

785MPa级别海洋平台用特厚调质齿条钢板及制备方法
技术领域
本发明属于厚板及特厚板生产领域，具体涉及一种785MPa级别高淬透性高强韧海洋平台用特厚调质齿条钢板及其制备方法。
背景技术
能源危机的日益突出，促进了陆地优质石油资源过度开发，同时加速了世界各国对海洋油气的勘探和开采。海洋油气开发逐渐由陆地向近海、深海延伸已成为世界能源领域的发展趋势。我国海域内的油气资源非常丰富，尤其是南海海域，为开发和利用海洋资源，我国不断发展和提升海洋装备的技术水平。目前，我国船舶与海洋工程用钢已能满足国内市场的大部分需求，但部分高级别的特种钢材仍依赖进口，主要是高强度、抗层状撕裂、超低温韧性等钢板，其生产工艺十分严格，对设备要求高，开发难度大。海洋工程用钢中最具代表性的就是自升式钻井平台桩腿用特厚齿条钢板，该钢板长期在波浪、海潮及寒冰等严峻的海洋环境下服役，承受严酷的载荷和复杂的腐蚀环境，因此要求特厚齿条钢具备高强度、高韧性、抗疲劳、耐腐蚀、低温韧性、抗层状撕裂及良好的可焊性等性能。
为了提高海洋平台用钢的安全性，高强、高韧、大厚度钢板的使用逐年增加。目前对于特厚齿条钢板的研发已经取得了重要阶段性进展，国产690MPa级别的齿条钢板厚度已达到215mm。由于钢锭或钢坯心部存在疏松、缩孔、偏析等缺陷、轧制变形难以渗透至心部以及淬火冷却速率和均匀性差等原因，当前690MPa级别海洋平台用齿条钢厚度方向组织性能严重不均匀，尤其是心部强度低韧性差。随着海洋平台规格的不断增大，需要更高强度级别齿条钢实现减重以保证海洋平台的安全。因此，需要开发高淬透性、高韧性、高强度，如785MPa级别的海洋平台用齿条钢来代替现有的690MPa级别齿条钢。
随着海工装备和技术水平的不断进步，采用一种更为合理的高淬透性合金设计及其生产工艺，实现海洋平台用特厚齿条钢板具有更高的强度、更优异的低温韧性以及良好的厚度方向组织性能均匀性，成为一个亟需解决的问题，也将为海洋油气向极低温海域和更深海域的开发提供保障。
发明内容
本发明的目的在于提供一种785MPa级别高淬透性高强韧海洋平台用特厚调质齿条钢板及其制造方法，采用低C、高Ni-Cr-Mo合金化及Nb、V微合金化成分体系。所述特厚调质钢板组织为回火马氏体，屈服强度≥795MPa，抗拉强度≥865MPa，-60℃夏比V型缺口冲击功≥140J，Z≥35％，最大厚度为100mm，可用于制造海洋平台用齿条。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种785MPa级别海洋平台用特厚调质齿条钢板采用低C、高Ni-Cr-Mo合金化及Nb、V、Ti微合金化设计，其化学组成按重量百分比为：C：0.08～0.15％，Mn：0.60～1.5％，Si：0.10～0.50％，S：0.002～0.005％，P：0.005～0.015％，Ni：2.7～4.％，Cr：0.40～1.00％，Mo：0.30～0.70％，Cu：0.10～0.40&，Nb：0～0.080％，V：0～0.10％，Ti：0～0.08％，Al：0.02～0.08％，B：0.0008～0.0015％，余量为Fe和其他不可避免的杂质。
本发明所述的785MPa级别海洋平台用特厚调质齿条钢板，其金相组织为回火马氏体组织。
进一步地，本发明所述的785MPa级别海洋平台用特厚调质齿条钢板的屈服强度为795～980MPa，抗拉强度为865～980MPa，延伸率为16～19％，断面收缩率为56％～63％。
进一步地，本发明所述的785MPa级别海洋平台用特厚调质齿条钢板在-60℃时10mm×10mm×55mm试样冲击功≥140J。
优选地，所述所述的785MPa级别海洋平台用特厚调质齿条钢板厚度为80～100mm。
本发明的另一目的是提供上述785MPa级别海洋平台用特厚调质齿条钢板的制备方法。
一种785MPa级别海洋平台用特厚调质齿条钢板的制备方法，包括下述工艺步骤：
①将厚度为180～210mm的铸坯锻造为厚度为160～170mm的钢坯，将钢坯随炉加热至1100～1200℃并保温2～4h，钢坯的化学组成按重量百分比为：C：0.08～0.15％，Mn：0.60～1.5％，Si：0.10～0.50％，S：0.002～0.005％，P：0.005～0.015％，Ni：2.7～4.0％，Cr：0.40～1.00％，Mo：0.30～0.70％，Cu：0.10～0.40％，Nb：0～0.080％，V：0～0.10％，Ti：0～0.08％，Al：0.02～0.08％，B：0.0008～0.0015％，余量为Fe和其他不可避免的杂质；
②将钢坯经粗轧和精轧两个阶段热轧轧制成80～100mm厚的热轧钢板，其中，粗轧阶段的开轧温度为1050～1150℃，终轧温度为980～1020℃；精轧阶段的开轧温度为850～870℃，终轧温度为840～860℃；钢板轧后空冷至室温。
③将冷却至室温的热轧钢板放入加热炉中进行调质(淬火+回火)热处理，回火后空冷至室温，得到产品；
优选地，所述步骤②中，所述粗轧3～5道次，道次压下率为9～14％；所述精轧2～4道次，道次压下率为7～12％。。
优选地，所述步骤③中，所述调质热处理工艺为：淬火温度为900～930℃，保温时间为90～120min，淬火水温为20℃；回火温度为600～660℃，回火保温时间为60min～90min。
本发明的有益效果：
为了保证特厚板具有良好的淬透性、低温韧性和组织均匀性，本发明通过低C、高Ni-Cr-Mo合金化及Nb、V、Ti微合金化成分设计方式，显著提高了钢板的淬透性，在≥0.5℃/s冷却速度条件下便可以获得完全马氏体组织。本发明采用低碳成分设计，C重量百分含量为0.08％～0.15％，低碳含量降低了焊接碳当量，提高了钢板的可焊性。通过Nb、V、Ti微合金化处理得到的纳米级析出相可发挥极强的析出强化作用，提高了钢板强度。通过高Ni成分设计，提高了钢板低温冲击韧性。通过控制淬火和回火热处理过程来实现钢板强度和韧性的良好匹配。
本发明所制备的785MPa级别海洋平台用特厚调质齿条钢板具有高强韧性、高组织性能均匀性等特质，钢板1/4厚度和1/2厚度位置的屈服强度为795～980MPa，抗拉强度为865～980MPa，延伸率为16～19％，断面收缩率为56％～63％，-60℃冲击功≥140J。此外，本发明所述的785MPa级别高淬透性高强韧海洋平台用特厚调质齿条钢板还具有低屈强比的特点，应用范围更广，结构安全性更高，适用于极低温度海域的工作环境。
附图说明
图1为本发明制备方法的工艺示意图；
图2为实施例1制得的调质态钢板1/2厚度的金相组织；
图3为实施例2制得的调质态钢板1/2厚度的金相组织；
图4为实施例3制得的调质态钢板1/2厚度的透射电镜形貌。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下述实施例中所述试验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
下述实施例采用的热轧机为Φ450mm热轧机；
下述实施例中热处理时采用的加热炉为高温箱式电阻炉，规格型号为NEUXXSL1200-40；
下述实施例中所用透射电子显微镜为FEI Tecnai G2 F20场发射透射电子显微镜；
下述实施例中所用光学显微镜为OLYMPUS BX53M多功能光学显微镜。
实施例1
制备厚度为100mm厚度的海洋平台用特厚齿条钢板，工艺步骤如下：
将锻造后厚度为170mm的钢坯随炉加热至1200℃并保温3h，其化学组成按重量成分百分比为：C：0.13％，Mn：1.2％，Si：0.27％，S：0.0021％，P：0.005％，Ni：3.7％，Cr：0.66％，Mo：0.6％，Cu：0.20％，V：0.04％，Al：0.048％，B：0.0010％，余量为Fe和其他不可避免的杂质；随后经过5道次热轧成100mm厚度的热轧钢板。粗轧阶段的开轧温度和终轧温度分别为1100℃和1020℃，3道次粗轧至120mm，道次压下率为10～12％；精轧阶段的开轧温度和终轧温度分别为850℃和845℃，2道次精轧至100mm，道次压下率为7～8％。热轧结束后空冷至室温。随后进行离线调质热处理：将热轧后冷却至室温的钢板放入温度为910℃的高温箱式电阻炉进行淬火，保温120min后进行水淬；将淬火后的钢板放入温度为660℃的高温箱式电阻炉进行回火，保温90min后出炉空冷至室温，如图1所示。
钢板的组织为回火马氏体，如图2的OM形貌所示。经检测，该钢板屈服强度为795MPa，抗拉强度为865MPa，延伸率为16％，断面收缩率为61％，-60℃时10mm厚试样冲击功202J。
实施例2
制备厚度为90mm厚度的海洋平台用特厚齿条钢板，工艺步骤如下：
将锻造后厚度为162mm的钢坯随炉加热至1200℃并保温3h，其化学组成按重量成分百分比为：C：0.13％，Mn：1.1％，Si：0.26％，S：0.0026％，P：0.005％，Ni：3.0％，Cr：0.65％，Mo：0.6％，Cu：0.20％，V：0.04％，Al：0.024％，B：0.0010％，余量为Fe和其他不可避免的杂质；随后经过6道次热轧成90mm厚度的热轧钢板。粗轧阶段的开轧温度和终轧温度分别为1065℃和1000℃，3道次粗轧至115mm，道次压下率为10～12％；精轧阶段的开轧温度和终轧温度分别为850℃和848℃，3道次精轧至90mm，道次压下率为7～9％。热轧结束后空冷至室温。随后进行离线调质热处理：将热轧后冷却至室温的钢板放入温度为910℃的高温箱式电阻炉进行淬火，保温120min后进行水淬；将淬火后的钢板放入温度为600℃的高温箱式电阻炉进行回火，保温90min后出炉空冷至室温，如图1所示。
钢板的组织为回火马氏体，如图3的OM形貌所示。经检测，该钢板屈服强度为900MPa，抗拉强度为980MPa，延伸率为19％，断面收缩率为56％，-60℃时10mm厚试样冲击功140J。
实施例3
制备厚度为80mm厚度的海洋平台用特厚齿条钢板，工艺步骤如下：
将锻造后厚度为160mm的钢坯随炉加热至1200℃并保温3h，其化学组成按重量成分百分比为：C：0.123％，Mn：1.1％，Si：0.26％，S：0.0015％，P：0.004％，Ni：2.9％，Cr：0.60％，Mo：0.5％，Cu：0.21％，Nb：0.03，V：0.04％，Ti：0.010，Al：0.024％，B：0.0010％，余量为Fe和其他不可避免的杂质；随后经过6道次热轧成90mm厚度的热轧钢板。粗轧阶段的开轧温度和终轧温度分别为1085℃和1010℃，3道次粗轧至110mm，道次压下率为11～13％；精轧阶段的开轧温度和终轧温度分别为858℃和850℃，3道次精轧至80mm，道次压下率为9～11％。热轧结束后空冷至室温。随后进行离线调质热处理：将热轧后冷却至室温的钢板放入温度为930℃的高温箱式电阻炉进行淬火，保温90min后进行水淬；将淬火后的钢板放入温度为650℃的高温箱式电阻炉进行回火，保温60min后出炉空冷至室温，如图1所示。
钢板的组织为回火马氏体，如图4的TEM形貌所示。经检测，该钢板屈服强度为805MPa，抗拉强度为890MPa，延伸率为19％，断面收缩率为63％，-60℃时10mm厚试样冲击功200J。
除以上实施例外，本发明还可以有其他实施方式。反采用通关等替换或者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 (3)

1.785MPa级别海洋平台用特厚调质齿条钢板的制备方法，其特征在于：所述特厚调质钢板的组织为回火马氏体组织，其制备方法包括下述工艺步骤：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
将厚度为180~210mm的铸坯锻造为厚度为160~170mm的钢坯，将钢坯随炉加热至1100~1200℃ 并保温2~4h，钢坯的化学组成按重量百分比为：C：0.08~0.15%，Mn：0.60~1.5%，Si：0.10~0.50%，S：0.002~0.005%，P：0.005~0.015%，Ni：2.7~4.0%，Cr：0.40~1.00%，Mo：0.30~0.70%，Cu：0.10~0.40%，Nb：0~0.080%，V：0~0.10%，Ti：0~0.08%，Al：0.02~0.08%，B：0.0008~0.0015%，余量为Fe和其他不可避免的杂质；
Figure DEST_PATH_IMAGE004
将钢坯经粗轧和精轧两个阶段轧制成80~100mm厚的热轧钢板，其中，粗轧阶段的开轧温度为1050~1150℃ ，终轧温度为980~1020℃ ；精轧阶段的开轧温度为850~870℃ ，终轧温度为840~860℃ ；钢板轧后空冷至室温；所述粗轧3~5道次，道次压下率为9~14%；所述精轧2~4道次，道次压下率为7~12%；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
将冷却至室温的热轧钢板放入加热炉中进行调质热处理包括淬火、回火，其回火后空冷至室温，所述调质热处理工艺为：淬火温度为900~930℃ ，保温时间为90~120min，淬火水温为20℃ ；回火温度为600~660℃ ，回火保温时间为60min~90min；得到产品。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述特厚调质钢板的屈服强度为795~980MPa，抗拉强度为865~980MPa，延伸率为16~19%，断面收缩率为56%~63%。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述特厚调质钢板−60℃ 冲击功≥140J。
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