CN113462972A - 一种海洋工程用调质处理高强度耐低温h型钢及其制备方法 - Google Patents

一种海洋工程用调质处理高强度耐低温h型钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于冶金及热处理技术领域，具体涉及一种海洋工程用调质处理高强度耐低温H型钢及其制备方法，所述H型钢的化学成分组成按重量百分比计，包括：C：0.09～0.15；Si：≤0.5；Mn：1.0～1.6；V：0.04～0.59；Nb：0.01～0.03；Ni：0.51～0.7；P≤0.02；S≤0.005；Cr:0.51～0.7；B：0.001～0.002；Al：0.02～0.05；N≤0.014；O≤0.004；其余为铁Fe和不可避免杂质。本发明涉及海工用H型钢产品其力学性能良好，屈服强度大于610MPa，抗拉强度大于700MPa，尤其是‑40℃纵向冲击功大于50J，实现海洋石油平台轻量化制备，适合极地高寒地区使用。

Description

一种海洋工程用调质处理高强度耐低温H型钢及其制备方法
技术领域
本发明属于冶金及热处理技术领域，具体涉及一种海洋工程用调质处理高强度耐低温H型钢及其制备方法。
背景技术
随着石油和天然气需求日益增大，油气开采已呈现出陆海并进的局面，海洋工程装备前景广阔，发展势头迅猛。随着众多国家对极地油气资源开发日益增多，极地区域石油平台逐渐增加。低温环境对海洋石油平台用钢也提出了更加苛刻的要求。一方面运输成本需要降低，另外一方面极地-50℃环境对钢铁材料的低温性能也提高了要求。因此，极地海洋工程用钢在保证强度的同时，低温韧性也必须满足。具有复杂截面的H型钢能够起到减重、延长使用寿命、提速、增加货运量和降低物流成本等方面都起着重要的作用。特别是随着海洋工程向更深更寒区域的快速发展，迫切需要高强度、高韧性的H型钢。传统的低合金铁素体+珠光体H型钢屈服强度一般在500MPa以下，微合金化技术尽管一定程度上能突破强度，但是保证其他性能难度很大，比如焊接性能等。随着强度级别H型钢的需求越来越大，如何跨越345MPa、420MPa等较低级别H型钢，开发出600MPa以上高强度H型钢成为行业面临的共性技术难题。
目前我国的H型钢生产企业已开发出屈服强度为保证钢的强度等指标达到标准要求，都是采用添加较高含量合金元素Nb、V、Mn的热轧方法生产。不同企业根据装备水平制备出不同级别和不同综合性能的海洋工程用钢产品。
申请号为201810341054.2的中国专利申请公开了一种低温用高强韧性热轧H型钢及其制备方法，钢的化学成分按质量分数为：C：0.05～0.17％，Si：0.15～0.35％，Mn：1.0～2.0％，P：0.005～0.015％，S：0.005～0.015％，N：0.003～0.007％，O：0.002～0.005％，Ti：0.01～0.02％，Al：0.005～0.015％，Mg：0.001～0.005％，B：0.001～0.002％，Cr：0～0.5％，Mo：0～0.5％，余量为Fe和杂质元素，所述的低温用高强韧性热轧H型钢，通过氧化物冶金技术，细化夹杂物，经轧制及轧后两段式快速冷却处理，该种H型钢屈服强度在600MPa级别以下。
公布号CN 102644032B专利涉及一种屈服强度550MPa级高耐候性热轧H型钢轧后冷却方法，屈服强度550MPa级高耐候性热轧H型钢，成分(wt％)为：C：0.06～0.12，Si：0.30～0.60，Mn：1.25～1.50，P：0.010～0.030，S：0.001～0.015，Cu：0.20～0.35，Cr：0.20～0.40，Ni：0.15～0.30，V：0.10～0.12，N：0.008～0.014，Als：0.003～0.030，其余为铁和残余的微量杂质；该H型钢轧后采用两段式快速冷却；通过在H型钢热轧后采用两段式快速冷却方法，利用细晶强化、析出强化和相变强化机制，得到以贝氏体为主的复相组织。
上述两种高强度H型钢及制备技术均采用微合金化及在线控制冷却的方式，实现强度提高。但是，受到设备能力限制，保证低温韧性的条件下，强度级别不能实现更高水平的突破，同时存在整体组织分布不均匀的缺陷。
发明内容
为了满足极地极寒区域复杂环境下海洋工程需求，本发明提供一种海洋工程用调质处理高强度耐低温H型钢及其制备方法，即，海洋工程用高强度H型钢，热轧后采用离线调质处理方法，实现屈服强度达到610MPa及以上级别。
该H型钢其化学成分组成按重量百分比为：C：0.09～0.15；Si：≤0.5；Mn：1.0～1.6；V：0.04～0.59；Nb：0.01～0.03；Ni：0.51～0.7；P≤0.02；S≤0.005；Cr:0.51～0.7；B：0.001～0.002；Al：0.02～0.05；N≤0.014；O≤0.004；其余为铁Fe和不可避免杂质。
作为优选，C：0.10～0.13；Si：0.2～0.3；Mn：1.2～1.4；V：0.045～0.55；Nb：0.02～0.03；Ni：0.55～0.65；P≤0.015；S≤0.005；Cr:0.50～0.6；B：0.001～0.0015；Al：0.03～0.04；N≤0.012；O≤0.004；其余为铁Fe和不可避免杂质。
本发明提供一种海洋工程用调质处理高强度耐低温H型钢的制备方法，生产制备工艺主要包括转炉冶炼，LF精炼，连铸和热轧成型，具体步骤如下：
1)铁水预脱硫：
脱硫后保证铁水中的硫含量为≤0.019wt％；As含量控制在0.008wt％以下。
2)冶炼：
渣料必须于终点前3分钟加完，终渣碱度控制在2.4～3.2范围内。采用双挡渣出钢工艺，放钢时间不小于2min，控制转炉下渣量＜85mm。采用铝锰铁脱氧，铝锰铁加入量1.6-3.8kg/t钢，炉前可视情况补加；采用铬铁、钒氮进行合金化。其中，中碳铬铁加入量为10.1-11.8kg/t，钒氮加入量为0.6-1.1kg/t。精炼全程底吹氩气搅拌，保证精炼软吹氩大于15分钟。为保证生产顺行，精炼出站前喂入钙线80-160m/炉。
3)连铸：
连铸过程中间包液面≥800mm，采用全保护浇注工艺；拉速控制在0.9-1.1m/min.
4)热轧：
在轧制过程中，加热炉的均热温度为1150～1230℃，铸坯在炉时间为110～180min；粗轧开轧温度为1050～1130℃，精轧在TM三机架连轧机上进行，机架间水冷全部开启，终轧温度为800～850℃；轧制过程严格进行精度尺寸控制，轧后采用冷床空冷方式。
5)离线热处理：
为了获得超细组织，首先将热轧H型钢进行离线正火处理，正火温度控制在890～950℃，根据翼缘厚度不同保温时间控制在30～100min，出炉后进行风冷降温处理；热轧H型钢经过离线淬火处理，淬火温度控制在850～900℃，然后进行高温回火及矫直处理。根据尺寸不同，淬火过程控制翼缘和腹板喷水量，淬火均匀。回火温度控制在450-600℃，保温时间25-60min，最终得到马氏体形貌的超细回火索氏体组织。回火过程中发生V(C,N)等微合金碳氮化物的沉淀析出发挥沉淀强化作用，补偿因位错回复导致的位错强化效果减弱，提高型钢回火稳定性。
6)矫直工序
将热处理后的钢在200℃温度以下进行矫直，避免出现弯曲问题，保证尺寸合格，最后进行打捆包装。
本发明通过低碳微合金化工艺设计，结合型钢孔型在线轧制+离线正火+淬火+中温回火的热处理工艺控制，通过相变强化+沉淀强化方式，获得海洋工程用屈服强度610MPa以上级别大中规格H型钢产品的工业化生产。本发明主要以获得细小的回火索氏体组织为主，实现相变强化，同时配合V(C，N)等细小的第二相粒子实现沉淀强化。
本发明未提及的工序，均可采用现有技术。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1)本发明适合制备超细微米级回火索氏体组织+纳米级第二相粒子的复合微合金化成分设计，从而得到屈服强度610MPa级别以上高强度海工用热轧H型钢。
2)本发明采用离线正火+淬火+中温回火的调质处理制备的海洋工程用H型钢组织均匀性高，较其他方法制备的H型钢腹板，翼缘强韧性更趋于均匀，翼缘和腹板强度差在20MPa以内；
3)本发明采用V微合金化，加热温度降低，轧制力降低，降低了设备的轧制负荷，后期沉淀析出强化效果显著；
4)本发明涉及海工用H型钢产品其力学性能良好，屈服强度大于610MPa，抗拉强度大于700MPa，尤其是-40℃纵向冲击功大于50J，实现海洋石油平台轻量化制备，适合极地高寒地区使用。
附图说明
图1本发明实施例2获得的组织图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例
本发明提供一种海洋工程用调质处理高强度耐低温H型钢的制备方法所述制备方法包括脱硫、转炉冶炼、LF精炼、全保护连铸、轧制工艺及离线淬火+回火热处理工艺。
下述实施例中的连铸坯均按以下工艺流程制备：根据设定的化学成分范围(表1)，以化学成分C，Si，Mn，S，P和Fe为原料，进行转炉冶炼、精炼、连铸、铸坯直接加热或者均热。实施例1-3的制备步骤如下：
1、铁水预脱硫：
脱硫后保证铁水中的硫含量为≤0.019wt％；As含量控制在0.008％以下。
2、冶炼：
终渣碱度控制在2.4～3.2范围内。采用双挡渣出钢工艺，放钢时间不小于2min，控制转炉下渣量＜85mm。铝锰铁加入量1.6-3.8kg/t钢进行脱氧；采用金属锰、钒氮进行合金化。精炼全程底吹氩气搅拌，保证精炼软吹氩15～20分钟，精炼出站前喂入钙线80-160m/炉。
3、连铸：
连铸过程拉速控制在0.9-1.0m/min.
4、热轧及调质热处理：
热轧工艺根据规格不同进行相应控制。整个过程以控制温度为主，终轧温度检测翼缘外侧，轧后轧材在冷床自然冷却。实施例1-3的化学成分及具体工艺见下表。
表1化学成分(wt％,余量铁)
Figure BDA0003124829340000041
Figure BDA0003124829340000051
实施例1-3的热轧工艺条件见表2。按照标准为GB/T 2975-2018《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备》；屈服强度、抗拉强度、延伸率的试验方法参照标准GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》；冲击功试验方法参照标准ISO148-1《金属材料夏比摆锤冲击试验》，结果见表2。
表2型钢轧制工艺
Figure BDA0003124829340000052
从表中可见，本发明实施例1-3屈服强度保持610MPa级别，其-40℃冲击功较高，可以满足制备耐低温海工钢，适用于制作海洋石油平台等具有较高低温韧性要求的支撑结构件。如图1所示为实施例2显微组织图。
表3力学性能
Figure BDA0003124829340000053
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种海洋工程用调质处理高强度耐低温H型钢，其特征在于，所述H型钢的化学成分组成按重量百分比计，包括：C：0.09～0.15；Si：≤0.5；Mn：1.0～1.6；V：0.04～0.59；Nb：0.01～0.03；Ni：0.51～0.7；P≤0.02；S≤0.005；Cr:0.51～0.7；B：0.001～0.002；Al：0.02～0.05；N≤0.014；O≤0.004；其余为铁Fe和不可避免杂质。
2.根据权利要求1所述海洋工程用调质处理高强度耐低温H型钢，其特征在于，所述H型钢屈服强度大于610MPa，抗拉强度大于700MPa，-40℃纵向冲击功大于50J。
3.一种海洋工程用调质处理高强度耐低温H型钢的制备方法，包括以下步骤：
1)铁水预脱硫：铁水中的硫含量为≤0.019wt％；As含量控制在0.008wt％以下；
2)冶炼：
渣料必须于终点前3分钟加完，终渣碱度控制在2.4～3.2范围内；采用双挡渣出钢工艺，放钢时间不小于2min，控制转炉下渣量＜85mm；
3)连铸：
连铸过程中间包液面≥800mm，采用全保护浇注工艺；拉速控制在0.9-1.1m/min；
4)热轧：
在轧制过程中，加热炉的均热温度为1150～1230℃，铸坯在炉时间为110～180min；粗轧开轧温度为1050～1130℃，精轧终轧温度为800～850℃；轧后采用冷床空冷方式；
5)离线热处理：
首先将热轧H型钢进行离线正火处理，正火温度控制在890～950℃，保温时间控制在30～100min，出炉后进行风冷降温处理；
然后热轧H型钢经过离线淬火处理，淬火温度控制在850～900℃，然后进行高温回火及矫直处理；回火温度控制在450-600℃，保温时间25-60min；
6)矫直工序
将热处理后的钢在200℃温度以下进行矫直，最后进行打捆包装。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中还包括采用铝锰铁脱氧，铝锰铁加入量1.6-3.8kg/t钢，采用铬铁、钒氮进行合金化，中碳铬铁加入量为10.1-11.8kg/t，钒氮加入量为0.6-1.1kg/t。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中精炼全程底吹氩气搅拌，精炼软吹氩大于15分钟；精炼出站前喂入钙线80-160m/炉。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中精轧在TM三机架连轧机上进行，机架间水冷全部开启；轧制过程严格进行精度尺寸控制，轧后采用冷床空冷方式。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤5)中H型钢的翼缘和腹板强度差在20MPa以内。
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