CN114836607A

CN114836607A - 一种355MPa级别极地用海工钢板及其制备方法

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Publication number: CN114836607A
Application number: CN202210438643.9A
Authority: CN
Inventors: 孙乾; 王腾飞; 王中学; 张佩; 麻衡; 亓伟伟; 何康; 吴群; 刘智广; 徐延岭
Original assignee: Laiwu Steel Group Yinshan Section Steel Co Ltd
Current assignee: Laiwu Steel Group Yinshan Section Steel Co Ltd
Priority date: 2022-04-25
Filing date: 2022-04-25
Publication date: 2022-08-02

Abstract

本发明公开了一种355MPa级别极地用海工钢板及其制备方法，属于微合金钢生产技术领域，按质量百分比计，钢板组分为：C：0.06～0.014％，Si：0.20～0.50％，Mn：1.20～1.60％，Nb：0.020～0.050％，Ti：0.010～0.050％，Ni：0.07～0.20％，Als：0.010～0.050％，P：≤0.025％，S：≤0.020％。所述钢板的制备方法，包括：铁水预处理、转炉或电炉冶炼、精炼、连铸，铸坯清理，缓冷；缓冷坯入炉加热，轧制，钢板经空冷，探伤检验合格后即可。本发明所得355MPa级别海工钢板显微组织为铁素体+珠光体，晶粒细小均匀，晶粒度约10级，屈服强度达到400～480MPa，抗拉强度达到480～530MPa，断后伸长率达到25～35％，‑40℃冲击功≥160J，‑52℃冲击功≥100J满足极寒地区油气开采、海洋工程等项目建设对钢板性能的需求。

Description

一种355MPa级别极地用海工钢板及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种微合金钢领域，属于极地用钢板生产技术领域，具体涉及一种355MPa级别极地用海工钢板及其制备方法。

背景技术

北极地区的油气资源丰富，现仅处在初级开发阶段，随着北极地区冰盖的日益缩小和全球油气资源供应紧张，各国对北极油气的勘探工程陆续上马，北极油气开发国际竞赛已经形成。钢铁是平台建设、开采设备、附属建筑的主要材料，为适应北极严苛的自然环境(最低气温-50℃)，对服役钢铁材料力学性能(尤其是低温冲击韧性)提出极高要求。

海洋平台是在极地海上进行钻井、采油、集运、施工等活动的主要构筑物，常年受到海潮、极寒流冰等严苛环境侵蚀，同时，支撑着总重量超过数百吨的钻井设备；严苛的服役条件对平台建设用海工钢提出了高强度、高韧性、耐低温、抗疲劳、可焊性、耐腐蚀等性能要求。

关于高强韧、耐低温海工钢板的研究较多，但355MPa强度级别保-52℃低温冲击韧性的专利相对较少。普遍存在合金含量偏高、工艺流程复杂及低温韧性不足等缺点，以下简要介绍几个相似的专利：

中国专利CN102851611B公开了“耐深水压力壳体用超高强韧性钢板及其制造方法”，该专利涉及的钢板合金成分中对C、Si、Mn、P、S、Cr、Mo、Ni、Cu、Ti、Als、V、N、Ca元素的含量都做了要求，合金元素种类及含量远超出本申请含量，势必会带来其成本的增加，且其炼钢过程中成分精准控制难度大。该钢板生产工艺为TMCP+QT，生产流程复杂且生产成本较高。

中国专利申请CN102041435A南阳汉冶特钢有限公司申请的“一种热轧可焊接细晶粒结构钢S355ML钢板及其生产方法”，该钢中添加的化学成分要求Nb+Ti≤0.07％、Mn：1.20～1.60％，合金添加高于本发明，-50℃冲击功极好，但未说明-52℃低温冲击功J的效果，且该专利着重介绍50～60mm厚规格。

中国专利CN108728743B鞍钢股份有限公司申请的“低温断裂韧性良好的海洋工程用钢及其制造方法”，介绍了60～100mm厚度规格海工钢板及其制造方法，工艺为热轧+两次淬火+低温回火，流程复杂，热处理成本较高。

中国专利CN103436784B济钢集团有限公司申请的“一种海洋平台用钢板及其制造方法”，该专利成分设计要求Nb+Ti+V≤0.12％，合金成本较高；且水冷后钢板需在900℃保温160min条件下进行正火热处理，工艺复杂；产品-40℃低温冲击功平均在180J以上，但未提及保证-52℃钢板低温韧性。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种薄规格具有极佳低温韧性的355MPa级别极地用海工钢板及其制备方法。该钢种成本相对低廉，低温韧性优异，具有高强度、耐低温、易焊接等较好的综合性能。本发明为厚度6～14mm的薄规格产品。用于解决北极极寒地区油气资源开发等项目建设用钢板要求保证强度同时，满足极佳低温冲击韧性的实际问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

本发明提供一种薄规格具有极佳低温韧性的355MPa级别极地用海工钢板，质量百分比计，所述钢板的组分为C：0.06～0.014％，Si：0.20～0.50％，Mn：1.20～1.60％，Nb：0.020～0.050％，Ti：0.010～0.050％，Ni：0.07～0.20％，Als：0.010～0.050％，P：≤0.025％，S：≤0.020％，N：≤0.010％，B：≤0.006％，其余为Fe和不可避免的夹杂；且CEV≤0.39％，Pcm≤0.20％，其中：

CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.39％，

Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B≤0.20％。

优选地，钢的化学成分及质量百分含量为C：0.06～0.08％，Si：0.22～0.35％，Mn：1.25～1.45％，Nb：0.022～0.037％，Ti：0.010～0.025％，Ni：0.08～0.15％，Als：0.020～0.040％，P：≤0.013％，S：≤0.08％，N：≤0.008％，B：≤0.005％，其余为Fe和不可避免的夹杂；且CEV≤0.37％，Pcm≤0.20％。

在上述具极地用海工钢板中，作为一种优选实施方式，基于钢板质量，所述不可避免的杂质中各组分的质量百分比含量为：H≤0.0004％、O≤0.0005％、As≤0.009％、Sb≤0.012％、Sn≤0.022％、Pb≤0.012％、Bi≤0.012％和Ca≤0.007％。

在上述具极地用海工钢板中，所述钢板组织为细小均匀分布的珠光体+铁素体混合组织。其中，本发明中各种元素的作用如下：

C：对钢板强度、硬度、韧性影响较大，C含量过高会增加钢的强度、硬度，但会恶化基体韧性。因此，C含量控制在0.06～0.14％。

Si：硅可溶于铁素体和奥氏体，显著提高钢基体强度、硬度；但过高的Si，降低钢的焊接性能。因此，Si含量控制在0.20～0.50％。

Mn：可增加钢的韧性、强度，提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能；但锰的偏析倾向较强，并且锰含量过高会削弱钢基体的抗腐蚀能力，恶化焊接性能。因此，Mn含量控制在1.20～1.60％。

P和S：是冶炼中有害元素，影响基体脆性。硫可与锰形成塑性夹杂物硫化锰，对钢的横向塑性和韧性影响较大；磷严重影响钢板的韧性。就本发明要求磷、硫含量应越低越好，但考虑实际生产中，磷、硫均难以完全避免。因此，P含量≤0.025％、S含量≤0.020％。

Nb：可促进钢板轧制显微组织的晶粒细化，提高强韧性，控轧过程中抑制奥氏体再结晶，细化组织。但过量的Nb，易促使铁素体δ相或其它脆性相的演化，导致钢韧性降低。因此，Nb含量控制在0.020～0.050％。

Ti：易与C、N元素形成碳氮化物，抑制板坯加热、轧制过程中奥氏体晶粒过分长大，实现晶粒细化，提高基体低温韧性；同时在焊接过程中，可抑制热影响区晶粒长大，改善热影响区韧性，但含量大于0.04％时，易形成大颗粒TiN，失去细晶作用，结合合金成本考虑，Ti含量控制在0.010～0.050％。

Ni：可促使钢基体形成稳定的奥氏体组织，细化晶粒尺寸，即可提高钢板强度、延伸率，又可提高低温韧性；同时，Ni的加入可降低铜脆现象，减轻热轧过程的晶间开裂，提高钢基体的耐蚀性。但过量的Ni，将硬化焊接热影响区，结合合金成本考虑，Ni含量控制在0.07～0.20％。

Als：可固定钢中自由N，改善钢板基体、焊接热影响区的低温韧性；弥散析出的AlN可抑制加热时奥氏体晶粒长大、细化晶粒尺寸，提高冲击韧性；但过量的铝会带来B类夹杂物数量激增，导致钢板内部质量下降，降低钢板的焊接性及切削性，因此，Als含量控制在0.010～0.050％。

N：可促使粗大的TiN、AlN在钢中原奥氏体晶界析出，并在缺陷处富集，形成气孔、疏松，严重恶化钢基体冲击韧性、塑性，含量越低越好，但实际生产中难以除净，因此，N含量控制在≤0.010％。

B：易在晶界富集，降低晶界能，冷却时促进低温相变组织的形成，恶化钢板低温冲击韧性。因此，B含量控制在≤0.006％。

H：易聚集在晶体的缺陷处，造成应力集中，产生“氢脆”，恶化钢基体韧性，因此，H含量控制在≤0.0004％。

O：钢液凝固时，多余的氧易与其他元素结合生成非金属夹杂物,破坏基体连续性,降低钢的强度、韧性；因实际生产中难以除净，因此，O含量控制在≤0.0005％。

Ca：钙处理可对钢中硫化物、氧化物进行变性处理，控制夹杂物形态，改善钢板韧性、焊接性；但残余Ca过高，影响钢基体纯净度、污染钢液，因此，Ca含量控制在≤0.007％。

CEV：碳当量控制有利于保障钢板的强度和可焊性，因此，CEV控制在≤0.39％。

Pcm：冷裂纹敏感系数控制有利于保障钢板焊接性能，因此，Pcm控制在≤0.20％。

本发明提供一种355MPa级别极地用海工钢板的制备方法，包括：

1)冶炼：将预处理铁水及废钢进行转炉或电炉初炼，初炼钢水经LF精炼、RH真空脱气炉真空处理；

2)浇铸：步骤1)所得精炼钢水送板坯连铸机，进行全程氩气保护浇铸；所得铸坯，入坑、堆垛缓冷不小于60小时；

3)板坯加热：将缓冷后铸坯，采用冷装入炉方式，进加热炉加热至1190～1260℃后出炉轧制；

4)轧制：采用可逆式轧机进行粗轧、精轧两阶段轧制，得到钢板；

5)冷却：对轧制所得钢板空冷，得到所述具有极佳低温韧性的355MPa级别极地用海工钢板。

作为上述方法一种更好的选择，所述步骤1)中，采用KR预处理对所述铁水进行预处理；所述废钢为优质废钢，废钢加入量不超过总装入量的8％，即：废钢/(铁水+废钢)≤8wt.％；将所得铁水、废钢在顶底复吹转炉条件下进行所述初炼。其中，根据国家标准《废钢铁》GB_T 4223-2017中重型废钢(含I类、II类)可视为“优质废钢”。

作为上述方法一种更好的选择，所述步骤1)中，转炉初炼采用双渣工艺，使用优质石灰、白云石，冶炼过程中控制合适的枪位和加料时机，渣料于终点前3分钟加完，采用一次拉碳，终渣碱度控制在R＝3.0～4.0，优选地，渣料于初炼终点前3～4min加完；采用铝锰铁3.5kg/t钢脱氧，钢水出至四分之一时，分批加入金属锰、镍板、铌铁、硅铁合金，钢水出至四分之三时加完。

作为上述方法一种更好的选择，所述步骤1)中，所述精炼为LF+RH精炼；LF精炼全程底吹氩搅拌，精炼过程不得裸露钢水，防止钢水二次氧化；采用铝粒、碳化钙脱氧；出站前顶渣必须为黄白渣或白渣，黄白渣或白渣保持时间不低于10分钟(例如11分钟、12分钟、13分钟等)，终渣碱度控制在2.5以上(例如2.6、2.7、2.8等)；采用金属锰、硅铁、铌铁、镍板等合金进行成分微调，用钛线调整Ti成分；用铝线调整Al成分；LF精炼时间不低于45分钟，确保钢液成分、温度达到要求。

作为上述方法一种更好的选择，所述步骤1)中，所述RH精炼应避免化学升温，确保纯脱气时间不少于5min；喂钙铝线150～200米/炉，对钢液进行钙化处理；出站前进行软吹，软吹时间不得低于10min；RH冶炼周期根据实际调整，控制在40～60分钟。

作为上述方法一种更好的选择，所述步骤2)中，所述浇铸步骤，采用全程保护浇铸，结晶器内采用包晶钢保护渣，拉速控制为1.20～1.35m/min得到175mm断面厚度的连铸坯，液相线温度为1515～1530℃，过热度小于17℃，扇形段铸坯凝固末端采用轻压下技术，该技术属于轧钢领域公知技术；铸坯入坑、堆垛缓冷不小于60小时，充分降低铸坯在冷却过程产生的组织应力与热应力。

作为上述方法一种更好的选择，所述步骤3)中，所述加热步骤，加热速率不小于10min/cm，均热时间不少于40min；钢坯各点温差不大于15/℃，保证钢坯烧匀烧透；铸坯加热出炉后，对所述热铸坯进行高压水除鳞。

作为上述方法一种更好的选择，所述步骤4)中，所述轧制步骤，所述轧制为粗轧和精轧两阶段控制轧制，粗轧为再结晶区轧制，为了防止晶粒过分长大，精轧控制为未再结晶区轧制；精轧开轧温度为960～1070℃(例如970℃、990℃、1010℃)。

作为上述方法一种更好的选择，所述步骤5)中，在所述冷却步骤中，所述钢板的厚度为6～14mm时，所述冷却为空冷。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1)本发明所得钢板组织特征为细小的铁素体、珠光体，晶粒细小均匀，晶粒度约10级，厚度规格为6～14mm，产品综合性能良好，力学性能均匀，屈服强度达到400～480MPa，抗拉强度达到480～530MPa，断后伸长率达到25～35％，-40℃冲击功≥160J，-52℃冲击功≥100J，最终成品性能满EN10025-4、EN10225标准性能要求，满足极寒地区油气开采、海洋工程等项目建设对钢板性能的需求。

2)本发明采用低碳中锰添加Nb、Ti、Ni微合金化的成分设计，以微合金化和控轧控冷的方法最大限度地细化晶粒，充分发挥各强化因素的作用，以较少合金成本获得了较优异的强度、塑性和低温韧性，并保证了钢板的焊接性能及焊接裂纹敏感性，所得钢板板型良好，可服役于北极圈等环境恶劣的极寒地区大型项目，满足该类项目对于低温作业、高强韧性、焊接性能稳定结构钢板的需求。

3)本发明钢板生产工艺较为简单，采用价格低廉的Mn元素进行固溶强化，通过控制轧制工艺细化晶粒，提高钢板的低温韧性，轧后薄规格钢板直接采用空冷，便于实际生产中的组织排产。

附图说明

图1为本发明实施例2中轧制后的钢板四分之一位置金相组织金相组织图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明。

为直观表述本发明的目的、技术方案及优点，下面结合附图说明和具体的实施例对本发明所述的薄规格具有极佳低温韧性的355MPa级别极地用海工钢板及其制备方法作进一步的解释与说明，然而该解释与说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

实施例1-3

本发明提供一种355MPa级别极地用海工钢板及其制备方法；

生产工艺流程为：

高炉铁水一铁水预处理(脱硫)—转炉或电炉初炼—LF精炼—RH精炼—板坯连铸—铸坯缓冷—铸坯清理—板坯再加热—高压水除鳞—轧制(粗轧机大压下轧制、精轧机控温轧制)—空冷—钢板堆垛缓冷—探伤—取样、检验—入库

1)冶炼

采用KR预处理对入炉铁水进行预处理脱硫，脱硫完毕扒净铁水表面的渣；采用优质废钢，控制废钢加入量不超过总装入量的8％；将所得铁水、废钢在顶底复吹转炉条件下进行所述初炼。

转炉初炼采用双渣工艺，使用优质石灰、白云石，冶炼过程中控制合适的枪位和加料时机，渣料于终点前3分钟加完，采用一次拉碳，终渣碱度控制在R＝3.0～4.0，渣料于初炼终点前3～4min加完；挡渣出钢，杜绝大量下渣，放钢时间不小于3分钟；采用铝锰铁3.5kg/t钢脱氧，钢水出至四分之一时，分批加入金属锰、镍板、铌铁、硅铁合金，钢水出至四分之三时加完。

LF精炼全程底吹氩搅拌，精炼过程不得裸露钢水，防止钢水二次氧化；采用铝粒、碳化钙脱氧；出站前顶渣必须为黄白渣或白渣，黄白渣或白渣保持时间不低于10分钟，终渣碱度控制在2.5以上；采用金属锰、硅铁、铌铁、镍板等合金进行成分微调，用钛线调整Ti成分；用铝线调整Al成分；LF精炼时间不低于45分钟，确保钢液成分、温度达到要求。

RH精炼避免化学升温，确保纯脱气时间不少于5min，真空度为250～650Pa；喂钙铝线150～200米/炉，对钢液进行钙化处理，改善夹杂物的形态，有效去除夹杂；出站前进行软吹，软吹时间不得低于10min；RH冶炼周期根据实际调整，控制在40～60分钟。

通过上述的步骤，得到成份为C：0.06～0.014％，Si：0.20～0.50％，Mn：1.20～1.60％，Nb：0.020～0.050％，Ti：0.010～0.050％，Ni：0.07～0.20％，Als：0.010～0.050％，P：≤0.025％，S：≤0.020％，N：≤0.010％，B：≤0.006％，其余为Fe和不可避免的夹杂组成的目标钢水。然而，本发明不限于此，还可通过其它方式得到符合上述成份范围的钢水。

将所得钢水送至板坯连铸机进行全程保护浇铸，结晶器内采用包晶钢保护渣，拉速控制为1.20～1.35m/min得到175mm断面厚度的连铸坯，液相线温度按中间规格成分中限计算为1515～1530℃，过热度小于17℃，扇形段铸坯凝固末端采用轻压下技术；所得铸坯入坑、堆垛缓冷不小于60小时，充分降低铸坯在冷却过程产生的组织应力与热应力。

2)加热：

将缓冷后连铸坯采用冷装入炉方式运到加热炉内加热；炉内加热速率≥10min/cm，均热时间≥40min；钢坯各点温差不大于15/℃，保证钢坯烧匀烧透；铸坯加热出炉后，对热铸坯进行高压水除鳞。

3)轧制：

轧制为粗轧和精轧两阶段控制轧制，粗轧为再结晶区轧制，为了防止晶粒过分长大，精轧控制为未再结晶区轧制；精轧开轧温度为960～1070℃。

4)冷却：

钢板的厚度为6～14mm，采用空冷工序。

本发明各实施例的化学成分如表1所示；图1为实施例2中轧制后的钢板四分之一位置金相组织金相组织图，本发明各实施例的冶炼工艺参数如表2所示；本发明各实施例的轧制工艺参数如表3所示；本发明各实施例的力学性能按照GB/T228、GB/T2289进行检测，如表4所示。

表1本发明实施例1～3钢的化学成分(wt％，余量为Fe)

注：CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.37％

Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B≤0.20％

表2本发明实施例1～3钢的冶炼工艺参数

表3本发明实施例1～3钢的轧制、冷却工艺参数

表4本发明实施例1～3钢的力学性能

综上所述，本发明所述钢板具有高强度、耐低温、易焊接等较好的综合性能，-52℃低温时效冲击韧性稳定性高；成本相对低廉，工艺简单，易于操作，在保证强度的同时，兼顾低温韧性，适用于服役环境严苛极寒地区的综合性能要求较高的大型工程项目建设。

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

1.一种355MPa级别极地用海工钢板，其特征在于，所述海工钢板，由以下质量百分含量的成分组成C：0.06～0.014％，Si：0.20～0.50％，Mn：1.20～1.60％，Nb：0.020～0.050％，Ti：0.010～0.050％，Ni：0.07～0.20％，Als：0.010～0.050％，P：≤0.025％，S：≤0.020％，N：≤0.010％，B：≤0.006％，其余为Fe和不可避免的夹杂；且CEV≤0.39％，Pcm≤0.20％，其中：

CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15≤0.39％，

Pcm＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B≤0.20％。

2.如权利要求1所述的355MPa级别极地用海工钢板，其特征在于，所述海工钢板，由以下质量百分含量的成分组成：

C：0.06～0.08％，Si：0.22～0.35％，Mn：1.25～1.45％，Nb：0.022～0.037％，Ti：0.010～0.025％，Ni：0.08～0.15％，Als：0.020～0.040％，P：≤0.013％，S：≤0.08％，N：≤0.008％，B：≤0.005％，其余为Fe和不可避免的夹杂；且CEV≤0.37％，Pcm≤0.20％。

3.根据权利要求1或2所述的355MPa级别极地用海工钢板，其特征在于，所述不可避免的杂质中包括的组分的质量百分比含量为：H≤0.0004％、O≤0.0005％、As≤0.009％、Sb≤0.012％、Sn≤0.022％、Pb≤0.012％、Bi≤0.012％和Ca≤0.007％。

4.一种权利要求1-3任一所述355MPa级别极地用海工钢板的制备方法，包括以下步骤：

5)冷却：对轧制所得钢板冷却，得到所述355MPa级别极地用海工钢板。

5.根据权利要求4所述的355MPa级别极地用海工钢板的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，采用KR预处理对铁水进行预处理脱硫，处理后铁水温度≥1230℃，S≤0.020％，As≤0.009％；所述废钢加入量不超过总装入量的8wt.％，；所述的LF精炼采用全程底吹氩搅拌，精炼时间不低于45分钟，终渣碱度量控制在2.2以上；所述真空处理中，真空环流时间不少于15分钟，脱气时间不小于5min。

6.根据权利要求4所述的355MPa级别极地用海工钢板的制备方法，其特征在于，所述步骤2)中，液相线温度为1515～1530℃，过热度小于17℃，扇形段铸坯凝固末端采用轻压下技术。

7.根据权利要求4所述的355MPa级别极地用海工钢板的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，加热速率不小于10min/cm，均热时间不少于40min；钢坯各点温差不大于15/℃。

8.根据权利要求4所述的355MPa级别极地用海工钢板的制备方法，其特征在于，所述步骤4)中，所述粗轧为再结晶区轧制，所述精轧为未再结晶区轧制，精轧开轧温度为960～1070℃。

9.根据权利要求4所述的355MPa级别极地用海工钢板的制备方法，其特征在于，所述步骤5)中，所述钢板的厚度为6～14mm时，所述冷却为空冷。