CN115074630A - 一种具有高延展性的fh36级海洋工程用钢及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有高延展性的FH36级海洋工程用钢及制造方法，按重量百分比计包括以下化学成分：C：0.05～0.70％，Si：0.15～0.25％，Mn：1.20～1.60％，Ni：0.20～0.40％，Nb：0.03～0.05％，V：0.03～0.05％，Ti:0.005～0.02％，P≤0.01％，S≤0.002％，Als：0.01％～0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质。优点是：适用于海洋工程领域，本发明的FH36级别钢板具有高延展性，拉伸断后延伸率≥30％，最大力延伸率≥26％；低温韧性优异，‑60℃冲击功≥200J，良好的断裂韧性，NDTT温度≤‑60℃。

Description

一种具有高延展性的FH36级海洋工程用钢及制造方法
技术领域
本发明属于钢铁材料领域，涉及一种具有高延展性的FH36级海洋工程用钢及制造方法。
背景技术
近年来，向深海远海发展已成必然趋势，近洋产业正逐步向海洋产业转型升级，海洋装备的服役环境也日趋复杂。为此开发移动式深海平台、FPSO和远洋工程船等高端海工装备，不仅要求海洋工程钢具有良好的强度和稳定性，而且特别提出了要求钢板具有高延展性和低温韧性，以应对船舶和海洋工程装备可能遭遇的突发性事故和恶劣海况下的运营安全。高延展性和超低温韧性是海洋工程用钢“高安全服役性”概念中的重要指标。
结构材料的延展性越好，受载荷时吸收的能量就越多，美国ABS船级社目前已经将高延展性性能指标纳入相关规范“Material requirements for higher-ductility hullstructural steel plates and sections”当中，其目的是在船舶、海洋工程装备和结构发生碰撞时，让钢板吸收碰撞的能量，使之不易出现结构失稳从而提高装备的服役安全性，保护内部结构并降低货物或燃油泄漏造成海洋污染的风险。日本的新日铁、住友金属已经开发出了此类具有高延展性和抗碰撞功能的海洋工程用钢板(“NSafe-Hull”系列)，目前已经处于应用阶段。我国目前此类钢板未形成规模化应用，国内相关院所及钢铁企业也尚未进行系统研究。而对于极寒、冰区等严苛环境服役的海工装备，要求其关键部位材料具有良好的超低温韧性，能够在低温环境下长期稳定使用，如应用于冰区半潜式平台桩腿和海上风电近海面的抗冰锥体结构。综上所述，高延展性和超低温韧性所带来的高服役安全性将成为海洋工程用钢领域未来需求的必然发展趋势，其中FH36级钢板广泛应用于海洋工程装备的关键部位。因此，有必要开发具有高延展性的FH36级海工用钢，以满足海洋工程结构及装备在多种应用场景下的安全服役性。
现有技术中，专利公开号为CN108517462A，公开了一种高延展性的EH40级船板钢及其生产方法，以低碳加微合金强化的成分设计，采用两阶段轧制加水冷-空冷-水冷三段式冷却，该技术生产工艺复杂，对冷却设备控制能力要求较高，工艺窗口窄。专利公开号为CN110714171A，公开了一种高延展性的EH420级别船板钢及其生产方法，以Nb、Ti微合金强化，采用两阶段轧制加两段式冷却的方式，利用冷却速度为60℃/s的超快冷技术得到软相铁素体加硬贝氏体的复合组织，但该技术难度较大，实际工业生产中难以达到所需的冷速条件，且在钢板厚度条件上存在局限。专利公开号为CN103695769A，公开了一种FH40海洋工程用钢板生产方法，以Nb、V微合金强化并添加Ni，通过LF+VD精炼工艺来保证钢质的洁净度，采用两阶段TMCP和正火后快冷获得-60℃冲击180J以上的60-100mm的FH40钢板，但其延展性较差，断后延伸率结果低于24％。专利公开号为CN113174537A，公开了一种具有优良时效冲击韧性的大厚度FH40造船用钢板及其制造方法，以Nb、Ti微合金强化并添加Ni，通过低温加热和两阶段TMCP调控相变组织构成和多相粒子析出行为，得到具有良好均匀性能的铁素体加贝氏体组织，但该方法采用低温加热制度且要求开轧阶段单道次压下率大于15％，对轧制设备能力要求较高。专利公开号为CN108517463A，公开了一种高延展性的FH500级船板钢及其生产方法，以Nb、V微合金强化成分设计，配合控轧控冷技术获得软相铁素体和硬相贝氏体的组织，控冷阶段采用水冷-空冷-水冷三段式冷却，且一段冷却要求100～150℃/s的超快冷，同样存在设备能力及组织均匀性等问题。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种具有高延展性的FH36级海洋工程用钢及制造方法，通过采用二次加热控制轧制和控制冷却工艺调控钢板的显微组织和晶粒尺寸，得到强度稳定和韧性优良(还是低温韧性优良)、具有高延展性的钢板。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种具有高延展性的FH36级海洋工程用钢，按重量百分比计包括以下化学成分：
C：0.05～0.70％，Si：0.15～0.25％，Mn：1.20～1.60％，Ni：0.20～0.40％，Nb：0.03～0.05％，V：0.03～0.05％，Ti:0.005～0.02％，P≤0.01％，S≤0.002％，Als：0.01％～0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质。
所述的FH36级海洋工程用钢的成品厚度为20～50mm。
所述的FH36级海洋工程用钢的拉伸断后延伸率≥30％，最大力延伸率≥26％，屈服强度≥360MPa，抗拉强度490～630MPa。
所述的FH36级海洋工程用钢的-60℃夏比冲击功≥200J，零塑性转变温度小于-60℃。
所述的FH36级海洋工程用钢的显微组织为铁素体和贝氏体，其中铁素体平均晶粒尺寸5.0～10.0μm，铁素体相比例范围在85～95％。
一种具有高延展性的FH36级海洋工程用钢的制造方法，工艺路线为：冶炼、一次轧制、一次冷却、二次感应加热、二次轧制、弛豫、冷却，包括以下步骤：
1)一次轧制、冷却
对连铸坯采用两阶段轧制，一次加热温度1150～1180℃，轧制温度为1000～1050℃，平均单道次压下率在10％以上，使奥氏体充分再结晶，并细化奥氏体晶粒尺寸；
一次轧制后采用平均冷速为3～10℃/s的快速层流冷却将中间坯冷却至室温；
2)二次感应加热
采用纵磁通感应加热方式对中间坯进行二次加热，以加热速率5.5-7.0℃/s升温至900～950℃使中间坯料重新奥氏体化，中间坯温度均匀性控制在±30℃范围；
3)二次轧制
二次开轧温度为750～800℃，平均单道次压下率为15～20％，终轧温度750～780℃；
4)轧后弛豫相变控制
钢板风冷至690～740℃后再进入冷却系统；
5)二次冷却
采用平均冷速为3～10℃/s的快速层流冷却，返红温度控制在550～600℃，钢板要进行缓冷，缓冷时间≥24h。
所述的冶炼：LF和RH精炼炉各处理时间为20～40min，中包钢水过热度≤25℃，全程保护浇铸；钢中A、B、C、D类夹杂物满足：A≤0.5、B≤0.5、C≤0.5、D≤0.5。
钢中各合金成分作用机理，其中百分符号％代表重量百分比：
C：本发明中的高延展性FH36钢板是最终组织为F/B双相组织，对于F/B双相钢，C含量是影响两相比例的重要因素。相同TCMP条件下，钢板C含量越低，铁素体相比例越高。双相钢的延伸性能主要取决于软相铁素体比例，在整体协调变形过程中贝氏体塑性变形产生的应力可通过诱导周围的软相铁素体变形金相释放，避免贝氏体过早的出现应力集中而颈缩。考虑高延展特性为产品的发明目的，需要较低C含量来保证最终组织的高铁素体相比例。但C含量不宜低于0.05％，过低C含量不仅导致奥氏体晶界迁移率高，给TMCP过程均匀细化组织带来较大问题，易形成混晶组织，而且造成屈强比升高，过低C含量还造成晶界结合力降低，导致钢板低温冲击韧性低下、焊接热影响区低温冲击韧性劣化。综合上述因素，优选C含量控制在0.05～0.07％。
Si：是炼钢过程中主要的脱氧成分，为了得到充分的脱氧效果必须含0.10％以上，但若超过上限则会降低母材及焊接部位的韧性，以固溶形式存在的Si在提高强度的同时也能提高韧脆转变温度，因此优选Si含量为0.15～0.25％。
Mn：是保证钢的强度和韧性的必要元素。为了提高本发明材料的强韧性，因此Mn含量范围为1.30～1.60％。
Ni：Ni具有固溶强化作用，可提高钢的强度和韧性，Ni是奥氏体稳定化元素，具备降低Ar3点且碳当量或冷裂纹敏感系数Pcm增加最小的特性。Ni元素的添加会极大的降低钢材料的电导率和热导率，不利于感应加热中间坯的温度均匀性，因此控制Ni含量优选范围0.20～0.40％。
Nb：Nb和C、N、O都有极强的亲和力，与之形成相应的极稳定的化合物。Nb能细化钢的晶粒，降低钢的过热敏感性，在一定的存在条件下，能提高钢的强度和韧性，特别是在高加热速率的感应加热条件下，析出细小的Nb碳氮化物细化奥氏体晶粒。本发明的Nb含量控制在0.02～0.04％。
V：V能细化钢的晶粒，提高钢的强度、屈强比和低温韧性，也能改善钢的焊接性能，但钒含量不宜过高否则降低钢的韧性，本发明的V含量控制在0.02～0.04％。
Ti：Ti不仅能提高钢的强度、细化晶粒、降低时效敏感性和冷脆性，而且少量的钛还能改善焊接性能。Ti以TiN形式存在而发挥作用，小于0.005％时效果小，超过0.04％时易形成大颗粒TiN而失去效果。因此优选Ti含量为0.005～0.02％。
P：是对低温韧性、延展性带来不利影响的元素，可以在板坯中心部位偏析以及在晶界聚集等损害低温韧性，本发明材料控制在不高于0.01％。
S：是对低温韧性、延展性带来不利影响的元素，可以形成硫化物夹杂，成为裂纹源，本发明材料控制在不高于0.002％。
Als：作为本发明必须添加的脱氧和细化晶粒元素，添加含量在0.01％以上，但超过0.08％时容易产生铸坯热裂纹，同时钢的韧性降低。Als含量控制在0.01％～0.05％。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一种具有高延展性的FH36级海洋工程用钢及制造方法，该钢适用于海洋工程领域，本发明的FH36级别钢板具有高延展性(拉伸断后延伸率≥30％，最大力延伸率≥26％)，低温韧性优异(-60℃冲击功≥200J)，良好的断裂韧性(NDTT温度≤-60℃)的特点，产品厚度范围20～50mm。具体优点是：
1)本发明钢板化学成分进行了合理设计，减少合金元素用量；通过控制硫、磷含量纯净钢冶炼改善钢质纯净度，保证FH36钢板兼具优良的延伸和低温冲击性能。
2)采用了二次感应加热轧制加控制冷却方法，相当于以高加热速率对中间坯正火，细化中间坯奥氏体组织晶粒尺寸，保证了二阶段轧制钢板良好的组织及成分均匀性，有利于实现该产品的塑韧性提升，为产品在低温严苛环境下的服役安全性提供保障。
3)本发明制备的钢板具有高强度(屈服强度≥360MPa，抗拉强度490～630MPa)，高延伸性能(断后延伸率≥30％，最大力延伸率≥28％)和低温冲击韧性(-60℃夏比冲击功≥200J，零塑性转变温度(NDTT)≤-65℃)产品厚度范围20～50mm。
4)钢显微组织主要组成为铁素体+贝氏体，其中的铁素体相比例范围为85～95％，铁素体晶粒度达10～11级。
附图说明
图1是实施例的200倍微观组织图。
图2是实施例的500倍微观组织图。
图3是实施例冲击断口100倍SEM形貌图。
图4是实施例冲击断口500倍SEM形貌图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。
一种具有高延展性的FH36级海洋工程用钢，按重量百分比计包括以下化学成分：
C：0.05～0.70％，Si：0.15～0.25％，Mn：1.20～1.60％，Ni：0.20～0.40％，Nb：0.03～0.05％，V：0.03～0.05％，Ti:0.005～0.02％，P≤0.01％，S≤0.002％，Als：0.01％～0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质。
一种具有高延展性的FH36级海洋工程用钢的制造方法，工艺路线为：冶炼、一次轧制、一次冷却、二次感应加热、二次轧制、矫直、轧后弛豫相变控制、二次冷却，包括以下步骤：
1)一次轧制、冷却
对连铸坯采用两阶段轧制，一次加热温度1150～1180℃，轧制温度为1000～1050℃，平均单道次压下率在10％以上，使奥氏体充分再结晶，并细化奥氏体晶粒尺寸；
一次轧制后采用平均冷速为3～10℃/s的快速层流冷却将中间坯冷却至室温。
经一次轧制、冷却后得到的预处理组织为板条马氏体+残余奥氏体/贝氏体组织，这种非稳态组织内部储能较高，大量的位错、界面等晶体缺陷可在加热重新奥氏体化过程中提供大量的再结晶形核点。
2)二次感应加热
采用纵磁通感应加热方式对中间坯进行二次加热，以加热速率5.5-7.0℃·s-1升温至900～950℃使中间坯料重新奥氏体化，铸坯温度均匀性控制在±30℃范围；在感应加热条件下，由于集肤效应连铸坯表层激冷细晶区在短时间内快速升温至奥氏体相区随后热量迅速向内传导。加热速度越快则过热度越大，奥氏体在一次冷却后非稳态组织的马氏体板条界面、位错缠结区以及贝氏体相界面等晶体缺陷处快速大量形核，得到更细的奥氏体组织。同时，加热速度快时，奥氏体的晶粒没有充分的时间长大，弱化了奥氏体长大趋势。
3)二次轧制
二次开轧温度为780～810℃，平均单道次压下率为15～20％，终轧温度750～780℃；
4)轧后弛豫相变控制
通过调整开冷温度(即风冷温度)来控制α/γ两相区弛豫时间，进而调控钢板F/B两相组织的比例及形貌。钢板风冷至690～740℃后再进入冷却系统，目的是增加终轧后在α/γ两相区弛豫时间，利于先共析铁素体的充分形核，保证最终组织的铁素体组织比例大于85％。弛豫时过冷奥氏体中的碳元素从均匀分布向聚集发展，碳迁移出的区域就形成先共析铁素体，即先共析铁素体向奥氏体的排碳长程扩散。因此钢板在开冷前在弛豫的时间越长，这种相变和碳扩散过程的进行越充分，先共析铁素体周边的奥氏体区域C元素聚集程度就越高，并在后续层流快速冷却工序中形成贝氏体。因此本发明中要求C含量小于0.07％，可在先共析铁素体形核生长时有效减轻该过程中的周围奥氏体的碳富集现象，有利于贝氏体的弥散分布，避免变形过程产生局部应力集中；
5)二次冷却
采用平均冷速为3～10℃/s的快速层流冷却，返红温度控制在550～600℃，冷却后钢板进行缓冷，缓冷时间≥24h；
所述的冶炼：LF和RH精炼炉各处理时间为20～40min，中包钢水过热度≤25℃，全程保护浇铸；钢中A、B、C、D类夹杂物满足：A≤0.5、B≤0.5、C≤0.5、D≤0.5。
所述的钢板成品厚度为20～50mm。
冷却后的钢板的拉伸断后延伸率≥30％，最大力延伸率≥26％，屈服强度≥360MPa，抗拉强度490～630MPa，-60℃夏比冲击功≥200J，零塑性转变温度小于-60℃；显微组织为铁素体和贝氏体，其中铁素体平均晶粒尺寸5.0～10.0μm，铁素体相比例范围在85～95％。
表1为实施例钢的化学成分；表2为实施例钢的冶炼工艺；表3为实施例钢的轧制工艺；表4为实施例钢的力学性能；表5为本发明实施例钢低温性能及NDTT温度。
表1本发明实施例钢化学成分
实施例 C Si Mn Ni Nb V Ti P S Als
1 0.056 0.24 1.46 0.27 0.036 0.029 0.012 ≤0.01 ≤0.002 0.03
2 0.067 0.16 1.46 0.25 0.035 0.032 0.011 ≤0.01 ≤0.002 0.02
3 0.058 0.23 1.56 0.33 0.033 0.037 0.012 ≤0.01 ≤0.002 0.03
4 0.053 0.23 1.54 0.28 0.038 0.027 0.012 ≤0.01 ≤0.002 0.02
5 0.056 0.15 1.45 0.29 0.030 0.034 0.012 ≤0.01 ≤0.002 0.02
6 0.065 0.23 1.47 0.27 0.031 0.038 0.010 ≤0.01 ≤0.002 0.05
7 0.056 0.20 1.35 0.28 0.034 0.032 0.012 ≤0.01 ≤0.002 0.04
8 0.058 0.19 1.43 0.35 0.031 0.036 0.013 ≤0.01 ≤0.002 0.03
表2实施例钢冶炼工艺
Figure BDA0003726706130000071
表3实施例钢制备方法
Figure BDA0003726706130000072
Figure BDA0003726706130000081
表4实施例钢常规拉伸力学性能及铁素体含量和平均晶粒尺寸
Figure BDA0003726706130000082
表5本发明实施例钢低温性能及NDTT温度
Figure BDA0003726706130000083
Figure BDA0003726706130000091

Claims (7)

1.一种具有高延展性的FH36级海洋工程用钢，其特征在于，按重量百分比计包括以下化学成分：
C：0.05～0.70％，Si：0.15～0.25％，Mn：1.20～1.60％，Ni：0.20～0.40％，Nb：0.03～0.05％，V：0.03～0.05％，Ti:0.005～0.02％，P≤0.01％，S≤0.002％，Als：0.01％～0.05％，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种具有高延展性的FH36级海洋工程用钢，其特征在于，所述的FH36级海洋工程用钢的成品厚度为20～50mm。
3.根据权利要求1所述的一种具有高延展性的FH36级海洋工程用钢，其特征在于，所述的FH36级海洋工程用钢的拉伸断后延伸率≥30％，最大力延伸率≥26％，屈服强度≥360MPa，抗拉强度490～630MPa。
4.根据权利要求1所述的一种具有高延展性的FH36级海洋工程用钢，其特征在于，所述的FH36级海洋工程用钢的-60℃夏比冲击功≥200J，零塑性转变温度小于-60℃。
5.根据权利要求1所述的一种具有高延展性的FH36级海洋工程用钢，其特征在于，所述的FH36级海洋工程用钢的显微组织为铁素体和贝氏体，其中铁素体平均晶粒尺寸5.0～10.0μm，铁素体相比例范围在85～95％。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种具有高延展性的FH36级海洋工程用钢的制造方法，其特征在于，工艺路线为：冶炼、一次轧制、一次冷却、二次感应加热、二次轧制、弛豫、冷却，包括以下步骤：
1)一次轧制、冷却
对连铸坯采用两阶段轧制，一次加热温度1150～1180℃，轧制温度为1000～1050℃，平均单道次压下率在10％以上，使奥氏体充分再结晶，并细化奥氏体晶粒尺寸；
一次轧制后采用平均冷速为3～10℃/s的快速层流冷却将中间坯冷却至室温；
2)二次感应加热
采用纵磁通感应加热方式对中间坯进行二次加热，以加热速率5.5-7.0℃/s升温至900～950℃使中间坯料重新奥氏体化，中间坯温度均匀性控制在±30℃范围；
3)二次轧制
二次开轧温度为750～800℃，平均单道次压下率为15～20％，终轧温度750～780℃；
4)轧后弛豫相变控制
钢板风冷至690～740℃后再进入冷却系统；
5)二次冷却
采用平均冷速为3～10℃/s的快速层流冷却，返红温度控制在550～600℃，钢板要进行缓冷，缓冷时间≥24h。
7.根据权利要求6所述的一种具有高延展性的FH36级海洋工程用钢的制造方法，其特征在于，所述的冶炼：LF和RH精炼炉各处理时间为20～40min，中包钢水过热度≤25℃，全程保护浇铸；钢中A、B、C、D类夹杂物满足：A≤0.5、B≤0.5、C≤0.5、D≤0.5。
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