CN115612933A - 一种特厚低合金高强海洋平台用钢板及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种特厚低合金高强海洋平台用钢板及其生产方法，其化学成分组成及质量百分含量为：C：0.09～0.13%，Si：0.20～0.40%，Mn：1.45～1.62%，Ni：0.30～0.50%，Al：0.020～0.050%，Ti：0.010‑0.020%，Nb：0.020～0.035%，P≤0.010%，S≤0.003%，Ceq≤0.43%，Pcm≤0.22%，余量为Fe和不可避免的杂质；生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制工序。本发明提供的钢板具有良好综合性能和焊接性能，尤其具有优良的低温应变时效冲击韧性和低应变时效敏感性，可广泛用于固定式海上结构可焊接结构钢，应用前景广阔。

Description

一种特厚低合金高强海洋平台用钢板及其生产方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种特厚低合金高强海洋平台用钢板及其生产方法。
背景技术
随着中国船舶及海洋工程工业的高速发展，对板材的性能和质量要求越来越高，钢材的韧性实际上是钢材在三维应力作用下塑性变形的能力和所吸收能量的大小，为了避免钢结构骤然或意外的脆性破坏造成的损失，要求钢材在使用条件下应具备足够的韧性储备。同时在船舶与海洋工程装备的制造过程中，钢板要经过各种加工、成形、装配、焊接等工艺过程，因冷加工塑性变形及焊接内应力变形使钢材强度与硬度升高而塑性与韧性下降的现象即应变时效现象。应变时效与钢材成分、冶炼方法、塑性应变量的大小、温度条件以及钢材的强度、塑性、低温韧性和韧脆转变温度有关。
钢材的应变时效必然会对船舶与海洋工程装备的使用性能产生较大的影响，对钢材的性能也提出了较高的要求。
应变时效的本质是由于柯氏气团的形成造成钢的脆化，柯氏气团的形成是由于位错和溶质原子（碳、氮等）的交互作用引起溶质原子向位错线聚集，位错线附近聚集的溶质原子，形成溶质原子气团，即柯氏气团。钢中氮含量较高，更容易形成柯氏气团，如果钢的纯净度高尤其是钙酸盐类夹杂物低、氮含量低、脱氧程度好、偏析程度低，为提高低温时效冲击和降低应变时效敏感性创造了条件，同时加入能够固定C/N元素，能够增强碳化物形成元素Al、Nb和Ti，使C/N与之结合成稳定的化合物而从固溶体中消除，柯氏气团无法产生，从而减弱应变时效现象。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种具有良好的低温时效冲击韧性和低温应变时效敏感性的特厚低合金高强海洋平台用钢板。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种特厚低合金高强海洋平台用钢板，所述钢板化学成分组成及其质量百分含量为：C：0.09～0.13%，Si：0.20～0.40%，Mn：1.45～1.62%，Ni：0.30～0.50%，Al：0.020～0.050%，Ti：0.010-0.020%，Nb：0.020～0.035%，P≤0.010%，S≤0.003%，Ceq≤0.43%，Pcm≤0.22%，余量为Fe和不可避免的杂质。
本发明所述高强海洋平台用钢板中各化学成分及含量的作用机理是：
碳是钢中最主要的元素，C溶解在γ铁素体中形成一种间隙固溶体，面心立方结构，稳定奥氏体组织，碳在钢中能形成弥散析出的合金碳化物使钢得到强化，但碳含量升高会急剧降低钢的低温韧性，使钢的韧脆转变温度升高。
硅在炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂，同时Si也能起到固溶强化作用，但超过0.5%时，会造成钢的韧性下降，降低钢的焊接性能。
锰在此钢铁材料中是最重要的合金元素，作为一种有效扩大奥氏体的元素，锰将奥氏体的临界转变温度降至室温以下，使钢在室温下保持奥氏体组织，同时成本低廉，能增加钢的韧性、强度和硬度，改善钢的热加工性能；锰量过高，会减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。
磷和硫都是钢中有害元素，增加钢的脆性。磷使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏；硫降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹；因此应尽量减少磷和硫在钢中的含量。
铝和钛是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝和钛，可细化晶粒，提高冲击韧性；还可与N结合形成AlN和TiN，过高则影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。
铌具有细化组织的作用。固溶Nb与形变诱导析出Nb(C,N)能强烈抑制高温下奥氏体的再结晶，从而在未再结晶的奥氏体中获得更多变形带，提高后续相变形核率，细化相变后的组织。焊接过程中，铌原子的偏聚及析出可以阻碍加热时奥氏体晶粒的粗化，并保证焊接后得到比较细小的热影响区组织，改善焊接性能。
镍具有降低钢韧脆转变温度的作用。镍能提高碳的活度，增强碳原子在位错周围的偏聚与沉淀，从而阻碍位错的移动而使钢得到强化。
本发明所述钢板厚度150mm-200mm。
本发明所述钢板屈服强度≥320MPa，抗拉强度490MPa-630MPa，延伸率A≥22%，板厚1/4处-40℃横向冲击韧性平均≥100J，5%/7.5%变形量150℃/250℃保温1h条件下，板厚1/4处-40℃横向时效冲击韧性平均≥80J，应变时效敏感性≤40%。
本发明所述特厚低合金高强海洋平台用钢板检测方法参考ASTM A370和ASTMA751。
本发明还提供了一种特厚低合金高强海洋平台用钢板的生产方法，包括冶炼、连铸、加热、轧制和热处理工序。
本发明所述冶炼工序，钢水先经初炼炉冶炼，出钢温度1610～1650℃，扒渣处理后进行LF炉精炼，完成Mn、Ni、Nb合金化，大包温度≤1620℃时吊包VD炉真空处理，精炼过程中向钢液中喂入铝线1.5kg/t钢-2.0kg/t钢、Si-Ca线5.0kg/t钢-5.5kg/t钢和Ti合金化，实现易氧化元素Al、Ti的精确控制同时提高钢水纯净度尤其是降低钙酸盐类夹杂物，真空处理时真空度≤66Pa，真空保持时间≥20min。
本发明所述模铸工序，将冶炼后的钢水进行浇铸，得到扁钢锭，采用保温剂改善钢锭内部凝固质量。
本发明所述生产方法，还包括钢锭清理工序，将扁钢锭热送至轧钢，带温清理，温度不低于150℃，清理后及时装炉。
本发明所述加热工序，扁钢锭在均热炉中进行加热，将清理后的扁钢锭入炉焖钢60min-90min,低速缓慢升温，1000℃以下升温速度为100℃/h-120℃/h，1000℃以上升温速度不限，当温度升高至最高加热温度1220℃-1260℃时开始保温，根据钢锭锭型保温16h-20h，确保扁钢锭透烧。
本发明所述轧制工序，采用二阶段轧制工艺，第一阶段为奥氏体再结晶阶段，开轧温度为1150～1250℃，单道次压下量为30%～35%，晾钢厚度为钢板厚度+60mm-80mm，终轧温度为960℃-980℃，累计压下率为30～50%。第二阶段为奥氏体未再结晶阶段，开轧温度≤950℃，单道次压下量为25%～30%，累计压下率为30%～50%，终轧温度为900℃～930℃，轧制后得到半成品钢板；轧后ACC水冷至室温。
本发明所述热处理工序：采用正火工艺；正火温度为900℃～920℃，保温时间2.0min/mm～2.5min/mm。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：1、本发明钢板化学成分设计采用C、Mn、Ni固溶强化；加入少量的Nb、Ti以细化晶粒，其碳氮化物起到弥散强化作用和析出强化的作用；Ti、Al固定钢中N含量，保证了钢板的多边形铁素体+细小的粒状贝氏体组织；能够增强碳化物形成元素Al、Nb和Ti，使C/N与之结合成稳定的化合物而从固溶体中消除，柯氏气团无法产生，从而减弱应变时效现象，有效提高低温时效冲击韧性、降低低温应变时效敏感性。2、本发明钢板具有纯净度、致密度高、偏析程度低等特点，钢板的整体均匀性高，低温时效冲击韧性高以及低温应变时效敏感性低。3、大厚度、强度级别较高，延伸率高，低温冲击韧性优良，具有良好的综合性能和焊接性能，能够满足固定式海上结构可焊接结构用钢板对低温时效冲击韧性和低温应变时效敏感性低等方面的使用要求，并且成本较低，可广泛用于海洋工程项目，应用前景广阔。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本实施例特厚低合金高强海洋平台用钢板，厚度为160mm，钢板化学成分组成及其质量百分含量见表1。
本实施例特厚低合金高强海洋平台用钢板的生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制和热处理工序；具体工艺步骤如下所述：
（1）冶炼工序：钢水先经初炼炉冶炼，出钢温度1650℃，扒渣处理后进行LF炉精炼，完成Mn、Ni、Nb合金化，大包温度1620℃时吊包VD炉真空处理，精炼过程中向钢液中喂入铝线1.5kg/t钢、Si-Ca线5.0kg/t钢，完成Ti合金化，实现易氧化元素Al、Ti的精确控制同时提高钢水纯净度尤其是降低钙酸盐类夹杂物，真空处理时真空度66Pa，真空保持时间20min；
（2）浇铸工序：将冶炼后的钢水进行浇铸，得到扁钢锭，采用保温剂改善钢锭内部凝固质量。
（3）钢锭清理工序，将扁钢锭热送至轧钢，带温清理，温度200℃，清理后及时装炉。
（4）加热工序，扁钢锭在均热炉中进行加热，将清理后的扁钢锭入炉焖钢75min,低速缓慢升温，1000℃以下升温速度为120℃/h，1000℃以上升温速度不限，当温度升高至最高加热温度1260℃时开始保温，保温16h，确保扁钢锭透烧。
（5）轧制工序，采用二阶段轧制工艺，第一阶段为奥氏体再结晶阶段，开轧温度为1250℃，单道次压下量为30%，晾钢厚度为220mm，终轧温度为980℃，累计压下率为50%。第二阶段为奥氏体未再结晶阶段，开轧温度950℃，单道次压下量为25%，累计压下率为30%，终轧温度为930℃，轧制后得到半成品钢板；轧后ACC水冷至室温。
（6）热处理工序：采用正火工艺；正火温度为920℃，保温时间2.35min/mm。
本实施例钢板的性能指标见表2。
实施例2
本实施例特厚低合金高强海洋平台用钢板，厚度为200mm，钢板化学成分组成及其质量百分含量见表1。
本实施例特厚低合金高强海洋平台用钢板的生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制和热处理工序；具体工艺步骤如下所述：
（1）冶炼工序：钢水先经初炼炉冶炼，出钢温度1626℃，扒渣处理后进行LF炉精炼，完成Mn、Ni、Nb合金化，大包温度1618℃时吊包VD炉真空处理，精炼过程中向钢液中喂入铝线1.6kg/t钢、Si-Ca线5.1kg/t钢，完成Ti合金化，实现易氧化元素Al、Ti的精确控制同时提高钢水纯净度尤其是降低钙酸盐类夹杂物，真空处理时真空度60Pa，真空保持时间21min；
（2）浇铸工序：将冶炼后的钢水进行浇铸，得到扁钢锭，采用保温剂改善钢锭内部凝固质量。
（3）钢锭清理工序，将扁钢锭热送至轧钢，带温清理，温度205℃，清理后及时装炉。
（4）加热工序，扁钢锭在均热炉中进行加热，将清理后的扁钢锭入炉焖钢70min,低速缓慢升温，1000℃以下升温速度为115℃/h，1000℃以上升温速度不限，当温度升高至最高加热温度1250℃时开始保温，根据钢锭锭型保温17h，确保扁钢锭透烧。
（5）轧制工序，采用二阶段轧制工艺，第一阶段为奥氏体再结晶阶段，开轧温度为1200℃，单道次压下量为30%，晾钢厚度为280mm，终轧温度为970℃，累计压下率为50%。第二阶段为奥氏体未再结晶阶段，开轧温度945℃，单道次压下量为28%，累计压下率为43%，终轧温度为925℃，轧制后得到半成品钢板；轧后ACC水冷至室温。
（6）热处理工序：采用正火工艺；正火温度为900℃，保温时间2.4min/mm。
本实施例钢板的性能指标见表2。
实施例3
本实施例特厚低合金高强海洋平台用钢板，厚度为180mm，钢板化学成分组成及其质量百分含量见表1。
本实施例特厚低合金高强海洋平台用钢板的生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制和热处理工序；具体工艺步骤如下所述：
（1）冶炼工序：钢水先经初炼炉冶炼，出钢温度1638℃，扒渣处理后进行LF炉精炼，完成Mn、Ni、Nb合金化，大包温度1600℃时吊包VD炉真空处理，精炼过程中向钢液中喂入铝线1.6kg/t钢、Si-Ca线5.3kg/t钢，完成Ti合金化，实现易氧化元素Al、Ti的精确控制同时提高钢水纯净度尤其是降低钙酸盐类夹杂物，真空处理时真空度50Pa，真空保持时间21min；
（2）浇铸工序：将冶炼后的钢水进行浇铸，得到扁钢锭，采用保温剂改善钢锭内部凝固质量。
（3）钢锭清理工序，将扁钢锭热送至轧钢，带温清理，温度210℃，清理后及时装炉。
（4）加热工序，扁钢锭在均热炉中进行加热，将清理后的扁钢锭入炉焖钢90min,低速缓慢升温，1000℃以下升温速度为100℃/h，1000℃以上升温速度不限，当温度升高至最高加热温度1250℃时开始保温，根据钢锭锭型保温18h，确保扁钢锭透烧。
（5）轧制工序，采用二阶段轧制工艺，第一阶段为奥氏体再结晶阶段，开轧温度为1240℃，单道次压下量为30%，晾钢厚度为250mm，终轧温度为970℃，累计压下率为48%。第二阶段为奥氏体未再结晶阶段，开轧温度948℃，单道次压下量为26%，累计压下率为38%，终轧温度为928℃，轧制后得到半成品钢板；轧后ACC水冷至室温。
（6）热处理工序：采用正火工艺；正火温度为910℃，保温时间2.3min/mm。
本实施例钢板的性能指标见表2。
实施例4
本实施例特厚低合金高强海洋平台用钢板，厚度为170mm，钢板化学成分组成及其质量百分含量见表1。
本实施例特厚低合金高强海洋平台用钢板的生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制和热处理工序；具体工艺步骤如下所述：
（1）冶炼工序：钢水先经初炼炉冶炼，出钢温度1648℃，扒渣处理后进行LF炉精炼，完成Mn、Ni、Nb合金化，大包温度1612℃时吊包VD炉真空处理，精炼过程中向钢液中喂入铝线1.55kg/t钢、Si-Ca线5.4kg/t钢，完成Ti合金化，实现易氧化元素Al、Ti的精确控制同时提高钢水纯净度尤其是降低钙酸盐类夹杂物，真空处理时真空度30Pa，真空保持时间20min；
（2）浇铸工序：将冶炼后的钢水进行浇铸，得到扁钢锭，采用保温剂改善钢锭内部凝固质量。
（3）钢锭清理工序，将扁钢锭热送至轧钢，带温清理，温度200℃，清理后及时装炉。
（4）加热工序，扁钢锭在均热炉中进行加热，将清理后的扁钢锭入炉焖钢70min,低速缓慢升温，1000℃以下升温速度为120℃/h，1000℃以上升温速度不限，当温度升高至最高加热温度1230℃时开始保温，根据钢锭锭型保温17.5h，确保扁钢锭透烧。
（5）轧制工序，采用二阶段轧制工艺，第一阶段为奥氏体再结晶阶段，开轧温度为1180℃，单道次压下量为30%，晾钢厚度为240mm，终轧温度为965℃，累计压下率为45%。第二阶段为奥氏体未再结晶阶段，开轧温度935℃，单道次压下量为25%，累计压下率为48%，终轧温度为910℃，轧制后得到半成品钢板；轧后ACC水冷至室温。
（6）热处理工序：采用正火工艺；正火温度为920℃，保温时间2.2min/mm。
本实施例钢板的性能指标见表2。
实施例5
本实施例特厚低合金高强海洋平台用钢板，厚度为190mm，钢板化学成分组成及其质量百分含量见表1。
本实施例特厚低合金高强海洋平台用钢板的生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制和热处理工序；具体工艺步骤如下所述：
（1）冶炼工序：钢水先经初炼炉冶炼，出钢温度1635℃，扒渣处理后进行LF炉精炼，完成Mn、Ni、Nb合金化，大包温度1610℃时吊包VD炉真空处理，精炼过程中向钢液中喂入铝线2.0kg/t钢、Si-Ca线5.2kg/t钢，完成Ti合金化，实现易氧化元素Al、Ti的精确控制同时提高钢水纯净度尤其是降低钙酸盐类夹杂物，真空处理时真空度30Pa，真空保持时间21min；
（2）浇铸工序：将冶炼后的钢水进行浇铸，得到扁钢锭，采用保温剂改善钢锭内部凝固质量。
（3）钢锭清理工序，将扁钢锭热送至轧钢，带温清理，温度210℃，清理后及时装炉。
（4）加热工序，扁钢锭在均热炉中进行加热，将清理后的扁钢锭入炉焖钢65min,低速缓慢升温，1000℃以下升温速度为110℃/h，1000℃以上升温速度不限，当温度升高至最高加热温度1260℃时开始保温，根据钢锭锭型保温17h，确保扁钢锭透烧。
（5）轧制工序，采用二阶段轧制工艺，第一阶段为奥氏体再结晶阶段，开轧温度为1250℃，单道次压下量为30%，晾钢厚度为250mm，终轧温度为980℃，累计压下率为50%。第二阶段为奥氏体未再结晶阶段，开轧温度950℃，单道次压下量为30%，累计压下率为45%，终轧温度为930℃，轧制后得到半成品钢板；轧后ACC水冷至室温。
（6）热处理工序：采用正火工艺；正火温度为915℃，保温时间2.5min/mm。
本实施例钢板的性能指标见表2。
实施例6
本实施例特厚低合金高强海洋平台用钢板，厚度为180mm，钢板化学成分组成及其质量百分含量见表1。
本实施例特厚低合金高强海洋平台用钢板的生产方法包括冶炼、连铸、加热、轧制和热处理工序；具体工艺步骤如下所述：
（1）冶炼工序：钢水先经初炼炉冶炼，出钢温度1610℃，扒渣处理后进行LF炉精炼，完成Mn、Ni、Nb合金化，大包温度1620℃时吊包VD炉真空处理，精炼过程中向钢液中喂入铝线1.8kg/t钢、Si-Ca线5.5kg/t钢，完成Ti合金化，实现易氧化元素Al、Ti的精确控制同时提高钢水纯净度尤其是降低钙酸盐类夹杂物，真空处理时真空度66Pa，真空保持时间20min；
（2）浇铸工序：将冶炼后的钢水进行浇铸，得到扁钢锭，采用保温剂改善钢锭内部凝固质量。
（3）钢锭清理工序，将扁钢锭热送至轧钢，带温清理，温度200℃，清理后及时装炉。
（4）加热工序，扁钢锭在均热炉中进行加热，将清理后的扁钢锭入炉焖钢65min,低速缓慢升温，1000℃以下升温速度为120℃/h，1000℃以上升温速度不限，当温度升高至最高加热温度1220℃时开始保温，根据钢锭锭型保温18.5h，确保扁钢锭透烧。
（5）轧制工序，采用二阶段轧制工艺，第一阶段为奥氏体再结晶阶段，开轧温度为1150℃，单道次压下量为30%，晾钢厚度为270mm，终轧温度为968℃，累计压下率为45%。第二阶段为奥氏体未再结晶阶段，开轧温度949℃，单道次压下量为25%，累计压下率为43%，终轧温度为900℃，轧制后得到半成品钢板；轧后ACC水冷至室温。
（6）热处理工序：采用正火工艺；正火温度为920℃，保温时间2.0min/mm。
本实施例钢板的性能指标见表2。
表1 各实施例钢板的化学成分组成及其质量百分含量(%)
Figure DEST_PATH_IMAGE002
注：表1中成分余量为Fe和不可避免的杂质。
表2 各实施例钢板的性能指标
Figure DEST_PATH_IMAGE004
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述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：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种特厚低合金高强海洋平台用钢板，其特征在于，所述钢板化学成分组成及其质量百分含量为C：0.09～0.13%，Si：0.20～0.40%，Mn：1.45～1.62%，Ni：0.30～0.50%，Al：0.020～0.050%，Ti：0.010-0.020%，Nb：0.020～0.035%，P≤0.010%，S≤0.003%，Ceq≤0.43%，Pcm≤0.22%，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种特厚低合金高强海洋平台用钢板，其特征在于，所述钢板厚度为150mm-200mm。
3.根据权利要求1所述的一种特厚低合金高强海洋平台用钢板，其特征在于，所述钢板屈服强度≥320MPa，抗拉强度490MPa-630MPa，延伸率A≥22%，板厚1/4处-40℃横向冲击韧性平均≥100J，5%/7.5%变形量150℃/250℃保温1h条件下，板厚1/4处-40℃横向时效冲击韧性平均≥80J，应变时效敏感性≤40%。
4.基于权利要求1-3任意一项所述的特厚低合金高强海洋平台用钢板的生产方法，其特征在于，包括冶炼、连铸、加热、轧制和热处理工序。
5.根据权利要求4所述的特厚低合金高强海洋平台用钢板的生产方法，其特征在于，所述冶炼工序，钢水先经初炼炉冶炼，出钢温度1610～1650℃，扒渣处理后进行LF炉精炼，完成Mn、Ni、Nb合金化，大包温度≤1620℃时吊包VD炉真空处理，精炼过程中向钢液中喂入铝线1.5kg/t钢-2.0kg/t钢、Si-Ca线5.0kg/t钢-5.5kg/t钢和Ti合金化，实现易氧化元素Al、Ti的精确控制同时提高钢水纯净度尤其是降低钙酸盐类夹杂物，真空处理时真空度≤66Pa，真空保持时间≥20min。
6.根据权利要求4所述的特厚低合金高强海洋平台用钢板的生产方法，其特征在于：所述生产方法还包括钢锭清理工序，将扁钢锭热送至轧钢，带温清理，温度不低于150℃，清理后及时装炉。
7.根据权利要求4所述的特厚低合金高强海洋平台用钢板的生产方法，其特征在于，所述加热工序，扁钢锭在均热炉中进行加热，将清理后的扁钢锭入炉焖钢60min-90min,低速缓慢升温，1000℃以下升温速度为100℃/h-120℃/h，1000℃以上升温速度不限，当温度升高至最高加热温度1220℃-1260℃时开始保温，根据钢锭锭型保温16h-20h，确保扁钢锭透烧。
8.根据权利要求4所述的特厚低合金高强海洋平台用钢板的生产方法，其特征在于，所述轧制工序，采用二阶段轧制工艺，第一阶段为奥氏体再结晶阶段，开轧温度为1150～1250℃，单道次压下量为30%～35%，晾钢厚度为钢板厚度+60mm-80mm，终轧温度为960℃-980℃，累计压下率为30～50%。
9.根据权利要求4所述的特厚低合金高强海洋平台用钢板的生产方法，其特征在于，所述轧制工序，采用二阶段轧制工艺，第二阶段为奥氏体未再结晶阶段，开轧温度≤950℃，单道次压下量为25%～30%，累计压下率为30%～50%，终轧温度为900℃～930℃，轧制后得到半成品钢板；轧后ACC水冷至室温。
10.根据权利要求4所述的特厚低合金高强海洋平台用钢板的生产方法，其特征在于，所述热处理工序，采用正火工艺，正火温度为900℃～920℃，保温时间2.0 min/mm～2.5min/mm。
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