CN116219318A - 一种低屈强比超低温韧性特厚海工钢板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低屈强比超低温韧性特厚海工钢板及其制造方法，该钢板的成分按重量百分比计如下：C：0.04％～0.07％，Si：0.05％～0.15％，Mn：0.3％～0.5％，P≤0.02％，S≤0.01％，Als：0.01％～0.03％，Ni：1.5％～3.1％，Cr：0.02％～0.15％，Nb：0.045％～0.06％，其余为Fe和不可避免的杂质。制造方法包括冶炼、浇铸、加热、轧制；应用本发明生产的钢板屈服强度≥550MPa，抗拉强度640～820MPa，延伸率≥18％，‑80℃夏比冲击功≥80J，屈强比≤0.84。
Description
技术领域
本发明属于金属材料领域，尤其涉及一种低屈强比超低温韧性特厚海工钢板及其制造方法。
背景技术
21世纪是海洋的世纪，随着科技的发展、人民生活水平的提高，世界各国都将目光聚焦在海洋中蕴藏的巨大资源上。近年来海工装备产业持续快速发展促进了海工用钢的大量需求和产品的升级换代，市场迫切需要综合性能良好的高强度特厚超低温韧性海工钢板。
随着常规可开采油气能源逐渐枯竭，北极地区丰富的能源储量受到越来越多关注。美国地质勘探局完成的调查显示北极圈内石油、天然气和液化天然气储量分别达到900亿桶、47万亿立方米和440亿桶，约占全世界未探明能源总量的22％。同时，全球温室效应使北极升温加剧，海冰覆盖面积持续快速减少，越来越有利于资源开发与船舶航行。近年来俄罗斯和北欧国家明显加快了北极的油气勘探与开发。北极地区能源和贸易航线潜力受到越来越越多关注，促进了大型高技术极地海工装备的需求与发展，对满足极地服役条件的极地船舶海工用超低温钢提出了更高的要求，具有优异低温韧性和易焊接性的高强度级别极地低温海工钢是发展趋势。
海洋工程平台服役环境恶劣，除常规受力外，还要考虑大风、浪涌、潮汐、冰块撞击、地震等多种因素影响，这就决定了海洋平台用钢的特殊性，在平台建造的选材方面必须能适应各种海况条件。同时，钢板长期处于潮湿、高盐度的海洋环境中，受到潮湿空气、海水、海洋生物附着而造成漆膜脱落、钢板表面腐蚀、腐蚀疲劳等问题，降低钢板的力学性能，缩短使用寿命，严重影响海洋工程平台的正常使用。另外，海洋平台远离海岸，不能像船舶那样定期进坞维修、保养。为了能够让海洋工程平台能够在极地等极寒复杂环境下安全使用，急需开发出一种综合性能优良的高品质海洋工程用超高强钢，这种海洋工程用高强钢板必须具有高强度、超低温韧性、抗疲劳、易焊接、耐海洋环境腐蚀、耐海洋生物附着等优点。
目前，海洋工程用钢已能满足海工领域市场的大部分需求，但更低韧脆转变温度的综合性能优良的特殊钢材仍是世界各国的发展的目标，高服役安全性的高强钢板其科研问题难度高，生产工艺严格，对设备要求高，开发难度大。
公开号为CN107604255B的专利《一种高探伤质量的9Ni船用低温容器钢板及其制造方法》提出了一种高Ni含量低温钢板，该发明选择低C低Mn高Ni的合金体系，而且只采用了常规的控轧控冷加调质工艺，生产成本较高且焊接难度较高，该成分和工艺无法生产100mm超低温韧性钢板。公开号为CN107937824B的专利《一种用于超低温环境的节镍型7Ni钢及其热处理工艺》提出了一种超高强度低温环境用钢，采用低Mn+高Ni合金成分设计，热轧+调质生产工艺，只能生产厚度10～20mm低温钢板。公开号为CN111433383A的专利《冲击韧性优秀的低温钢及其制造方法》提出了一种冲击韧性优良的低温钢板，其化学成分中同样采用高Ni、Cr、Mo元素，配合多次调质处理，生产成本过高且焊接难度较大。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种力学性能、高服役安全性能可以达到海洋工程设备服役条件的低屈强比超低温韧性特厚海工钢板及其制造方法。
本发明目的是这样实现的：
针对-60～-80℃极寒海洋环境对高强海工钢的成分性能要求，利用C、Mn、Ni、Cr与微合金Nb元素相配合的成分设计和耐极寒环境超低温韧性海工钢板关键生产技术。
一种低屈强比超低温韧性特厚海工钢板，该钢板的成分按重量百分比计如下：C：0.04％～0.07％，Si：0.05％～0.15％，Mn：0.3％～0.5％，P≤0.02％，S≤0.01％，Als：0.01％～0.03％，Ni：1.5％～3.1％，Cr：0.02％～0.15％，Nb：0.045％～0.06％,其余为Fe和不可避免的杂质。
钢板组织为贝氏体，有效晶粒尺寸为10～30μm。
当Si+Mn含量≤0.65％时，Ni/(Cr+Nb)含量比值为7～31。
所述钢板屈服强度≥550MPa，抗拉强度640～820MPa，延伸率≥18％，-80℃夏比冲击功≥80J，屈强比≤0.84。
本发明成分设计理由如下：
C元素可以提高钢板屈服和抗拉强度，C含量过低是会导致C固溶含量和碳化物含量降低，晶粒细化作用较低，钢板强度不足。C含量过高将产生大量淬硬组织，增加钢板的冷脆性，过高的C元素会提高钢板屈强比，所以应精确控制C元素在钢中含量。C含量为0.04％～0.07％。
Si在炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂，可以减少钢中的O含量，提高坯料纯净度，同时Si元素还可以提高钢板的强度。Si含量低于0.05％时脱氧效果不明显，Si含量大于0.15％时，钢中形成大量硬相，提高钢板弹性极限、屈服强度，降低钢板低温条件下裂纹敏感性，从而导致高合金体系钢板的屈强比提高、韧塑性降低，焊接性能恶化。本发明Si含量为0.05％～0.15％。
Mn元素可以提高钢板强度，但是Mn元素在大厚度铸坯凝固过程中回造成芯部偏析，特厚钢板芯部Mn元素的聚集和夹杂物的集中相互影响，会严重降低钢板的低温冲击韧性。Mn元素少量提高对钢板屈强比影响较小，但大厚度钢板偏析明显加重，本发明选择较少含量的Mn元素，Mn含量为0.3％～0.5％。
P、S元素对钢板的力学性能特别是延伸率没有益处，应控制P≤0.02％，S≤0.01％。
Al是钢中主要的脱氧元素，当Al含量过低时脱氧效果不佳，钢中加入一定含量的Al可以细化晶粒，提高钢板低温冲击韧性；但是Al元素过高则形成大型夹杂物，Als含量为0.01％～0.03％。
Ni的作用是改善钢板强度和韧性，降低钢板屈强比。钢中Si、Mn等提高强度的元素较少时，Ni元素配合Cr、Nb元素可以保证钢板有较高的强韧性，单独加入Cr、Nb元素可以提高钢板强度硬度，同时钢中加入大量Ni元素可以降低钢的韧脆转变温度，提高钢的低温韧性，达到550MPa级钢板良好的强韧性匹配。钢中加入大量Ni元素，配合两次轧制工艺还可以有效降低钢板屈强比，Ni元素在钢中以固溶强化的方式提高钢的强度韧性，配合轧制得到的细小均匀贝氏体组织，可以有效改善钢板受力均匀变形，提高钢板抗拉强度，从而显著降低屈强比。因此本发明Ni含量为1.5％～3.1％，当Si+Mn含量≤0.65％时，Ni/(Cr+Nb)含量比值为7～31。
Cr元素在钢中可以有效的提高钢板强度；但是Cr含量过高会提高钢板的韧脆转变温度，本发明Cr含量为0.02％～0.15％。
Nb是本发明的重要添加元素。Nb在钢中和C、N元素有极强的结合力，形成稳定的CN化物，细小且稳定的Nb(CN)弥散分布在奥氏体晶界上，可阻碍钢在加热时奥氏体晶粒长大；Nb能够有效地延迟变形奥氏体的再结晶，降低钢的过热敏感性，提高奥氏体再结晶温度，细化晶粒，改善强度和韧性，同时Nb元素细化晶粒、降低钢板脆性还可以提高钢的抗H致断裂能力。在本发明中Nb含量为0.045％～0.06％。
本发明技术方案之二是提供一种低屈强比超低温韧性特厚海工钢板的制造方法，冶炼—浇铸—加热—轧制；
冶炼：
将钢水通过转炉、LF炉、RH或VD炉进行精炼，进一步降低P、S和非金属夹杂物含量。
浇铸：
全程保护浇铸，中包钢水过热度20～25℃。模铸或连铸，连铸坯拉坯速率≤1.0m/min，钢坯下线缓冷≥72h。
加热：
将铸坯在炉温700～800℃装入加热炉保温90～150min，目的是使钢坯在低温阶段保持厚度方向温度一致，为高温段组织均匀做好准备。均热温度1250～1350℃加热总时间5～10小时，均热保温工艺的目的是在保证高合金成分坯料充分均质化的同时，避免铸态组织异常长大。
轧制：分两次轧制；
第一次轧制开轧温度为1230～1330℃，前三道次平均压下率为10～15％，中间坯厚度与成品厚度比为2～3倍。
中间坯以3.5～6℃/s的冷却速率快速冷却至100℃以下。
第一次轧制的目的是采用大压下量轧制破碎铸态组织，轧制至目标厚度后，为了避免中间坯在1150℃以上长时间待温导致中间坯内部晶粒重新再结晶长大，需要将中间坯快速冷却至100℃以下低温段。
第二次轧制加热温度为1000～1150℃，加热总时间为8～10小时，第二次开轧温度为980～1130℃，平均道次压下率为5～15％，终轧温度为850～950℃，堆垛缓冷48小时以上。
第二次轧制采用低温烧钢，避免中间坯组织异常长大，1000～1150℃低温段加热总时间8～10小时可以保证中间坯均匀受热。轧制过程中采用均匀受热的中间坯可以避免低温大压下量轧制造成的钢板板型问题。精轧阶段道次平均压下率对晶粒细化和增加位错缠结最为重要。
本发明的有益效果在于：
(1)结合低C、低Mn、高Ni与Cr、Nb元素相配合的成分设计和大厚度超低温海工钢板关键生产技术，可以通过两火轧制生产最大厚度100mm超高强度钢板。
(2)本发明创新的合金成分体系和创新的轧制工艺可以保证钢板的屈服强度≥550MPa，抗拉强度640～820MPa，延伸率≥18％，-80℃夏比冲击功≥80J，屈强比≤0.84。
附图说明
图1为本发明实施例1显微组织金相图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明。
本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行冶炼、浇铸、轧制。
轧制：分两次轧制；
第一次轧制开轧温度为1230～1330℃，前三道次平均压下率为10～15％，中间坯厚度与成品厚度比为2～3倍。中间坯以3.5～6℃/s的冷却速率快速冷却至100℃以下；
第二次轧制加热温度为1000～1150℃，加热总时间为8～10小时，第二次开轧温度为980～1130℃，平均道次压下率为5～15％，终轧温度为850～950℃，堆垛缓冷48小时以上。
进一步；浇铸：全程保护浇铸，中包钢水过热度20～25℃。
进一步；所述浇铸为连铸或模铸。
进一步；所述连铸过程中，连铸坯拉坯速率≤1.0m/min，钢坯下线缓冷≥72h。
进一步；加热：铸坯入炉炉温700～800℃，保温90～150min；均热温度1250～1350℃；加热总时间5～10小时。
本发明实施例钢的成分见表1。本发明实施例钢冶炼、浇铸、加热的主要工艺参数见表2。本发明实施例钢轧制的主要工艺参数见表3。本发明实施例钢性能见表4。
表1本发明实施例钢的成分(wt％)
| 成分 | C | Si | Mn | P | S | ALs | Ni | Cr | Nb | Si+Mn | Ni/(Cr+Nb) |
| 1 | 0.052 | 0.06 | 0.37 | 0.017 | 0.01 | 0.015 | 1.52 | 0.15 | 0.051 | 0.43 | 7.6 |
| 2 | 0.066 | 0.08 | 0.46 | 0.015 | 0.004 | 0.029 | 2.23 | 0.12 | 0.045 | 0.54 | 13.5 |
| 3 | 0.069 | 0.14 | 0.49 | 0.02 | 0.002 | 0.022 | 2.52 | 0.04 | 0.047 | 0.63 | 28.9 |
| 4 | 0.043 | 0.11 | 0.32 | 0.011 | 0.008 | 0.011 | 2.89 | 0.08 | 0.046 | 0.43 | 22.9 |
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| 7 | 0.041 | 0.12 | 0.41 | 0.016 | 0.008 | 0.026 | 1.69 | 0.03 | 0.058 | 0.53 | 19.2 |
| 8 | 0.059 | 0.13 | 0.38 | 0.017 | 0.006 | 0.013 | 2.59 | 0.06 | 0.048 | 0.51 | 23.9 |
| 9 | 0.043 | 0.08 | 0.35 | 0.013 | 0.01 | 0.027 | 1.79 | 0.13 | 0.051 | 0.43 | 9.9 |
| 10 | 0.051 | 0.05 | 0.34 | 0.012 | 0.009 | 0.028 | 1.98 | 0.14 | 0.055 | 0.39 | 10.2 |
| 11 | 0.064 | 0.15 | 0.45 | 0.02 | 0.003 | 0.021 | 2.06 | 0.13 | 0.052 | 0.6 | 11.3 |
| 12 | 0.053 | 0.13 | 0.48 | 0.014 | 0.004 | 0.013 | 2.74 | 0.04 | 0.048 | 0.61 | 31 |
| 13 | 0.042 | 0.11 | 0.33 | 0.011 | 0.005 | 0.023 | 3.04 | 0.12 | 0.046 | 0.44 | 18.3 |
| 14 | 0.049 | 0.09 | 0.31 | 0.008 | 0.008 | 0.026 | 2.88 | 0.05 | 0.053 | 0.4 | 28 |
| 15 | 0.067 | 0.06 | 0.39 | 0.013 | 0.009 | 0.019 | 1.58 | 0.02 | 0.054 | 0.45 | 21.4 |
| 16 | 0.061 | 0.07 | 0.47 | 0.016 | 0.004 | 0.018 | 1.89 | 0.07 | 0.049 | 0.54 | 15.9 |
| 17 | 0.057 | 0.12 | 0.49 | 0.011 | 0.006 | 0.023 | 3 | 0.13 | 0.058 | 0.61 | 15.9 |
| 18 | 0.054 | 0.11 | 0.42 | 0.018 | 0.007 | 0.021 | 2.86 | 0.12 | 0.057 | 0.53 | 16.2 |
| 19 | 0.046 | 0.15 | 0.36 | 0.017 | 0.003 | 0.014 | 2.53 | 0.07 | 0.047 | 0.51 | 21.6 |
| 20 | 0.044 | 0.14 | 0.39 | 0.013 | 0.004 | 0.012 | 3.08 | 0.09 | 0.053 | 0.53 | 21.5 |
表2本发明实施例钢的冶炼、浇铸、加热主要工艺参数
表3本发明实施例钢的轧制主要工艺参数
表4本发明实施例钢的性能
为了表述本发明，在上述中通过实施例对本发明恰当且充分地进行了说明，以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (9)
1.一种低屈强比超低温韧性特厚海工钢板，其特征在于，该钢板的成分按重量百分比计如下：C：0.04％～0.07％，Si：0.05％～0.15％，Mn：0.3％～0.5％，P≤0.02％，S≤0.01％，Als：0.01％～0.03％，Ni：1.5％～3.1％，Cr：0.02％～0.15％，Nb：0.045％～0.06％，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种低屈强比超低温韧性特厚海工钢板，其特征在于，所述钢板组织为贝氏体，有效晶粒尺寸为10～30μm。
3.根据权利要求1所述的一种低屈强比超低温韧性特厚海工钢板，其特征在于，当Si+Mn含量≤0.65％时，Ni/(Cr+Nb)为7～31。
4.根据权利要求1所述的一种低屈强比超低温韧性特厚海工钢板，其特征在于，所述钢板屈服强度≥550MPa，抗拉强度640～820MPa，延伸率≥18％，-80℃夏比冲击功≥80J，屈强比≤0.84。
5.一种权利要求1—4任一项所述的一种低屈强比超低温韧性特厚海工钢板的制造方法，包括冶炼、浇铸、加热、轧制；其特征在于：
轧制：分两次轧制；
第一次轧制开轧温度为1230～1330℃，前三道次平均压下率为10～15％，中间坯厚度与成品厚度比为2～3倍；中间坯以3.5～6℃/s的冷却速率快速冷却至100℃以下；
第二次轧制加热温度为1000～1150℃，加热总时间为8～10小时，第二次开轧温度为980～1130℃，平均道次压下率为5～15％，终轧温度为850～950℃，堆垛缓冷48小时以上。
6.根据权利要求5所述的一种低屈强比超低温韧性特厚海工钢板的制造方法，其特征在于：
浇铸：全程保护浇铸，中包钢水过热度20～25℃。
7.根据权利要求5所述的一种低屈强比超低温韧性特厚海工钢板的制造方法，其特征在于：所述浇铸为连铸或模铸。
8.根据权利要求7所述的一种低屈强比超低温韧性特厚海工钢板的制造方法，其特征在于：所述连铸过程中，连铸坯拉坯速率≤1.0m/min，钢坯下线缓冷≥72h。
9.根据权利要求5所述的一种低屈强比超低温韧性特厚海工钢板的制造方法，其特征在于：
加热：铸坯入炉炉温700～800℃，保温90～150min；均热温度1250～1350℃；
加热总时间5～10小时。
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