CN117701998B - 500MPa级海洋工程用钢板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种500MPa级海洋工程用钢板及其制备方法，不仅限定了钢板成分，而且转炉出钢时分阶段控制吹氩压力和亮圈直径；RH精炼在破空前定氢，而后喂入硅钙线，软搅拌时间＞12min；加热时均热段温度为1130~1160℃且在炉时间为450~570min，或均热段温度为1190~1220℃且在炉时间为320~500min；终轧温度为(965‑305[C]‑77[Mn]‑88[Mo]‑0.002t2‑0.24t)±10℃；控制冷却的冷速为(17‑0.001t2+0.002t)±1℃/s，出水温度为(350+110/(1+exp((t‑34.8)/0.39)))±20℃。
Description
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种500MPa级海洋工程用钢板及其制备方法。
背景技术
随着石油和天然气等能源的需求量快速增长，石油及天然气的开采常常发生于深海环境，而深海环境的油气开采需要具有大型化钢结构的开采平台，为了适应严苛环境下对钢材具有极高的要求，不仅要具有较高的强度、低的屈强比，而且需要具有优异的韧性和焊接性能，如断裂韧性、低温韧性，还需能经受大变形冷成型、耐高温、抗层状撕裂，从而为海洋环境下的作业提供安全保障。
发明内容
为至少解决上述技术问题之一，本申请的目的在于提供一种500MPa级海洋工程用钢板及其制备方法。
为实现上述发明目的，本发明一实施方式提供了一种500MPa级海洋工程用钢板的制备方法，其特征在于，所述钢板的化学成分以质量百分比计包括：C 0.03~0.09%，Si 0.15~0.25%，Mn 1.15~1.65%，Cr 0.13~0.30%，Ni 0.13~0.35%，Cu 0.13~0.30%，Mo 0.09~0.20%，Nb 0.02~0.04%，Ti 0.01~0.02%，Alt 0.02~0.05%，P≤0.015%，S≤0.003%，N≤0.0045%，O≤0.002%，余量为Fe和不可避免的杂质，其中，强化当量Req为0.50~0.60%，断裂韧性当量Feq为0.35~0.39%，Req=2.5C+Mn/5+Cr/7+Cu/6+Mo/4+Nb/6，Feq=0.41Mn+P-Ni；
所述制备方法包括依序进行的转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、连铸、加热、控制轧制、控制冷却工序；
所述转炉冶炼工序中，将铜块、镍板、钼铁、废钢、铁水一起装入转炉中进行冶炼；出钢过程全程吹氩，出钢开始至出钢1/4期间，吹氩压力为0.5~0.6MPa，亮圈直径为250~400mm，出钢3/4后，吹氩压力调整为0.4~0.5MPa，亮圈直径控制为200~350mm；
所述RH精炼工序中，对所述LF精炼工序所得钢液进行真空脱气和去除夹杂物处理，控制真空度＜2mBar，脱气时间≥10min；在破空前定氢，控制钢液中的H≤0.00015%；而后向钢液中喂入140±5m的硅钙线对夹杂物变性并进行软搅拌处理，硅钙线的喂线速度为2.0±0.5m/s，软搅拌时间＞12min，控制渣面波动但不裸露钢液；
所述连铸工序中，控制液渣层厚度为9~12mm，大包长水口插入钢液的深度为200~300mm，浸入式水口插入钢液的深度为120~180mm；
所述加热工序中，控制均热段温度为1130~1160℃且在炉时间为450~570min，或者，控制均热段温度为1190~1220℃且在炉时间为320~500min；
所述控制轧制工序包括先后进行的粗轧和精轧得到厚度为t的钢板，精轧的终轧温度为(965-305[C]-77[Mn]-88[Mo]-0.002t2-0.24t)±10℃；
所述控制冷却工序中，对钢板进行水冷冷却，控制钢板的冷速为(17-0.001t2+0.002t)±1℃/s，钢板的出水温度为(350+110/(1+exp((t-34.8)/0.39)))±20℃；
其中，t的单位为mm。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述钢板的化学成分以质量百分比计包括：C 0.06~0.09%，Si 0.15~0.25%，Mn 1.15~1.35%，Cr 0.20~0.30%，Ni 0.13~0.23%，Cu0.20~0.30%，Mo 0.12~0.20%，Nb 0.03~0.04%，Ti 0.01~0.02%，Alt 0.02~0.05%，P≤0.015%，S≤0.003%，N≤0.0045%，O≤0.002%，余量为Fe和不可避免的杂质，其中，强化当量Req为0.50~0.60%，断裂韧性当量Feq为0.35~0.39%。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述钢板的化学成分以质量百分比计包括：C 0.05~0.08%，Si 0.15~0.25%，Mn 1.35~1.50%，Cr 0.17~0.27%，Ni 0.20~0.30%，Cu0.17~0.27%，Mo 0.10~0.18%，Nb 0.025~0.035%，Ti 0.01~0.02%，Alt 0.02~0.05%，P≤0.013%，S≤0.003%，N≤0.0045%，O≤0.002%，余量为Fe和不可避免的杂质，其中，强化当量Req为0.50~0.60%，断裂韧性当量Feq为0.35~0.39%。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述钢板的化学成分以质量百分比计包括：C 0.03~0.06%，Si 0.15~0.25%，Mn 1.50~1.65%，Cr 0.13~0.23%，Ni 0.25~0.35%，Cu0.13~0.23%，Mo 0.09~0.17%，Nb 0.02~0.03%，Ti 0.01~0.02%，Alt 0.02~0.05%，P≤0.012%，S≤0.003%，N≤0.0045%，O≤0.002%，余量为Fe和不可避免的杂质，其中，强化当量Req为0.50~0.60%，断裂韧性当量Feq为0.35~0.39%。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述转炉冶炼工序中，转炉终渣的目标碱度为4.0，转炉冶炼终点的钢液中，C含量为0.03~0.09%、P≤0.013%、S≤0.005%，出钢温度为1640±20℃，出钢1/6时，按硅铁-金属锰-铝锭-石灰的顺序加入合金及渣料。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述LF精炼工序中，先加入低碳铬铁、FeNb，经过4~5min后加入钛铁，之后加入石灰、萤石、电石对钢液进行扩散脱氧，待炉渣发白后，继续脱氧15min以上，出站前取样检测并进行合金成分调整，待钢液的化学成分至目标范围后，保持至少5min后出钢。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述连铸工序中，结晶器的液面波动幅度在±2mm范围内，结晶器的进水温度为28~35℃，进出水温差为4~10℃，窄面水量为550±50L/min，宽面水量为3800±200L/min，连铸拉速为0.6±0.05m/min，凝固末端的总压下量为5~6mm。
为实现上述发明目的，本发明一实施方式还提供了一种500MPa级海洋工程用钢板，其采用如上所述的500MPa级海洋工程用钢板的制备方法制备而成。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述钢板的组织为针状铁素体+粒状贝氏体的复合组织，其中粒状贝氏体的占比≤5%。
作为本发明一实施方式的进一步改进，所述钢板的屈服强度≥500MPa，抗拉强度为560~715MPa，Z向抗拉强度≥535MPa，Z向拉伸断面收缩率≥65%，屈强比≤0.85，钢板沿厚度方向不同位置处的-60℃低温冲击功均≥300J，-10℃下CTOD值≥1mm；
经5%预变形、5%预变形以及在250±10℃下时效1h后，所述钢板的-60℃低温冲击功≥300J；
钢板在7~50kJ/cm热输入量下焊接，焊接接头热影响区-40℃低温冲击功≥150J，粗晶区及临界区-10℃下CTOD值≥0.8mm；焊接后，在590±10℃下热处理不超过6h后，所述钢板的屈服强度≥500MPa，抗拉强度为560~715MPa，Z向抗拉强度≥535MPa，Z向拉伸断面收缩率≥65%，屈强比≤0.85，钢板沿厚度方向不同位置处的-60℃低温冲击功均≥300J，-10℃下CTOD值≥1mm，焊接接头热影响区-40℃低温冲击功≥150J，粗晶区及临界区-10℃下CTOD值≥0.8mm。
与现有技术相比，本发明的500MPa级海洋工程用钢板及其制备方法，具有如下有益效果：
（1）通过对化学成分设计方案的优化设计，不仅可以综合调控固溶强化、细晶强化、析出强化和相变强化的比例，使最终制备的钢板具有优异的强度，而且能控制钢板的中心偏析，减少非金属夹杂物，使钢板具有优异的断裂韧性、抗层状撕裂性能、低温冲击韧性和焊接性能。
（2）通过对化学成分设计方案的优化设计，结合对生产工艺的控制，不仅取消了现有技术中的时效处理、淬火热处理、回火热处理，采用TMCP短流程工序即可完成高断裂韧性钢板的制备，无需堆垛缓冷，还简化了轧制和冷却工序，提高了轧制效率和轧制稳定性，便于轧制工艺的稳定执行；而且使得最终制备的钢板的屈服强度≥500MPa，屈强比≤0.85，钢板沿厚度方向不同位置处的-60℃低温冲击功均≥300J，-10℃下CTOD值≥1mm，而且钢板经大变形冷成型、或者大变形冷成型+长时间时效后，低温冲击韧性不降低，此外钢板的焊接性能优良，焊接后经过590±10℃下热处理，钢板的强度、低温冲击韧性、CTOD断裂韧性、Z向拉伸性能均不降低，适用于海洋平台、海上风电等海洋工程用钢领域。
附图说明
图1是本发明实施例1的钢板1/2厚度处的金相组织图；
图2是本发明实施例4的钢板1/2厚度处的金相组织图。
具体实施方式
下面结合具体的实施方式来对本发明的技术方案做进一步的介绍，但要求保护的范围不仅局限于所作的描述。
本发明一实施方式提供了一种500MPa级海洋工程用钢板的制备方法以及采用该制备方法制备而成的500MPa级海洋工程用钢板。
所述钢板的化学成分以质量百分比计包括：C 0.03~0.09%，Si 0.15~0.25%，Mn1.15~1.65%，P≤0.015%，S≤0.003%，Cr 0.13~0.30%，Ni 0.13~0.35%，Cu 0.13~0.30%，Mo0.09~0.20%，Nb 0.02~0.04%，Ti 0.01~0.02%，Alt 0.02~0.05%，N≤0.0045%，O≤0.002%，余量为Fe和不可避免的杂质，其中，强化当量Req为0.50~0.60%，断裂韧性当量Feq为0.35~0.39%，Req=2.5C+Mn/5+Cr/7+Cu/6+Mo/4+Nb/6，Feq=0.41Mn+P-Ni。
以下对化学成分中各元素及含量的作用进行展开描述。
C是钢材中最基本的强化元素，但C含量过大，钢材焊接热影响区的断裂韧性会变差，本发明中C含量限定为0.03~0.09%。
Si是钢中的强化元素和脱氧元素，但过多的Si会降低钢材的低温韧性，本发明中Si含量限定为0.15~0.25%，在不影响低温韧性的前提下，可以保证脱氧效果，并减少钢材中的氧化物夹杂。
Mn是固溶强化、细晶强化元素，可以提高钢的强度和淬透性，但是Mn又是易偏析的元素，容易形成夹杂物，过多的Mn会影响钢板的断裂韧性、抗层状撕裂性能和心部的低温冲击韧性，本发明中Mn含量限定为1.15~1.65%，不仅可以保证钢板的强度，还可以减轻偏析，避免MnS夹杂对钢板断裂韧性、抗层状撕裂性能和心部低温冲击韧性的劣化。
Cr可以降低钢的临界冷却速度，提高淬透性，提高大厚度钢板在厚度方向上组织性能的均匀性，但过多的Cr对钢板的塑性和韧性不利，本发明中Cr含量限定为0.13%~0.30%，可实现强韧性的合理匹配。
Ni是提高断裂韧性和低温韧性的有效元素，但合金成本较高，本发明中Ni含量限定为0.13~0.35%，有利于控制成本。
Cu可以提高钢板的强度、韧性和耐高温性，以保证焊后钢板的热处理性能，而且Ni与Cu搭配使用可以改变氧化层中富铜相的结构，抑制Cu向基体中渗透，避免了铜脆风险，本发明中Cu含量限定为0.13~0.30%。
Mo为强淬透性元素和细晶元素，可以提高强度和韧性，但成本较高，本发明中限定Mo含量为0.09~0.20%。
Nb具有细晶强化作用，但过多的Nb会在焊接时诱发贝氏体形成，不利于焊接接头热影响区的低温韧性，本发明中Nb含量限定为0.02~0.04%，既可以保证细晶强化效果，又避免了对焊接接头热影响区的低温韧性产生不利影响。
Ti为重要的固氮、脱氧元素，但过多的Ti易在钢板心部形成大颗粒Ti的碳氮化物，从而影响钢板的断裂韧性、心部冲击韧性和抗层状撕裂性能，本发明中Ti含量限定为0.01~0.02%。
Al为脱氧元素，但过多的Al易增加钢中的Al2O3夹杂物，从而影响钢的低温韧性，本发明中Alt含量限定为0.02~0.05%。
P、S、N、O为不可避免的杂质元素，本发明中限定P≤0.015%，S≤0.003%，N≤0.0045%，O≤0.002%。
强化当量Req=2.5C+Mn/5+Cr/7+Cu/6+Mo/4+Nb/6，通过对C、Mn、Cr、Cu、Mo、Nb元素关系及含量进行限定，可以综合调控固溶强化、细晶强化、析出强化和相变强化的比例，本发明中限定强化当量Req为0.50~0.60%，从而可使钢板具有足够的强度。
断裂韧性当量Feq=0.41Mn+P-Ni，Mn和P均为较强的中心偏析元素，会显著影响钢板的断裂韧性，Ni是提高断裂韧性的有效元素，通过控制Mn、P、Ni的元素含量关系，可精确调控合金元素的配比，一方面可以保证钢板的断裂韧性，另一方面可以避免贵金属Ni的过量添加。
综上，通过对化学成分设计方案的优化设计，不仅可以综合调控固溶强化、细晶强化、析出强化和相变强化的比例，使最终制备的钢板具有优异的强度，而且能控制钢板的中心偏析，减少非金属夹杂物，使钢板具有优异的断裂韧性、抗层状撕裂性能、低温冲击韧性和焊接性能。
作为一优选方案，所述钢板的化学成分以质量百分比计包括：C 0.06~0.09%，Si0.15~0.25%，Mn 1.15~1.35%，Cr 0.20~0.30%，Ni 0.13~0.23%，Cu 0.20~0.30%，Mo 0.12~0.20%，Nb 0.03~0.04%，Ti 0.01~0.02%，Alt 0.02~0.05%，P≤0.015%，S≤0.003%，N≤0.0045%，O≤0.002%，余量为Fe和不可避免的杂质，其中，强化当量Req为0.50~0.60%，断裂韧性当量Feq为0.35~0.39%。
作为另一优选方案，所述钢板的化学成分以质量百分比计包括：C 0.05~0.08%，Si0.15~0.25%，Mn 1.35~1.50%，Cr 0.17~0.27%，Ni 0.20~0.30%，Cu 0.17~0.27%，Mo 0.10~0.18%，Nb 0.025~0.035%，Ti 0.01~0.02%，Alt 0.02~0.05%，P≤0.013%，S≤0.003%，N≤0.0045%，O≤0.002%，余量为Fe和不可避免的杂质，其中，强化当量Req为0.50~0.60%，断裂韧性当量Feq为0.35~0.39%。
作为又一优选方案，所述钢板的化学成分以质量百分比计包括：C 0.03~0.06%，Si0.15~0.25%，Mn 1.50~1.65%，Cr 0.13~0.23%，Ni 0.25~0.35%，Cu 0.13~0.23%，Mo 0.09~0.17%，Nb 0.02~0.03%，Ti 0.01~0.02%，Alt 0.02~0.05%，P≤0.012%，S≤0.003%，N≤0.0045%，O≤0.002%，余量为Fe和不可避免的杂质，其中，强化当量Req为0.50~0.60%，断裂韧性当量Feq为0.35~0.39%。
所述制备方法包括依序进行的转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、连铸、加热、控制轧制、控制冷却工序。
下面依序对该制备方法的各个工序进行详细介绍。
（1）转炉冶炼
将铜块、镍板、钼铁、废钢、铁水一起装入转炉中进行冶炼；出钢过程全程吹氩，出钢开始至出钢1/4期间，吹氩压力为0.5~0.6MPa，亮圈直径为250~400mm，出钢3/4后，吹氩压力调整为0.4~0.5MPa，亮圈直径控制为200~350mm。通过控制出钢过程中底吹氩气的压力，可以使钢液成分和温度均匀化，从而加快化学反应。
其中，转炉的总装入量为200±2t，终渣的目标碱度优选为4.0，转炉冶炼终点的钢液中，C含量为0.03~0.09%、P≤0.013%、S≤0.005%，出钢温度为1640±20℃，出钢1/6时，按照硅铁-金属锰-铝锭-石灰的顺序加入合金及渣料。如此可以控制有害残余元素，以提高最终制备的钢板的韧性，还可以实现高效冶炼和安全生产。
（2）LF精炼
将转炉冶炼后的钢液送入LF精炼炉中进行化学成分调整、温度调控、以及夹杂物调控。
具体地，向钢液中先加入低碳铬铁、FeNb进行合金成分调整，经过4~5min后加入钛铁，之后加入石灰、萤石、电石对钢液进行扩散脱氧，待炉渣发白后，继续脱氧15min以上，出站前取样检测并进行合金成分调整，待钢液的化学成分至目标范围后，保持至少5min后出钢，也就是说，在精炼结束前至少5min禁止加入冶炼原材料和辅料。如此可以充分脱硫、脱氧并吸附夹杂物，从而提高钢板的断裂韧性、低温韧性及抗层状撕裂性能。
（3）RH精炼
采用RH循环脱气设备对LF精炼工序所得钢液进行真空脱气和去除夹杂物处理，控制真空度＜2mBar，脱气时间≥10min；在破空前定氢，控制钢液中的H≤0.00015%；而后向钢液中喂入140±5m的硅钙线对夹杂物变性并进行软搅拌处理，硅钙线的喂线速度为2.0±0.5m/s，软搅拌时间＞12min，控制渣面波动但不裸露钢液，从而使钢液中的夹杂物充分变性及上浮，以提高钢板的断裂韧性、低温韧性及抗层状撕裂性能。
可以理解的是，RH冶炼工序所得钢液的化学成分和最终制备得到的钢板的化学成分相一致，于此不再赘述。
（4）连铸
将钢水冶炼工序所得的钢水连铸成厚度为320mm的连铸坯。连铸时，控制液渣层厚度为9~12mm，大包长水口插入钢液的深度为200~300mm，浸入式水口插入钢液的深度为120~180mm，从而可使夹杂物更好地上浮分离，避免渣粉卷入。
优选地，连铸时，控制结晶器的液面波动幅度在±2mm范围内，以避免连铸坯出现表面纵裂和夹渣，进而避免成品钢板出现表面裂纹和翘皮缺陷；结晶器的进水温度为28~35℃，进出水温差为4~10℃，窄面水量为550±50L/min，宽面水量为3800±200L/min，连铸拉速为0.6±0.05m/min，凝固末端的总压下量为5~6mm，如此可以控制连铸坯的中心偏析等级优于B类1.0级，连铸坯无中心疏松，裂纹等级优于1.0级，从而可以使最终制备的钢板的中心偏析等级优于B类0.5级，提高钢板的断裂韧性及心部低温冲击韧性。
可以理解的是，连铸工序所得连铸坯的化学成分与最终制备得到的钢板的化学成分相一致，于此不再赘述。
（5）加热
对连铸坯进行加热，加热方式有两种：
a.控制均热段温度为1130~1160℃且在炉时间为450~570min；
b.控制均热段温度为1190~1220℃且在炉时间为320~500min。
通过上述两种加热方式的控制，可以确保连铸坯具有良好的粗除鳞效果，避免最终制备的钢板出现麻面、氧化铁皮压入等缺陷。
（6）控制轧制
对连铸坯先后进行粗轧和精轧，得到厚度为t的钢板，其中，精轧的终轧温度为(965-305[C]-77[Mn]-88[Mo]-0.002t2-0.24t)±10℃，t的单位为mm。
其中，[C]表示连铸坯中的C的质量百分比，[Mn]表示连铸坯中的Mn的质量百分比，[Mo]表示连铸坯中的Mo的质量百分比。
也即，基于连铸坯中C、Mn、Mo的实际质量百分比以及钢板的目标厚度，来计算得到精轧的终轧温度。在具体实施时，可在加热工序之前对连铸坯取样，检测连铸坯中化学成分含量，包括C的实际质量百分比[C]、Mn的实际质量百分比[Mn]、Mo的实际质量百分比[Mo]，而后根据前述公式计算得到精轧的终轧温度，再确定控制轧制工序中的温度控制方案。
如此，基于连铸坯的化学成分的实际含量和钢板的目标厚度来确定精轧的终轧温度，进而建立了化学成分的实际含量、钢板的目标厚度与精轧的终轧温度的匹配关系，使得控制轧制工序中温度的控制范围更合理，可以更好地使钢板的轧态组织充分细化，进一步提高钢板的低温韧性、焊接性能和大变形冷成型性。
当然，采用上述公式计算得到精轧的终轧温度仅为本发明一优选的方案，本发明中精轧的终轧温度的确定方式并非局限于此，如在变化实施方式中，也可以基于经验所得或其它方式获得。
（7）控制冷却
对钢板进行水冷冷却，具体可采用多功能间歇式冷却系统进行水冷冷却，并控制钢板的冷速为(17-0.001t2+0.002t)±1℃/s，钢板的出水温度为(350+110/(1+exp((t-34.8)/0.39)))±20℃。
如此，基于要制备的钢板的目标厚度来确定水冷冷却时的冷速和出水温度，进而建立了钢板厚度与冷速、出水温度的匹配关系，使得控制冷却工序中冷却过程的控制更合理，进一步控制钢板的组织，合理匹配钢板的强韧性。
当然，采用上述公式计算得到精轧的终轧温度、水冷冷却时的冷速和出水温度仅为本发明一优选的方案，本发明中这些参数的确定方式并非局限于此，如在变化实施方式中，也可以基于经验所得或其它方式获得。
对所得钢板进行组织和性能检测，所得钢板的组织为针状铁素体+粒状贝氏体的复合组织，其中粒状贝氏体的占比≤5%；所得钢板的中心偏析等级优于B类0.5级，这样钢板在焊接后热影响区的CTOD值不会因为中心偏析而劣化；所得钢板的屈服强度≥500MPa，抗拉强度为560~715MPa，Z向抗拉强度≥535MPa，Z向拉伸断面收缩率≥65%，屈强比≤0.85，钢板沿厚度方向不同位置处的-60℃低温冲击功均≥300J，-10℃下CTOD值≥1mm。
进一步地，钢板经5%预变形处理、或者经5%预变形以及(250±10)℃下时效1h后，所述钢板的-60℃低温冲击功≥300J。也就是说，钢板经大变形冷成型、或者大变形冷成型+长时间时效后，低温冲击韧性不降低。
将钢板在7~50kJ/cm热输入量下焊接，焊接接头热影响区-40℃低温冲击功≥150J，粗晶区及临界区-10℃下CTOD值≥0.8mm；焊接后，在590±10℃下热处理不超过6h后，所述钢板的屈服强度≥500MPa，抗拉强度为560~715MPa，Z向抗拉强度≥535MPa，Z向拉伸断面收缩率≥65%，屈强比≤0.85，钢板沿厚度方向不同位置处的-60℃低温冲击功均≥300J，-10℃下CTOD值≥1mm，焊接接头热影响区-40℃低温冲击功≥150J，粗晶区及临界区-10℃下CTOD值≥0.8mm。也即，焊接后经过590±10℃下热处理不超过6h，钢板的强度、低温冲击韧性、CTOD断裂韧性、Z向拉伸性能均不降低。
也就是说，通过对化学成分设计方案的优化设计，结合对生产工艺的控制，不仅取消了现有技术中的时效处理、淬火热处理、回火热处理，采用TMCP短流程工序即可完成高断裂韧性钢板的制备，无需堆垛缓冷，还简化了轧制和冷却工序，提高了轧制效率和轧制稳定性，便于轧制工艺的稳定执行；而且使得最终制备的钢板的屈服强度≥500MPa，屈强比≤0.85，钢板沿厚度方向不同位置处的-60℃低温冲击功均≥300J，-10℃下CTOD值≥1mm，而且钢板经大变形冷成型、或者大变形冷成型+长时间时效后，低温冲击韧性不降低，此外钢板的焊接性能优良，焊接后经过590±10℃下热处理，钢板的强度、低温冲击韧性、CTOD断裂韧性、Z向拉伸性能均不降低，适用于海洋平台、海上风电等海洋工程用钢领域。
为使本发明一实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合依照本发明一实施方式的实施例1~4，来进一步说明本实施方式。显然，所描述的实施例1~4仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。在前述实施方式的基础上进行的其它实施例，未脱离本发明的技艺宗旨。
具体地，实施例1~4均提供了一种500MPa级海洋工程用钢板的制备方法以及采用该制备方法制备得到的500MPa级海洋工程用钢板，其化学成分如表1所示，其余为Fe以及不可避免的杂质。
表1
实施例1~4的500MPa级海洋工程用钢板的制备方法具体如下。
（1）转炉冶炼
将铜块、镍板、钼铁、废钢、铁水一起装入转炉中进行冶炼；出钢过程全程吹氩，出钢开始至出钢1/4期间，吹氩压力为0.5~0.6MPa，亮圈直径为250~400mm，出钢3/4后，吹氩压力调整为0.4~0.5MPa，亮圈直径控制为200~350mm。
其中，转炉的总装入量为200±2t，终渣的目标碱度为4.0，转炉冶炼终点的钢液中C、P、S含量参表2所示，出钢温度为1640±20℃。出钢1/6时，按照硅铁-金属锰-铝锭-石灰的顺序加入合金及渣料。
（2）LF精炼
将转炉冶炼后的钢液送入LF精炼炉中进行化学成分调整、温度调控、以及夹杂物调控。向钢液中先加入低碳铬铁、FeNb进行合金成分调整，经过4~5min后加入钛铁，之后加入石灰、萤石、电石对钢液进行扩散脱氧，待炉渣发白后，继续脱氧，脱氧时间参表2所示；出站前取样检测并进行合金成分调整，待钢液的化学成分至目标范围后，保持至少5min后出钢。
（3）RH精炼
采用RH循环脱气设备对LF精炼工序所得钢液进行真空脱气和去除夹杂物处理，控制真空度＜2mBar，脱气时间≥10min；在破空前定氢，控制钢液中的H≤0.00015%；而后向钢液中喂入140±5m的硅钙线对夹杂物变性并进行软搅拌处理，硅钙线的喂线速度为2.0±0.5m/s，软搅拌时间参表2所示，控制渣面波动但不裸露钢水。
表2
（4）连铸
将钢水冶炼工序所得的钢水连铸成厚度为320mm的连铸坯，连铸坯的化学成分如表1所示。连铸时，控制液渣层厚度为9~12mm，大包长水口插入钢液的深度为200~300mm，浸入式水口插入钢液的深度为120~180mm；控制结晶器的液面波动幅度在±2mm范围内，结晶器的进水温度为28~35℃，进出水温差为4~10℃，窄面水量为550±50L/min，宽面水量为3800±200L/min，连铸拉速为0.6±0.05m/min，凝固末端的总压下量为5~6mm。
对实施例1~4的连铸坯按照GB/T 226-2015进行取样检测及冷酸腐蚀，试样方向为横向，按照YB/T 4003-2016进行连铸坯低倍组织缺陷评级。
经检测，实施例1~4的连铸坯的中心偏析等级均优于B类1.0级，连铸坯均无中心疏松，裂纹等级均优于1.0级。
（5）加热
对连铸坯进行加热，均热段温度、在炉时间参表3所示。
（6）控制轧制
对连铸坯首先经过粗轧得到中间坯，再经过精轧轧制成厚度为t的钢板，钢板的厚度t、精轧的终轧温度参表3所示。
（7）控制冷却
采用多功能间歇式冷却系统对钢板进行水冷冷却，钢板的冷却速度、出水温度参表3所示。
表3
对实施例1~4的钢板，按照相同的测试方法进行取样并进行金相组织检测、中心偏析测试、力学性能检测和焊接性能测试，具体的测试方法和检测结果如下：
（1）金相组织方面
分别从钢板头部取15×15cm的试样，沿轧制方向制成金相样品，经机械磨抛、硝酸酒精侵蚀后，放入金相显微镜下进行组织观察，测得实施例1~4的钢板的组织及各组织相的占比分别如表4所示，实施例1、4的钢板1/2厚度处的金相组织图片分别如图1和图2所示。
表4
（2）中心偏析方面
参照GB/T 226-2015对实施例1~12的钢板进行取样检测及冷酸腐蚀，试样方向为横向，并按照YB/T 4003-2016进行低倍组织缺陷评级。
测得实施例1~4的钢板的中心偏析等级均为A类1.0级。
（3）力学性能方面
参照GB/T228.1-2021标准对上述实施例钢板的拉伸性能进行测试，参照GB/T5313-2010标准对上述实施例钢板的Z向拉伸性能进行测试，测试结果参表5所示；
参照标准ISO 12135:2021，采用三点弯曲试验对钢板的-10℃下的裂纹尖端张开位移CTOD特征值进行测试，测试结果参表5所示。
其中，16mm及以下厚度的钢板的Z向拉伸性能通常较好，且试样不好加工，故不需要检测Z向拉伸性能；薄规格钢板的CTOD特征值和焊接性能通常较优，因此CTOD特征值测试和焊接性能测试仅对大厚度钢板进行。
表5
（4）冲击性能方面
参照GB/T 229-2020对各实施例钢板进行-60℃冲击性能测试，钢板近表面和1/2厚度处的-60℃低温冲击功如表6所示。
参照GB/T 4160-2004对各实施例钢板进行应变时效处理，将各实施例钢板分别进行5%预变形处理、5%预变形以及在250±10℃下时效1h处理，之后进行-60℃冲击性能测试，得到钢板的-60℃低温冲击功如表6所示。
表6
由表5~6可知，钢板的屈强比≤0.85，厚度方向不同位置处的-60℃低温冲击功均≥300J，Z向拉伸断面收缩率≥65%，-10℃下CTOD值≥1mm。进一步地，钢板经5%预变形处理、或者经5%预变形以及(250±10)℃下时效1h后，钢板的低温冲击韧性不降低，即钢板经大变形冷成型、或者大变形冷成型+长时间时效后，低温冲击韧性不降低。
进一步地，对实施例4的钢板分别进行7kJ/cm热输入量下的气保焊和50kJ/cm热输入量下的埋弧焊焊接，之后进行性能测试，具体如下。
（1）参照GB/T 2650-2008对焊接后冷却至室温的焊接接头进行冲击性能测试，得到焊接接头热影响区近表面和1/2厚度处的-40℃低温冲击性能检测结果如表7所示，其中检测了冲击缺口位置分别于熔合线FL处、熔合线外2mm(也即FL+2)处、熔合线外5mm(也即FL+5)处的-40℃低温冲击功kV2，每个检测位置示出了三个取样检测结果。
表7
（2）参照标准ISO 15653：2018，采用三点弯曲试验检测焊接接头的-10℃的裂纹尖端张开位移CTOD特征值，缺口位置分别位于焊接热影响区粗晶区(也即GCHAZ)、临界区(也即SCHAZ/ICHAZ交界区)，每个检测位置示出了三个取样检测结果，检测结果如表8所示。
表8
由表7~8可知，将钢板在7~35kJ/cm热输入量下焊接，焊接接头热影响区的-40℃低温冲击功≥150J，粗晶区及临界区-10℃下CTOD值≥0.8mm。
进一步对焊接后的钢板进行焊后热处理，热处理温度为590℃，热处理时间为6h，之后进行性能测试，具体如下。
（1）力学性能方面
参照GB/T228.1-2021标准对经焊后热处理的钢板的拉伸性能进行测试，参照GB/T5313-2010标准对经焊后热处理钢板的Z向拉伸性能进行测试，测试结果参表9所示；
参照标准ISO 12135:2021，采用三点弯曲试验对经焊后热处理钢板的-10℃下的裂纹尖端张开位移CTOD特征值进行测试，测试结果参表9所示。
表9
（2）冲击性能方面
参照GB/T 229-2020对经焊后热处理钢板进行-60℃冲击性能测试，钢板近表面和1/2厚度处的-60℃低温冲击功如表10所示。
参照GB/T 4160-2004对经焊后热处理钢板进行应变时效处理，分别进行5%预变形处理、5%预变形以及在250±10℃下时效1h处理，之后进行进行-60℃冲击性能测试，结果如表10所示。
表10
（3）参照GB/T 2650-2008分别对经焊后热处理的焊接接头进行冲击性能测试，得到焊接接头热影响区近表面和1/2厚度处的-40℃低温冲击性能检测结果如表11所示，其中检测了冲击缺口位置分别于熔合线FL处、熔合线外2mm(也即FL+2)处、熔合线外5mm(也即FL+5)处的-40℃低温冲击功kV2，每个检测位置示出了三个取样检测结果。
表11
（4）参照标准ISO 15653：2018，采用三点弯曲试验检测经焊后热处理的钢板的焊接接头的-10℃的裂纹尖端张开位移CTOD特征值，缺口位置分别位于焊接热影响区粗晶区(也即GCHAZ)、临界区(也即SCHAZ/ICHAZ交界区)，每个检测位置示出了三个取样检测结果，检测结果如表12所示。
表12
由表9~12可知，焊接后，在590±10℃下热处理不超过6h，钢板的强度、低温冲击韧性、CTOD断裂韧性、Z向拉伸性能均不降低。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种500MPa级海洋工程用钢板的制备方法，其特征在于，所述钢板的化学成分以质量百分比计包括：C 0.03~0.09%，Si 0.15~0.25%，Mn 1.15~1.65%，Cr 0.13~0.30%，Ni 0.13~0.35%，Cu 0.13~0.30%，Mo 0.09~0.20%，Nb 0.02~0.04%，Ti 0.01~0.02%，Alt 0.02~0.05%，P≤0.015%，S≤0.003%，N≤0.0045%，O≤0.002%，余量为Fe和不可避免的杂质，其中，强化当量Req为0.50~0.60%，断裂韧性当量Feq为0.35~0.39%，Req=2.5C+Mn/5+Cr/7+Cu/6+Mo/4+Nb/6，Feq=0.41Mn+P-Ni；
所述制备方法包括依序进行的转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、连铸、加热、控制轧制、控制冷却工序；
所述转炉冶炼工序中，将铜块、镍板、钼铁、废钢、铁水一起装入转炉中进行冶炼，转炉终渣的目标碱度为4.0，转炉冶炼终点的钢液中，C含量为0.03~0.09%、P≤0.013%、S≤0.005%，出钢温度为1640±20℃，出钢1/6时，按硅铁-金属锰-铝锭-石灰的顺序加入合金及渣料；出钢过程全程吹氩，出钢开始至出钢1/4期间，吹氩压力为0.5~0.6MPa，亮圈直径为250~400mm，出钢3/4后，吹氩压力调整为0.4~0.5MPa，亮圈直径控制为200~350mm；
所述RH精炼工序中，对所述LF精炼工序所得钢液进行真空脱气和去除夹杂物处理，控制真空度＜2mBar，脱气时间≥10min；在破空前定氢，控制钢液中的H≤0.00015%；而后向钢液中喂入140±5m的硅钙线对夹杂物变性并进行软搅拌处理，硅钙线的喂线速度为2.0±0.5m/s，软搅拌时间＞12min，控制渣面波动但不裸露钢液；
所述连铸工序中，控制液渣层厚度为9~12mm，大包长水口插入钢液的深度为200~300mm，浸入式水口插入钢液的深度为120~180mm；
所述加热工序中，控制均热段温度为1130~1160℃且在炉时间为450~570min，或者，控制均热段温度为1190~1220℃且在炉时间为320~500min；
所述控制轧制工序包括先后进行的粗轧和精轧得到厚度为t的钢板，精轧的终轧温度为(965-305[C]-77[Mn]-88[Mo]-0.002t2-0.24t)±10℃；
所述控制冷却工序中，对钢板进行水冷冷却，控制钢板的冷速为(17-0.001t2+0.002t)±1℃/s，钢板的出水温度为(350+110/(1+exp((t-34.8)/0.39)))±20℃；
其中，t的单位为mm。
2.根据权利要求1所述的500MPa级海洋工程用钢板的制备方法，其特征在于，所述钢板的化学成分以质量百分比计包括：C 0.06~0.09%，Si 0.15~0.25%，Mn 1.15~1.35%，Cr 0.20~0.30%，Ni 0.13~0.23%，Cu 0.20~0.30%，Mo 0.12~0.20%，Nb 0.03~0.04%，Ti 0.01~0.02%，Alt 0.02~0.05%，P≤0.015%，S≤0.003%，N≤0.0045%，O≤0.002%，余量为Fe和不可避免的杂质，其中，强化当量Req为0.50~0.60%，断裂韧性当量Feq为0.35~0.39%。
3.根据权利要求1所述的500MPa级海洋工程用钢板的制备方法，其特征在于，所述钢板的化学成分以质量百分比计包括：C 0.05~0.08%，Si 0.15~0.25%，Mn 1.35~1.50%，Cr 0.17~0.27%，Ni 0.20~0.30%，Cu 0.17~0.27%，Mo 0.10~0.18%，Nb 0.025~0.035%，Ti 0.01~0.02%，Alt 0.02~0.05%，P≤0.013%，S≤0.003%，N≤0.0045%，O≤0.002%，余量为Fe和不可避免的杂质，其中，强化当量Req为0.50~0.60%，断裂韧性当量Feq为0.35~0.39%。
4.根据权利要求1所述的500MPa级海洋工程用钢板的制备方法，其特征在于，所述钢板的化学成分以质量百分比计包括：C 0.03~0.06%，Si 0.15~0.25%，Mn 1.50~1.65%，Cr 0.13~0.23%，Ni 0.25~0.35%，Cu 0.13~0.23%，Mo 0.09~0.17%，Nb 0.02~0.03%，Ti 0.01~0.02%，Alt 0.02~0.05%，P≤0.012%，S≤0.003%，N≤0.0045%，O≤0.002%，余量为Fe和不可避免的杂质，其中，强化当量Req为0.50~0.60%，断裂韧性当量Feq为0.35~0.39%。
5.根据权利要求1~4任一项所述的500MPa级海洋工程用钢板的制备方法，其特征在于，所述LF精炼工序中，先加入低碳铬铁、FeNb，经过4~5min后加入钛铁，之后加入石灰、萤石、电石对钢液进行扩散脱氧，待炉渣发白后，继续脱氧15min以上，出站前取样检测并进行合金成分调整，待钢液的化学成分至目标范围后，保持至少5min后出钢。
6.根据权利要求1~4任一项所述的500MPa级海洋工程用钢板的制备方法，其特征在于，所述连铸工序中，结晶器的液面波动幅度在±2mm范围内，结晶器的进水温度为28~35℃，进出水温差为4~10℃，窄面水量为550±50L/min，宽面水量为3800±200L/min，连铸拉速为0.6±0.05m/min，凝固末端的总压下量为5~6mm。
7.一种500MPa级海洋工程用钢板，其特征在于，采用如权利要求1至6任一项所述的500MPa级海洋工程用钢板的制备方法制备而成。
8.根据权利要求7所述的500MPa级海洋工程用钢板，其特征在于，所述钢板的组织为针状铁素体+粒状贝氏体的复合组织，其中粒状贝氏体的占比≤5%。
9.根据权利要求7所述的500MPa级海洋工程用钢板，其特征在于，所述钢板的屈服强度≥500MPa，抗拉强度为560~715MPa，Z向抗拉强度≥535MPa，Z向拉伸断面收缩率≥65%，屈强比≤0.85，钢板沿厚度方向不同位置处的-60℃低温冲击功均≥300J，-10℃下CTOD值≥1mm；
经5%预变形、5%预变形以及在250±10℃下时效1h后，所述钢板的-60℃低温冲击功≥300J；
钢板在7~50kJ/cm热输入量下焊接，焊接接头热影响区-40℃低温冲击功≥150J，粗晶区及临界区-10℃下CTOD值≥0.8mm；焊接后，在590±10℃下热处理不超过6h后，所述钢板的屈服强度≥500MPa，抗拉强度为560~715MPa，Z向抗拉强度≥535MPa，Z向拉伸断面收缩率≥65%，屈强比≤0.85，钢板沿厚度方向不同位置处的-60℃低温冲击功均≥300J，-10℃下CTOD值≥1mm，焊接接头热影响区-40℃低温冲击功≥150J，粗晶区及临界区-10℃下CTOD值≥0.8mm。
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