高韌性海洋工程用鋼板及其制造方法

專利名稱：高韌性海洋工程用鋼板及其制造方法
技術領域：
本發明屬于海洋工程用鋼技術領域，特別是涉及一種高韌性海洋工程用鋼板及其制造方法，成本低、塑性強、焊接性、抗層狀撕裂以及落錘等綜合力學性能優良。
背景技術：
隨著我國對石油等不可再生資源的需求不斷增長，海洋成為滿足石油需求的希望所在。海洋開發進程不斷加快，海洋油氣業異軍突起，年均增長率達到32. 3%，迅速成長為中國海洋經濟的支柱產業。海洋石油是我國未來二十年能源戰略的重點。由于石油天然氣開發由陸地向淺海直至溫度在-40 -60 0C的寒冷地帶推進，為保證海洋平臺經受住冰塊等飄浮物的撞擊作用，要求海洋平臺結構用鋼具有良好的低溫韌性。而自升式平臺和半潛式平臺等高等級海洋平臺對超高強海洋工程用鋼的需求量日益增多，當自升式平臺的樁腿采用低級別鋼板容易造成樁腿升起時，重心提高，平臺穩定性降低，因此有必要提高強度，減輕樁腿的重量，降低重心，保證平臺安全。海洋平臺為大型焊接結構設備，焊接部位多，焊接性能優劣直接影響到焊接效率。 提高焊接線能量，免除焊后熱處理對于縮短海洋平臺的制造周期和降低成本具有重要意義。海洋平臺用鋼要求厚度方向有良好的抗層狀撕裂性能，而層狀撕裂在外觀上沒有任何跡象，現有的無損檢測手段又難以發現，即使能判斷結構中有層狀撕裂，也很難修復，造成巨大的經濟損失。因此，保證海洋平臺用鋼具有良好的抗層狀撕裂性能是必要的。研發低成本高韌性海洋平臺用厚板具有重要現實意義。公開號為CN1218115A發明專利提出銅硼系低碳及超低碳貝氏體高強鋼的生產方法，但其厚度較低僅為6-16mm，并未研究焊接性能等性能。公開號為CN101165202A發明專利提出具有高焊接熱影響區韌性的高強鋼及其制造方法，其生產工藝為TMCP+回火工藝，增加了生產工序，成本增加。公開號為CN101812642A發明專利提出一種超細晶貝氏體高強鋼及其制造方法， 其強度較高，達到690MPa，但低溫韌性較低，僅能滿足-20°C，未研究層狀撕裂性能。公開號為CN101818304A和CN101255528A發明專利提出一種超大線能量焊接高強鋼及以及超低溫韌性優異的含鈮鋼板，但其屈服強度分別為460MPa和480MPa，強度級別較低。公開號為CN101984119A以及CN101845597發明專利提出的專利強度級別達到 690MPa，但其生產工藝均為調質，熱處理工藝增加了生產成本。公開號為CN101781742A發明專利提出了采用TMCP工藝生產超高強度和低溫沖擊韌性的中厚板鋼，其工藝簡單，強度級別達到550MPa，-60°C沖擊大于37J，但是其添加了 Cr 元素，成本增加，而且其厚度為18 40mm，厚度較薄，未研究焊接、抗層狀撕裂等海洋工程用鋼需要的性能。公開號為CN101418417A發明專利提出寬厚規格高強度船板鋼的及生產工藝，但其強度級別較低，為390MPa。
公開號為CN101705434A發明專利提出具有超高強度和沖擊韌性的船板鋼及制備方法，鋼板屈服強度為620MPa，抗拉強度為720-890MPa，_60°C沖擊功大于41J，但其Cu、Cr、 Mo, Ni含量較高并采用淬火和回火工藝，成本較高。公開號為CN101906591A和CN101775559A發明專利提出一種超高強船板鋼及其生產方法。其 Re > 550MPa,Rm > 670MPa，伸長率> 20%，_60°C沖擊功> 60J 或 200J，Z 向斷面收縮率> 35%，但其采用TMCP+回火工藝，并且Cu、Cr、Mo、Ni含量較高，生產成本較高。

發明內容
本發明的目的在于提供一種高韌性海洋工程用鋼板及其制造方法，鋼板的厚度范圍10-50mm ；采用TMCP工藝技術生產高強度高韌性、易焊接并具有良好抗層狀撕裂性能的海洋工程用鋼，滿足了目前國內市場對高等級海工用鋼的需求。本發明的海洋工程用鋼板的成分重量百分含量為C 0. 03-0. 08 %, SiO. 10-0. 30 %，Mnl. 0-1. 60 %，AltO. 03-0. 04 %，NbO. 03-0. 06 %，V0. 05-0. 09 %， TiO. 010-0. 02 %，MoO. 1-0. 4 %，NiO. 1-0. 4 %，CuO. 1-0. 4 %, P < 0. 01 %, S < 0. 005 %,
Nb+V+Ti彡0. 12%，其余為!^e和不可避免雜質。盡量采用寬鑄坯，降低展寬比(展寬比彡1.6)，嚴格控制終冷溫度，生產鋼板厚度規格為10 50mm，鋼板微觀組織為塊狀鐵素體、針狀鐵素體和少量珠光體。性能指標為屈服強度彡500MPa，抗拉強度610_770MPa，延伸率彡18%, _60°C的 1/4處和心部常規沖擊功均值彡100J，-40°C時效沖擊功超過200J的鋼板，Z向斷面收縮率超過35%。成分設計特點嚴格控制鋼水純凈度，降低雜質元素對力學性能的不利影響，保證 P低于0.01%，S低于0. 005% ；嚴格控制鑄坯內部質量，要求鑄坯低倍檢驗中心偏析低于 C類1.0，針對海洋工程用鋼對低溫韌性要求較高，采用低碳和低碳當量的成分設計，C含量控制在0. 06%以下，在提高韌性的基礎上保證焊接性能；添加少量M進一步提高低溫韌性，利用微合金元素Nb、V、Ti的細晶強化和析出強化作用以及Mn的固溶強化作用提高強度，彌補低碳導致的鋼板強度不足的問題；添加Mo元素抑制鐵素體相變，促進針狀鐵素體相變，保證強韌性。其中，各化學成分及含量在本發明中的作用是C 0. 03-0. 08% 碳是鋼中的主要元素，對鋼板強塑性、韌性以及焊接性能產生直接影響。提高碳含量容易導致強度增加而低溫韌性下降，焊接接頭性能降低，而碳含量過低則導致冶煉困難，控制難度增加，也利于鋼板強度滿足要求。為保證厚規格鋼板的心部低溫韌性，碳含量定為0. 03-0. 08%。Si 0. 10-0. 30% 硅為煉鋼脫氧的必要元素，其作用是強烈抑制和延緩過冷奧氏體的碳化物分解，提高奧氏體穩定性，促進針狀鐵素體，提高鋼板強度，過低則影響低溫韌性。Mn 1.0-1.60% 錳的成本低廉，能增加鋼的強韌性和硬度，是強烈穩定奧氏體的元素。通過Mn的固溶強化作用有利于保證鋼板的強度，改善焊接熱影響區組織。P彡0. 01%，S彡0. 005% 由于磷和硫是鋼中有害元素，對塑性、低溫韌性以及焊接性能帶來不利影響。為保證鋼板的綜合力學性能，嚴格控制S、p含量低于一定水平。
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NbO. 03-0. 06% =Nb作為重要的微合金元素之一，在控軋過程中未溶粒子阻止加熱時奧氏體晶粒粗化，Nb在位錯、亞晶界、晶界上應變誘導析出碳氮化物，抑制了奧氏體的再結晶，使再結晶過程在高溫區進行；另一方面加大了未再結晶區的溫度范圍，從而實現了高溫控制軋制，降低了軋制力，在相變前對奧氏體進行多道次的變形積累，為細化鐵素體晶粒創造條件，最終保證鋼板的強塑性和低溫韌性，而且細小彌散的析出物有利于提高鋼板強度。V0. 05-0. 09% 微合金元素V在層流冷卻過程中和層流冷卻后的細小析出物有利于提高鋼板強度，而對低溫韌性的不利影響較低。TiO. 010-0. 02% 微量的Ti在凝固后析出的TiN較為細小，加熱階段能夠有效阻止奧氏體晶粒長大，有利于保證奧氏體晶粒細小均勻。Ti的氮化物顆粒可抑制焊接熱影響區晶粒長大，改善焊接接頭的低溫韌性。Ti控制在0.010-0. 02%，過高的Ti損害焊接性能。MoO. 1-0. 4% =Mo的添加抑制了多邊形鐵素體相變，保證鋼板的最終組織為針狀鐵素體，有利于提高強度。NiO. 1-0. 4% =Ni可降低位錯運動阻力，使應力松弛，提高鋼的低溫韌性。Ni對多邊形鐵素體相變抑制作用較強，M/A島含量增加，提高鋼板強度，另外，Ni可以防止含Cu鑄坯加熱軋制過程中產生裂紋。CuO. 1-0. 4% =Cu在位錯、晶界以及亞晶界上的彌散析出物有利于提高鋼板的強度，在一定程度上Cu可以提高鋼板耐腐蝕性能。本發明的生產方法包括高潔凈鋼冶煉-鐵水脫硫-轉爐頂底復合吹煉-真空處理-鑄坯-板坯加熱-軋制-水冷；在板坯加熱-粗軋-精軋的工藝中控制的技術參數如下1、板坯加熱階段，為了使微合金元素充分溶解，同時保證一定的奧氏體晶粒度，將鋼坯加熱到1150 1200°C，保證鋼坯在爐時間250 400min，既保證鋼坯加熱充分又抑制奧氏體晶粒過分長大；2、軋制分兩階段軋制，即再結晶區軋制和未再結晶區軋制；再結晶區軋制階段開軋溫度950 1100°C，再結晶區軋制道次壓下率至少保證兩道次穩定20 35%，中間待溫厚度控制在成品厚度的2. 0 4. 0倍，控制未再結晶區開軋溫度彡910°C，終軋溫度在 790 840°C。再結晶軋制階段采用高溫低速大壓下，保證至少兩道次壓下率為20 35%， 保證鋼板心部的晶粒得以細化，有利于鋼板厚度方向上組織的均勻；3、水冷工藝為保證軋后鋼板強度以及板形，嚴格控制層流冷卻的終冷溫度和冷卻速度；溫度過低影響板型，過高則影響鋼板強度；針對不同厚度規格，終冷溫度控制為 400 600°C，冷卻速度控制在10 15°C /s ；生產工藝優點在于選用較大寬度鑄坯，提高再結晶區軋制階段壓下率，保證至少兩道次壓下率為20 35%，保證抗層狀撕裂性能和低溫韌性；合理控制控軋控冷工藝保證鋼板強度和低溫韌性，提高水冷速度，降低終冷溫度，保證針狀鐵素體相變和細小彌散的析出相，達到細晶強化和析出強化的目的，但終冷溫度不宜過低，否則容易導致板形不良，影響產品合格率。本發明生產的鋼板較同等級鋼板相比較，嚴格控制碳含量，添加少量Ni，合金元素少，省略熱處理工藝，成本較低，適于工業化大生產，可行性較強，綜合力學性能滿足海
5洋工程用鋼對各項力學性能的要求屈服強度> 500MPa，抗拉強度610-770MPa，延伸率彡18%, -60°C的1/4處和心部常規沖擊功均值彡100J, _40°C時效沖擊功超過200J的鋼板，Z向斷面收縮率超過35%，鋼板具有高強度高韌性和抗層狀撕裂性能；當焊接線能量為 50kJ/cm時，焊接接頭焊縫、熔合線、以及熔合線+2mm、熔合線+5mm以及熔合線+20mm的低溫韌性良好。


圖1為30mm厚鋼板軋制規程圖。
圖2為30mm厚鋼板橫斷面的表面顯微組織圖。
圖3為30mm厚鋼板橫斷面1/4位置顯微組織圖。
圖4為30mm厚鋼板橫斷面的心部顯微組織圖。
圖5為30mm厚鋼板的壓下規程圖。
圖6為50mm厚鋼板橫斷面的表面顯微組織圖。
圖7為50mm厚鋼板橫斷面1/4位置顯微組織圖。
圖8為50mm厚鋼板橫斷面的心部顯微組織圖。
圖9為50mm鋼板-50°C的落錘實驗結果。
圖10為50mm厚鋼板韌脆轉變溫度曲線。
具體實施例方式以下具體實例來說明本發明的技術方案，但是本發明的保護范圍不限于此實施例1低成本高強度海洋工程用鋼板厚度30mm，其化學成分組成為C 0. 04%, SiO. 24 %, Mnl. 52 %, AltO. 034 %, NbO. 048 %, V0. 052 %, TiO. 015 %, MoO. 33 %, NiO. 3%, CuO. 21%, P0. 01%, SO. 00 %，其余為鐵!^e和不可避免的雜質。坯料尺寸為 300*M0(^2700mm，鋼板尺寸為3(^2600*M900mm，鑄坯低倍檢驗中心偏析為C類0. 5，表1 是在此成分下的控軋控冷工藝參數，表2是在該工藝參數下得到的力學性能。表3鋼板時效沖擊性能及Z向性能。附圖1為30mm厚鋼板軋制規程，附圖2、附圖3和附圖4為30mm厚鋼板的顯微組織。可以看出，鋼板組織主要以塊狀鐵素體、針狀鐵素體及少量珠光體組成， 且顯微組織在厚度方向上差別不大。表1軋制工藝參數
板厚/mm板坯加熱溫度/°c開軋溫度/°c精軋開軋溫度/°c終軋溫度/°c終冷溫度/'C3012001079820790544表2鋼板拉伸及常規沖擊性能規格 /mm樣品編號屈服強度/MPa抗拉強度 /MPa斷后伸長率溫度 /0C沖擊功/J均值溫度 /0C沖擊功/J均值30頭部53570520.5-40257248248251-6024819318720930尾部57568519.5-40276283276278-60266182248232表3鋼板時效沖擊性能及Z向性能
規格/mm樣品編號溫度/°c時效沖擊/J均值溫度/°c時效沖擊/J均值Z向斷面收縮率/%30頭部-20245261257254-4025626025225667.059.058.530尾部-20302290307300-4028830529029466.065.064.0實施例2低成本高強度海洋工程用鋼板厚度50mm，其化學成分組成為C 0. 06%, SiO. 18 %, Mnl. 49 %, AltO. 039 %, NbO. 046 %, V0. 05 %, TiO. 014 %, MoO. 36 %, CuO. 22%, NiO. 4%, P0. 009%, SO. 00 %，其余為鐵!^e和不可避免的雜質。坯料尺寸為 300*2400*3550mm,鋼板尺寸為5(^2500*20448mm，鑄坯低倍檢驗中心偏析為C類0. 5，表4 是在此成分下的控軋控冷工藝參數，表5是在該工藝參數下得到的力學性能。表6鋼板時效沖擊性能及Z向性能。表7為鋼板落錘實驗結果，測定的50mm厚鋼板無塑性轉變溫度TNDT 為-60°C。表8線能量為50kJ/cm時焊接接頭的-40°C沖擊功。附圖5為50mm厚鋼板軋制規程，附圖6、附圖7和附圖8為50mm厚鋼板的顯微組織。可以看出，鋼板主要以塊狀鐵素體、針狀鐵素體及少量珠光體組成，其中針狀鐵素體較均勻有利于保證鋼板的低溫韌性。附圖9為-50°C的落錘實驗結果。附圖10為測定鋼板的韌脆轉變溫度曲線，其心部韌脆轉變溫度為_65°C，1/4處韌脆轉變溫度為-80°C。表4軋制工藝參數
板厚/mm板坯加熱溫度/°c開軋溫度/°c精軋開軋溫度/°c終軋溫度/°c終冷溫度/'C5012001049820800484 表5鋼板拉伸性能及常規沖擊性能
權利要求
1.一種高韌性海洋工程用鋼板，其特征在于，鋼板的成分重量百分含量為 C 0.03-0.08 %, SiO. 10-0. 30 %, Mnl. 0-1. 60 %, AltO. 03-0. 04 %, NbO. 03-0. 06 %, V0. 05-0. 09%, TiO. 010-0. 02%, MoO. 1-0. 4%, NiO. 1-0. 4%, CuO. 1-0. 4%, P < 0. 01%, S<0. 005%，Nb+V+Ti ^ 0. 12%,其余為！^e和不可避免雜質；鋼板厚度規格為10 50mm，鋼板微觀組織為塊狀鐵素體、針狀鐵素體和少量珠光體； 性能指標為屈服強度彡500MPa，抗拉強度610-770MPa，延伸率彡18%, -60°C的1/4 處和心部常規沖擊功均值> 100J，-40°C時效沖擊功超過200J的鋼板，Z向斷面收縮率超過 35%。
2.—種權利要求1所述的海洋工程用鋼板的制造方法，包括高潔凈鋼冶煉-鐵水脫硫-轉爐頂底復合吹煉-真空處理-鑄坯-板坯加熱-軋制-水冷；其特征在于，在板坯加熱-粗軋-精軋的工藝中控制的技術參數為(1)將鋼坯加熱到1150 1200°C，保證鋼坯在爐時間250 400min；(2)軋制分兩階段軋制，，即再結晶區軋制和未再結晶區軋制；再結晶區軋制階段開軋溫度950 1100°C，再結晶區軋制道次壓下率至少保證兩道次穩定20 35%，中間待溫厚度控制在成品厚度的2. 0 4. 0倍，控制未再結晶區開軋溫度彡910°C，終軋溫度在790 840 0C ；(3)水冷工藝終冷溫度控制為400 600°C，冷卻速度控制在10 15°C/s。
3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，所述的海洋工程用鋼板的成分重量百分含量為:C 0. 03-0. 08%,SiO. 10-0. 30%,Mnl. 0-1. 60%,AltO. 03-0. 04%,NbO. 03-0. 06%, V0. 05-0. 09%, TiO. 010-0. 02%, MoO. 1-0. 4%, NiO. 1-0. 4%, CuO. 1-0. 4%, P < 0. 01%, S<0. 005%, Nb+V+Ti彡0. 12%，其余為!^e和不可避免雜質。
全文摘要
一種高韌性海洋工程用鋼板及其制造方法，明屬于海洋工程用鋼技術領域。化學成分重量百分數為C 0.03-0.08％，Si0.10-0.30％，Mn1.0-1.60％，Alt0.03-0.04％，Nb0.03-0.06％，V0.05-0.09％，Ti0.010-0.02％，Mo0.1-0.4％，Ni0.1-0.4％，Cu0.1-0.4％，P＜0.01％，S＜0.005％，Nb+V+Ti≤0.12％，其余為Fe和不可避免雜質。通過添加少量Ni，并采用合理的控軋控冷工藝，保證鋼板低溫韌性，省略熱處理工藝，降低生產成本，所得10-50mm鋼板具有良好的強塑性、可焊性、抗層狀撕裂性能以及落錘等綜合力學性能優異；并且，工藝簡單，可廣泛應用于固定式、自升式以及半潛式海洋平臺的關鍵部位。
文檔編號C21D8/02GK102534383SQ20121005201
公開日2012年7月4日 申請日期2012年3月1日 優先權日2012年3月1日
發明者何元春, 吳斌, 姜中行, 張蘇淵, 楊春衛, 楊永達, 沈欽義, 狄國標, 王彥鋒, 王文軍, 王龍和, 白學軍, 麻慶申 申請人:首鋼總公司