本發明屬于船舶高強鋼制造領域，具體涉及一種極地破冰運輸船結構用鋼及制造方法。
背景技術：
南極北極地區資源豐富，開采和運輸這些資源就低溫船舶。我國經北極航道至西北歐及北美國家的海洋航程比經亞丁灣航程少15天左右，而且，運輸液化天然氣走北極低溫航道比走赤道海路更安全，效益顯著。極地航道船舶除了環境溫度低，還受到冰塊的沖擊以及海浪、颶風的破壞左右。因此，要求船舶結構用鋼具有屈服強度≥500mpa的高強度和冷脆轉變溫度低于-70℃的低溫韌性，這樣不會因低溫導致脆性斷裂。另外，船舶經過寒冷地區還會遇到厚冰海域，因此，極地低溫船舶還要求具有一定的破冰能力，船舶用結構鋼需要采用高強度鋼材建造。
中國發明專利申請cn201610587965.4公開了一種可大線能量焊接的極地船用鋼板及其制備方法，化學成分為c0.03～0.07％，si0.15～0.30％，mn1.10～1.50％，p≤0.0070％，s≤0.0030％，ti0.008～0.020％，n0.0030～0.0060％，cu0.10～0.30％，ni0.10～0.40％，nb0.010～0.040％，al0.020～0.050％，余量為fe，鋼板基體組織為鐵素體+珠光體，其中珠光體彌散分布于鐵素體晶粒之間，鐵素體晶粒尺寸為4～8um。鋼材具有優異的-60℃、-80℃低溫沖擊韌性，但該發明專利申請的不足在于，采用該化學成分及制備方法制造的鋼材屈服強度偏低，破冰過程中容易發生屈服，不能破冰前行。
中國發明專利cn201210271624.8公開了“高強度高韌性船體結構用鋼”，化學成分為：c：0.015～0.10％，si：0.005～0.6％，mn：0.4～2.50％，p≤0.015％，s≤0.01％，nb：0.003～0.12％，ti：0.003～0.02％，al≤0.06％，n：0.001～0.006％，b：0.0005～0.0025％，o≤0.008％，zr：0.001～0.10％，余量為fe和不可避免的其它雜質元素，其中c、b、ti、n滿足c+10b＝0.05-0.11，ti/n＞3的要求。所述鋼板的制造方法包括：連鑄板坯熱軋，其中板坯加熱溫度：1100～1200℃，再結晶區軋制溫度：920～1130℃，非再結晶區軋制溫度：880～730℃，終止冷卻溫度：200～550℃，冷卻速度：3～25℃/s。得到的鋼板屈服強度≥355mpa、抗拉強度≥490mpa、-40℃低溫沖擊功大于120j。采用該專利技術制造的鋼板屈服強度僅為355mpa，-40℃低溫沖擊功大于120j，但不適宜用于極地破冰運輸船建造。
中國發明專利申請cn201210559488.2公開了一種抗低溫應變時效脆性的超高強度船板及其生產方法，化學成分為：c0.04％～0.08％，si0.15％～0.45％，mn0.8％～1.2％，p0.005％～0.015％，s≤0.005％，al0.02％～0.08％，n≤0.005％，還有cu0.05％～0.50％，ni0.05％～0.40％，v0.02％～0.10％，nb0.005％～0.05％，ti0.005％～0.05％，ca0.0005％～0.006％中的兩種以上。板坯加熱溫度1100～1150℃，再結晶區開軋溫度1050～1100℃，終軋溫度880～940℃，累積變形量≥60％，空冷到810～840℃開始未再結晶區軋制，終軋溫度780～820℃，累積變形量≥50％；軋后層流冷卻，冷速8～15℃/s，返紅溫度550～640℃。但該發明專利申請不足在于采用控軋控冷工藝制造的鋼材內應力較大，極地厚冰海域破冰航行過程中存在斷裂風險。
中國發明專利cn201210031780.7公開了ni系低溫鋼及制造方法、液化天然氣儲罐和運輸船用船體，鋼的成分為：c：0.02～0.10％，si：0.01～0.20％，mn：0.50～0.75％，p：≤0.010％，s：≤0.004％，ni：8.50～9.50％，al：0.005～0.040％，ti：0.005～0.040％，o：0.0005～0.003％，n：0.0010～0.012％，ca：0.0005～0.004％，cu：0.001～1.50％，mo：0.001～0.16％，余量為fe。采用bof(或eaf)冶煉+lf+vd(或rh)精煉工藝煉制；采用二冷區弱冷+穩定的低拉速工藝配合進行鋼的連鑄；采用低溫加熱+控制軋制技術進行鋼的軋制，并在ar3溫度以上直接淬火；采用臨界淬火+回火工藝對鋼進行熱處理。經低溫沖擊、ndt、dt、ctod、k1a等實驗檢測證明按照本發明ni系低溫鋼材料的優點是：具有良好的強韌性匹配，適合用于制造容量超過2×105m3、最大壁厚超過50mm的、對安全性要求極高的超大型lng儲罐。該發明專利涉及典型9ni鋼，生產工藝復雜，成本高，鋼材強度低，不能用于建造破冰船體。
技術實現要素：
本發明的目的就是要提供一種極地破冰運輸船結構用鋼及制造方法，克服了現有技術中低溫船不能破冰、而破冰船沒有大型貨物運輸能力的缺陷。
為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：極地破冰運輸船結構用鋼，含有的化學元素成分及其重量百分比為：碳0.11～0.25％、硅0.61～1.25％、錳0.10～0.39％、磷≤0.008％、硫≤0.001％、鉻0.35～0.89％、鈦0.11～0.20％、氮≤0.003％，余量為鐵和不可避免的雜質。
進一步地，所述碳優選為0.15～0.23％。
進一步地，所述硅優選為0.61～0.88％。
進一步地，所述錳優選為0.17～0.25％。
進一步地，所述鉻優選為0.35～0.55％。
進一步地，所述鈦優選為0.18～0.20％。
極地海域氣溫低、颶風強、海浪大、冰層厚，航行在該嚴酷環境的破冰運輸船體結構要求良好的低溫韌性和高強度，所用鋼材要求相應的韌性和強度指標，避免發生事故。
c(碳)：0.11～0.25％,為獲得一定強度的鋼材，添加適量的合金元素c，除了固溶強化之外，還可與ti形成ti(cn)等析出相，進一步提高強度。
si(硅)：0.61～1.25％，鋼中添加合金元素si，以置換固溶模式提高鋼材強度，尤其可顯著提高屈服強度。
p(磷)、s(硫)：為雜質有害元素，降低鋼材質量和韌性，鋼中p、s含量越低越好，但若控制含量過低，導致生產工藝成本增加，設定p：≤0.008％，s≤0.001％。
cr(鉻)：0.35～0.89％，鋼中添加適量cr，降低箱變溫度，有利于控制軋制及精軋后控制冷卻以獲得預期的微觀組織結構和綜合力學性能。
ti(鈦)：0.11～0.20％，鋼中添加一定含量的ti與c及余量n形成析出相ti(cn)，一方面固定自由n，降低鋼材時效傾向，另一方面，細小的析出相可遏制晶粒長大，細化晶粒，同時提高強度的韌性，還有析出強化的作用，進一步提高強度。
如上述所述極地破冰運輸船結構用鋼的制造方法，包括以下步驟：
1)冶煉、鑄造
按所述成分及重量百分比混合均勻形成鐵水，然后將鐵水經深脫s處理，轉爐煉鋼過程采用脫p劑除p處理，再用rh真空系統精煉鋼水，最后鑄造成鑄坯；
2)軋制
分兩階段軋制成鋼板，第一階將鑄坯橫向軋制成成品鋼板寬度尺寸，然后進行第二階段軋制，沿鑄坯縱向軋制成成品鋼板厚度尺寸；
3)冷卻
軋制后在10～20大氣壓空氣環境下冷卻至400～620℃，最后在沙坑緩冷至室溫形成所需鋼板，目的在于使析出相充分析出，沙坑緩冷的目的在于消除部分殘余應力，使得制得鋼的屈服強度≥500mpa、冷脆轉變溫度≤-70℃。
進一步地，所述步驟3)中，軋制后在10～20大氣壓空氣環境下冷卻至460～510℃。
與現有技術相比，本發明具有以下優點：本發明的結構用鋼屈服強度≥500mpa、冷脆轉變溫度≤-70℃，建造的極地破冰運輸船綜合性能良好，不僅可縮短航程，而且安全性高，克服了現有技術中低溫船不能破冰、而破冰船沒有大型貨物運輸能力的缺陷，對于我國北極海洋航運意義重大。
具體實施方式
下面結合實施例對本發明作進一步的詳細說明，便于更清楚地了解本發明，但它們不對本發明構成限定。
按照本發明化學元素成分、重量百分比及生產方法要求，制備了五個實施例，以及兩個對比實施例，分別為實施例1、實施例2、實施例3、實施例4、實施例5、對比實施例1、對比實施例2，即冶煉并軋制了7批鋼板。五個實施例及兩個對比實施例的化學元素成分重量百分比見表1，其中余量為fe和不可避免的雜質。生產過程控制參數與鋼板質量情況見表2。
表1五個實施例及兩個對比實施例的化學成分對比(wt％)
表2五個實施例及兩個對比實施例生產過程控制與鋼板性能情況
從表2可看出，按本發明成分和工藝生產的鋼屈服強度均高于550mpa，冷脆轉變溫度均低于-70℃。而不在本發明鋼成分范圍或/和生產工藝不在本發明范圍內的對比鋼屈服強度僅為516mpa、492mpa，冷脆轉變溫度分別為-17℃、-20℃。