CN102703807B - 一种-80℃冲击吸收功≥100j的海洋工程用钢及生产方法 - Google Patents

Abstract

一种-80℃冲击吸收功≥100J的海洋工程用钢及生产方法，其化学成分及重量百分比含量为：C：0.02～0.06%,Si:0.01～0.15%,Ni:0.10～2.50%,P≤0.005%,S≤0.001%,Als≤0.01%，Ce:0.005～0.080%，O≤0.001%,N≤0.0015%,H≤0.00005%,余为Fe和不可避免的杂质；工艺：对铁水深脱硫；LF炉中精炼；RH炉中真空处理；连铸并加热；分段轧制；冷却；回火处理；待用。本发明钢在-30～-60℃环境中，由于其钢中的金相组织为贝氏体及铁素体，且贝氏体体积百分比占有量不低于50%，所以能使-80℃冲击吸收功KV₂≥100J，从而使钢板的使用安全系数得到提高，并且成分及工艺简单，相对制造成本较低。

Description

一种-80℃冲击吸收功≥100J的海洋工程用钢及生产方法

技术领域

本发明涉及低碳低合金高强度工程用钢及其生产方法，具体属于一种-80℃冲击吸收功≥100J的海洋工程用钢及其生产方法。

背景技术

地球南极、北极及其附近海域，常年环境恶劣，气温在-30℃～-60℃范围，在该地区建造钢结构工程，难度较大，对钢材性能要求较高，尤其要求钢板具有优良的低温冲击韧性，冷脆转变温度应低于-60℃，才能保证钢结构工程安全。在实际钢结构工程设计中，如果环境温度为-60℃，则要求钢板-80℃冲击韧性应达到一定水平，以提高钢结构安全系数。目前通用的海洋工程结构用钢冲击韧性质量等级仅要求-60℃，还没有-80℃温度下冲击韧性质量要求。

在本申请以前，中国专利申请号为201110359475.6的专利文献，公开了 “一种超高强度海洋工程结构用钢板及其生产方法”，其化学元素组成包括C0.05-0.13％，Si0.1-0.4％，Mn0.7-1.7％，Alt0.01-0.04％，Nb0.02-0.05％，V0-0.05％，Ti0.008-0.02％，Cr0-0.6％，Mo0.2-0.4％，Ni0.15-0.8％，Cu0-0.5％，B0-0.0011％，P＜0.01％，S＜0.005％，O＜0.0010％，N＜0.005％，H＜0.00015％，Nb+V+Ti≤0.12％，其余为Fe和不可避免杂质。针对不同厚度规格采用不同的化学成分、轧制及热处理工艺参数。生产工艺包括铁水脱硫、转炉顶底复吹、真空处理、连铸、控轧控冷、淬火、回火。其存在的不足，合金元素种类太多，使生产过程难于控制，且含昂贵合金元素Mo,钢板需经过淬火、回火热处理，导致工艺流程长，能耗较高。

中国专利申请号为201110355557.3的专利文献，公开了“一种大厚度海洋工程用钢板及其生产方法”，其化学成分及含量是：C：0.07％～0.09％，Si：0.15％～0.40％，Mn：1.40％～1.50％，P≤0.012％，S≤0.005％，Ni：0.60％～0.70％，Nb：0.030％～0.040％，Al：0.020％～0.045％，Mo：0.13％～0.17％，V：0.04％～0.05％，Ti：0.012％～0.020％，余量为Fe和不可避免的杂质。不足之处在于钢种合金元素种类复杂，增加生产难度。

中国专利申请号为201110341100.7的专利文献，公开了 “一种80mm厚低压缩比海洋工程用钢板及其制造方法”， 其化学成分按重量百分比计为：C0.12～0.16%，Si0.20～0.40%，Mn1.20～1.60%，P≤0.010%，S≤0.003%，Nb0.025～0.050%，V0.030～0.050%，Ti0.010～0.020%，Cr≤0.20%，Ni0.10～0.40%，Cu≤0.20%，Mo≤0.08%，Al0.0250～0.050%，O≤20ppm，N≤40ppm，H≤3ppm，余量为Fe及不可避免的杂质；采用控轧控冷工艺，轧前加热温度1180℃～1250℃，粗轧温度1000～1100℃，精轧开轧温度850～880℃；轧后层流冷却，终冷温度640～680℃，冷却速率5～15℃/s；进行正火处理，正火温度为890～910℃，升温速率为1.4min/mm，保温时间为50～90min。其不足在于钢中元素多，加大了生产难度，且钢板需正火热处理，降低了生产效率。

中国专利申请号为201110056854.8的专利文献，公开了“屈服强度500MPa级海洋平台结构用厚钢板及制造方法”， 该钢板的化学成分按质量百分比为：C：0.05～0.09%，Si：0.25～0.38%，Mn：1.3～1.8%，P：≤0.006%，S：≤0.002%，Al：0.02～0.04%，Cr：0.15～0.25%，Ni：0.2～1.0%，Cu：0.18～0.25%，Mo：0.15～0.20%，V：0.025～0.040%，Ti：0.01～0.02%，Nb：0.06～0.08%，余量为Fe；生产工艺为：原料经过冶炼，连铸成坯料，将坯料加热，在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行两阶段控制轧制；轧后进行两相区淬火和高温回火热处理。其不足之处在于钢中元素同前述的一样较多，且生产过程要求在两相区淬火和高温回火热处理，增加了生产难度。

上述的现有专利文献，其共同的不足在于钢中元素较多，且Mn含量高于1.0%，因Mn在结构钢中易与S形成MnS夹杂，降低钢的力学性能，尤其恶化钢的低温冲击韧性，故对于要求-80℃低温冲击韧性的钢来讲，MnS的存在是很不利的。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术对在-30～-60℃环境中的海洋工程用钢，安全系数相对较低，对钢板的使用及从钢板服役年限的有影响的不足，提供一种屈服强度不低于330MPa，-80℃冲击吸收功KV₂≥100J，金相组织为贝氏体及铁素体，其中贝氏体体积百分比占有量不低于50%，其余体积百分比占有量为铁素体、成分及工艺简单的海洋工程结构用钢及其生产方法。

实现上述目的的措施：

一种-80℃冲击吸收功≥100J的海洋工程用钢，其化学成分及重量百分比含量为：C：0.02～0.06%, Si: 0.01～0.15%, Ni: 0.10～2.50%, P≤0.005%, S≤0.001%, Als ≤0.01%，Ce: 0.005～0.080%，O≤0.001%, N≤0.0015%, H≤0.00005%,余为Fe和不可避免的杂质；屈服强度不低于330MPa，-80℃冲击吸收功KV₂≥100J，金相组织为贝氏体及铁素体，其中贝氏体体积百分比占有量不低于50%，其余体积百分比占有量为铁素体。

生产一种-80℃冲击吸收功≥100J的海洋工程用钢的方法，其步骤：

1）对铁水进行深脱硫，控制铁水中的S≤0.0008%；

2）在LF炉中进行精炼，并控制铁水中的S≤0.0009%；

3）在RH炉中进行真空处理，并控制铁水中的O≤0.001%, N≤0.0015%, H≤0.00005%；

4）连铸并对铸坯加热，控制铸坯加热温度在1220～1350℃；

5）分段进行轧制，控制粗轧开轧温度在1100～1200℃，精轧段终轧温度在720～880℃；

6）冷却：首先进行层流冷却，在冷却速度为5.0～25℃/秒下，冷却到200～600℃，然后自然冷却至室温；

7）进行回火处理，控制回火温度在200～660℃；

8）待用。

本发明主要合金元素含量及工艺参数设定的依据：

极寒地区大型钢结构用钢要求钢质较高，杂质含量尽可能地控制在较低水平。普通钢中添加了一定含量的Mn，与S形成的MnS夹杂，属易变形夹杂物，在轧制过程中，沿轧制方向变形，且切割了钢中Fe原子排列的连续性，在钢内部形成了固有裂纹缺陷，大幅度降低了钢的力学性能，在低温下，钢的冲击韧性对钢中内部缺陷特别敏感，微小的MnS夹杂即可显著降低钢的冲击韧性。因此，本申请与现有专利技术和大众生产工艺突出不同在于本申请没有添加Mn，且将钢中S含量控制在S≤0.002%，目的在于减少钢中形成MnS夹杂数量，提高钢的纯净度，可提优钢的力学性能，尤其可大幅度提高钢的低温冲击韧性。

制造方法：铁水经脱S处理，炼钢过程精炼钢水以减少钢中夹杂及N、O气体等有害成分，连续浇注成板坯，目的在于将钢中杂质含量及有害成分降低到较低水平，对钢板的力学性能、工艺性能均有利；钢坯加热、均热温度设定为1220～1350℃：目的在于在该温度范围可将铸坯烧透，便于轧制；开轧温度≥1100℃，目的在于采用高温大压下破碎粗大的铸态组织，为钢板具有优良的低温冲击韧性奠定基础；终轧温度：720～880℃，该温度范围属于非再结晶温度，在该非再结晶温度范围轧制目的在于避免钢中发生再结晶现象，遏制形成粗大的晶粒，恶化钢的冲击韧性。在720～880℃温度范围轧制本申请钢种，可获得细小、均匀的晶粒和微观组织，具有优良的低温冲击韧性。200～660℃回火处理的目的在于消除钢板在制造过程中产生的残余内应力，使得钢板具有良好的综合力学性能。

以下简述本发明钢中选定各合金元素及成分范围的理由。

C是钢中必不可少的合金元素，为保证钢具有一定的强度，为使本发明申请钢种的屈服强度不低于330MPa，钢中需要一定的C含量，但是过高的C含量强烈降低钢的冲击韧性，综合平衡钢的强度和低温冲击韧性，将C含量的取值范围确定为: 0.02～0.06%。

Si结构钢中通常添加一定含量的Si，以置换固溶强化的方式提高钢的强度，但不宜过多添加，否则将损害钢的低温冲击韧性，故将Si的成分范围设定为: 0.01～0.15%。

Ni钢中添加一定含量的合金元素Ni，可显著改善钢的低温冲击韧性。Ni在本发明申请中通过控轧控冷工艺获得相应的贝氏体和铁素体的含量。因Ni是昂贵合金元素，过量添加不仅造成浪费，还增加成本，故将Ni含量的范围设定为0.10～2.50%。

Als：Als一般用于炼钢过程脱氧，但易与钢中的O、N反应生成不规则形状的Al₂O₃、AlN等，降低钢的力学性能，尤其会大幅度降低钢的低温冲击韧性，故将本发明申请的Al含量控制在Als ≤0.01%。

S是钢中有害的杂质元素，在钢中易形成硫化物夹杂，强烈降低钢的力学性能尤其是韧性，因此S含量越低越好，但若将其含量限定得过低，会增加生产难度，提高生产成本，故将钢的S含量限定在S≤0.002%。

P是钢中有害元素，显著降低钢的低温冲击韧性，炼钢脱P成本较高，在本申请中将P含量设定为P≤0.005%。

Ce在结构钢中属微合金化元素，在本发明申请中添加0.005～0.080%的Ce，目的在于改善钢中不能完全消除的夹杂物特性，使钢中夹杂物呈细小、圆形、弥散分布，将夹杂物对钢的低温冲击韧性的损害降致最低。另外Ce与钢中残余N、O等反应生产的细小含Ce复合化合物颗粒在钢板制造过程中可抑制晶界扩展，对细化晶粒有利。

N、O、H为有害元素，对低温冲击韧性不利，降低钢的力学性能和加工性能，故将N、O、H含量分别控制在:O≤0.001%, N≤0.0015%, H≤0.00005%。

本发明与现有技术相比，在-30～-60℃环境中，由于其钢中的金相组织为贝氏体及铁素体，且贝氏体体积百分比占有量不低于50%，所以能使-80℃冲击吸收功KV₂≥100J，从而使钢板的使用安全系数得到提高，并且成分及工艺简单，相对制造成本较低。

附图说明

 附图为本发明的金相组织图。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例及对比例的组分取值列表；

表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；

表3为本发明各实施例及对比例力学性能检验结果列表。

  本发明各实施例按照以下步骤生产：

其步骤：

1）对铁水进行深脱硫，控制铁水中的S≤0.0008%；

2）在LF炉中进行精炼，并控制铁水中的S≤0.0009%；

3）在RH炉中进行真空处理，并控制铁水中的O≤0.001%, N≤0.0015%, H≤0.00005%；

4）连铸并对铸坯加热，控制铸坯加热温度在1220～1350℃；

5）分段进行轧制，控制粗轧开轧温度在1100～1200℃，精轧段终轧温度在720～880℃；

6）冷却：首先进行层流冷却，在冷却速度为5.0～25℃/秒下，冷却到200～600℃，然后自然冷却至室温；

7）进行回火处理，控制回火温度在200～660℃；

8）待用。

表1  本发明各实施例及对比例的取值列表

表2    本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表

表3为本发明各实施例及对比例力学性能检验结果列表

       按照本发明成分要求，冶炼了8批本发明钢，化学成分见表1，表2为生产本发明钢的工艺参数，表3为性能检验结果。可见，本发明钢具有优良的低温冲击韧性，-80℃冲击吸收功均不低于100J。而对比钢由于C含量较高，Ni含量较低，且添加了1.0%以上的Mn，生产过程中对终轧后冷却工艺、回火工艺等均未作要求，其-80℃冲击吸收功很低，难于在寒冷地区钢结构工程中使用。 

Claims (2)

1.一种-80℃冲击吸收功≥100J的海洋工程用钢，其化学成分及重量百分比含量为：C：0.02～0.06%, Si: 0.01～0.15%, Ni: 0.10～2.50%, P≤0.005%, S≤0.001%, Als ≤0.01%，Ce: 0.005～0.080%，O≤0.001%, N≤0.0015%, H≤0.00005%,余为Fe和不可避免的杂质；屈服强度不低于330MPa，-80℃冲击吸收功KV₂≥100J，金相组织为贝氏体及铁素体，其中贝氏体体积百分比占有量不低于50%，其余体积百分比占有量为铁素体。

2.生产权利要求1所述的一种-80℃冲击吸收功≥100J的海洋工程用钢的方法，其步骤：

1）对铁水进行深脱硫，控制铁水中的S≤0.0008%；

2）在LF炉中进行精炼，并控制铁水中的S≤0.0009%；

3）在RH炉中进行真空处理，并控制铁水中的O≤0.001%, N≤0.0015%, H≤0.00005%；

4）连铸并对铸坯加热，控制铸坯加热温度在1220～1350℃；

5）分段进行轧制，控制粗轧开轧温度在1100～1200℃，精轧段终轧温度在720～880℃；

6）冷却：首先进行层流冷却，在冷却速度为5.0～25℃/秒下，冷却到200～600℃，然后自然冷却至室温；

7）进行回火处理，控制回火温度在200～660℃；

8）待用。