CN102732789A - 一种高性能海洋平台用钢及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高性能海洋平台用钢及其生产方法。当钢板厚度为8~40mm时，本发明钢板是由以下重量百分比的化学成分组成：C：0.11%~0.13%，Si：0.20%~0.50%，Mn：1.45%~1.55%，P≤0.012%，S≤0.003%，V：0.035%~0.045%，Nb：0.025%~0.030%，Ti≤0.050%，Al：0.020%~0.050%，余量为Fe和不可避免的杂质；当钢板厚度为40~100mm时，本发明钢板是由以下重量百分比的化学成分组成：C：0.10%~0.12%，Si：0.20%~0.50%，Mn：1.50%~1.60%，P≤0.012%，S≤0.003%，V：0.070%~0.075%，Nb：0.030%~0.040%，Ti≤0.050%，Al：0.020%~0.050%，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明钢板的生产方法包括以下步骤：电炉冶炼→LF炉精炼→VD真空处理→连铸(或模铸)→加热→控制轧制→冷却→堆垛→正火→成品。本发明钢板通过合理的成分设计和工艺优化，具有良好的机械性能、焊接性能和加工性能，有较强的市场竞争力。
Description
技术领域
本发明属于钢板的制造技术领域，具体涉及一种高性能海洋平台用钢及其生产方法。
背景技术
在我国海油气资源开发，海洋工程装备制造业是为海洋开发提供装备的战略性产业。预计到2020年全球海洋工程装备市场投资将超过1200亿元，其中平台及海洋工程船舶投资约700亿元，深水装备投资占45%以上。荔湾、荔水、番禹巨涛、胜宝旺等项目，为中海油南海深水天然气开发项目，可采储量为4~6万亿立方英尺天然气，是我国自主开发设计的首个深水自升式海洋平台，此类用钢每年需求量在10万吨以上。目前的海洋平台用钢强度和低温韧性等性能都相对比较小，影响了此类钢板的使用。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种具有良好的强韧性及焊接性能良好的8~100mm高性能海洋平台用钢。
同时，本发明的目的还在于提供一种8~100mm高性能海洋平台用钢的生产方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案在于采用了一种高性能海洋平台用钢，由以下重量百分比的化学成分组成：C：0.11%~0.13%，Si：0.20%~0.50%，Mn：1.45%~1.55%，P≤0.012%，S≤0.003%，V：0.035%~0.045%，Nb：0.025%~0.030%，Ti≤0.050%，Al：0.020%~0.050%，余量为Fe和不可避免的杂质。所述的钢板厚度为8~40mm。
一种高性能海洋平台用钢，由以下重量百分比的化学成分组成：C：0.10%~0.12%，Si：0.20%~0.50%，Mn：1.50%~1.60%，P≤0.012%，S≤0.003%，V：0.070%~0.075%，Nb：0.030%~0.040%，Ti≤0.050%，Al：0.020%~0.050%，余量为Fe和不可避免的杂质。所述的钢板厚度为40~100mm。
各元素在本钢种中的作用是：
碳(C)：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低,且会影响钢的焊接性能及韧性(时效性能等)。因此针对两种厚度范围，规定了8～40mm，C：0.11%~0.13%；40～100mm，C：0.10%~0.12%。
硅(Si)：在炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂，同时Si也能起到固溶强化作用，但超过0.5%时，会造成钢的韧性下降，降低钢的焊接性能。
锰(Mn)：锰成本低廉，能增加钢的韧性、强度和硬度，提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能；锰量过高，对于大厚度钢板易出现中心偏析。在本钢种中，锰主要作用为提高强度。针对两种厚度范围，规定了8～40mm，Mn：1.45%~1.55%；40～100mm，Mn：1.50%~1.60%。
磷(P)、硫(S)：一般情况下，磷和硫都是钢中有害元素，增加钢的脆性。磷使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏；硫降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹；因此应尽量减少磷和硫在钢中的含量。对于平台钢来说，由于标准对磷(P)、硫(S)要求更加严格，因此在设计成分时就规定：P≤0.012%，S≤0.003%，
铌(Nb)：在加热、轧制过程中，铌元素与碳、氮形成的析出相在高温阶段稳定存在或者溶于奥氏体中的微合金元素在高温阶段的固溶拖曳作用，从而阻碍再结晶晶粒粗化。高温阶段存在的细小析出相钉扎在晶界，对晶界的移动有明显的阻碍作用；晶界移动与第二相质点交割时，这种相互作用会吸收界面能量，从而延迟界面的移动，阻止奥氏体晶粒的长大，细化晶粒，从而提高强度和韧性。一般钢种加入0.020%~0.050%铌元素就可以满足，加入多了会造成浪费。
钒(V)：钒在钢中主要起固溶强化和析出强化作用，强化基体，提高钢板的强度。由于钒价格相对其他合金便宜，通过加入适量的钒就可以提高强度，不用加入更加昂贵的合金，如：钼(Mo)，钛(Ti)等。一般钒加入适量根据钢板厚度不同而增加，小于40mm钢板，加入量为0.035%~0.045%；大于40mm钢板，加入量为0.070%~0.075%就可以满足要求了。
钛(Ti)：钢在使用过程中，经常要进行焊接，焊接接头是其薄弱环节，特别是热影响区，最易在此破坏。在钢中添加微量的钛，可以将不纯物质如氧、氮、硫等固定起来，从而改善钢的可焊性；其次，由于其微观质点的作用，例如TiN在高温下的未溶解性，可阻止热影响区晶粒的粗化，提高热影响区的韧性，从而改善钢的焊接性能。一般由于厚板晶粒较大，加入适量的钛可以提高焊接性能和实效性能，加入量不超过0.050%，薄板(8～80mm)一般不加。
铝(Al)：用作炼钢时的脱氧定氮剂；钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高在低温时冲击韧性，降低了钢的脆性转变温度。一般钢种加入0.020%-0.050%的Al即可。
同时，本发明的技术方案还在于采用了一种高性能海洋平台用钢的生产方法，包括以下步骤：
(1)冶炼：钢水先经电炉冶炼，然后送入LF精炼炉精炼，喂Al线550米以上，白渣保持时间≥45min，石灰用量≥17kg/t钢，过程及扒渣[Al]≥0.015%；精炼完毕后吊包VD炉真空处理，真空前加入SiCa块100kg/炉以上，真空度不大于66Pa，真空保持时间≥20min时破坏真空，最大限度减少钢中非金属夹杂物、有害元素含量，保证钢水的纯净度；
(2)浇铸：真空破坏后温度在1545±10℃，对于厚度＜90mm的钢板采用300mm连铸机浇铸，过热度控制在15~40℃；对于厚度≥90mm的钢板，采用锭模浇铸，过热度控制在20~50℃；
(3)加热：钢锭及钢坯均执行II组加热制度，最高加热温度≤1260℃，保证锭坯透烧均匀，在1000℃以下升温速度≤120℃/h，温度≥1000℃时升温速度不限，加热系数为9~12min/cm；
(4)轧制：采用II型控轧工艺，第一阶段轧制在950~1100℃之间，此阶段单道次压下量为10~25%，累计压下率≥70%，使奥氏体发生完全再结晶，以细化奥氏体晶粒；第二阶段为奥氏体非再结晶阶段，开轧温度≤880℃，终轧温度≤820℃，在这一阶段内，奥氏体晶粒被拉长，在伸长而未再结晶的奥氏体内形成高密度形变孪晶和形变带，因而增加了铁素体的形核位置，细化了铁素体晶粒，此阶段压下率应尽量大，累计压下率≥30%；
(5)冷却：轧后钢板在ACC快速冷却装置进行在线冷却，返红温度为650~700℃；
(6)堆垛缓冷：钢板轧制后及时堆垛缓冷，堆垛温度≥500℃，堆放时要求钢板头部或肩部尽可能对齐，堆垛时间48小时以上；
(7)正火处理：钢板正火要选用炉况好的热处理炉处理，减少辊印，正火充分，正火加热温度为910±10℃，总加热时间为1.5~2.0min/mm，正火后水冷，钢板返红温度为650±10℃。
步骤(1)中所述的模铸总精炼时间≥60min，连铸总精炼时间≥55min。
对于海洋用平台钢的研制开发，通过制定严格的质量计划和研制工艺方案，控制生产中的各个环节，确保产品质量。
(1)生产工艺流程
电炉冶炼→LF 炉精炼→VD 真空处理→连铸(或模铸)→加热→控制轧制→ACC控制冷却→堆垛→正火→性能检验→入库。
(2)成分设计
在成分设计上采用低碳、高微合金化的设计思路，解决了碳、锰偏析问题以及高强度、高冲击韧性的要求；在低碳、低碳当量的条件下确保钢板淬透性，具有良好的组织、综合性能和焊接性能。
(3)钢板表面质量要求
采用二次成材轧制的生产方式可以使钢材表面光洁，没有污物、折皱、磷皮和锈斑，还可以达到钢板不允许焊补的要求，优化工艺，控制好板形和表面质量。
(4)钢板组织
通过合理热处理制度，得到铁素体和珠光体组织，钢板表面贝氏体层少，晶粒度8级以上，带状组织等级低于1.5级要求。
本发明具有以下优点：①力学性能优良，屈服强度和抗拉强度较薄规格性能指标有较大富余量；②低温冲击功高，-20℃冲击功在100焦以上；③Z向性能(断面收缩率%)在50%左右；④碳当量Ceq≤0.41%，焊接敏感系数Pcm≤0.21%；⑤钢板最大厚度可达到100mm。
具体实施方式
实施例1
本实施例的海洋平台用钢的厚度大于90mm，钢板的实际成分(按重量百分比)为：C：0.10%，Si：0.28%，Mn：1.56%，P：0.010%，S：0.001%，Al：0.037%，Nb：0.037%，V：0.075%，Ti：0.045%，余量为Fe及不可避免的杂质，Ceq为0.40%，Pcm为0.20%。
本发明钢板的生产方法如下：
(1)冶炼：钢水先经电炉冶炼，在大包出钢时，加入合金1吨，其中包括脱氧剂Si-Mn，避免钢水过氧化程度加大，并且在大包出钢时，P必须小于0.008%，不允许见渣出钢；送入LF精炼炉精炼，并喂Al线650米，石灰1720kg，Si-Fe粉123kg，白渣保持55min，VD炉真空处理，真空前加入SiCa块130kg/炉，真空度66Pa，保持时间23min时破坏真空，解决了钢水单靠Al线脱氧、钢中非金属夹杂物含量较高的现象，保证了钢质的纯净度；
(2)浇铸：真空破坏后，然后采用33.4T扁锭模进行浇铸，保证大厚度、大单重钢板有足够的压下量和成材原料，碳化稻壳加入量12袋/支，过热度控制在30℃；
(3)加热：按II组加热制度，最高加热温度1260℃，保证钢锭烧透均匀，在1000℃以下升温速度120℃/h，温度≥1000℃升温速度不限，加热系数9min/cm；
(4)轧制：采用II型控轧工艺，第一阶段为奥氏体再结晶阶段，轧制温度在1000℃之间，此阶段单道次压下量为15%，累计压下率80％，使奥氏体发生完全再结晶，以细化奥氏体晶粒；第二阶段为奥氏体非再结晶阶段，开轧温度为880℃，终轧温度为820℃，在这一阶段内，奥氏体晶粒被拉长，在伸长而未再结晶的奥氏体内形成高密度形变孪晶和形变带，因而增加了铁素体的形核位置，细化了铁素体晶粒，此阶段压下率应尽量大，累计压下率50％；
(5)冷却：经轧制后的钢板在ACC快速冷却装置进行在线冷却，返红温度为680℃；
(6)堆垛缓冷：轧后及时堆垛缓冷，堆垛温度≥500℃，堆垛时尽量对齐；堆垛时间60小时，达到时间方可拆垛、翻板、修磨，拆垛钢温≥100℃时，严禁打水降温；
(7)正火处理：对钢板进行正火处理，加热温度920℃，总加热时间：2.0min/mm，正火后进行水冷，钢板返红温度为650℃。
表1 本实施例钢板的力学性能
实施例2
本实施例的海洋平台用钢的厚度为≤40mm，钢板的实际成分(按重量百分比)为：C：0.12%，Si：0.27%，Mn：1.48%，P：0.009%，S：0.001%，Al：0.038%，Nb：0.027%，V：0.038%，余量为Fe及不可避免的杂质，Ceq为0.38%，Pcm为0.21%。
本发明钢板的生产方法如下：
(1)冶炼：钢水先经电炉冶炼，在大包出钢时，加入合金1吨，其中包括脱氧剂Si-Mn，避免钢水过氧化程度加大，并且在大包出钢时，P必须小于0.008%，不允许见渣出钢；送入LF精炼炉精炼，并喂Al线650米，石灰1720kg，Si-Fe粉123kg，白渣保持55min，VD炉真空处理，真空前加入SiCa块130kg/炉，真空度66Pa，保持时间23min时破坏真空，解决了钢水单靠Al线脱氧、钢中非金属夹杂物含量较高的现象，保证了钢质的纯净度；
(2)浇铸：真空破坏后，然后采连铸进行浇铸，浇注钢坯规格为300mm×2000mm，过热度控制在30℃；
(3)加热：按II组加热制度，最高加热温度1260℃，保证锭坯透烧均匀，在1000℃以下升温速度100℃/h，温度≥1000℃时升温速度不限，加热系数为12min/cm；
(4)轧制：采用II型控轧工艺，第一阶段为奥氏体再结晶阶段，轧制温度在1100℃之间，此阶段单道次压下量为15%，累计压下率80％，使奥氏体发生完全再结晶，以细化奥氏体晶粒；第二阶段为奥氏体非再结晶阶段，开轧温度为880℃，终轧温度为820℃，在这一阶段内，奥氏体晶粒被拉长，在伸长而未再结晶的奥氏体内形成高密度形变孪晶和形变带，因而增加了铁素体的形核位置，细化了铁素体晶粒，此阶段压下率应尽量大，累计压下率50％；
(5)冷却：经轧制后的钢板在ACC快速冷却装置进行在线冷却，返红温度为680℃；
(6)堆垛缓冷：轧后及时堆垛缓冷，堆垛温度≥500℃，堆垛时尽量对齐；堆垛时间24小时，达到时间方可拆垛、翻板、修磨，拆垛钢温≥100℃时，严禁打水降温；
(7)正火处理：对钢板进行正火处理，加热温度920℃，总加热时间：2.0min/mm，正火后进行水冷，钢板返红温度为650℃。
表2 本实施例钢板的力学性能
最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种高性能海洋平台用钢，其特征在于，所述的钢板由以下重量百分比的化学成分组成： C：0.11%~0.13%，Si：0.20%~0.50%，Mn：1.45%~1.55%，P≤0.012%，S≤0.003%，V：0.035%~0.045%，Nb：0.025%~0.030%，Ti≤0.050%，Al：0.020%~0.050%，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高性能海洋平台用钢，其特征在于，所述的钢板厚度为8~40mm。
3.一种高性能海洋平台用钢，其特征在于，所述的钢板由以下重量百分比的化学成分组成： C：0.10%~0.12%，Si：0.20%~0.50%，Mn：1.50%~1.60%，P≤0.012%，S≤0.003%，V：0.070%~0.075%，Nb：0.030%~0.040%，Ti≤0.050%，Al：0.020%~0.050%，余量为Fe和不可避免的杂质。
4.根据权利要求3所述的高性能海洋平台用钢，其特征在于，所述的钢板厚度为40~100mm。
5.一种如权利要求1或3所述的高性能海洋平台用钢的生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1) 冶炼：钢水先经电炉冶炼，然后送入LF精炼炉精炼，喂Al线550米以上，白渣保持时间≥45min，石灰用量≥17kg/t钢，过程及扒渣[Al]≥0.015%；精炼完毕后吊包VD炉真空处理，真空前加入SiCa块100kg/炉以上，真空度不大于66Pa，真空保持时间≥20min；
(2) 浇铸：真空破坏后温度在1545±10℃，对于厚度＜90mm的钢板采用300mm连铸机浇铸，过热度控制在15~40℃；对于厚度≥90mm的钢板，采用锭模浇铸，过热度控制在20~50℃；
(3) 加热：钢锭及钢坯均执行Ⅱ组加热制度，最高加热温度≤1260℃，在1000℃以下升温速度≤120℃/h，温度≥1000℃时升温速度不限，加热系数为9~12min/cm；
(4) 轧制：采用Ⅱ型控轧工艺，第一阶段轧制在950~1100℃之间，此阶段单道次压下量为10~25%，累计压下率≥70%；第二阶段为奥氏体非再结晶阶段，开轧温度≤880℃，终轧温度≤820℃，累计压下率≥30%；
(5) 冷却：轧后钢板在ACC快速冷却装置进行在线冷却，返红温度为650~700℃；
(6) 堆垛缓冷：钢板轧制后及时堆垛缓冷，堆垛温度≥500℃，堆放时要求钢板头部或肩部尽可能对齐，堆垛时间48小时以上；
(7) 正火处理：正火加热温度为910±10℃，总加热时间为1.5~2.0min/mm，正火后水冷，钢板返红温度为650±10℃。
6.根据权利要求5所述的高性能海洋平台用钢的生产方法，其特征在于，所述的步骤(1)中的模铸总精炼时间≥60min，连铸总精炼时间≥55min。
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