CN110106445A - 一种用于海洋平台铸造节点高强度高低温韧性用钢及其制备方法 - Google Patents

一种用于海洋平台铸造节点高强度高低温韧性用钢及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于海洋平台铸造节点高强度高低温韧性用钢及其制备方法，包括C、Si、Mn、Cr、Mo、V、Nb、Ni、La+Ce、P、S及余量Fe和不可避免杂质；制备时，将与所述海洋钢具有相同成分的铸态产品依次淬火、亚温淬火和回火处理。本发明的海洋钢在铸钢的条件下达到了轧钢的性能标准，在保证优异的低温韧性的基础上实现了良好的强度；同时，本发明为铸钢，节点可以一次浇注成型，相比于现有采用轧钢焊接成型，简化了工艺，节约了成本其，并使得工人能够迅速适应并生产。

Description

一种用于海洋平台铸造节点高强度高低温韧性用钢及其制备 方法
技术领域
本发明属于海洋钢制备领域，尤其涉及一种用于海洋平台铸造节点高强度高低温韧性用钢及其制备方法。
背景技术
海上平台设计和制造一个关键结构是管状节点，即节点，术语“节点”是指在空间框架结构中连接传入构件的结构元件。一个节点由一个主要成员称为“和弦”，和几个子成员称为“存根”连接到支撑成员。伴随着海洋开发不断向深海推进，更高效、经济可靠的海上平台节点被当今海洋勘探所急需。
最初海上平台的节点往往使用焊接节点，因为铸钢节点的选材困难，铸造工艺复杂，成本较高，这给铸钢节点的使用带来了很大的局限性，然而焊接节点的质量、完整性以及设计参数具有不确定性，特别是焊接节点容易造成应力集中，在风浪等外力作用下，易发生疲劳断裂，从而使海上平台发生严重事故。为了解决这个关键问题，人们在海洋平台上用铸钢节点代替焊接节点，除个别节点外，多数铸钢节点可节约钢材4-10％，降低造价2-34％，应力集中系数仅为焊接节点的二分之一。整体铸钢节点刚性好，纵向弯曲程度小，可提高平台对突然发生的冲击载荷和地震破坏的抗力，铸钢各向同性，厚度方向具有较高的韧性，而且焊接时不会产生纵向裂纹。
现在随着海洋开发的需求不断增加，对于高强度，高低温韧性的铸造节点用钢的需求也不断增加，开发出高性能海洋平台铸造节点用钢对于海洋的开发和经济的发展都有着巨大的推动作用。
发明内容
发明目的：本发明的第一目的是提供一种屈服强度高、低温冲击韧性优的用于海洋平台铸造节点高强度高低温韧性用钢；
本发明的第二目的是提供该海洋平台铸造节点用钢的制备方法。
技术方案：本发明用于海洋平台铸造节点高强度高低温韧性用钢，按重量百分比包括如下成分：C 0.03-0.10％、Si 0.1-0.3％、Mn 1.1-1.6％、Cr 0.1-0.3％、Mo 0-0.4％、V 0-0.02％、Nb 0.02-0.04％、Ni 0.4-0.8％、La+Ce≤0.06％、P≤0.025％、S≤0.015％及余量Fe和不可避免杂质。
本发明的海洋平台铸造节点用钢通过降低钢中C的含量，提高Mn的含量，扩大了奥氏体区，增大过冷奥氏体的稳定性，提高了韧塑性；降低钢中Si的含量，防止回火脆性，同时Si也可以提高强度。钢中增加Nb，含Nb析出相高温析出，能够起到很好的晶粒细化作用，同时形成Nb的碳化物，提高强度；钢中增加Mo，能提高淬透性、促进强碳化物的形成，少量Mo的加入可以强化基体、细化晶粒，改善韧性。增加Ni的含量能够在不降低韧性的前提下提高其强度，具有一定的低温韧性，有效避免了脆性断裂的情况；此外，稀土的添加，改善了钢中夹杂物的存在形式，使其球化，且能够吸附钢中残余硫、氧，形成稀土硫氧化物，净化钢液；除上述之外，本发明的衬板钢中由于添加了Mo、Nb等强碳化物形成元素，形成许多硬质合金相，提高了海洋钢的强度。
本发明制备上述用于海洋平台铸造节点高强度高低温韧性用钢的方法，包括如下步骤：
1)淬火处理：将与所述海洋平台铸造节点用钢具有相同成分的铸态产品升温至880-920℃，保温0.5-1h后进行水淬至室温；
(2)亚温淬火处理：将上述淬火后的产品升温至840-880℃，保温0.5h-1h后进行水淬至室温；
(3)回火处理：将上述水淬后的产品升温至500-650℃，保温1-2h后温水冷至室温。
本发明在制备衬板钢时依次经过淬火，亚温淬火及回火处理后，钢的组织为回火索氏体加少量残余奥氏体和铁素体，回火索氏体具有优良的综合力学性能，强度和韧性都较好。残余奥氏体能提高钢的整体强韧性，能有效地吸收应力，阻止裂纹的产生与扩张。均匀分布的细小铁素体组织可以阻抑裂纹扩展，同时可以阻止晶粒长大，沿淬火前原粗大奥氏体晶界可形成极细的奥氏体晶粒，晶粒细化，晶界增多，故单位界面上有害杂质元素含量降低，有利于增加强韧性，降低缺口敏感性。
进一步说，步骤(3)中，所述回火后温水冷的降温速率为5～10k/s。
再进一步说，本发明的步骤(1)中，与海洋平台铸造节点用钢具有相同成分的铸态产品由如下步骤制得：
(11)采用中频感应熔炼炉将生铁、废钢、钼铁、铌铁和镍铁加热熔化，采用CaO-CaF2底渣脱硫、脱磷，完成扒渣，造新渣，升温至1530-1550℃，进行预脱氧及精炼脱氧，之后升温至1560-1580℃，加入锰铁、硅铁、铬铁和钒铁合金进行合金化，并调整成分至合格，进行终脱氧；
(12)将钢液升温至1580-1620℃，再将钢水转入浇包，浇包提前加入La+Ce混合稀土，并静置吹氩10-20min，调整钢液温度至1460-1500℃进行浇铸，制得铸态产品。
更进一步说，步骤(1)中，所述将生铁、废钢、钼铁、铌铁和镍铁加热熔化的熔炼温度为1530-1550℃。中频感应熔炼炉的炉底先加入占生铁、废钢、钼铁、铌铁和镍铁总质量1-1.5％的CaO-CaF2底渣。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：该海洋平台铸造节点用钢不仅屈服强度钢，且低温冲击韧性优，其中，屈服强度能够达到600MPa，-40℃冲击韧性能够达到140J/cm2，大大节约了人力和成本，提高了生产效率；同时，其制备工艺相比于现有的制备工艺，并未增加繁琐的工序，并使得工人能够迅速适应并生产。
附图说明
图1为本发明节点用钢的显微组织图，放大倍数为2500倍；
图2为本发明节点用钢显微组织图，放大倍数为5000倍；
图3为本发明节点用钢显微组织图，放大倍数为10000倍。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
实施例1
海洋平台铸造节点用钢材料的化学成分和重量百分比为：C：0.045％、Si：0.2％、Mn：1.2％、Cr：0.128％、Mo：0.29％、V：0.002％、Nb：0.02％、Ni：0.70％、La+Ce：0.0066％、P：0.009％、S：0.008％及余量Fe和不可避免的杂质。
该节点用钢的制备方法包括如下步骤：
(1)熔炼：采用中频感应熔炼炉将生铁、废钢、钼铁、铌铁和镍铁在1535℃条件下加热熔化，利用高碱度低粘度的CaO-CaF2(占生铁、废钢、钼铁、铌铁和镍铁总质量1-1.5％)底渣脱硫、脱磷，完成扒渣，造新渣，升温至1540℃，加入硅铁粉、硅钙粉及铝粉(加入量为0.1-0.6Kg/吨钢)进行预脱氧及精炼脱氧，之后升温至1575℃，加入锰铁、硅铁、铬铁和钒铁合金进行合金化，并调整成分至合格，喂硅钙粉和铝丝(其中，硅钙粉加入量为0.1-0.3Kg/吨钢，铝丝加入量为0.7-0.9Kg/吨钢)，进行终脱氧；
(2)浇铸：将钢液升温至1600℃，再将钢水转入浇包，浇包提前加入La+Ce混合稀土，并静置吹氩18min，调整钢液温度至1460℃进行浇铸，制得铸态产品；
(4)淬火处理：将与所述节点用钢具有相同成分的铸态产品升温至920℃，保温50min后进行水淬至室温；
(5)亚温淬火处理：将上述淬火后的产品升温至880℃，保温50min后进行水淬至室温；
(6)回火处理：将上述水淬后的产品升温至550℃，保温1.5h后温水冷至室温；回火后温水冷的降温速率为8k/s。
将该实施例制备的耐磨性进行扫描电镜分析，获得的结果如图1至3所示。通过该三图可知，经上述处理后所得组织为回火索氏体，同时保留着部分马氏体的板条状形貌，有少量白色球状碳化物的析出。同时将该实施例制备的节点用钢进行性能检测，获得的结果如下表1所示。
表1实施例1制备的海洋平台铸造节点用钢的性能表
通过上述表1可知，本发明的屈服强度、低温冲击韧性性能均优。
对比例1现有的节点用钢
现有海洋平台节点用钢为X80轧制管线钢，化学成分按质量百分比计为，C：0.04-0.08％、Mn：1.7-1.85％，Si：0.25-0.45％，S：≤0.001％，P：≤0.010％，Nb：0.02-0.04％、Ti：0.008-0.03％、V：0.01-0.06％，Al：≤0.06％，N：≤0.010％，O：≤0.006％，Mo：≤0.30％，Cu：≤0.30％、Ni：0.15-0.35％，Cr：0.15-0.45％，Ca：≤0.01％，其余为Fe和不可避免的杂质。
其制备工艺是：按照技术方案配比备料-进行转炉或电炉冶炼-炉外精炼-连铸-板坯再加热-特定TMCP工艺-空冷至室温；
其中主要工序的具体操作：连铸坯的厚度为200mm及以上；
板坯再加热温度：1180～1230℃；
特定TMCP工艺：采用粗轧和精轧两阶段轧制：粗轧阶段采用再结晶区轧制，粗轧终轧温度为1080～1120℃，且连续2-3道次的单道次压下率多22％，粗轧累积变形率不低于55％；精轧阶段仍然采用再结晶区轧制，精轧终轧温度不低于910℃，轧至所需的成品厚度；
精轧结束后，立即采用DQ超快冷对钢板进行快速冷却，将钢板冷却至表面温度为450-500℃，冷却速度控制为25-35℃/s；DQ超快冷结束后，再通过ACC对钢板进行冷却，冷却速度控制在10-20℃/s，终冷温度为350-400℃，随后空冷到室温。
该现有的节点用钢横向屈服强度不小于555Mpa；纵向屈服强度不小于555Mpa；圆棒样钢材延伸率不小于25％；钢板纵横向强度均匀，强度差异性小；-30℃冲击功不低于300J。
对比例现有的X80管线钢，成分工艺复杂，制备难度大，成本高。且相比本发明的铸造节点用钢，仅仅低温冲击韧性略优，屈服强度较差。由此可知，本发明成本低，工艺简单，强度高，低温韧性优。
实施例2
海洋平台铸造节点用钢材料的化学成分和重量百分比为：C：0.09％、Si：0.26％、Mn：1.6％、Cr：0.22％、Mo：0.03％、Nb：0.03％、Ni：0.37％、La+Ce：0.046％、P：0.010％、S：0.006％及余量Fe和不可避免的杂质。
该节点用钢的制备方法包括如下步骤：
(1)熔炼：采用中频感应熔炼炉将生铁、废钢、钼铁、铌铁和镍铁在1530℃条件下加热熔化，利用高碱度低粘度的CaO-CaF2(占生铁、废钢、钼铁、铌铁和镍铁总质量1-1.5％)底渣脱硫、脱磷，完成扒渣，造新渣，升温至1530℃，加入硅铁粉、硅钙粉及铝粉(加入量为0.1-0.6Kg/吨钢)进行预脱氧及精炼脱氧，之后升温至1560℃，加入锰铁、硅铁、铬铁和钒铁合金进行合金化，并调整成分至合格，喂硅钙粉和铝丝(其中，硅钙粉加入量为0.1-0.3Kg/吨钢，铝丝加入量为0.7-0.9Kg/吨钢)，进行终脱氧；
(2)浇铸：将钢液升温至1580℃，再将钢水转入浇包，浇包提前加入La+Ce混合稀土，并静置吹氩10min，调整钢液温度至1460℃进行浇铸，制得铸态产品；
(4)淬火处理：将与所述节点用钢具有相同成分的铸态产品升温至890℃，保温50min后进行水淬至室温；
(5)亚温淬火处理：将上述淬火后的产品升温至850℃，保温50min后进行水淬至室温；
(6)回火处理：将上述水淬后的产品升温至550℃，保温1.5h后温水冷至室温；回火后温水冷的降温速率为5k/s。
将该实施例制备的节点用钢进行性能检测，获得的结果如下表2所示。
表2实施例2制备的海洋平台铸造节点用钢的性能表
通过上述表2可知，本发明的屈服强度、低温冲击韧性性能均优。
除上述实施例外，本发明用于海洋平台铸造节点高强度高低温韧性用钢，按重量百分比包括如下成分：C 0.03-0.10％、Si 0.1-0.3％、Mn 1.1-1.6％、Cr 0.1-0.3％、Mo 0-0.4％、V 0-0.02％、Nb 0.02-0.04％、Ni 0.4-0.8％、La+Ce≤0.06％、P≤0.025％、S≤0.015％及余量Fe和不可避免杂质。
在制备时，(1)熔炼：采用中频感应熔炼炉将生铁、废钢、钼铁、铌铁和镍铁在1550℃条件下加热熔化，利用高碱度低粘度的CaO-CaF2(占生铁、废钢、钼铁、铌铁和镍铁总质量1-1.5％)底渣脱硫、脱磷，完成扒渣，造新渣，升温至1550℃，加入硅铁粉、硅钙粉及铝粉(加入量为0.1-0.6Kg/吨钢)进行预脱氧及精炼脱氧，之后升温至1580℃，加入锰铁、硅铁、铬铁和钒铁合金进行合金化，并调整成分至合格，喂硅钙粉和铝丝(其中，硅钙粉加入量为0.1-0.3Kg/吨钢，铝丝加入量为0.7-0.9Kg/吨钢)，进行终脱氧；
(2)浇铸：将钢液升温至1620℃，再将钢水转入浇包，浇包提前加入La+Ce混合稀土，并静置吹氩20min，调整钢液温度至1500℃进行浇铸，制得铸态产品；
(4)淬火处理：将与所述节点用钢具有相同成分的铸态产品升温至880℃，保温0.5-1h后进行水淬至室温；
(5)亚温淬火处理：将上述淬火后的产品升温至840℃，保温0.5-1h后进行水淬至室温；
(6)回火处理：将上述水淬后的产品升温至500-650℃，保温1-2h后温水冷至室温；回火后温水冷的降温速率为10k/s。

Claims (6)

1.一种用于海洋平台铸造节点高强度高低温韧性用钢，其特征在于按重量百分比包括如下成分：C 0.03-0.10％、Si 0.1-0.3％、Mn 1.1-1.6％、Cr 0.1-0.3％、Mo 0-0.4％、V 0-0.02％、Nb 0.02-0.04％、Ni 0.4-0.8％、La+Ce≤0.06％、P≤0.025％、S≤0.015％及余量Fe和不可避免杂质。
2.一种制备权利要求1所述用于海洋平台铸造节点高强度高低温韧性用钢的方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)淬火处理：将与所述海洋平台铸造节点用钢具有相同成分的铸态产品升温至880-920℃，保温0.5-1h后进行水淬至室温；
(2)亚温淬火处理：将上述淬火后的产品升温至840-880℃，保温0.5-1h后进行水淬至室温；
(3)回火处理：将上述水淬后的产品升温至500-650℃，保温1-2h后温水冷至室温。
3.根据权利要求2所述制备用于海洋平台铸造节点高强度高低温韧性用钢的方法，其特征在于：步骤(3)中，所述回火后温水冷的降温速率为5-10k/s。
4.根据权利要求2所述制备用于海洋平台铸造节点高强度高低温韧性用钢的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述与海洋平台铸造节点用钢具有相同成分的铸态产品由如下步骤制得：
(11)采用中频感应熔炼炉将生铁、废钢、钼铁、铌铁和镍铁加热熔化，采用CaO-CaF2底渣脱硫、脱磷，完成扒渣，造新渣，升温至1530-1550℃，进行预脱氧及精炼脱氧，之后升温至1560-1580℃，加入锰铁、硅铁、铬铁和钒铁合金进行合金化，并调整成分至合格，进行终脱氧；
(12)将钢液升温至1580-1620℃，再将钢水转入浇包，浇包提前加入La+Ce混合稀土，并静置吹氩10-20min，调整钢液温度至1460-1500℃进行浇铸，制得铸态产品。
5.根据权利要求4所述制备用于海洋平台铸造节点高强度高低温韧性用钢的方法，其特征在于：步骤(11)中，所述将生铁、废钢、钼铁、铌铁和镍铁加热熔化的熔炼温度为1530-1550℃。
6.根据权利要求4所述制备用于海洋平台铸造节点高强度高低温韧性用钢的方法，其特征在于：步骤(11)中，所述中频感应熔炼炉的炉底先加入占生铁、废钢、钼铁、铌铁和镍铁总质量1-1.5％的CaO-CaF2底渣。
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