專利名稱：海洋平臺(tái)用特厚高強(qiáng)度優(yōu)良低溫韌性鋼板及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及低合金調(diào)質(zhì)鋼制造領(lǐng)域，特別涉及海洋平臺(tái)用特厚高強(qiáng)度優(yōu)良低溫韌性鋼板及其制造方法，其屈服強(qiáng)度≥690MPa、抗拉強(qiáng)度≥770MPa、_40°C夏比V型缺口沖擊功≥69J、NDT ≤ -35°C、Z≥35%，最大厚度達(dá)到200mm以上。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展加劇了能源的消耗，石油天然氣等能源的開(kāi)采逐漸由陸地向近海、深海延伸，作為海上能源開(kāi)發(fā)的必備裝置——海洋平臺(tái)得到了快速的發(fā)展， 也促進(jìn)了海洋平臺(tái)用鋼的不斷進(jìn)步。海洋平臺(tái)用鋼是在船體結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，最初建造的鋼質(zhì)平臺(tái)都是用船體結(jié)構(gòu)鋼。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和開(kāi)發(fā)海洋事業(yè)的蓬勃發(fā)展，海洋平臺(tái)建造的數(shù)量不斷增加，類型也日益增多；同時(shí)能源開(kāi)采由淺海向深海發(fā)展，由溫暖海域向低溫海域發(fā)展，所以海洋平臺(tái)要經(jīng)受各種氣候條件和風(fēng)浪的襲擊，經(jīng)受海水的腐蝕，工作條件非常苛刻；此外，海洋平臺(tái)的大型化趨勢(shì)也很顯著，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊接工作量大，應(yīng)力集中程度高，因此對(duì)海洋平臺(tái)用鋼提出了大厚度、高強(qiáng)度、高韌性、可焊性和良好耐蝕性的苛刻要求，尤其是對(duì)于一些關(guān)鍵構(gòu)件還提出了 Z向性能要求。近年來(lái)，國(guó)產(chǎn)海洋平臺(tái)用鋼板已經(jīng)被廣泛采用，EH36以下平臺(tái)用鋼基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，占平臺(tái)用鋼量90%。但隨著海洋平臺(tái)趨于大型化、深水化的發(fā)展，船體結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度級(jí)別滿足不了一些關(guān)鍵部位的性能要求，對(duì)于高強(qiáng)度、大厚度的鋼板仍依賴進(jìn)口。目前在自升式平臺(tái)中使用的強(qiáng)度級(jí)別最高的鋼種——690MPa級(jí)高強(qiáng)度、高韌性、 耐腐蝕、易焊接的海洋平臺(tái)用鋼只有日本、德國(guó)一些廠家可以生產(chǎn)，嚴(yán)重制約的了我國(guó)的海洋工程裝備的發(fā)展。因此，有必要針對(duì)此類鋼種進(jìn)行開(kāi)發(fā)。中國(guó)專利CN1281906公開(kāi)了一種高強(qiáng)度、高韌性、良好耐蝕性的系泊鏈用鋼及其生產(chǎn)工藝，該鋼種采用較高C、高M(jìn)n，Ni、Cr、Mo合金化及Nb微合金化的成分設(shè)計(jì)方法，碳當(dāng)量(CE(IIW) = C+Mn/6+ (Cr+Mo+V)/5+ (Ni+Cu)/15)達(dá)到 I. 40% 以上；經(jīng) EAF+LF+VD+CCM 的工藝路徑，制造成系泊鏈用鋼，可用于半潛式鉆井平臺(tái)、單點(diǎn)系泊結(jié)構(gòu)和浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪以及其它海洋開(kāi)發(fā)設(shè)施的R4級(jí)系泊鏈，亦可用于一些要求較高的船舶錨鏈。但是，該系泊鏈用鋼為棒材，其C、Mn含量、抗拉強(qiáng)度均不符合海洋平臺(tái)用齒條鋼的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求，且碳當(dāng)量> 1.4%，過(guò)高的碳當(dāng)量導(dǎo)致其焊接性能較差，焊接熱影響區(qū)韌性不足，不能作為大型海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)承重的樁腿材料進(jìn)行焊接使用。中國(guó)專利CN 1908217提出了一種海洋鉆井、生產(chǎn)和處理平臺(tái)用耐海水腐蝕鋼的制造方法。該鋼種主要采用低碳，Cu、Cr合金化以及Nb微合金化的成分設(shè)計(jì)方法，通過(guò)脫硫、吹煉、真空處理、連鑄以及熱軋等工序，制造海洋平臺(tái)用耐海水腐蝕鋼，制造的鋼種屈服強(qiáng)度級(jí)別在440MPa及以下。但該耐海水腐蝕鋼，其C、Cr含量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均不符合海洋平臺(tái)用齒條鋼的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求，且其鋼板厚度只有20mm厚，不能作為大型海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)承重的樁腿材料使用。
美國(guó)專利US4428781A提出了一種海洋鉆井平臺(tái)系泊鏈用具有良好可焊性、淬硬性低合金鋼的制造方法。通過(guò)低碳、高Si，Ni、Cr、Mo合金化以及Nb、V、Ti微合金化的成分設(shè)計(jì)方法，制造的鋼種屈服強(qiáng)度在600MPa以上，抗拉強(qiáng)度在900MPa以上，_20°C缺口沖擊韌性在40J以上，具有良好的可焊性和淬硬性。該鋼種經(jīng)800 1000°C正火處理后空冷或水冷到室溫，再經(jīng)過(guò)680 790°C退火處理后，可制造用于固定海洋平臺(tái)的錨鏈。但是，與前述專利一樣，該錨鏈用鋼為棒材，其C、Cr、Ni含量均不符合海洋平臺(tái)用齒條鋼的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求，其低溫沖擊韌性也不能滿足海洋平臺(tái)用齒條鋼相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，不能作為大型海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)承重的樁腿材料使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種海洋平臺(tái)用特厚高強(qiáng)度優(yōu)良低溫韌性鋼板及其制造方法，采用中C、Ni-Cr-Mo合金化及Nb-V-Ti微合金化成分體系，屈服強(qiáng)度彡690MPa、抗拉強(qiáng)度彡770MPa、-40°C夏比V型缺口沖擊功彡69J、NDT ( -35°C、Z彡35%，最大厚度達(dá)到 200mm以上,可用于制造海洋平臺(tái)用齒條。 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是海洋平臺(tái)用特厚高強(qiáng)度優(yōu)良低溫韌性鋼板，其成份重量百分比為C0. 10 O. 24%, Si O. 05 O. 35%, Mn O. 60 I. 15%, P 彡 O. 015%, S 彡 O. 005%, Ti O. 01
O.030%, Cr I. 45 L 75%, Mo O. 15 O. 44%, Ni O. 80 2. 50%, NbO. 010 O. 070%, V O. 020 O. 080%，Alt O. 02 O. 06%，Ca O. 001 O. 004%，N 彡 O. 006%，B O. 0007
O.0030%，其余為Fe和不可避免雜質(zhì)。在本發(fā)明海洋平臺(tái)用特厚高強(qiáng)度優(yōu)良低溫韌性鋼板成分設(shè)計(jì)中C :最基本的強(qiáng)化元素。碳溶解在鋼中形成間隙固溶體，起固溶強(qiáng)化的作用，與強(qiáng)碳化物形成元素形成碳化物析出，則起到沉淀強(qiáng)化的作用。但太高的C對(duì)鋼的延性、韌性和焊接性能不利，同時(shí)降低Nb、V等微合金化元素的固溶，影響析出強(qiáng)化效果；對(duì)于需進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理的鋼種而言，C含量太低時(shí)熱處理后碳化物的量減少，析出強(qiáng)化效果不明顯，降低了鋼的強(qiáng)度。所以C控制在O. 10% O. 24%。Mn :是低合金高強(qiáng)鋼種最基本的合金元素，通過(guò)固溶強(qiáng)化提高鋼的強(qiáng)度，以補(bǔ)償鋼中因C含量降低而引起強(qiáng)度損失。Mn還是擴(kuò)大Y相區(qū)的元素，可降低鋼的Y — α相變溫度，有助于獲得細(xì)小的相變產(chǎn)物，可提高鋼的韌性。但Mn含量太高時(shí)，對(duì)于特厚規(guī)格的鋼種而言，易在鋼板中心位置產(chǎn)生偏析，減低中心部位的低溫韌性。因此本鋼種Mn含量為 O. 60% I. 15%。S、P:不可避免的鋼中有害雜質(zhì)元素，易形成偏析、夾雜等缺陷，惡化管線鋼的焊接性能、沖擊韌性和抗HIC性能。因此，本發(fā)明中控制P彡O. 015,S ( O. 005，且須通過(guò)Ca處理夾雜物改性技術(shù)，使夾雜物形態(tài)球化且分布均勻，減少其對(duì)韌性和腐蝕性的影響。Nb:在微合金鋼中提高再結(jié)晶終止溫度最有效的元素，能有效降低軋機(jī)載荷，對(duì)晶粒細(xì)化的作用十分明顯。對(duì)于發(fā)明鋼而言，軋制變形在再結(jié)晶軋制階段完成，在此階段Nb 通過(guò)應(yīng)變誘導(dǎo)析出阻礙形變奧氏體的回復(fù)、再結(jié)晶，起到細(xì)化晶粒尺寸的效果。這樣在后續(xù)的淬火再加熱過(guò)程中，由于形核點(diǎn)增多，得到細(xì)化的再加熱奧氏體晶粒，有利于細(xì)化淬火組織；在回火過(guò)程中，固溶的Nb以NbC的形式彌散析出，提高強(qiáng)度且不損失韌性。但受C含量的限制及加熱溫度的影響，太高的Nb無(wú)法固溶，同樣發(fā)揮不了作用且增加成本，因此本發(fā)明中Nb含量控制在O. 01% O. 07%。Ti:是強(qiáng)的固N(yùn)元素，Ti/N的化學(xué)計(jì)量比為3. 42，利用O. 02%左右的Ti就可固定鋼中60ppm以下的N,在板還連鑄時(shí)可形成細(xì)小的高溫穩(wěn)定的TiN析出相。這種細(xì)小的 TiN粒子可有效地阻礙板坯再加熱時(shí)的奧氏體晶粒長(zhǎng)大，有助于提高Nb在奧氏體中的固溶度。對(duì)于特厚鋼板而言，適量的Ti含量，有利于形成穩(wěn)定的TiN粒子，在焊接時(shí)起到抑制熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大，改善焊接熱影響區(qū)的沖擊韌性的作用。本發(fā)明中Ti含量限定在O. 010
O.030%。V :V通過(guò)與C和N形成VN或V(CN)微細(xì)析出粒子，對(duì)鋼的強(qiáng)化做出貢獻(xiàn)。同時(shí)，V有利于提高調(diào)質(zhì)后硬度的穩(wěn)定性。但如含量太高，則成本增加顯著。故其含量控制在O. 02 %
O.08%。Cr :提高鋼的淬透性的重要元素，因此對(duì)于特厚規(guī)格的鋼板而言需添加較高的Cr 提高淬透性以彌補(bǔ)厚度帶來(lái)的強(qiáng)度損失，提高鋼的強(qiáng)度改善厚度方向上性能的均勻性。且 Cr含量在I. 45%以上時(shí)，熱處理過(guò)程中在鋼板表面形成一層致密的Fe、Cr尖晶石結(jié)果，阻止基體與環(huán)境直接接觸，起到改善鋼的耐海水腐蝕作用；但太高的鉻和錳同時(shí)加入鋼中，會(huì)導(dǎo)致低熔點(diǎn)Cr-Mn復(fù)合氧化物形成，在熱加工過(guò)程中形成表面裂紋，同時(shí)會(huì)嚴(yán)重惡化焊接性能。因此本發(fā)明中Cr含量應(yīng)限定在I. 45% 1.75%。Mo :提高淬透性的元素，作用僅次于Mn，因此能有效提高強(qiáng)度；此外在低合金鋼中添加少量的Mo還能起到克服熱處理過(guò)程中的回火脆性，改善熱處理性能、疲勞性能的作用。在高強(qiáng)度低合金鋼中，屈服強(qiáng)度隨Mo含量的增加而提高，因此太高的Mo有損塑性。本發(fā)明中Mo含量控制在O. 15% O. 44%。Ni :提高材料低溫韌性的元素。加入適量的Ni元素，降低晶體的層錯(cuò)能，有利于位錯(cuò)的滑移運(yùn)動(dòng)，改善材料的沖擊韌性，尤其是特厚板中心部位的沖擊韌性。但Ni含量太高時(shí)，板坯表面易生成黏性較高的氧化鐵皮，難以去除，影響鋼板的表面質(zhì)量和疲勞性能；同時(shí)太高的Ni含量，不利于特厚板的焊接。因此本發(fā)明限定Ni含量為O. 80 2. 50%。Alt :是為了脫氧而加入鋼中的元素，脫氧完全后，降低材料中的O含量，改善時(shí)效性能；此外，適量的Al有利于細(xì)化晶粒，改善鋼材的強(qiáng)韌性能。本發(fā)明中限定Al含量為
O.02 O. 06%。Ca:通過(guò)Ca處理可以控制硫化物的形態(tài)，改善鋼板的各向異性，提高低溫韌性，其含量少于O. 001時(shí)沒(méi)有效果，而超過(guò)O. 006則會(huì)產(chǎn)生許多CaO、CaS,并形成大型夾雜物，對(duì)鋼的韌性造成損害，甚至影響鋼的焊接性能。所以規(guī)定Ca含量范圍為O. 001% -O. 004%本發(fā)明海洋平臺(tái)用特厚高強(qiáng)度優(yōu)良低溫韌性鋼板的制造方法，其包括如下步驟I)冶煉、鑄造海洋平臺(tái)用特厚高強(qiáng)度優(yōu)良低溫韌性鋼板，其成份重量百分比為C O. 10 O. 24 %，Si O. 05 O. 35 %, Mn O. 60 I. 15 %, P ^ O. 015 %, S 彡 O. 005 %，Ti O. 01 O. 030 %, Cr I. 45 I. 75 %，Mo O. 15 O. 44 %，NiO. 80 2. 50 %, Nb O. 010 O. 070 %, V O. 020 O. 080 %，Alt O. 02 O. 06 %，Ca O. 001 O. 004%, N^O. 006%, B O. 0007 O. 0030%，其余為Fe和不可避免雜質(zhì)；采用電爐或轉(zhuǎn)爐冶煉，爐外精煉RH真空脫氣+LF脫硫，并澆鑄成板坯；
2)開(kāi)坯軋制
板坯加熱溫度1150 1300°C，終軋溫度900 1100°C，軋后冷卻，
坑冷到400°C以下；
3)消應(yīng)力退火工藝
消應(yīng)力退火溫度450 600°C，并隨爐冷卻到200°C以下；
4)厚板軋制
板坯再加熱溫度1050 1200°C，終軋溫度900 1000°C，軋后冷卻，
坑冷到400°C以下；
5)淬火+回火調(diào)質(zhì)熱處理
淬火加熱溫度900 980°C，水淬；回火加熱溫度580 680°C。
采用上述的成份工藝，保證了不同厚度規(guī)格的鋼在經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)后具有回火索氏體+馬氏體組織，這種組織保證了高強(qiáng)度、優(yōu)良的低溫韌性。
與中國(guó)專利CN1281906相比，本發(fā)明應(yīng)用在海洋平臺(tái)的部位不同，因此要求的性
能也是不相同的，中國(guó)專利CN1281906更注重材料本身的強(qiáng)度和延伸性能。同時(shí)，產(chǎn)品的形式是不同的，該專利所生產(chǎn)的產(chǎn)品為長(zhǎng)材料，與本發(fā)明所生產(chǎn)的板材在產(chǎn)品形式上是不同的。并且，本發(fā)明與中國(guó)專利CN1281906的成分設(shè)計(jì)不同。與中國(guó)專利CN 1908217相比，本發(fā)明采用中碳，Cu、Ni、Cr、Mo合金化以及Nb、V、 Ti微合金化的成分設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)LF+RH精煉、模鑄、開(kāi)坯、消應(yīng)力熱處理、表面處理、厚板軋制、調(diào)質(zhì)熱處理等工序，制造鋼板最大厚度可到200mm及以上，同時(shí)屈服強(qiáng)度級(jí)別達(dá)到 690MPa及以上。兩專利的成分設(shè)計(jì)和工藝路徑存在明顯差異。兩鋼種的成分設(shè)計(jì)方法及強(qiáng)
度等級(jí)不一致。與美國(guó)專利US4428781A相比，本發(fā)明采用的是中碳、低Si及合金化的成分設(shè)計(jì)方法，合金含量顯著低于對(duì)比專利，但制造的鋼板強(qiáng)度級(jí)別高于對(duì)比專利，屈服強(qiáng)度達(dá)到 690MPa及以上。本發(fā)明的發(fā)明鋼主要用于平臺(tái)升降的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位，最大厚度級(jí)別達(dá)到 200mm及以上。兩鋼種的成分設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用領(lǐng)域存在明顯差異。通過(guò)上述對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明鋼采用了經(jīng)濟(jì)的成份設(shè)計(jì)方法和制造工藝，可生產(chǎn)具有高的強(qiáng)度、良好的低溫沖擊韌性和良好可焊性(低的Ceq和Pcm指數(shù))的特厚規(guī)格海洋平臺(tái)用鋼板，與現(xiàn)有的專利在成分設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)或應(yīng)用領(lǐng)域上存在較大差別。本發(fā)明的有益效果(I)本發(fā)明可以制造最大厚度尺寸在200mm以上的聞強(qiáng)度、聞朝性特厚規(guī)格鋼板。(2)力學(xué)性能屈服強(qiáng)度彡690MPa ;抗拉強(qiáng)度彡770MPa ;低溫沖擊韌性_40°C 下AKv彡69J ；NDT -35°C ；Z向性能(斷面收縮率)Z彡35%。(3)本發(fā)明鋼具有合適的Ceq和Pcm指數(shù)，焊接性能優(yōu)良，且具有較好的可切割性倉(cāng)泛。(4)本發(fā)明鋼可用于制造海洋平臺(tái)升降用齒條、導(dǎo)管架等關(guān)鍵部件。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明實(shí)施例具體化學(xué)成份見(jiàn)表I。
表I實(shí)施例合金成分(wt. % )
權(quán)利要求
1.海洋平臺(tái)用特厚高強(qiáng)度優(yōu)良低溫韌性鋼板，其成份重量百分比為C0.10 O. 24%, Si O. 05 O. 35%, Mn O. 60 I. 15%, P 彡 O. 015%, S 彡 O. 005%, Ti O. 01 O. 030%, Cr I. 45 I. 75%，Mo O. 15 0.44%，Ni O. 80 2. 50%，Nb0. 010 O. 070%，V O. 020 O. 080%, Alt O. 02 O. 06%，Ca O. 001 O. 004%，N 彡 O. 006%，B O. 0007 O. 0030%，其余為Fe和不可避免雜質(zhì)。
2.海洋平臺(tái)用特厚高強(qiáng)度優(yōu)良低溫韌性鋼板的制造方法，其包括如下步驟1)冶煉、鑄造海洋平臺(tái)用特厚高強(qiáng)度優(yōu)良低溫韌性鋼板，其成份重量百分比為c O. 10 O. 24%, Si O. 05 O. 35%, Mn O. 60 I. 15%, P 彡 O. 015%, S 彡 O. 005%, Ti O. 01 O. 030%, Cr I. 45 I. 75%，Mo O. 15 O. 44%，NiO. 80 2. 50%，Nb O. 010 O. 070%，V O. 020 O. 080%, Alt O. 02 O. 06%，Ca O. 001 O. 004%，N 彡 O. 006%，B O. 0007 O. 0030%，其余為Fe和不可避免雜質(zhì)；采用電爐或轉(zhuǎn)爐冶煉，爐外精煉RH真空脫氣+LF脫硫，并澆鑄成板坯；2)開(kāi)坯軋制板坯加熱溫度1150 1300°C，終軋溫度900 1100°C，軋后冷卻，坑冷或堆冷到400°C以下；3)消應(yīng)力退火工藝消應(yīng)力退火溫度450 600°C，并隨爐冷卻到200°C以下；4)厚板軋制板坯再加熱溫度1050 1200°C，終軋溫度900 1000°C，軋后冷卻，坑冷到400°C以下；5)淬火+回火調(diào)質(zhì)熱處理淬火加熱溫度900 980°C，水淬；回火加熱溫度580 680°C。
全文摘要
海洋平臺(tái)用特厚高強(qiáng)度優(yōu)良低溫韌性鋼板及其制造方法，其成份重量百分比為C0.10～0.24％，Si0.05～0.35％，Mn0.60～1.15％，P≤0.015％，S≤0.005％，Ti0.01～0.030％，Cr1.45～1.75％，Mo0.15～0.44％，Ni0.80～2.50％，Nb0.010～0.070％，V0.020～0.080％，Alt0.02～0.06％，Ca0.001～0.004％，N≤0.006％，B0.0007～0.0030％，其余為Fe和不可避免雜質(zhì)。本發(fā)明鋼板采用中C、Ni-Cr-Mo合金化及Nb-V-Ti微合金化成分體系，屈服強(qiáng)度≥690MPa，抗拉強(qiáng)度≥770MPa，-40℃夏比V型缺口沖擊功≥69J，NDT≤-35℃，Z≥35％，最大厚度達(dá)到200mm以上，可用于制造海洋平臺(tái)用齒條。
文檔編號(hào)C22C38/54GK102605280SQ20121006779
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月15日
發(fā)明者章傳國(guó), 賀達(dá)倫, 高珊 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司