一种低屈强比超高强海工钢及其制造方法与流程

1.本发明涉及钢铁材料制备领域，尤其涉及一种低屈强比超高强海工钢及其制造方法。


背景技术：

2.钢铁作为海洋工程装备的关键结构材料，广泛应用于海上风电、生产平台以及海底管道等。海工装备服役期一般为30年，比传统船舶服役期长50％，海工装备服役环境十分恶劣，不仅要受到自身重力荷载的作用，还要受到海上风浪、洋流、海底地震等海况条件带来的影响。这就要求海工钢在设计结构和材料选择方面必须考虑特殊的海况条件。因此海洋平台用钢不仅要求具有较高的强度，同时需要良好低的屈强比、低温韧性和焊后性能，以确保塑性失效前有足够的延展性来防止发生灾难性的脆性断裂。为满足海洋工程对高性能高安全服役性的需求，急需开发焊接性能优良的低屈强比超高强度海工钢。
3.公开号cn102433507b的专利文件“低屈强比易焊接高强钢板及其制备工艺”通过对合金成分合理设计，采用控制轧制及控制冷却工艺，制得的钢板成品厚度≥15mm，组织为铁素体 贝氏体，屈服强度为460
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560mpa，抗拉强度为700
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790mpa，断后伸长率≥14％，屈强比<0.7的低屈强比，焊接性能良好的钢板。但其实施例最大厚度仅为30mm，且无法保证断后延伸率≥16％，无法保证目前海工钢服役需求。
4.公开号cn102644024b的发明专利“一种低合金低屈强比海洋工程结构用钢及其生产方法”提供一种低合金低屈强比海洋工程结构用钢及其生产方法，低合金成分(仅添加微量的nb、ti合金)，合理且便于工业化生产的轧制、水冷，生产出低屈强比、高强度、高韧性的海洋工程结构用钢。但其屈服强度无法保证≥500mpa级，且其实施例中厚度仅为40mm，无法满足大厚度海工钢需求，限制其使用范围。
5.公开号cn109868412a的专利文件“一种焊前免预热大厚度低碳当量500mpa级高强钢及其制造方法”通过采用合理的化学成分和工艺设计实现对纳米尺度的析出物充分控制，使该产品碳当量不大于0.40％，屈服强度达到500mpa以上，抗拉强度达到600mpa以上，屈强比不大于0.85，且具有高强韧性和焊前免预热等特性。但其无法保证
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40℃下冲击韧性，且其要求alt含量≤0.008％，而目前海洋工程用钢遵循的国际标准及相关船级社规范均对al元素含量下限进行要求，限制其应用范围。
6.公开号cn111057965b的专利文件“一种低屈强比的海洋工程用钢及其制备方法”公开了一种低屈强比的海洋工程用钢的制备方法，制备方法采用两次淬火 三次回火的热处理工艺。其ni含量为3.0％
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3.2％，经济性较差，远远超出了船舶及海工用钢合金含量的使用范围。
7.由以上现有技术可知，目前可用低屈强比和力学性能优良的海工钢存在如下不足：
8.1、产品厚度规格较小，适用范围窄；
9.2、合金成本较高，现场控制困难，不利于大规模实施及生产推广。
10.针对以上不足，本发明通过低贵金属合金含量设计，采用合金成分设计
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冶炼
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控制轧制
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控制冷却
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回火工艺耦合设计，最终得到了一种生产最大厚度80mm的低屈强比超高强海工钢及其制造方法。


技术实现要素：

11.本发明的目的在于提供一种低屈强比超高强度海工钢及其制造方法，本发明钢板具有超高强度，屈服强度≥500mpa，抗拉强度610～770mpa，断后延伸率≥16％；屈强比≤0.85，低温韧性优异，
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40℃冲击功≥100j，组织性能均匀的特点。
12.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
13.一种低屈强比超高强海工钢，钢中化学成分按重量百分比计为：c 0.06％～0.10％、si0.2％～0.40％、mn 1.40％～1.65％、p≤0.012％、s≤0.002％、cu 0.15％～0.35％、ni 0.20％～0.45％、cr 0.25％～0.50％、nb 0.020％～0.045％、mo 0.15％～0.30％、ti 0.01％～0.025％、alt 0.02％～0.05％，余量为fe和不可避免的杂质。
14.本发明钢中各合金成分的作用机理如下：
15.c：是保证强度的必要元素，通过固溶强化和析出强化对提高钢的强度有明显作用，，但碳含量增加严重影响钢材焊接性能和低温韧性，从产品性能角度考虑，优选c含量控制在0.06～0.10％。
16.si：是炼钢过程中主要的脱氧成分，为了得到充分的脱氧效果必须含0.10％以上，但若超过上限则会降低母材及焊接部位的韧性，因此优选si含量为0.20～0.40％。
17.mn：作为最重要的合金元素在钢中除提高钢板的强度外，还具有扩大奥氏体相区、降低ar3点温度、细化铁素体晶粒而改善钢板低温韧性的作用、但当mn元素质量过高时，mn元素的偏析又会使得厚板心部的低温韧性较差，焊接热影响区性能下降，因此优选mn含量范围为1.40％～1.65％。
18.p：是对冲击值带来不利影响的元素，可以在板坯中心部位偏析以及在晶界聚集等损害低温韧性，本发明材料控制在不高于0.012％。
19.s：是对冲击值带来不利影响的元素，可以形成硫化物夹杂，成为裂纹源，本发明材料控制在不高于0.002％。
20.cu：在钢中加入适量cu可以提高钢的耐蚀性、强度，改善焊接性、成型性与机加工性等。与ni同时使用，还可以避免热脆性。cu含量范围为0.15％～0.35％。
21.ni：镍溶于奥氏体，抑制奥氏体再结晶，细化细化奥氏体晶粒，提高钢板低温韧性。，但随着镍含量的增多，生成成本会显著增加，因此综合考虑钢板性能及生产成本，本发明ni含量控制在0.20％～0.45％。
22.cr：能够提高钢板的淬透性及强度，cr还可以抑制先共析铁素体及珠光体的转变，有利于获得针状铁素体组织。但cr含量过高则增加回火脆性倾向，增加焊接难度，而含量过低则不能有效发挥其强化作用。本发明中cr的含量控制为0.25～0.50％。
23.nb：铌的加入是为了促进钢轧制显微组织的晶粒细化，可同时提高强度和韧性，铌可在控轧过程中通过抑制奥氏体再结晶，有效的细化显微组织，并通过析出强化基体。焊接过程中，铌原子的偏聚及析出可以阻碍加热时奥氏体晶粒的粗化，并保证焊接后得到比较细小的热影响区组织，改善焊接性能。nb含量优选控制在0.020～0.045％。
24.mo：mo元素能够提高钢的淬透性，抑制多边形铁素体和珠光体的产生，促进在较大冷却范围内形成晶内有大量位错的铁素体或贝氏体，产生相变强化和位错强化作用，显著提高钢的强度和组织均匀性。mo含量低于0.10％时，对钢的强度和组织均匀性的提升不显著；但是mo含量过高，一方面会增加成本，另一方面会降低钢的韧性和焊接性能，因此，本发明中mo含量控制在0.15～0.30％。
25.ti：通过微量含有而形成氮化物、碳化物或碳氮化物，具有使晶粒微细化而提高母材韧性的效果。但含有超过0.025％时会使母材以及焊接热影响部的韧性降低，因此，优选含量控制在0.01～0.025％。
26.alt：作为本发明必须添加的脱氧和细化晶粒元素，添加含量在0.01％以上，但超过0.08％时容易产生铸坯热裂纹，同时钢的韧性降低。alt优选含量控制在0.02％～0.04％。
27.所述海工钢钢板屈服强度≥500mpa，屈强比≤0.85，
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40℃冲击韧性≥100j。
28.所述海工钢钢板成品最大厚度为80mm。
29.一种低屈强比超高强海工钢的制造方法，包括如下步骤：
30.1)冶炼、连铸和铸坯缓冷：采用铁水深脱硫、转炉冶炼、炉外精炼、真空处理和连铸工艺进行生产，中包钢水过热度25～30℃，全程保护浇铸，配合轻压下工艺，轻压下量6～9mm，连铸后得到连铸坯，连铸坯厚度250～360mm，连铸坯下线后堆垛缓冷，堆垛温度≥650℃，堆垛时间≥60h；
31.2)轧制工艺：采用三阶段控制轧制，铸坯均热段温度1130～1180℃，第一阶段为高温控轧，开轧温度950～1000℃，除展宽道次外单道次压下率≥15％，改善板坯铸态组织，降低钢坯待温厚度，缩短钢板待温时间。第二、三阶段采用控制轧制，二阶段开轧温度880～920℃，单道次压下率≥12％，累计压下率≥25％，三阶段开轧温度800～840℃，单道次压下率≥10％，累计压下率≥50％，终轧温度740～790℃；以上三阶段轧制的目的是使奥氏体晶粒充分变形，为相变形核提供储能和位置，提高相变形核率，获得均匀细小的最终组织，保证钢板的低温韧性。
32.3)冷却工艺：钢板矫直后进行控制冷却，冷却采用平均冷速≥3℃/s的dq acc快速冷却系统，开冷温度为660～720℃，返红温度200～300℃；
33.4)缓冷工艺：控冷结束后立即放入缓冷坑，采用与300℃以上热钢板交替堆放方式，进行缓冷坑保温冷却，堆垛时间≥24小时；
34.5)回火工艺：缓冷后对钢板进行回火处理，回火温度为350～450℃，在炉时间2～4min/mm*钢板厚度，出炉后空冷，获得钢板成品。
35.上述步骤1)的连铸坯下线后评价采用热酸浸蚀(腐蚀溶液为1:1盐酸水溶液，温度75
±
5℃，腐蚀时间40min)并对照mannesmann标准图谱评级，评级结果≤2级。
36.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
37.1)本发明工艺生产的产品钢板通过洁净化冶炼，结合特定连铸工艺及控轧控冷工艺控制铸坯偏析及轧态钢板晶粒尺寸，通过回火精细控制，实现500mpa级海工钢屈强比≤0.85，
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40℃冲击韧性≥100j。
38.2)本发明充分发挥宽厚板轧机的技术装备优势，结合250～360mm厚度连铸板坯，开发的低屈强比超高强海工钢厚钢板成品最大厚度80mm。
39.3)采用合理的矫直工艺与控制冷却工艺相配合，保证板型平直度，可实现钢板2米内不平度≤6mm。
40.4)钢板显微组织为铁素体 贝氏体的混合组织。
附图说明
41.图1是实施例2的金相组织照片(500倍)。
具体实施方式
42.以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。
43.本发明实施例钢的化学成分见表1，本发明实施例钢的冶炼、连铸工艺参数及铸坯评价结果见表2，本发明实施例钢板轧制及冷却工艺见表3，本发明实施例钢板回火热处理工艺见表4，本发明实施例钢板力学性能见表5，本发明实施例钢板不平度见表6。
44.表1本发明实施例钢化学成分 wt％
45.实施例csimnpscunicrnbmotialt10.0910.271.420.0090.0010.330.440.380.0410.270.0140.02720.0750.241.650.010.0020.350.390.370.390.250.0130.03430.0820.31.630.0070.0010.20.280.350.0440.230.0150.0340.0710.251.570.0110.0020.260.330.410.0380.220.0120.02150.0780.331.620.0080.0010.240.290.310.0350.260.0220.02960.0680.281.590.0120.0020.230.310.290.0310.240.0110.03170.0880.371.490.0090.0020.170.270.330.0340.210.0170.03680.0620.341.640.010.0010.210.220.480.0240.170.0240.033
46.表2本发明实施例钢的冶炼、堆垛工艺参数及铸坯评价结果
[0047][0048]
表3本发明实施例钢板轧制及冷却工艺
[0049]
[0050][0051]
表4本发明实施例钢板回火热处理工艺
[0052][0053]
表5本发明实施例钢板力学性能
[0054][0055]
表6本发明实施例钢板不平度
[0056]
实施例钢板厚度/mm测量长度2000mm钢板不平度/mm18032753
370247035653660476038505。