专利名称：海洋平台用特厚高强度优良低温韧性钢板及其制造方法
技术领域：
本发明涉及低合金调质钢制造领域，特别涉及海洋平台用特厚高强度优良低温韧性钢板及其制造方法，其屈服强度≥690MPa、抗拉强度≥770MPa、_40°C夏比V型缺口冲击功≥69J、NDT ≤ -35°C、Z≥35%，最大厚度达到200mm以上。
背景技术：
近年来，世界经济的快速发展加剧了能源的消耗，石油天然气等能源的开采逐渐由陆地向近海、深海延伸，作为海上能源开发的必备装置——海洋平台得到了快速的发展， 也促进了海洋平台用钢的不断进步。海洋平台用钢是在船体结构钢的基础上发展起来的，最初建造的钢质平台都是用船体结构钢。随着科学技术的进步和开发海洋事业的蓬勃发展，海洋平台建造的数量不断增加，类型也日益增多；同时能源开采由浅海向深海发展，由温暖海域向低温海域发展，所以海洋平台要经受各种气候条件和风浪的袭击，经受海水的腐蚀，工作条件非常苛刻；此外，海洋平台的大型化趋势也很显著，结构复杂，焊接工作量大，应力集中程度高，因此对海洋平台用钢提出了大厚度、高强度、高韧性、可焊性和良好耐蚀性的苛刻要求，尤其是对于一些关键构件还提出了 Z向性能要求。近年来，国产海洋平台用钢板已经被广泛采用，EH36以下平台用钢基本实现国产化，占平台用钢量90%。但随着海洋平台趋于大型化、深水化的发展，船体结构钢的强度级别满足不了一些关键部位的性能要求，对于高强度、大厚度的钢板仍依赖进口。目前在自升式平台中使用的强度级别最高的钢种——690MPa级高强度、高韧性、 耐腐蚀、易焊接的海洋平台用钢只有日本、德国一些厂家可以生产，严重制约的了我国的海洋工程装备的发展。因此，有必要针对此类钢种进行开发。中国专利CN1281906公开了一种高强度、高韧性、良好耐蚀性的系泊链用钢及其生产工艺，该钢种采用较高C、高Mn，Ni、Cr、Mo合金化及Nb微合金化的成分设计方法，碳当量(CE(IIW) = C+Mn/6+ (Cr+Mo+V)/5+ (Ni+Cu)/15)达到 I. 40% 以上；经 EAF+LF+VD+CCM 的工艺路径，制造成系泊链用钢，可用于半潜式钻井平台、单点系泊结构和浮式生产储油轮以及其它海洋开发设施的R4级系泊链，亦可用于一些要求较高的船舶锚链。但是，该系泊链用钢为棒材，其C、Mn含量、抗拉强度均不符合海洋平台用齿条钢的相关标准、规范要求，且碳当量> 1.4%，过高的碳当量导致其焊接性能较差，焊接热影响区韧性不足，不能作为大型海洋平台结构承重的桩腿材料进行焊接使用。中国专利CN 1908217提出了一种海洋钻井、生产和处理平台用耐海水腐蚀钢的制造方法。该钢种主要采用低碳，Cu、Cr合金化以及Nb微合金化的成分设计方法，通过脱硫、吹炼、真空处理、连铸以及热轧等工序，制造海洋平台用耐海水腐蚀钢，制造的钢种屈服强度级别在440MPa及以下。但该耐海水腐蚀钢，其C、Cr含量、屈服强度、抗拉强度均不符合海洋平台用齿条钢的相关标准、规范要求，且其钢板厚度只有20mm厚，不能作为大型海洋平台结构承重的桩腿材料使用。
美国专利US4428781A提出了一种海洋钻井平台系泊链用具有良好可焊性、淬硬性低合金钢的制造方法。通过低碳、高Si，Ni、Cr、Mo合金化以及Nb、V、Ti微合金化的成分设计方法，制造的钢种屈服强度在600MPa以上，抗拉强度在900MPa以上，_20°C缺口冲击韧性在40J以上，具有良好的可焊性和淬硬性。该钢种经800 1000°C正火处理后空冷或水冷到室温，再经过680 790°C退火处理后，可制造用于固定海洋平台的锚链。但是，与前述专利一样，该锚链用钢为棒材，其C、Cr、Ni含量均不符合海洋平台用齿条钢的相关标准、规范要求，其低温冲击韧性也不能满足海洋平台用齿条钢相关标准要求，不能作为大型海洋平台结构承重的桩腿材料使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种海洋平台用特厚高强度优良低温韧性钢板及其制造方法，采用中C、Ni-Cr-Mo合金化及Nb-V-Ti微合金化成分体系，屈服强度彡690MPa、抗拉强度彡770MPa、-40°C夏比V型缺口冲击功彡69J、NDT ( -35°C、Z彡35%，最大厚度达到 200mm以上,可用于制造海洋平台用齿条。 为达到上述目的，本发明的技术方案是海洋平台用特厚高强度优良低温韧性钢板，其成份重量百分比为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%，其余为Fe和不可避免杂质。在本发明海洋平台用特厚高强度优良低温韧性钢板成分设计中C :最基本的强化元素。碳溶解在钢中形成间隙固溶体，起固溶强化的作用，与强碳化物形成元素形成碳化物析出，则起到沉淀强化的作用。但太高的C对钢的延性、韧性和焊接性能不利，同时降低Nb、V等微合金化元素的固溶，影响析出强化效果；对于需进行调质热处理的钢种而言，C含量太低时热处理后碳化物的量减少，析出强化效果不明显，降低了钢的强度。所以C控制在O. 10% O. 24%。Mn :是低合金高强钢种最基本的合金元素，通过固溶强化提高钢的强度，以补偿钢中因C含量降低而引起强度损失。Mn还是扩大Y相区的元素，可降低钢的Y — α相变温度，有助于获得细小的相变产物，可提高钢的韧性。但Mn含量太高时，对于特厚规格的钢种而言，易在钢板中心位置产生偏析，减低中心部位的低温韧性。因此本钢种Mn含量为 O. 60% I. 15%。S、P:不可避免的钢中有害杂质元素，易形成偏析、夹杂等缺陷，恶化管线钢的焊接性能、冲击韧性和抗HIC性能。因此，本发明中控制P彡O. 015,S ( O. 005，且须通过Ca处理夹杂物改性技术，使夹杂物形态球化且分布均匀，减少其对韧性和腐蚀性的影响。Nb:在微合金钢中提高再结晶终止温度最有效的元素，能有效降低轧机载荷，对晶粒细化的作用十分明显。对于发明钢而言，轧制变形在再结晶轧制阶段完成，在此阶段Nb 通过应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复、再结晶，起到细化晶粒尺寸的效果。这样在后续的淬火再加热过程中，由于形核点增多，得到细化的再加热奥氏体晶粒，有利于细化淬火组织；在回火过程中，固溶的Nb以NbC的形式弥散析出，提高强度且不损失韧性。但受C含量的限制及加热温度的影响，太高的Nb无法固溶，同样发挥不了作用且增加成本，因此本发明中Nb含量控制在O. 01% O. 07%。Ti:是强的固N元素，Ti/N的化学计量比为3. 42，利用O. 02%左右的Ti就可固定钢中60ppm以下的N,在板还连铸时可形成细小的高温稳定的TiN析出相。这种细小的 TiN粒子可有效地阻碍板坯再加热时的奥氏体晶粒长大，有助于提高Nb在奥氏体中的固溶度。对于特厚钢板而言，适量的Ti含量，有利于形成稳定的TiN粒子，在焊接时起到抑制热影响区晶粒长大，改善焊接热影响区的冲击韧性的作用。本发明中Ti含量限定在O. 010
O.030%。V :V通过与C和N形成VN或V(CN)微细析出粒子，对钢的强化做出贡献。同时，V有利于提高调质后硬度的稳定性。但如含量太高，则成本增加显著。故其含量控制在O. 02 %
O.08%。Cr :提高钢的淬透性的重要元素，因此对于特厚规格的钢板而言需添加较高的Cr 提高淬透性以弥补厚度带来的强度损失，提高钢的强度改善厚度方向上性能的均匀性。且 Cr含量在I. 45%以上时，热处理过程中在钢板表面形成一层致密的Fe、Cr尖晶石结果，阻止基体与环境直接接触，起到改善钢的耐海水腐蚀作用；但太高的铬和锰同时加入钢中，会导致低熔点Cr-Mn复合氧化物形成，在热加工过程中形成表面裂纹，同时会严重恶化焊接性能。因此本发明中Cr含量应限定在I. 45% 1.75%。Mo :提高淬透性的元素，作用仅次于Mn，因此能有效提高强度；此外在低合金钢中添加少量的Mo还能起到克服热处理过程中的回火脆性，改善热处理性能、疲劳性能的作用。在高强度低合金钢中，屈服强度随Mo含量的增加而提高，因此太高的Mo有损塑性。本发明中Mo含量控制在O. 15% O. 44%。Ni :提高材料低温韧性的元素。加入适量的Ni元素，降低晶体的层错能，有利于位错的滑移运动，改善材料的冲击韧性，尤其是特厚板中心部位的冲击韧性。但Ni含量太高时，板坯表面易生成黏性较高的氧化铁皮，难以去除，影响钢板的表面质量和疲劳性能；同时太高的Ni含量，不利于特厚板的焊接。因此本发明限定Ni含量为O. 80 2. 50%。Alt :是为了脱氧而加入钢中的元素，脱氧完全后，降低材料中的O含量，改善时效性能；此外，适量的Al有利于细化晶粒，改善钢材的强韧性能。本发明中限定Al含量为
O.02 O. 06%。Ca:通过Ca处理可以控制硫化物的形态，改善钢板的各向异性，提高低温韧性，其含量少于O. 001时没有效果，而超过O. 006则会产生许多CaO、CaS,并形成大型夹杂物，对钢的韧性造成损害，甚至影响钢的焊接性能。所以规定Ca含量范围为O. 001% -O. 004%本发明海洋平台用特厚高强度优良低温韧性钢板的制造方法，其包括如下步骤I)冶炼、铸造海洋平台用特厚高强度优良低温韧性钢板，其成份重量百分比为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%，其余为Fe和不可避免杂质；采用电炉或转炉冶炼，炉外精炼RH真空脱气+LF脱硫，并浇铸成板坯；
2)开坯轧制
板坯加热温度1150 1300°C，终轧温度900 1100°C，轧后冷却，
坑冷到400°C以下；
3)消应力退火工艺
消应力退火温度450 600°C，并随炉冷却到200°C以下；
4)厚板轧制
板坯再加热温度1050 1200°C，终轧温度900 1000°C，轧后冷却，
坑冷到400°C以下；
5)淬火+回火调质热处理
淬火加热温度900 980°C，水淬；回火加热温度580 680°C。
采用上述的成份工艺，保证了不同厚度规格的钢在经过调质后具有回火索氏体+马氏体组织，这种组织保证了高强度、优良的低温韧性。
与中国专利CN1281906相比，本发明应用在海洋平台的部位不同，因此要求的性
能也是不相同的，中国专利CN1281906更注重材料本身的强度和延伸性能。同时，产品的形式是不同的，该专利所生产的产品为长材料，与本发明所生产的板材在产品形式上是不同的。并且，本发明与中国专利CN1281906的成分设计不同。与中国专利CN 1908217相比，本发明采用中碳，Cu、Ni、Cr、Mo合金化以及Nb、V、 Ti微合金化的成分设计方法，并通过LF+RH精炼、模铸、开坯、消应力热处理、表面处理、厚板轧制、调质热处理等工序，制造钢板最大厚度可到200mm及以上，同时屈服强度级别达到 690MPa及以上。两专利的成分设计和工艺路径存在明显差异。两钢种的成分设计方法及强
度等级不一致。与美国专利US4428781A相比，本发明采用的是中碳、低Si及合金化的成分设计方法，合金含量显著低于对比专利，但制造的钢板强度级别高于对比专利，屈服强度达到 690MPa及以上。本发明的发明钢主要用于平台升降的关键结构部位，最大厚度级别达到 200mm及以上。两钢种的成分设计方法及应用领域存在明显差异。通过上述对比可发现，本发明钢采用了经济的成份设计方法和制造工艺，可生产具有高的强度、良好的低温冲击韧性和良好可焊性(低的Ceq和Pcm指数)的特厚规格海洋平台用钢板，与现有的专利在成分设计、工艺设计或应用领域上存在较大差别。本发明的有益效果(I)本发明可以制造最大厚度尺寸在200mm以上的闻强度、闻朝性特厚规格钢板。(2)力学性能屈服强度彡690MPa ;抗拉强度彡770MPa ;低温冲击韧性_40°C 下AKv彡69J ；NDT -35°C ；Z向性能(断面收缩率)Z彡35%。(3)本发明钢具有合适的Ceq和Pcm指数，焊接性能优良，且具有较好的可切割性倉泛。(4)本发明钢可用于制造海洋平台升降用齿条、导管架等关键部件。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明做进一步说明。本发明实施例具体化学成份见表I。
表I实施例合金成分(wt. % )
权利要求
1.海洋平台用特厚高强度优良低温韧性钢板，其成份重量百分比为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%，其余为Fe和不可避免杂质。
2.海洋平台用特厚高强度优良低温韧性钢板的制造方法，其包括如下步骤1)冶炼、铸造海洋平台用特厚高强度优良低温韧性钢板，其成份重量百分比为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%，其余为Fe和不可避免杂质；采用电炉或转炉冶炼，炉外精炼RH真空脱气+LF脱硫，并浇铸成板坯；2)开坯轧制板坯加热温度1150 1300°C，终轧温度900 1100°C，轧后冷却，坑冷或堆冷到400°C以下；3)消应力退火工艺消应力退火温度450 600°C，并随炉冷却到200°C以下；4)厚板轧制板坯再加热温度1050 1200°C，终轧温度900 1000°C，轧后冷却，坑冷到400°C以下；5)淬火+回火调质热处理淬火加热温度900 980°C，水淬；回火加热温度580 680°C。
全文摘要
海洋平台用特厚高强度优良低温韧性钢板及其制造方法，其成份重量百分比为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％，其余为Fe和不可避免杂质。本发明钢板采用中C、Ni-Cr-Mo合金化及Nb-V-Ti微合金化成分体系，屈服强度≥690MPa，抗拉强度≥770MPa，-40℃夏比V型缺口冲击功≥69J，NDT≤-35℃，Z≥35％，最大厚度达到200mm以上，可用于制造海洋平台用齿条。
文档编号C22C38/54GK102605280SQ20121006779
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月15日 优先权日2012年3月15日
发明者章传国, 贺达伦, 高珊 申请人:宝山钢铁股份有限公司