专利名称：一种耐700℃高温的海洋平台用钢及其生产方法
技术领域：
本发明涉及耐火钢及其生产方法，具体地属于一种耐700°C高温的海洋平台用钢及其生产方法。
背景技术：
海洋钻井平台随着海洋资源不断开发需求量逐渐增加，由于海洋平台固定在海水中，不能定期进入船坞检查维修，大型远洋船舶、舰艇等长期服役在广袤无垠的海洋，远离陆地，维护不便，而且海洋气候复杂多变，海浪、冰块对这些钢结构破坏力较大，始终处于动态载荷状态。海洋钻井平台开采的石油、天然气等属于易燃物质，容易发生火灾事故，而这些钢结构空间狭小，一旦发生火灾就会造成较大的人员和财产损失。近些年来，海洋钻井平台、远洋船舶等火灾事故时有发生，造成了难于挽回的人员、财产、生态损失，因此，人们对海洋钻井平台等海洋工程装备用钢材的性能和质量提出了越来越高的要求，不仅要求钢材具备良好的室温强度和低温冲击韧性，还要求具备好的高温强度，一旦发生火灾，就可以延迟钢结构破坏时间，赢得抢救机会，降低人员、生态和财产损失，意义重大。本发明的目的在于提供一种耐高温海洋平台钢材，耐火性能优良，700°C环境钢材下屈服强度ReL不低于室温屈服强度的70%。满足海上钻井平台、远洋船舶、大型舰艇、海底隧道用钢的需求。经初步检索:
中国专利申请号为200610127469.7的专利文献，公开了一种“低屈服比耐火钢材”，其具有50 60公斤级(室温下的抗拉强度为490 590MPa)，同时具有低屈服比和优异的耐火性。该文献的组分为:C:0.04 0.15%, Si:0.1 1.0%、Mn:1.0 2.0%、P:0.020% 以下、S:0.010% 以下、Al:0.005 0.050%, Ti:0.02 0.08%, Cu:0.50
2.5%, N:0.002 0.010%, Mo:0 0.20% 但不包括 0.20%、Nb:0 0.005% 但不包括0.005%, V:0 0.005%但不包括0.005%,以及Fe和不可避免的杂质，下述MS值为
4.2 6.5 %，视场面积I μ m2中粒径为5nm 30nm的含Cu析出物低于250个。MS =5 X [C] + [Mn] + [Ni]+2 X [Cu]。该专利文献由于组分中含Cu，在生产过程易产生热裂纹，导致降低钢材成材率，增加生产成本；另一方面，含有价格昂贵的Mo，使生产成本较高。中国专利申请号为200810179362.6的文献，其公开了“一种耐火钢及其制备方法”，该耐火钢的金相组织包括贝氏体和铁素体，其中，以钢的金相组织构成物的总体积为基准，该耐火钢中贝氏体的体积百分数为20-40 %，铁素体的体积百分数为60-80 所述耐火钢含有以下化学成分:C:0.05-0.12重量％、Si:0.1-0.5重量％、Mn:0.3-1.6重量％、V:
0.05-0.12 重量％、Cr:0.1-0.6 重量％、Mo:0.2-0.4 重量％、B:0.0005-0.002 重量％、N:
0.003-0.015 重量％、P ( 0.02 重量％、S ^ 0.01 重量％，Fe:97.0-99.1 重量％。该文献还提供了该耐火钢的制备方法。其由于在钢中添加了合金元素B，因此生产过程中及在使用过程中易产生硼脆，使用性能较差。中国专利申请号为03111076.2的文献，其公开了一种“耐火钢及其制造方法”。该文献钢是以C、S1、Mn 、Cr、Mo合金元素为主，附加Cu、Nb、V、N1、T1、Al、B、RE微量元素，采用控制轧制+控制冷却工艺，控制碳当量、合金含量、屈强比，使其具有低价值和优良的焊接性能利用工艺控制和耐火合金配比实现耐大气腐蚀的易于焊接的Q235和Q345级高性能耐火钢，以满足国内安全防火建筑用材的需要。该专利文献存在化学成分复杂，生产难度和成本较大。且钢中的稀土 RE易在生产中堵塞浇铸水口，会造成生产事故。中国专利申请号为200610127468.2的文献，其公开了一种“焊接性优异的耐火钢材”，其具有50 60公斤级(常温下的抗拉强度490 590MPa)的高强度。其组分为:C:0.02 0.15%但不包括 0.02%, Si:0.1 1.0%、Mn:1.0 2.0%、P:0.020% 以下、S:0.010% 以下、Al:0.005 0.050%,Ti:0.015 0.10%,Cr:0.2 2.0%,N:0.002
0.010%,B:0.0005 0.0050%,Mo:0 0.30%但不包括 0.30%,Nb:0 0.005%但不包括0.005%,V:0 0.005%但不包括0.005%、以及Fe和不可避免的杂质，下述TS值为O
0.10%、CS 值为 0.12 0.22%。其中，[X]表示元素 X 的质量 ％。TS = [Ti] — 3.4X [N]、CS = 6.4X [C] — 1.4 X [Ti]+0.004 X [Cr]+3.2 X [N]。该文献的钢中由于合金元素 Mo 含量较高，不经济，且钢中合金元素B易生产脆性相，恶化钢的力学性能和使用性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种在环境温度在700°C时，下屈服强度ReL不低于室温屈服强度的70%， 且成本较低，易生产，操作简单的耐700°C高温的海洋平台用钢及其生产方法。实现上述目的的措施:
一种耐700°C高温的海洋平台用钢，其组分及重量百分比含量为:C:0.16% 0.21%,S1: 0.25% 0.45%, Mn: 0.50% 1.30%, P^0.020%, S^0.010%, W: 0.15% 0.55%,V: 0.01% 0.10%,余量Fe和不可避免的杂质，并满足关系式:1.5C彡W+2V ( 3C。优选的:C的重量百分比含量为0.17 0.19%。优选的:Mn的重量百分比含量为0.75 1.10%。优选的:W的重量百分比含量为0.20 0.45%。优选的:V含量范围按重量百分比为0.02 0.06%。生产一种耐700°C高温的海洋平台用钢的方法，其步骤为:
1)冶炼，并采用RH真空炉精炼；
2)一次性轧制到成品厚度，并控制终轧温度在795 935°C ；
3)空冷至室温；
4)进行正火，控制正火温度在860 895°C；
5)待用。优选的:正火温度在875 885 °C。本发明主要合金元素含量的设定及制造方法，依据以下原理:
普通低合金结构钢随着环境温度的升高，屈服强度和抗拉强度均会下降，尤其当温度超过600°C时，原子扩散速率加快，发生再结晶、晶粒长大和晶粒异常长大等过程，强度急剧降低，导致钢结构坍塌等灾难。为使钢具有良好的耐高温性能，在高温下具有设计强度，采用中低碳低合金设计，正火的目的在于消除钢材中内应力，改善组织，获得稳定的低自由能微观组织结构，较为细小的晶粒尺寸。采用W、V等合金元素对钢进行固溶强化和WC、VC析出强化，遏制在高温环境下晶粒长大及异常长大。正火过程得到的珠光体具有高的抗拉强度，Fe3C与WC、VC形成的复合渗碳体(Fe、W、V) 3C，可抑制高温下原子扩散，细化晶粒，获得良好的高温强度。设定1.5C ( W+2V,目的在于钢中W、V含量足够形成WC、VC产生弥散强化，且略有余量形成置换固溶强化，并能抑制原子扩散，达到细化晶粒的效果。设定W+2VS 3C，限制W、V含量不能过量，否则恶化钢的冲击韧性，尤其对钢的低温断裂韧性不利。以下简述本发明钢中选定各合金元素及成分范围的理由:
C，设定范围为0.16% 0.21%，优选0.17 0.19%。本发明钢材需要进行正火生产最终产品，0.16% 0.21%范围的C含量可以获得预期的珠光体数量，得到相应的抗拉强度，足够量的C可与W、V等合金元素生成WC、VC析出相，弥散强化基体，在高温环境下抑制晶粒长大，保证钢的高温强度，过量的C含量会使钢的冲击韧性降低。Si，设定范围是0.25% 0.45%，是一种经济的置换固溶强化元素，加入钢中可显著提高钢的屈服强度，可抑制钢中原子在高温下的扩散速率，有利于提高钢的高温强度，但过多地加入Si会使钢的韧性，尤其使低温韧性明显降低。Mn, 0.50% 1.30%，优选0.75 1.10%。加入钢中可形成置换固溶强化效果，提高钢的屈服强度，还可以降低钢的相变温度，通过控制轧制过程，细化晶粒，在提高钢的强度同时提高其断裂韧性，但对钢的高温强度贡献不大，故耐高温结构钢中不宜多加合金元素Mn。W，设定0.15% 0.55%，优选0.20 0.45%。加入适量的W，一方面在钢中形成固溶强化，提高钢的屈服强度，抑制钢中原子扩散，可细化晶粒；另一方面，与C反应生成WC析出相，弥散强化基体，可有效钉扎晶界，产生细化晶粒效果，提高钢的高温强度，使钢具有良好的耐火性能。但过量的W含量会降低钢的断裂韧性和冲击韧性。
V，设定0.01% 0.10%，优选0.020 0.06%。V与钢中C形成析出相VC，可抑制位错的滑移，还可以抑制晶界的移动速率，提高钢的高温强度。V还可与钢中残余O反应生产纳米级的颗粒v203、V2O5，这些颗粒分解温度很高，同样可以抑制晶界的迁移速率，使钢具有耐火性能。固溶的V可以提高钢的屈服强度，遏制原子扩散，保障钢的高温强度。P、S是钢中有害的杂质元素，钢中P虽然可大幅度提高强度，但易在钢中形成偏析，降低钢的韧性及焊接性能。钢中S易形成塑性硫化物，使钢各向异性严重，恶化钢的冲击韧性和加工性能，故P、S含量越低越好，但若将其含量限定得过低，会增加生产难度，提高生产成本，因此在不影响韧性及焊接性能的前提下，将钢得P、s含量分别限定在< 0.02%及彡0.010%常规范围。生产方法所依据的原理:
钢水冶炼过程采用RH真空系统精练，目的在于通过RH真空循环过程除去钢中大颗粒夹杂物SiO2、夹渣CaO及Ν、Η、0气体等有害成分，颗粒细小的V203、V205等高温稳定的第二相则保留在钢水中，利用这些有益夹杂提高钢的高温强度。轧制过程采用连续轧制法，一次性轧制到成品厚度。由于最终状态是正火热处理，故无需进行控制轧制，以提高生产效率；终轧温度控制在795°C 935°C，目的在于终轧温度在再结晶温度以下进行。若终轧温度过高，易形成混晶，恶化钢的综合力学性能。若终轧温度过低，易导致钢的塑性指标降低至不能满足要求；正火热处理温度之所以控制在860°C 895°C，以使金相组织均匀、稳定，无残余内应力。
本发明与现有技术相比，能在环境温度为700°C时，下屈服强度ReL不低于室温屈服强度的70%，即具有良好的高温强度，并且化学成分相对简单，生产工艺过程容易操作，工艺参数容易控制，成本较低，效率高，适宜规模生产。
附图为本发明的金相组织图。
具体实施例方式下面对本发明予以详细描述:
表I为本发明各实施例及对比例的取值列表；
表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；
表3为本发明各实施例及对比例性能监测情况列表；
表4为本发明各实施例及对比例高温拉伸力学性能检验结果。本发明各实施 例按照以下步骤生产:
其步骤:
1)冶炼，并采用RH真空炉精炼；
2)一次性轧制到成品厚度，并控制终轧温度在795 935°C ；
3)空冷至室温；
4)进行正火，控制正火温度在860 895°C；
5)待用。表1.本发明实施例及对比钢化学成分(质量分数％)
权利要求
1.一种耐700°c高温的海洋平台用钢，其组分及重量百分比含量为C 0. 16% O. 21%,Si : O. 25% O. 45%, Mn: O. 50% I. 30%, P ≤ O. 020%, S ≤ O. 010%, W: O. 15% O. 55%,V: O. 01% O. 10%，余量Fe和不可避免的杂质，并满足关系式1. 5C≤W+2V≤3C。
2.如权利要求I所述的一种耐700°C高温的海洋平台用钢，其特征在于C的重量百分比含量为O. 17 O. 19%。
3.如权利要求I所述的一种耐700°C高温的海洋平台用钢，其特征在于Mn的重量百分比含量为O. 75 I. 10%ο
4.如权利要求I所述的一种耐700°C高温的海洋平台用钢，其特征在于W的重量百分比含量为O. 20 O. 45%ο
5.如权利要求I所述的一种耐700°C高温的海洋平台用钢，其特征在于V含量范围按重量百分比为O. 02 O. 06%O
6.生产如权利要求I所述的一种耐700°C高温的海洋平台用钢的方法，其步骤为 1)冶炼，并采用RH真空炉精炼； 2)一次性轧制到成品厚度，并控制终轧温度在795 935°C ； 3)空冷至室温； 4)进行正火，控制正火温度在860 895°C； 5)待用。
7.如权利要求6所述的生产一种耐700°C高温的海洋平台用钢的方法，其特征在于正火温度在875 885 °C。
全文摘要
一种耐700℃高温的海洋平台用钢，其组分及重量百分比含量为C0.16%～0.21%,Si:0.25%～0.45%,Mn:0.50%～1.30%,，P≤0.020%，S≤0.010%,W:0.15%～0.55%,V:0.01%～0.10%,并满足关系式1.5C≤W+2V≤3C；其生产步骤为冶炼并采用RH真空炉精炼；一次性轧制到成品厚度℃；空冷至室温；正火℃；待用。本发明能在环境温度为700℃时，下屈服强度ReL不低于室温屈服强度的70％，即具有良好的高温强度，并且化学成分相对简单，生产工艺过程容易操作，工艺参数容易控制，成本较低，效率高，适宜规模生产。
文档编号C21D8/02GK103255339SQ201310033300
公开日2013年8月21日 申请日期2013年1月29日 优先权日2013年1月29日
发明者陈颜堂, 程吉浩, 张开广, 刘文斌, 童明伟 申请人:武汉钢铁(集团)公司