一类海洋系泊链钢及其系泊链的热处理方法与流程

本发明属于低合金钢及海洋系泊链热处理领域，特别涉及一类细晶粒海洋系泊链钢的成分设计和制造工艺，尤其涉及一类海洋系泊链及其热处理的方法。

背景技术：

海洋勘探、深海采油、国防建设等均需要定位和系泊海洋浮体的系泊系统。其中主要结构是钢制系泊链。系泊链按其强度级别可以分为三级、三级半、四级、四级半、五级和六级。各级链环整体调质后的抗拉强度分别不小于690Mpa、770Mpa、860Mpa、960Mpa、1000Mpa和1110Mpa，目前国内外使用的最高级别的系泊链为五级。六级链等待试用中。申请人将这些钢和链归为一类，即一类海洋系泊链钢和一类海洋系泊链。

定位用系泊长链分为有横档和无横档二种，直径约70～210mm，单支链的长度可达数公里。根据挪威船级社的标准，抗拉强度690MPa以上的海洋用钢即为超高强度钢，因此所有系泊链钢都是超高强度钢。

系泊链必须具备合格的力学性能和海洋环境服役性能。而系泊链的成品热处理在获得强度的同时，必须保证其韧性，尤其是闪光焊缝区的韧性，以抵抗狂风巨浪，增强安全可靠性。系泊链通常在专用立式炉中进行连续淬火-连续回火，即连续调质热处理和交货。

根据对过去20余年海洋浮体多发事故的统计，51％以上的事故与系泊链有关。甚至发生系泊链断裂导致平台倾覆的灾难性事故。

为提高系泊链的力学性能和环境性能，保证海洋浮体的服役可靠性，系泊链制造的首要任务是获得高强韧性匹配。

现有系泊链连续调质热处理工艺的主流是淬火-淬火-高温回火，即Q-Q-T，开发者Vicinay公司命名为DQT。

中国专利申请号99116494.6公开了系泊链钢的淬火温度为930℃。

美国专利申请号US2001/0024621A1公开的系泊链钢淬火温是870℃，C和晶粒细化元素的成分范围(wt％)C 0.15～0.23,Al＜0.2，V＜0.2，Nb＜0.2，Ti＜0.2。

跨国集团Vicinay公司发表的系泊链连续双淬火-回火(DQT)新工艺：约930℃淬火-880℃淬火-回火，其最高淬火加热温度限制在930℃左右，(LuisVicinay-Mooring Chain Reliability，Prepared for the FPSO Research Forum October 26th，2005 Organized by TWI)。一般生产中测温仪表显示炉气温度(炉温)。见图1，其中左侧是立式连续式调质炉。

中国专利申请号200810033953.2公开了系泊链的淬火炉温＜1050℃，无控制最高链温手段。

中国专利申请号200910236675.5公开了系泊链连续热处理工艺：炉温加热到1000～1050℃，链运行速度(线速度)Q 0.18～0.23m/min，保温120～150min，水冷,T 0.14～0.18m/min,水冷，保温150～200min，水冷。

中国专利申请号2013106244842公开的淬火温度≤1050℃，回火前允许经过二次淬火处理。无控制最高链温手段。晶粒细化元素的成分范围(wt％)Nb 0.005～0.05，Ti 0.002～0.10，REM 0.010～0.025，N≤0.006。

中国专利CN98110160.7规定了在立式连续式调质炉中进行淬火加回火处理，其中淬火温度为900～930℃。

综上，系泊链连续热处理的已有技术为最高淬火加热温度限制在930℃以下，就一般控制奥氏体晶粒的钢材而言，为了获得稳定的强韧性，这是必要的。而立式连续热处理炉最高炉温≤1050℃和≤1050℃时的线速度及其保温时间的规定，都缺乏可行性，无实用意义。最高炉温≤1050℃时的链温不明，不能保证链温始终低于钢材的奥氏体晶粒粗化温度，如果超过奥氏体晶粒粗化温度，则不能确保链的性能，尤其是韧性合格，会增加废品率(表1)。即现有系泊链钢不能保证奥氏体晶粒粗化温度高于930℃，因此生产中必须使用低的炉气温度，限制链的最高淬火加热温度低于奥氏体晶粒粗化温度，注意了提高系泊链钢和链的奥氏体晶粒粗化温度的微合金元素的成分范围。而实际上，缺少微合金元素的合理范围和相互搭配，以及缺乏有效的坯料热加工历史，会导致加入的微合金元素不能形成理想的状态、尺寸和分布，从而非但不能提高奥氏体晶粒粗化温度，相反会降低韧性。特别是系泊链直径增加，为均匀链的温度分布，连续热处理链的线速度必须降低，而减小线速度又会降低链的入水温度，从而降低链的淬火效果和性能(表1)。

申请人也检索了《ISO 683热处理钢，合金钢和易切削钢》标准，与系泊链钢化学成分相近的钢号，其淬火温度均不超过860℃。

上述中国专利申请号200910236675.5提供的技术大体是热处理炉的能力参数范围，而且链温不明，不能保证链温始终低于钢材的奥氏体晶粒粗化温度，如果超过奥氏体晶粒粗化温度，则不能确保韧性合格。淬火前增加120～150min的保温，按所公开的线速度参数0.18～0.23m/min，需要高度22～35m的保温区，这是不可能的。另外，一般倒U形立式连续炉最大高度仅约4m。

技术实现要素：

本发明的目的是：以提高系泊链的可靠性为前提，精确设计控制奥氏体晶粒粗化温度的成分和工艺，将奥氏体晶粒粗化温度从现有的低于930℃提高70℃以上，实现系泊链连续热处理工艺的精确化，控制所需要的奥氏体晶粒粗化温度，发挥合金元素的潜力，缩短生产周期，获得理想的组织、亚结构和性能，减少设备投资，追求最佳性价比。

本发明在部分现有技术，即涵盖通用的各级系泊链钢的C和合金元素成分范围的基础上，提出奥氏体晶粒粗化温度的关键是必须重视细化晶粒元素的成分及其配比，又独创了奥氏体晶粒细化元素N的含量控制为0.006～0.024wt％。

为了实现上述系泊链连续淬火的高温化、链温分布的精细化，获得高性能、高效率、高性价比目的，本发明提供的方法包括以下步骤：电炉或转炉冶炼-炉外精炼-真空脱气-连铸，钢坯加热温度1100～1300℃，钢材终轧温度850～1050℃，获得奥氏体晶粒粗化温度1000℃以上的系泊链钢类。其中Al脱氧和控制N量都是已有技术。

本发明中细化奥氏体晶粒的微合金元素如下：

Al 0.01～0.06wt％，现有技术。

铝是主要脱氧元素，能够形成AlN，细化晶粒，改善链条母材及焊缝处的综合力学性能。铝不足0.01％时，作用不明显，铝超过0.06％时，铝的氧化物夹杂增多，恶化钢的冲击性能。

N 0.006～0.024wt％，系泊链钢N的成分设计是独创。

钢中的氮是不可避免的，形成的AlN、TiN、VN、NbN，可以避免应变时效，细化晶粒和提高强度。氮有生产过程中自然形成的残余氮和受控氮。本发明将受控氮含量控制在0.006～0.024wt％。氮不足0.006％时，细化晶粒作用不明显，超过0.024％时缺陷增多，反而恶化钢的性能。

Nb、Ti：是作为细化晶粒元素和析出强化元素而加入。

本发明在现有技术的基础上精密控制其含量和配比，铌、钛可以单独使用或与铝联合使用。当铝、氮分别不足0.010和006wt％时，放弃用Al细化法，使用NbC等碳化物的奥氏体晶粒细化法。

综上，本发明的一类海洋系泊链钢，细化奥氏体晶粒的微合金元素的精确配合，其中，Al0.01～0.06wt％，N 0.006～0.024wt％和/或Nb 0.01～0.06wt％，和/或Ti0.001～0.2wt％，其中：当Al＜0.01wt％时,Nb0.01～0.06wt％和/或Ti0.001～0.2％wt％。

本发明提高淬火温度可以减少有害元素在原奥氏体晶界处的偏聚，提高韧性，降低回火脆性敏感性，发挥碳化物的强化作用潜力，从而提高成品链的强韧性、均匀性。

淬火加热的炉温935℃～1150℃，水冷，回火炉温590～690℃，水冷。

淬火温度的选取对于链的最终性能起着决定性的作用，本发明钢类在约830℃以上是奥氏体单相区，比较低的温度，例如900℃和比较高的温度，例如1000℃，合金和微合金化元素及其化合物的固溶量、均匀程度、晶界状态，以及钢的淬透性是不一样的，高温淬火能够获得稳定和理想的马氏体和贝氏体组织，尤其是大直径链。高温淬火的固溶效果更充分，元素分布更均匀，晶间结合力更强，链的淬火入水温度更高，淬火效果更佳，在590～690℃温度范围回火，获得更高强韧性等，特别是焊缝区的成分均匀，焊缝区与基体的性能差别小，链横截面上不同区域的性能差别减少。而奥氏体晶粒粗化温度高于1000℃，是使用高温淬火工艺的保证(表1，图2～7)。

与现有技术相比，本发明具有以下有效效果：

以“海洋石油981”半潜式深海平台使用的系泊链的连续热处理为例，直径84mm、链长1750m，1组12支链，根据上述技术，淬火和回火分别需要保温，因此即使使用0.14m/min的线速度(实际仍然达不到保温的时间要求)，考虑链的高温线膨胀,一组链1750m×12支，使用2台淬火炉-1台回火炉，实现Q-Q-T即DQT双淬火-回火工艺热处理的周期超过9个月。

而同样参数的该组链试用提高奥氏体晶粒粗化温度超过70℃的钢材，经过精确控制链温，根据链径、链温和热处理炉的参数规定预热-加热-保温区各段的炉气温度，本发明Qh-T，即高温淬火和回火工艺使用1台淬火炉-1台回火炉，链线速度分别允许提高到0.23m/min和更快，最高炉温和最高表面链温分别为1080℃和1000℃，热处理周期成倍缩短，又省略了立式淬火炉的一半投资、能源消耗和管理。强韧性稳定在高水平。

对于低碳的系泊链钢，本发明提供的数据表明，DQT和QT比较，在改善链性能方面并无明显效果(表1)，根据热处理原理，DQT并无消除或减轻闪光焊区夹杂物不良的功能，也不可能增加淬透深度。另一方面，DQT增加有档链因淬火变形导致的横档松动。

总之，本发明发挥合金元素的潜力，缩短生产周期，获得理想的组织、亚结构和性能，减少设备投资，追求最佳性价比。

附图说明

图1为Vicinay公司在Bilbao’s大学协助下开发的系泊链连续双淬火-回火(DQT)新工艺示意图。左侧是立式连续式调质炉。

图2～图4为本发明人估算炉温、链温与加热时间关系例。其中图2是炉温1040℃，1600s，直径84mm链温度曲线，表面和中心温度接近。图3是炉温980℃，1600s,直径160mm链温度曲线估算，表面895℃，中心710℃,表面和中心温差大。图4是炉温1040℃，1600s,直径160mm链温度曲线估算，表面981℃，中心782℃，表面和中心温差减小；图4与图3比较，炉温提高60℃，链表面温度提高近100℃。

图5为920℃加热，奥氏体晶粒示意图。其中显示奥氏体晶粒度为12～8级。

图6和图7是本发明系泊链焊缝成分、淬火-回火组织的EPMA图像，由图6、7可见，1000℃高温淬火，△C＝C基体0.274-焊缝C0.26＝0.014wt％，是参考文献(SUZUKI.N,Tetsu to Hagane1987)对相同C含量900℃淬火的系泊链的△C＝C基体-焊缝＝0.13wt％的11％。Qh比Q对焊缝区成分均匀性，特别是C的影响非常显著。

具体实施方式

具体方式见表1