一種用于海洋能源設(shè)備的鋼板及其制備工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于海洋能源設(shè)備的鋼板及其制備工藝。鋼板化學(xué)成分含量按重量百分比為：碳0.07～0.11%，硅0.10～0.30%，錳1.20～1.30%，磷≤0.015%、硫≤0.010%，釩0.05～0.08%，鈦0.010～0.030%，鋁0.020～0.045%；銅0.35～0.45%；鎳0.25～0.40%；鉻0.45～0.65%；鋯0.05～0.15%，余量為鐵及不可避免的雜質(zhì)。碳當(dāng)量(Ceq)≤0.45%;耐腐蝕因子(I)≥6.0。生產(chǎn)的鋼板屈服強(qiáng)度達(dá)到500MPa級以上、可耐-60℃低溫環(huán)境、滿足25-100kJ/cm大焊接熱輸入要求、耐腐蝕性能是普碳鋼的2.05倍，常溫環(huán)境直接切割性能良好。
【專利說明】一種用于海洋能源設(shè)備的鋼板及其制備工藝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鋼板及其制造的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體的涉及一種用于海洋能源設(shè)備的鋼板及其制備工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]海洋能源設(shè)備主要利用潮汐、海流、波浪及海水溫差進(jìn)行能源開發(fā)，海洋能源設(shè)備與陸地環(huán)境差別相當(dāng)大，一個重要的因素就是海洋環(huán)境對設(shè)備的腐蝕非常嚴(yán)重，因此海洋能源設(shè)備用鋼要滿足以下兩方面要求:
[0003]I)滿足服役條件
[0004]海洋能源設(shè)備構(gòu)件常年在固定的海域作業(yè)，被含鹽的大氣包圍，不僅要經(jīng)受海浪、海底地震、低溫等自然力的侵蝕和破壞，還必須充分考慮風(fēng)暴、海浪、潮流、冰川等各種惡劣海況條件，處在非常嚴(yán)酷的腐蝕及外力作用環(huán)境中，不僅要有很高的耐大氣腐蝕和耐海水腐蝕性能，還要求高強(qiáng)度、高韌性、耐腐蝕、易焊接，對關(guān)鍵部位的鋼材要求如Z向性能、低溫韌性及CTOD試驗(yàn)等應(yīng)滿足要求。
[0005]2)滿足工藝性能
[0006]由于海洋設(shè)備結(jié)構(gòu)比較龐大，多為露天制造，工作環(huán)境比較惡劣，對結(jié)構(gòu)的防腐、焊接工藝等要求更高，要求鋼材必須具有良好的切割性能及良好的焊接性。
[0007]目前國內(nèi)外 尚無專用海洋能源設(shè)備用鋼標(biāo)準(zhǔn)，用戶一般選用API2W Gr60、BS7191標(biāo)準(zhǔn)中的355EM、EN10225標(biāo)準(zhǔn)中的S460G1+M，以及DH32、EH36、AH40等船板代替，其實(shí)際耐海水腐蝕性并沒有保證，所以也僅適合岸上能源設(shè)備用，無法適應(yīng)耐腐蝕要求嚴(yán)格的水深小于30米的近海區(qū)域、以及水深大于30米的深海區(qū)域?qū)︿摬牡男枨?；其?qiáng)度級別也僅到屈服強(qiáng)度460MPa級別。
[0008]日本JFE的耐海水腐蝕鋼專用鋼種JFE-MAR400/490、國內(nèi)lOCrCuSiV、IOCrMoAl,10Cr2MoAlRE等屬于高S1、高Al成分設(shè)計(jì)，必然帶來連鑄困難；常見的艦艇用鋼可耐海水腐蝕，例如美國海軍的HSLA、HY系列鋼，國內(nèi)的907、921、945潛艇用鋼，不過，這類鋼主要為低碳、高Ni成分體系，成本昂貴，作為量大面廣的民用結(jié)構(gòu)用鋼來說很不經(jīng)濟(jì)，而且為保證耐海水腐蝕性能添加了大量的合金元素，這些元素對鋼材的氣割性能有很大的影響，特別是在工件厚度大、環(huán)境溫度低的場合，切割過程中會出現(xiàn)切裂現(xiàn)象，無法適應(yīng)近海工地現(xiàn)場制作要求，用戶不得不采用切割前預(yù)熱的方式解決裂紋問題。
[0009]由國家知識產(chǎn)權(quán)局公開的一項(xiàng)南京鋼鐵股份有限公司申請的申請?zhí)枮?00810122618.X，名為“一種耐海水腐蝕鋼及其生產(chǎn)工藝”的專利，其特點(diǎn)在于成分設(shè)計(jì)中采用了低Mn-高Cr-高Al成分設(shè)計(jì)、解決了高Al鋼連鑄時水口粘死、高Cr鋼易出裂紋的難點(diǎn)、屈服強(qiáng)度僅為300MPa級水平、采用直接軋制成材的方式生產(chǎn)，其成分設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝、保證耐腐蝕性能的機(jī)理與本發(fā)明有實(shí)質(zhì)性的不同，也未提及切割性能是否能夠保證。
[0010]由國家知識產(chǎn)權(quán)局公開的一項(xiàng)寶山鋼鐵股份有限公司申請的申請?zhí)枮?00610024963.0，名為“一種抗海水和潮濕環(huán)境腐蝕鋼”的專利，該專利提供了一種海水淡化設(shè)備等化工機(jī)械用屈服強(qiáng)度小于300MPa、采用鋼錠軋制、正火+回火工藝生產(chǎn)、仍舊是低Mn-高Cr-高Al成分設(shè)計(jì)的耐腐蝕棒材,其強(qiáng)度級別低,其成分設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝、保證耐腐蝕性能的機(jī)理與本發(fā)明有實(shí)質(zhì)性的不同，也未提及切割性能。最終體現(xiàn)在工藝性能上，難以滿足下游用戶對低溫韌性優(yōu)異、易焊接、直接切割的要求。
[0011]由國家知識產(chǎn)權(quán)局公開的一項(xiàng)寶山鋼鐵股份有限公司申請的申請?zhí)枮?00610024179.X，名為“一種耐海水腐蝕鋼及其生產(chǎn)方法”的專利，該專利提供了一種屈服強(qiáng)度400MPa級水平、采用TMCP+卷取工藝生產(chǎn)、鋼中不加Ni成分設(shè)計(jì)的耐腐蝕鋼，由于鋼中添加了 Cu，若不加Ni，鋼坯、鋼板會存在表面裂紋風(fēng)險(xiǎn)，其采用Cu-Cr-Mo成分體系保證耐海水腐蝕性能，生產(chǎn)工藝也與本發(fā)明有實(shí)質(zhì)性的不同。
[0012]以上均為現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的目的在于針對用于海洋能源設(shè)備常面臨的如下問題:(I)耐海水腐蝕性沒有保證；(2)高S1、高Al的成分設(shè)計(jì)帶來連鑄困難；(3)低碳、高Ni成分體系造成成本昂貴，無法經(jīng)濟(jì)的用于民用結(jié)構(gòu)鋼；(4)添加了大量的合金元素對鋼材的氣割性能有很大的影響；切割性能無法保證；(5)難以滿足下游用戶對低溫韌性優(yōu)異、易焊接、直接切割的要求等問題缺陷，而提供一種用于海洋能源設(shè)備的鋼板及其制備工藝，該用于海洋能源設(shè)備的鋼板具有很高的耐大氣腐蝕和耐海水腐蝕性能；強(qiáng)度與韌性高；低碳易焊接并且易連鑄；具有良好的熱切割性能；成本低。
[0014]本發(fā)明的技術(shù)方案為:一種用于海洋能源設(shè)備的鋼板，鋼板化學(xué)成分含量按重量百分比為:碳 0.07 ~0.11%，硅 0.10 ~0.30%，錳 1.20 ~1.30%，磷≤0.015%、硫≤ 0.010%,釩 0.05 ~0.08%,鈦 0.010 ~0.030%,鋁 0.020 ~0.045% ；銅 0.35 ~0.45% ；鎳 0.25 ~
0.40% ;鉻0.45~0.65% ;鋯0. 05~0.15%，余量為鐵及不可避免的雜質(zhì)。
[0015]所述鋼板中化學(xué)成分含量按重量百分比同時滿足:
[0016]碳當(dāng)量Ceq=碳含量+0.155 X (鉻含量+鑰含量)+0.14 X (錳含量+釩含量)+0.11 X硅含量+0.045 X (鎳含量+銅含量)(0.45% ；
[0017]所述鋼板中化學(xué)成分含量按重量百分比同時滿足:耐腐蝕因子
[0018]1=26.0lX (銅含量)+3.88 X (鎳含量)+1.20 X (鉻含量)+1.49 X (硅含量)+17.28X (磷含量)-7.29X (銅含量)X (鎳含量)-9.1OX (鎳含量)X (磷含量)一33.39X (銅含量)X2 ≤ 6.0。
[0019]一種所述用于海洋能源設(shè)備的鋼板的制備工藝，包括冶煉-精煉-連鑄-軋制-直接淬火-回火，在精煉處理后加FeSiZr合金球化并進(jìn)行Ca處理。
[0020]在軋制過程中采用兩階段控軋工藝軋成鋼板。
[0021]所述兩階段控軋工藝中粗軋的高溫階段終軋溫度大于1000°C ;精軋階段的終軋溫度控制在860-880°C。
[0022]在直接淬火階段軋后高溫鋼板直接淬火至150°C以下空冷或緩冷。
[0023]在回火階段鋼板回火溫度為600~680°C，回火時間為2.5~3min/mm。
[0024]對所述用于海洋能源設(shè)備的鋼板的制備工藝中主要步驟的工藝控制原理分析如下:[0025]精煉處理的工藝控制重點(diǎn)是精煉后要進(jìn)行FeSiZr合金球化以及進(jìn)行Ca處理:該鋼的耐腐蝕性、良好的低溫韌性、易焊接性均與鋼中夾雜物球化變質(zhì)、彌散的Zr-Ti氧化物釘扎焊接粗晶區(qū)有關(guān)。隨著加入量的增加，完成脫氧、脫硫和變質(zhì)夾雜作用后富裕的Zr將起到合金化的作用，有凈化晶界、抑制高溫晶粒長大及晶界腐蝕、抑制鋼的氫脆效果。
[0026]軋制工藝重點(diǎn)在于控制精軋階段的終軋溫度:主要考慮到直接淬火時如果軋制溫度高，奧氏體晶粒變粗，其淬透性增高，但同時相變后組織的晶粒尺寸也變大，使得韌性降低；如果軋制溫度降低，則奧氏體的晶粒細(xì)化，相變后的組織也得以細(xì)化，從而使韌性獲得改善。但若在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行加工，變形效果促進(jìn)了鐵素體在變形奧氏體的晶界和晶粒內(nèi)變形帶處的析出，則會使鋼材的淬透性降低，其強(qiáng)度有所降低，但是由于金相組織的細(xì)化，韌性獲得了改善。因此精軋階段的終軋溫度選擇控制在860-880°C。
[0027]淬火工藝采用先進(jìn)的在線直接淬火工藝，可有效地利用軋后余熱，將變形與熱處理工藝相結(jié)合，降低合金元素添加量的同時可使鋼材的強(qiáng)度成倍提高，而且在低溫韌性、焊接性能、抑制裂紋擴(kuò)展、鋼板均勻冷卻以及板形控制等方面都比傳統(tǒng)離線調(diào)質(zhì)工藝優(yōu)越，因此軋后鋼板快速進(jìn)入在線冷卻系統(tǒng)直接淬火至150°C以下空冷或緩冷。
[0028]本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明所述技術(shù)方案通過降低碳含量這一最關(guān)鍵、最經(jīng)濟(jì)的方法，通過Cr、N1、Cu、Zr等合金元素的綜合協(xié)調(diào)作用，采用直接淬火+回火工藝，獲得均勻的貝氏體組織，通過低碳、合金、均勻組織三方面達(dá)到提高鋼的耐腐蝕性能的目的。生產(chǎn)的鋼板屈服強(qiáng)度達(dá)到500MPa級以上、可耐-60°C低溫環(huán)境、滿足25-100kJ/cm大焊接熱輸入要求、耐腐蝕因子可保證在6.0以上，耐腐蝕性能是普碳鋼的2.05倍，常溫環(huán)境直接切割性能良好。
[0029]本發(fā)明選擇的主要合金元素及其數(shù)量在鋼中的作用在于:
[0030]碳(C):碳含量低，在鋼中形成ε碳化物或Fe3C的機(jī)會小，作為微電池陰極相的碳化物析出少，高碳M-A-C組元出現(xiàn)的幾率也較小，保證獲得均勻的貝氏體組織，使得各微區(qū)電極電位趨于一致，提高了鋼的耐腐蝕性能。碳降低后對鋼的低溫韌性、焊接性能、切割性能有利，綜合考慮冶煉難度、淬透性、耐腐蝕性能要求等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，本發(fā)明設(shè)定的最佳碳含量為0.07-0.11%。
[0031]硅(Si):硅提高鋼的強(qiáng)度的同時降低塑性。如果Si含量過高又會使晶粒粗化，增加鋼的過熱敏感性，同時會惡化鋼的焊接性能。本發(fā)明中硅含量控制在0.10-0.30%。
[0032]錳(Mn):資料顯示Mn加入鋼中增大了材料的腐蝕趨勢，因Mn等成分偏析也可造成微區(qū)微電池產(chǎn)生而腐蝕，因此成分設(shè)計(jì)要體現(xiàn)低Mn特點(diǎn)；綜合考慮鋼中Mn以1.20-1.30%為宜。
[0033]鎳(Ni)、銅(Cu):含Cu鋼具有很好的耐腐蝕性，主要是基于Cu加入鋼中可以促進(jìn)致密銹層的形成,例如美國的CortenB系列鋼；N1、Cu的電位比Fe正，加入一定的量可以提高鋼的熱力學(xué)穩(wěn)定性，保證鋼板具有耐腐蝕性能；Ni還能阻止加Cu鋼熱脆引起的網(wǎng)裂。
[0034]鉻(Cr):Cr本身電位為負(fù)，但加入鋼中以后，使鋼的電位變正而耐腐蝕；Cr的加入可以使鋼材表面形成鈍化膜，將鋼材與腐蝕環(huán)境隔離，從而起到耐腐蝕作用；
[0035]釩(V)、鈦(Ti):C r以固溶態(tài)存在時才能發(fā)揮耐腐蝕作用，復(fù)合加入V、Ti等生成彌散分布的碳氮化物，既起到析出強(qiáng)化的作用，又可以保證有益合金元素的固溶效應(yīng)。鈦還可作為鋼中硫化物變性元素使用，以改善鋼板的縱橫性能差異。因此本發(fā)明鋼添加這些微合金元素充分利用了其對性能的有利作用。
[0036]鋁(Al):鋁作為AlN形成元素，與Ti復(fù)合使用，有效地細(xì)化晶粒的同時固定N元素。但含量過高會增加鋼種的氧化鋁夾雜。確定其含量控制在0.020-0.045%。
[0037]硫(S):鋼中硫化物夾雜易誘發(fā)鋼中點(diǎn)蝕現(xiàn)象出現(xiàn)；減少鋼中夾雜物的體積分?jǐn)?shù)或改變夾雜物形狀可改善鋼的成型性、焊接性和機(jī)械性能。尤其是要減少軋制過程中產(chǎn)生的條形夾雜物MnS，為此需要在煉鋼過程中進(jìn)行Ca處理使夾雜物由條形轉(zhuǎn)化為危害較小且易均勻分布的球狀夾雜，把夾雜物的負(fù)面影響降低到最小。將S含量目標(biāo)值控制在0.008%以下。
[0038]磷(P):P提高鋼的強(qiáng)度，降低鋼的塑性。磷屬于偏析較嚴(yán)重的元素，考慮偏析以及經(jīng)濟(jì)性冶煉因素，P控制在0.015%以下可以滿足鋼的要求。
[0039]鋯(Zr):鋯在鋼中有脫氧、凈化和細(xì)化晶粒的作用，提高鋼的低溫韌性，可顯著減輕龜裂傾向、抗腐蝕性也有顯著增加。它和硫能化合成硫化鋯，因此能防止鋼的熱脆性。鋼經(jīng)過Zr-Ti復(fù)合脫氧處理后，在鋼中形成了許多可以在焊接過程中釘扎焊接粗晶區(qū)奧氏體晶界的細(xì)小彌散Zr-Ti復(fù)合氧化物粒子，配合低碳設(shè)計(jì)、適量合金化，可適應(yīng)較大焊接熱輸入范圍。
[0040]碳當(dāng)量(Ceq):根據(jù)切割前預(yù)熱溫度的計(jì)算公式:Tph=500[Ceq(l+0.002 δ )-0.45]1/2，當(dāng)被切割的工件厚度小于IOOmm時，厚度影響很小，可略去不計(jì)，因此其碳當(dāng)量Ceq ^ 0.45%時，一般不需切割前預(yù)熱。本發(fā)明鋼限定各合金元素保證Ceq ( 0.45%,以此保證鋼的切割性倉泛;
[0041]耐腐蝕因子(I):是國際上評價鋼材耐腐蝕性能高低的理論判據(jù)，6.0以上就具有耐腐蝕性能，其值越高鋼材越耐腐蝕。
`[0042]按照上述成分與工藝制造，獲得的海洋能源設(shè)備用低溫韌性優(yōu)異的易焊接耐腐蝕鋼板性能:屈服強(qiáng)度達(dá)到530~590MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到635~680MPa，延伸率25.5~33.5%，_60°C低溫沖擊韌性達(dá)到100J以上，鋼板厚度8~80mm。
[0043]按照耐腐蝕性能要求開展了模擬濕熱環(huán)境條件下產(chǎn)品的耐蝕性對比實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)周期:720小時，結(jié)果見表1。
[0044]表1耐蝕性試驗(yàn)結(jié)果
[0045]
【權(quán)利要求】
1.一種用于海洋能源設(shè)備的鋼板，其特征在于，鋼板化學(xué)成分含量按重量百分比為:碳 0.07 ~0.11%,硅 0.10 ~0.30%,錳 1.20 ~1.30%,磷≤ 0.015%,硫≤ 0.010%,釩 0.05 ~0.08%,鈦 0.010 ~0.030%,鋁 0.020 ~0.045%,銅 0.35 ~0.45%,鎳 0.25 ~0.40%,鉻0.45~0.65%，鋯0.05~0.15%，余量為鐵及不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于海洋能源設(shè)備的鋼板，其特征在于，所述鋼板中化學(xué)成分含量按重量百分比同時滿足: 碳當(dāng)量Ceq=碳含量+0.155X (鉻含量+鑰含量)+0.14X (錳含量+釩含量)+0.1lX硅含量+0.045 X (鎳含量+銅含量)(0.45%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于海洋能源設(shè)備的鋼板，其特征在于，所述鋼板中化學(xué)成分含量按重量百分比同時滿足:耐腐蝕因子 1=26.0lX (銅含量)+ 3.88X (鎳含量)+ 1.20X (鉻含量)+ 1.49X (硅含量)+17.28X (磷含量)一 7.29X (銅含量)X (鎳含量)一 9.1OX (鎳含量)X (磷含量) 39X (銅含量)X2 ≥ 6.0。
4.一種權(quán)利要求1所述用于海洋能源設(shè)備的鋼板的制備工藝，包括冶煉-精煉-連鑄-軋制-直接淬火-回火，其特征在于，在精煉處理后加FeSiZr合金球化并進(jìn)行Ca處理。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述用于海洋能源設(shè)備的鋼板的制備工藝，其特征在于，在軋制過程中采用兩階段控軋工藝軋成鋼板。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述用于海洋能源設(shè)備的鋼板的制備工藝，其特征在于，所述兩階段控軋工藝中粗軋的高溫階段終軋溫度大于1000°c ;精軋階段的終軋溫度控制在860~880。。。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述用于海洋能源設(shè)備的鋼板的制備工藝，其特征在于，在直接淬火階段軋后高溫鋼板直接淬火至150°C以下空冷或緩冷。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述用于海洋能源設(shè)備的鋼板的制備工藝，其特征在于，在回火階段鋼板回火溫度為600~680°C，回火時間為2.5~3min/mm。
【文檔編號】C22C38/50GK103866199SQ201410111894
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月24日
【發(fā)明者】胡淑娥, 孫衛(wèi)華, 劉曉東, 周蘭聚, 侯東華, 劉強(qiáng), 楊超 申請人:濟(jì)鋼集團(tuán)有限公司