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CN119876778A - 一种抗拉强度1100MPa大厚度F级海洋工程用钢板及其制备方法 - Google Patents

一种抗拉强度1100MPa大厚度F级海洋工程用钢板及其制备方法 Download PDF

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CN119876778A CN202411734132.7A CN202411734132A CN119876778A CN 119876778 A CN119876778 A CN 119876778A CN 202411734132 A CN202411734132 A CN 202411734132A CN 119876778 A CN119876778 A CN 119876778A
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周永浩
孙宪进
陈亮
葛亮
徐光琴
姚南君
刘爽
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China Citic Group Co ltd
Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
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Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
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Abstract

本发明涉及一种抗拉强度1100MPa大厚度F级海洋工程用钢板，化学成分按重量百分比计为：C：0.08～0.15%，Si：0.10～0.20%，Mn：0.6～1.1%，P：≤0.005%，S：≤0.002%，V：0.040～0.060%，Al：0.040～0.060%，Cr：0.30～0.60%，Ni：2.0～2.5%，Cu：0.20～0.40%，Mo：0.40～0.70%，B：0.0010～0.0020%余量为Fe及不可避免的杂质元素。碳当量CEV≤0.60%，微观组织为回火马氏体+贝氏体+残余奥氏体的混合组织，晶粒尺寸：6～20μm。过高纯净钢冶炼技术、低速强压下轧制技术、差温轧制技术等一系列先进技术的应用，得到兼具超高强度、超低温韧性、高延展性、高均质、优异耐腐蚀性能、焊接性能的钢板。

Description

一种抗拉强度1100MPa大厚度F级海洋工程用钢板及其制备 方法
技术领域
本发明属于钢铁冶金领域，具体涉及一种抗拉强度1100MPa大厚度F级海洋工程用钢板及其制备方法。
背景技术
随着清洁能源与绿色环保的战略重要性不断提高，各海洋国家对深海资源的开发力度不断加大。随着海洋资源勘探开采等工程建设规模的不断扩大，拉动了海洋工程用钢需求不断上升。为海工钢行业发展提供了充足空间。
目前广泛应用的海洋平台超高强度钢的主要级别为屈服强度460MPa、500MPa、550MPa、620MPa、690MPa。由于服役环境的特殊性，要长期抵抗恶劣的风浪条件，水下修理维护的成本极高，其采用的钢板逐渐向高强度、高韧性、易焊接性、良好的耐腐蚀性以及大厚度、大规格化方向发展。世界上已成功开发出强度级别达 980 MPa的海洋工程用钢，因此对于高性能海工钢仍主要依赖于进口。
经检索，中国专利公开号CN104480406A公开了一种低合金高强高韧钢板及其制造方法，其采用复合坯生产，生产成本高、工艺流程长，且其利用了Nb、Ti等微合金元素的细化、强化作用，保证钢板的力学性能及焊接性能。而添加Nb、Ti微合金元素同样会在钢板芯部偏析位置形成Nb、Ti（C/N）夹杂物，影响钢板的低温冲击韧性。中国专利CN114480970B一种屈服强度1100MPa级高强高韧钢，微观组织以马氏体为主，虽强度高，但低温冲击韧性、塑性较差，且其覆盖的厚度范围仅为30mm。中国专利CN105950997B一种高韧性高强度厚钢板及其生产方法，通过添加Mn、Ni、Cr、Mo等合金，并采用Q+L+T工艺，可生产最大厚度100mm的钢板，组织为回火马氏体+针状铁素体，钢板屈服强度＞1200MPa，抗拉强度≥1400MPa，其碳当量高达0.68%，严重影响焊接性能，且其成分设计中未添加任何耐腐蚀性元素，因此不适用于海洋工程。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术不足，提供一种抗拉强度1100MPa大厚度F级海洋工程用钢板及其制备方法。
本发明采用低碳当量成分设计，通过高纯净钢冶炼技术、低速强压下轧制技术、差温轧制技术等一系列先进技术的应用，成功开发出一种最大生产厚度为120mm抗拉强度≥1100MPa级且具有良好的-60℃低温冲击韧性的海洋工程用钢板，得到兼具超高强度、超低温韧性、高延展性、高均质、优异耐腐蚀性能、焊接性能的钢板。
本发明所采用的技术方案为：一种抗拉强度1100MPa大厚度F级海洋工程用钢板，化学成分按重量百分比计为：C：0.08～0.15%，Si：0.10～0.20%，Mn：0.6～1.1%，P：≤0.005%，S：≤0.002%，V：0.040～0.060%，Al：0.040～0.060%，Cr：0.30～0.60%，Ni：2.0～2.5%，Cu：0.20～0.40%，Mo：0.40～0.70%，B：0.0010～0.0020%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为一种抗拉强度1100MPa大厚度F级海洋工程用钢板及其制备方法，碳当量指数CEV＜0.60%，其中碳当量采用公式（1）计算，
CEV=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14 （1）
优选地，钢板的化学成分按重量百分比为C：0.11%，Si：0.12%，Mn：0.90%，P：0.003%，S：0.0015%，V：0.050%，Al：0.055%, Cr：0.55%，Ni：2.30%，Cu：0.25%，Mo：0.55%，B：0.0015%，CEV=0.58%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。
本发明钢化学成分设计原理：
C: 通过固溶强化和析出强化对提高钢的强度有明显作用。但过高的碳对钢的焊接性能不利，而且会导致中心偏析严重、韧脆转变温度升高、淬火易产生裂纹等问题,本发明中规定C含量0.08～0.15%。
Si: 有较强的固溶强化作用，能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度。但对于马氏体钢，其能促进晶团和板条团的粗化，对低温韧性不利。本发明中规定Si含量介于0.10～0.20%范围内。
Mn:本专利主要作用提高淬透性，促进马氏体转变，提高钢板强度，但Mn是易偏析元素，形成的MnS会影响钢板的低温冲击韧性，同时随着钢板厚度的增加，轧制变形量减少，钢板偏析严重，会导致厚度方向性能不均匀，因此，本发明采用低Mn成分设计，含量控制在：0.60～1 .10％。
V：VN、V(C、N)一方面在加热过程中阻碍奥氏体晶粒的长大，起到细化晶粒的作用；另一方面这些纳米级的细小弥散分布的析出物可以显著提高钢板的强度。但若添加过量会导致母材和HAZ的韧性降低，因此本发明中规定V含量介于0.040～0.060%范围内。
Al：本发明主要作用是固定钢中的氮元素，从而达到保护B元素淬透性的作用和细化奥氏体晶粒的作用。因Al元素与O元素也具有极强的亲和力，部分Al元素会由于脱氧而被消耗，因此较低的Al元素含量对于固N保B及细化晶粒的作用不明显，但过多的Al又会产生Al2O3夹杂物，影响钢板的低温冲击韧性。因此，全Al含量应控制在0.040～0.060%。
Ni: 有稳定奥氏体，提高淬透性的作用，能显著改善钢的低温韧性，还能有效防止钢的铜脆，但考虑到Ni合金成本较高，本发明中规定Ni含量介于2.0～2.5%之间。
Cu：是本发明中至关重要的元素，Cu具有优越的耐海水腐蚀作用，对应力腐蚀也有明显改善，同时Cu有稳定奥氏体，提高钢的强度和低温韧性作用，但添加过量，容易造成铜脆、铸坯表面质量及内裂问题本发明中规定Cu含量介于0.20～0.40%范围内。
Cr：提高钢的淬透性，能够抑制多边形铁素体和珠光体的形成，促进马氏体的转变，提高钢的强度。但Cr含量过高将影响钢的低温冲击韧性，降低钢板的焊接性能。因此，本发明Cr含量控制在0.30-0.60%。
Mo：淬透性元素，可抑制块状铁素体的形成，促进马氏体转变，而且能细化马氏
体板条尺寸。另外，Mo还有减轻回火脆性倾向的作用；本发明涉及钢板最大厚度为120mm，同时加Cr和Mo，可使钢板具有足够的淬透性，保证钢板厚度方向上组织、性能的均匀性。本发明Mo含量控制在0.40～0.70%之间。
B：主要作用是提高淬透性，固溶的微量硼，易在晶界吸附，可提高奥氏体的稳定性，尤为重要的是，可减小淬火钢的硬度梯度，改善表面层的过度淬火，固溶量愈多，效果愈明显。但过高的B很容易产生偏析，形成硼化物，严重恶化钢板韧性。因此，本发明控制B含量介于0.0010～0.0020%。
P、S：是钢中有害元素。对塑性及韧性不利, 同时影响焊接性能。本发明中规定P：≤0.005%，S：≤0.002%。
本发明另提供上述一种抗拉强度1100MPa大厚度F级海洋工程用钢板及其制备方法，具体工序如下：
1、冶炼工艺
冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气，连铸，为了保证铸坯内部质量，采用低过热度浇注，全程氩气保护浇注，匹配科学的动态轻压下工艺。浇铸过热度控制在10～40℃；使铸坯中心偏析≤C0.5级，中心裂纹≤0.5级，中心疏松≤0.5级。
2、坯料堆缓冷
坯料分段后堆垛缓冷（优选36小时以上）进行扩氢，缓冷结束后进行表面缺陷清理。
3、轧制
将清理后的坯料放入步进式加热炉，加热至1200～1280℃，并保温2～4小时，使钢中的合金元素充分固溶以保证最终产品的成分及性能的均匀性。钢坯出炉后经高压水除鳞。随后进行两阶段轧制，粗轧采用低速强压下轧制工艺，单道次压下量≥30mm，轧制成中间坯后进行精轧，在精轧前两道次通过精轧机自带的高压水除鳞设备对中间坯进行强制喷水冷却，即缩短了中间坯待温时间，消除坯料表面氧化皮，又使钢坯表面和芯部产生温差，调节喷水强度让坯料表面与芯部温差在70-90℃之间，坯料表面温度也要控制在780-880℃的精轧温度，温差有助于提高芯部变形量，弥合坯料芯部缺陷。精轧最后两道次为成型道次，单道次压下量≤5mm，保证钢板板型良好。
3、钢板堆缓冷
将轧制后的钢板在≥200℃高温下堆缓冷24小时以上进行扩氢。
4、热处理
缓冷结束后对钢板进行调质热处理。
淬火：采用辊底式淬火炉，淬火温度为860-930℃，钢板进炉至出炉时间为1.6-2.5min/mm。出炉后水冷至室温。
回火：采用辊底式回火炉，回火温度为500-650℃，进炉至出炉时间为2.0-5.0min/mm，出炉后空冷至室温。
钢板的基体组织为回火马氏体+贝氏体+残余奥氏体的混合组织，平均晶粒尺寸为6-20μm。
本发明的技术特点如下：
1）采用连铸坯生产最大厚度为120mm的本发明钢板，在低压缩比的前提下，通过高纯净钢冶炼、低速大压下轧制、差温轧制等关键技术应用，解决了因连铸坯缺陷导致的钢板芯部性能差的问题。
2）采用低碳当量成分设计，保证了钢板优良的焊接性能，通过科学匹配Ni、Cu合金元素，使钢板具有良好耐海水腐蚀性能的同时避免表面质量缺陷。匹配淬火+回火热处理工艺，通过控制残余奥氏体的组分，提高钢板的塑性、韧性。
3）采用Cr+Mo+B淬透性元素成分体系，充分发挥装备能力优势，使钢板淬透至芯部，保证钢板厚度方向上组织性能均匀性，并通过合理的回火工艺设计，控制残余奥氏体的组分，从而提高钢板的塑性、韧性。钢板屈服强度≥900MPa，抗拉强度≥1100MPa，延伸率≥14%，-60℃V型缺口夏比冲击功≥120J。
附图说明
图1为本发明实施例2钢板1/4厚度处的金相组织，为回火马氏体+贝氏体+残余奥氏体的混合组织。
图2为本发明实施例2钢板1/3厚度处的金相组织，为回火马氏体+贝氏体+残余奥氏体的混合组织。
图3为本发明实施例2钢板1/2厚度处的金相组织，为回火马氏体+贝氏体+残余奥氏体的混合组织。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例中对应的1100MPa级超低温韧性海洋工程用钢板的化学成分及其质量百分含量：C：0.11%，Si：0.12%，Mn：0.90%，P：0.003%，S：0.0015%，V：0.050%，Al：0.055%，Cr：0.55%，Ni：2.30%，Cu：0.25%，Mo：0.55%，B: 0.0015%，剩余为Fe及不可避免的杂质元素。
钢板的生产步骤如下：
（1）冶炼：依次采用KR铁水预处理，顶底复吹转炉冶炼， LF炉精炼及RH真空脱气处理，得到高纯净度钢水。
（2）连铸：浇注过程采用全程低过热度保护浇注。浇铸温度控制在液相线以上10-40℃。
（3）连铸坯扩氢处理：连铸坯分段后，堆缓冷扩氢36小时以上。
（4）轧制：将坯料加热至1200-1280℃，并保温时间2-4小时。使钢中的合金元素充分固溶以保证最终产品的成分及性能的均匀性。钢坯出炉后经高压水除鳞。随后进行粗轧+精轧两阶段轧制，粗轧采用低速强压下轧制工艺，轧制成中间坯后进行精轧，在精轧前两道次通过精轧机自带的高压水除鳞设备对中间坯进行强制喷水冷却，即缩短了中间坯待温时间，消除坯料表面氧化皮，又使钢坯表面和芯部产生温差，从而提高芯部变形量，弥合坯料芯部缺陷。精轧最后两道次为成型道次，单道次压下量≤5mm，保证钢板板型良好。轧制下线后，钢板在≥200℃高温下进行堆缓冷24小时以上。
（5）热处理：将步骤（4）所得钢板送入无氧化辊底式淬火炉，淬火温度为860-930℃，钢板进炉至出炉时间为1.6-2.5min/mm。出炉后水冷至室温，而后再将钢板送入辊底式明火回火炉，回火温度为500-650℃，进炉至出炉时间为2.0-5.0min/mm，出炉后空冷至室温。
（6）对下线后的钢板进行横向拉伸、横向冲击性能检测及金相组织观察。
按上述工艺流程生产的两种厚度的钢板的轧制工艺参数见表1，性能见表2。钢板厚度方向性能均匀稳定，其中拉伸性能：屈服强度介于918-945MPa，抗拉强度介于1118-1136MPa的范围，延伸率≥14%，屈强比介于0.82-0.84，-60℃横向夏比冲击功≥120J。
钢板整板探伤结果满足ASTM A578/A578M C级要求。钢板表面无裂纹、皱折、贴边、分层、氧化铁皮压入等缺陷。
图1-3给出了实施例2的钢板微观组织图，的微观组织为回火马氏体+贝氏体+残余奥氏体的混合组织，晶粒尺寸介于6-20μm；该组织保证了钢板优良的低温冲击韧性。
表1 实施例1-2轧制工艺参数
实施例 成品钢板厚度，mm 铸坯加热温度，℃ 待温厚度，mm 粗轧单道次压下量，mm 精轧开轧温度，℃ 中间坯表面芯部温差，℃
1 100 1225 140~180 30-55 780-880 50-100
2 120 1240 140~180 35-60 780-880 50-100
表2 实施例1-2钢板性能参数

Claims (10)

1.一种抗拉强度1100MPa大厚度F级海洋工程用钢板，其特征在于：化学成分按重量百分比计为：C：0.08～0.15%，Si：0.10～0.20%，Mn：0.6～1.1%，P：≤0.005%，S：≤0.002%，V：0.040～0.060%，Al：0.040～0.060%，Cr：0.30～0.60%，Ni：2.0～2.5%，Cu：0.20～0.40%，Mo：0.40～0.70%，B：0.0010～0.0020%余量为Fe 及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的钢板，其特征在于：碳当量CEV≤0.60%，由熔炼分析成分按公式CEV=C+Mn/6+Si/24+Ni/40+Cr/5+Mo/4+V/14计算，式中元素符号代表对应元素的百分含量。
3.根据权利要求1所述的钢板，其特征在于：微观组织为回火马氏体+贝氏体+残余奥氏体的混合组织，晶粒尺寸：6～20μm。
4.根据权利要求1所述的钢板，其特征在于：屈服强度：918～945MPa，抗拉强度：1118～1136MPa的范围，延伸率≥14%，屈强比：0.82～0.84，-60℃横向夏比冲击功≥120J。
5.根据权利要求1所述的钢板，其特征在于：化学成分按重量百分比计为 C：0.11%，Si：0.12%，Mn：0.90%，P：0.003%，S：0.0015%，V：0.050%，Al：0.055%, Cr：0.55%，Ni：2.30%，Cu：0.25%，Mo：0.55%，B: 0.0015%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素，CEV=0.58%。
6.一种制造权利要求1所述钢板的方法，其特征在于：步骤包括，
冶炼：按照化学成分设计冶炼钢水，钢水浇铸成坯；
坯料扩氢缓冷：坯料分段后缓冷扩氢，缓冷结束后清理表面缺陷；
轧制：坯料入炉加热让合金元素充分固溶，出炉后经高压水除鳞，随后进行粗轧+精轧两阶段轧制，粗轧采用低速强压下轧制工艺：单道次压下量≥30mm，轧制成中间坯，中间坯厚度为成品钢板厚度的1.4-1.8倍；随后进行精轧，精轧前两道次对中间坯进行喷水冷却至坯料表面温度在780-880℃，表面与芯部温差在70-90℃之间；精轧最后两道次为成型道次，压下量≤5mm，控制钢板板型，轧制下线后，钢板在≥200℃高温下进行堆缓冷24小时以上；
热处理：经淬火和回火，获得回火马氏体+贝氏体+残余奥氏体的金相组织。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：冶炼步骤中，采用连铸工艺进行钢水浇铸，控制过热度10～40℃，铸坯中心偏析≤C0.5级，中心裂纹≤0.5级，中心疏松≤0.5级。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：冶炼步骤中，依次采用KR铁水预处理、转炉冶炼、LF炉精炼及RH真空脱气精炼，获得高纯净度钢水。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：热处理步骤中，淬火的加热温度为860-930℃，钢板在无氧化辊底式淬火炉中加热，进炉至出炉时间为1.6-2.5min/mm*钢板厚度，出炉后水冷至室温。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：热处理步骤中，回火的加热温度为500-650℃，钢板在辊底式明火回火炉中加热，进炉至出炉时间为2.0~5.0min/mm*钢板厚度，出炉后空冷至室温。
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CN120485663A (zh) * 2025-07-16 2025-08-15 鞍钢股份有限公司 一种抗疲劳裂纹扩展的特厚海洋工程用钢及其制造方法
CN121046730A (zh) * 2025-11-04 2025-12-02 鞍钢股份有限公司 一种基于梯度组织设计的超高强韧耐磨海工钢板及其制造方法

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