一种特厚调质海洋工程用eh40钢及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于钢铁冶金领域，具体涉及一种厚度为100~120_的调质海洋工程用 EH40钢及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着世界经济的高速发展和能源资源的枯竭，资源开发重点已从陆地转向海洋， 海洋资源已成为世界各国竞相争夺的对象。海洋油气钻采作业的海洋工程装备及由此衍生 的军事装备、海边配备资源发展前景广阔。随着海洋装备技术力量不断发展，海洋平台及海 洋装备逐渐向大吨位、深海发展，对海洋工程用钢，其强度、低温韧性、焊接性、耐蚀性等方 面有了更高的要求。目前，海洋工程用主体钢级仍以EH36为主。随着深海、北冰洋新航线 的开发，海洋主体钢级有向更高级别、低温韧性要求极高的更大厚度特殊性能的EH40发展 趋势。
[0003] 因海洋工程用钢服役环境极为恶劣，处于海洋飞溅区与潮差区等多个环境恶劣的 区带，受风浪、海底潮流、冰凌等影响较大，主体钢板除了要求具有高强高韧性之外，还需具 有一定的低温应变时效性能。海洋工程装备建造过程中，钢板还要经受包括冷矫，辊弯、模 压等冷加工塑性变形，应变时效性能差可能成为海洋设备安全隐患之一。可见，应变时效性 能是海洋工程用钢关键性能指标之一。
[0004] 目前，EH40钢船级社规范中，IOOmm以下可以米取正火状态交货，但对于IOOmm以 上没有规定。对于IOOmm~120mm EH40钢，正火交货态下，为了使其钢板满足-40°C的稳定 的良好冲击性能及力学性能，需要大量的合金元素。这一方面增加了生产成本，另一方面厚 度方向上的因其正火空气冷却的过程中，钢板沿厚度方向上冷却性能不均匀性，导致厚度 方向上的性能不均匀。由于合金元素的大量加入，也使碳当量升高，提高后期拼接过程中的 焊接难度，增加了使用成本。
[0005] 生产100~120mm特厚EH40钢主要存在如下几个难点：其一，船级社规范中对 EH40的成分体系适用于< 100mm，对于IOOmm以上的EH40钢，主要基于船级社< IOOmm成 分性能签订技术协议或者执行GB 712。GB 712的成分范围适用钢板厚度范围为<150_， 而随着厚度增加，强度不下降，相当于普通高强机械460MPa级钢。其二，考虑到钢板的安全 使用，大部分客户要求三倍以上压缩比(连铸坯厚度与钢板厚度的比值)，且连铸坯越厚，内 在质量越难控制。国内大部分厂家不具备特厚铸坯的生产能力，或者具有大厚度连铸坯，但 因厚板坯内部质量问题，无法满足高强度、耐低温要求极高的EH40级钢的生产。
[0006] 经检索，涉及大厚度海洋工程用钢专利甚少，仅有几个相关专利如下： 中国专利CN 102400043公开了"一种大厚度海洋工程用钢板及其生产方法"通过电 炉冶炼，经LF精炼、VD真空脱气，采用300 mm厚度连铸坯，通过调质工艺生产，获得了屈服 强度460MPa以上，抗拉强度在530~650MPa，-40°C的冲击功大于100J。此发明中的Ni 含量较高，Ni含量范围介于0. 60~0. 70%。还加入了贵重合金Mo元素来保证钢板的强韧 性。成本高，超过船级社或GB712标准中EH40的成分体系。因而不具有推广性。
[0007] 中国专利CN 103725959A公开了 "一种130mm低合金低温韧性厚板及其生产方 法"，通过成本低廉的C、Mn、Nb、V、Ti的成分体系，选用400mm的铸坯，保证钢板大压缩比的 前提下，经过TMCP两阶段控轧，随后进行正火+加速冷却到650~720°C区间，冷却速度为 2~8°C /s。最终钢板性能满足船级社规范中H136力学性能，部分实施例钢板满足FH40力 学性能。中国专利CN103205640A公开了 "一种E40高强度船板钢及制备方法"，通过控轧 控冷工艺，结合正火处理后进行水冷的控制方式，获得了 E40钢板。这两项发明方法生产钢 板虽然经济，但是难以控制，不能大范围推广应用。国内大部分厂家在正火炉后往往是配套 淬火机，而淬火机很难如ACC装置进行精确控制。如要推广应用，需要配套加速冷却装置， 设备改造成本大。在市场行情严峻的形势下，该方法不可取。其次，通过对正火后的大厚度 钢板进行ACC冷却，钢板在厚度方向上性能不均匀，钢板表面易形成激冷层。这对钢板焊接 材料的匹配、焊接、钢板成型、耐蚀性能都会带来一系列负面作用。另外、铸坯越厚，中心偏 析就越难以控制。本发明专利仅给出厚度1/4处的力学性能，而船级社规范尤其是ABS规 范中，对于IOOmm以上的海洋工程用钢板，不仅需要钢板1/4处的力学性能，而且也需要钢 板1/2处的力学性能。此外，发明中获得的钢板延伸率较低，偏船级社规范或标准的下限， 给后期的加工带来一定的风险。
[0008] 因此，现有技术还不能完全满足EH40所具备高强度、高冲击韧性、抗低温应变时 效性能要求，对特厚海洋工程用钢EH40开发仍存在技术上不足。为了降低成本，保证钢板 在使用过程中的性能稳定性及使用安全性，需要综合考虑钢板的高强度、塑性、低温韧性、 应变时效性能及其成分、工艺的关系进行合理配套研宄与分析，需开发一种特厚调质海洋 工程用EH40钢。
【发明内容】
[0009] 本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种厚度在IOOmm~120mm 调质海洋工程用EH40钢及其制备方法，该钢板在常规力学性能满足EH40钢级基础上，还具 有高的韧性值、抗低温应变时效性能，良好的焊接性能，弯曲性能等，并且克服特厚板在厚 度方向均匀性差的缺点。
[0010] 本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种特厚调质海洋工程用EH40钢，该 钢板的化学成分按质量百分比计为C :0. 12~0. 15%，Si :0. 15~0. 50%，Mn :1. 30~1. 60%， P :彡 0· 010%，S :彡 0· 0050%，Nb :0· 020 ~0· 050%，V :0· 020 ~0· 050%，Ti :0· 008 ~0· 020%， Ni :0. 15~0. 40%，Cr :0. 10~0. 20%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
[0011] 优选地，该钢板的化学成分按质量百分比计为C :0. 13%，Si :0. 25%，Mn :1. 55%，P : 0· 007%，S :彡 0· 002%，Nb :0· 035%，V :0· 025%，Ti :0· 017%，Ni :0· 35%，Cr :0· 15%，余量为 Fe 及不可避免的杂质元素。
[0012] 本发明中钢成分的限定理由阐述如下： C的加入可以增加钢的淬透性，特别是中厚板生产，可以显著提高调质钢的强度，但是 C含量过多不利于钢的低温冲击性能、低温应变时效性能、焊接性能以及耐蚀性能，所以本 发明中碳含量控制在〇. 12~0. 15%。
[0013] Si主要用于脱氧，虽要依据不同的冶炼方式来确定其加入量，但要获得良好的钢 板性能，必须在0. 15%以上，但若超过0. 50%以上又会造成心部偏析以及破坏焊接性能，所 以规定其上限为0. 50%。
[0014] Mn在所述钢中具有推迟奥氏体向铁素体转变的作用，对细化铁素体，提高强度和 韧性有利。当锰的含量较低，上述作用不显著，钢板强度和韧性偏低等。过高则又会引起连 铸坯偏析、韧性差和可焊性降低等，故本发明中考虑到合金的综合加入，规定锰含量加入量 介于1. 30~1. 60%的范围内。
[0015] Nb的溶质拖曳作用和Nb (C，N)对奥氏体晶界的钉扎作用，均抑制形变奥氏体的再 结晶，扩大奥氏体非再结晶区间，减少特厚板生产待温时间。并在冷却或回火时形成析出 物，从而使强度和韧性均得到提高，还可以提高钢的耐蚀性能。添加量小于0. 020%时效果 不明显，大于0. 050%时韧性降低，导致连铸坯产生表面裂纹。因此，本发明规定铌含量应介 于0. 020~0. 050%的范围内。
[0016] V是钢的优良脱氧剂，是有效的细化晶粒兀素，提尚钢的强度和初性。在调质钢中， V属于析出强化元素。添加量大于0.050%时韧性降低，厚板的中心偏析显著。因此，本发明 规定铌含量应介于〇. 020~0. 050%的范围内。
[0017] Ti是用来固定钢中的氮元素，在适当条件下，钛、氮形成氮化钛，阻止钢坯在加热 /轧制/焊接过程中晶粒长大，改善母材和焊接热影响区的韧性。钛低于〇. 008%时，固氮效 果差，超过0. 03%时，固氮效果达到饱和，过剩的钛会使钢的韧性恶化。当钢中的Ti、N原子 之比为1 :1时，TiN粒子最为细小且分布弥散，对高温奥氏体晶粒的细化作用最强，不仅可 获得优良的韧性，而且能够实现30KJ/cm以上的大线能量焊接。此时相于Ti、N重量之比为 3. 42, Ti的微量加入也可以提升钢材的耐蚀性，本发明规定最小为0. 008%，上限为0. 020%。
[0018] Ni是提高钢淬透性的元素，也是有效提高钢的低温韧性的最常用元素。此外，与钢 中Cr、P复合作用，将有助于提高钢的耐腐蚀性，但是加入量过高，将会显著提高钢的成本。 故在本明中，规定镍含量介于〇. 15~0. 40%。
[0019] Cr是提高钢淬透性的元素，能够抑制多边形铁素体和珠光体的形成，促进低温组 织贝氏体或马氏体的转变，提高钢的强度。但Cr含量过高将影响钢的韧性，并引起回火脆 性，船级社规范要求不超过0. 20%。故本发明中铬含量控制在0. 10~0. 20%。
[0020] Ni、Cr、以及钢中的P复合可以有效提高钢板的耐蚀性能。
[0021] P虽能提高耐蚀性，但会降低低温韧性和妨碍可焊性，对结构钢是不适当的，本发 明规定其控制在0. 010%以下。
[0022] S形成MnS夹杂物，也会导致中心偏析，对耐蚀性也有不良影响，本发明规定在其 控制在0.005%以下。
[0023] 本发明另提供上述特厚调质海洋工程用EH40钢的制备方法，具体工艺如下， 冶炼连铸工艺：采用铁水预处理，KR深脱硫，硫含量低于0. 0020%，扒渣干净，转炉采用 双渣法脱P，P < 〇. 010%，转炉终点C < 0. 08% (碳分先后两次添加，转炉冶炼控制低碳冶 炼)，出钢过程进行15~20min吹氩气，进行LF、RH精炼：RH真空保持20min以上；之后连 铸，板坯连铸过程中过热度保持在10~20°C，连铸拉坯速度0. 50~0. 80m/min，连铸坯厚 度为370mm或以上； 轧制工艺：采用控轧控冷TMCP工艺，连铸坯再加热温度1150°C~1200°C，采用粗轧和 精轧两阶段控制轧制，粗轧单道次压下率为12~20%，粗轧终轧温度