专利名称：抗疲劳性能优良的海洋平台耐火钢及其生产方法
技术领域：
本发明涉及一种海洋钻井平台耐火结构钢材及其制造方法，属低碳低合金高强钢制造领域，具体属于一种抗风浪疲劳性能优良的用于建造固定式、半潜式、自升式海洋钻井平台、大型远洋石油运输船舶等耐火钢种及其生产方法。
背景技术：
开采海洋石油、天然气等资源而建造的海洋钻井平台等大型海洋工程钢结构，长期服役在海洋水域，不能定期到陆地船坞进行维护检修，由于海洋平台钢结构始终处于海洋风浪环境，因此对钢材抗风浪疲劳性能要求苛刻，普通的结构钢材不能满足大型海洋平台等工程技术要求，因为普通钢材的抗风浪疲劳性能和耐高温性能较差。钢中夹杂颗粒如MnS等的大小及形态对钢的抗风浪疲劳性能影响较大，MnS属易变形夹杂，在钢板轧制过程中，沿轧制方向发生变形，形成面积较大的扁平状夹杂，这些大的夹杂割断了钢中铁原子间的结合键，在局部形成了微裂纹，由于外界风浪不停的作用，这些裂纹就会发生扩展即疲劳裂纹扩展，如果疲 劳裂纹扩展速率较快，就会影响海洋平台等钢结构的安全，因此，对于长期不间断受到风浪作用的海洋工程钢结构用钢，需严格控制钢中MnS等夹杂的数量及大小。另外，海洋钻井平台都与石油、天然气等易燃物资密切相关，一旦发生火灾，将会造成重大生命、财产、海洋生态等直接损失，间接损失还包括旅游业、海洋养殖业等。目前技术因其耐高温温度较低(一般低于750°C)和/或高温下持续时间不长(一般小于3小时)而不能满足现代大型海洋平台建造要求。本发明的目的在于提供一种抗风浪性能优良的海洋钻井平台耐火结构钢材及其制造方法，模拟风浪载荷三点弯曲疲劳次数达150 200万次，且具有良好的耐火性能，800°C环境中钢材下屈服强度ReL不低于室温屈服强度的80%，持续时间5.0 7.0小时，用于建造大型海洋钻井平台等钢结构工程。在本申请以前，中国专利申请CN201110355557.3公布了“一种大厚度海洋工程用钢板及其生产方法”，钢板由以下重量百分含量的组分组成:(::0.07^-0.09%, Si:
0.15% 0.40%，Mn:1.40% 1.50%，P 彡 0.012%，S 彡 0.005%, Ni:0.60% 0.70%，Nb:0.030% 0.040%,Al:0.020% 0.045%,Mo:0.13% 0.17%, V:0.04% 0.05%,T1:0.012% 0.020%，余量为Fe和不可避免的杂质。对于铁基结构钢材，其耐火性能主要与钢的化学成分有关，若钢中含有足量的耐高温合金元素如Mo、V、Cr、W、Co、Zr，并采用适当的制造方法，在结构钢中形成高温稳定的、颗粒细小的、弥散分布的第二相，则该结构钢具有耐火性能，在高温下具有足够的屈服强度，该结构钢可称为耐火结构钢。该项专利技术不足在于化学成分中添加了较多的Mn，易形成MnS夹杂，降低钢的抗风浪疲劳性能，缩短钢结构的疲劳寿命，另外，钢中含0.60% 0.70% Ni,不仅不能提闻钢的耐火性能，还大幅度增加了生产成本。另一项中国专利申请CN201210348440.7公开了专利技术“一种超高强高韧性海洋工程用钢板及其生产方法”，该钢板化学成分按重量百分比计，C:0.06 0.10%, Si:0.20 0.40%, Mn:1.10 1.65%, P: ^ 0.010%, S: ^ 0.0020%, Nb:0.030 0.050%, V:
0.020 0.060%, T1:0.006 0.015%, N1:0.60 1.30%, Cr:0.30 0.60%, Cu:0.20
0.60%, Mo:0.40 0.60%, Alt:0.020 0.040%，余量为Fe及不可避免的杂质。通过转炉冶炼，炉卷可逆轧机上轧制，通过TMCP工艺，最后进行调质热处理。本发明钢板性能良好，抗拉强度为770 840MPa，屈服强度为710 800MPa，延伸率为16 19%，_40°C低温横向冲击、以及低温时效冲击性能> 90J，冷弯性能合格。该专利技术的不足在于钢中添加了
0.30 0.60%的Cr，在环境温度高于600°C时，Cr与钢中C形成的Cr2C3、Cr3C7等系列化合物会迅速集聚长大，与基体失去共格关系，形成孔洞成为宏观裂纹，恶化钢的抗风浪疲劳性能及高温屈服强度，钢中Mn含量较高，易形成MnS夹杂，降低钢的抗风浪疲劳寿命。制造方法“通过TMCP工艺，最后进行调质热处理”很复杂，显著增加了生产工艺成本。中国专利申请CN201110359475.6介绍了“一种超高强度海洋工程结构用钢板及其生产方法”，板坯成分为:C0.05-0.13%, Si0.1-0.4%, Mn0.7-1.7%, Alt0.01-0.04%,Nb0.02-0.05 %，V0-0.05 %，Ti0.008-0.02 %，CrO-0.6 %，Mo0.2-0.4 %，Ni0.15-0.8 %，CuO-0.5 %, B0-0.0011 %, P < 0.01 %, S < 0.005 %, O < 0.0010 %, N < 0.005 %, H< 0.00015%, Nb+V+Ti ( 0.12%，其余为Fe和不可避免杂质。针对不同厚度规格采用不同的化学成分、轧制及热处理工艺参数。生产工艺包括铁水脱硫、转炉顶底复吹、真空处理、连铸、控轧控冷、淬火、回火。该专利技术化学成分过于复杂，加入的T1、Nb等易与N、C反应形成Ti (CN)、Nb (CN)等夹杂，这些尖角形状的异物会大幅度降低钢的抗风浪疲劳性能，影响钢结构的安全，即使Cr、Mo、V等合金元素均采用上限成分，也不具有耐火性能，不能用于建造耐火部位的钢结构，且钢中合金元素Cr系碳化物在高温下易急剧长大，失去高温强化效果，降低钢的高温屈服强度。中国专利申请CN200810179362.6介绍了“一种耐火钢及其制备方法”，该专利技术该耐火钢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:以该耐火钢的总量为基准，以单质计，C:0.05-0.12重量％、S1:0.1-0.5重: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％。该两专利技术不足在于钢中添加了 0.1-0.6重量％的&，在800°C高温下，Cr与C反应生成的CrxCy系列产物易长大，剧烈降低钢的抗风浪疲劳寿命，且失去高温耐火性能。
发明内容
本发明申请的目的在于解决现有技术的不足，提供一种海洋钻井平台用钢，不仅要求抗风浪疲劳性能优良，三点弯曲疲劳次数达150 200万次，800°C屈服强度ReL不低于室温屈服强度的80%，持续时间在5.0 7.0小时，室温屈服强度为325 695MPa的抗风浪性能优良的海洋钻井平台结构用耐火钢及生产方法。实现上述目的的措施:
抗疲劳性能优良的海洋 平台耐火钢，其化学成分及重量百分比为:c:0.10% 0.30%,S1: 0.05% 0.25%, Mn ( 0.20%, P 彡 0.018%, S 彡 0.008%, Al ( 0.18%, Mo: 0.25% 0.80%, Co:0.05 0.25%,余量Fe和不可避免的杂质。
生产抗风浪性能优良的海洋钻井平台结构用耐火钢的方法，其步骤:
1)转炉冶炼，并按照常规量吹氩I 8分钟；
2)在钢包炉中按照0.1 0.4公斤/吨钢加入CaO进行造渣，并精炼15 60分钟；
3)进行轧制，控制开轧温度在990°C 1120°C，终轧温度控制在890°C 960°C；
4)终轧结束后钢板在辊道上停放15 150秒；
5)进行水冷，控制终冷温度在200°C 700°C；
6)自然冷却至室温。优选的:吹氩时间为2.5 5.0分钟。优选的:终轧后钢板在辊道上停放时间为35 120秒钟。优选的:终冷温度控制为200 600°C。本发明主要合金元素 含量的设定及及生产方法依据以下原理:
为了使结构钢在高温环境仍具有理想的强度，就要采取措施使钢在高温下的微观组织具有一定的稳定性。在钢中添加扩散速率较低的合金元素如Co，不仅合金元素本身在高温下扩散速率缓慢，抑制钢中Mn的扩散，减少Mn与S反应生成MnS夹杂的数量，提高钢的抗风浪疲劳性能。还有遏制其它元素如Fe、C、Si等在高温下的扩散，致使高温下铁素体仍保持一定的溶质原子过饱和度，由于固溶强化的作用，结构钢在高温环境就具有良好的强度，可保证在800°C具有足够的屈服强度，保障钢结构的安全，还可确保在800°C持续5 7小时的时间，赢得更长时间自救和外界救助。另外，在钢中添加适量的能够形成析出强化、弥散强化的合金元素如Mo等，在钢材制造过程中反应生成高温稳定的、颗粒细小的、分布均勻的第~■相MoxCy、MoxOy等,一方面可以抑制原子扩散，稳定基体，提闻钢的闻温强度；另一方面，可以阻碍位错的滑移，位错在越过这些析出相时需要增加能量即外载荷，宏观上提高了钢的高温强度。本发明制造方法中钢水经转炉冶炼的钢水首先进行吹氩I 8分钟，目的在于除去钢水中钢渣、尺寸高于5大颗粒的夹杂如MnS、Si02等，减少钢中大颗粒夹杂数量，提高钢的抗风浪疲劳性能。采用钢包炉加入CaO造渣精练15 60分钟，目的在于降低钢中S含量，减少形成MnS夹杂的条件。钢板轧制过程采用连续控制轧制方法，开轧温度990°C 1120°C，目的在于990°C温度以上可以采用高温大压下破碎铸坏中的铸态组织，细化奥氏体晶粒尺寸。本发明钢奥氏体非再结晶临界温度为970°C，将终轧温度控制在890°C 960°C范围，目的在于在再结晶温度以下进一步细化晶粒，并可以保持至室温。终轧后钢板在辊道上停放15 150秒钟，目的在于保持一定时间可消除钢中的残余应力，有利于钢的抗风浪疲劳性能，且使钢中形成弥散分布的析出相MoxCy、MoxOy, CoC
坐寸ο水冷钢板，目的在于抑制析出相MoxCy、MoxOy, CoC集聚长大，避免与基体失去共格关系，保持强化效果。并将终冷温度控制在200°C 700°C，目的在于抑制相变产物铁素体再结晶，形成细小的铁素体晶粒，使本发明钢具有良好的强度和韧性配合及疲劳性能。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0.10% 0.30%。固溶于铁素体基体中的C原子，可以提高钢的屈服强度，与Mo、Co反应生成的第二相MoxCy、CoxCy等可阻碍位错的扩散速率，提高钢的抗风浪疲劳性能和高温强度，低于0.10%C，不能满足固溶强化所需要的C含量，不能满足形成足够数量的第二相MoxCy、CoxCy所需要的C含量，高于0.30%的C含量易使得钢材的冲击韧性和断裂韧性降低，且易使形成的第二相MoxCy、CoxCy集聚长大，失去强化效果。Si，设定范围是0.05% 0.25%。加入钢中的Si可提高钢的屈服强度，低于
0.05%Si，强化效果不显著，高于0.25%Si，易生成SiO2夹杂，降低钢的韧性。Mn，设定范围Mn ( 0.20%。加入Mn的作用主要在于降低钢的相变温度，在轧制过程中可获得需要的组织，本发明设定Mn ( 0.20%,目的在于减少与S反应生产易变形的MnS数量，确保钢材的疲劳性能、室温性能和高温性能，故耐高温结构钢中不宜多加合金元素Mn。Al:设定的范围是Al≤0.18%。本发明的目的在于加入适量的Al，采用本发明提供的制造方法，在钢中形成弥散分布、细小的Al2O3颗粒，一方面抑制钢中原子扩散，提高钢的屈服强度；另一方面，可有效钉扎晶界，产生细化晶粒效果，提高钢的抗风浪疲劳性能和高温强度，使本发明钢具有一定的热强性。但高于0.18%的Al含量会生产大颗粒的Al2O3恶化钢的疲劳性能、室温强度和高温强度。Mo:本发明钢中设定的范围是0.25% 0.80%。加入Mo，可抑制Fe、C等原子扩散，稳定铁素体，另一方面，Mo与C反应生成的MoxCy，可有效地阻碍位错移动，提高本发明钢的室温强度和高温强度，Mo显著降低结构钢的相变温度，在制造过程中可以获得细小的晶粒和组织，保障抗风浪疲劳寿命。Mo含量低于0.25%，不能形成理想的强化效果，Mo含量高于0.80%,增加生产成本，因为Mo是较昂贵合金元素。Co:设定范围是0.05 0.25%，本发明的主要特征在于钢中添加了适量的Mo与Co，共同作用提高钢的高温强度，Co在高温下稳定性较高，扩散速率较低，可有效地遏制原子扩散。与C、残余O反应生成地系列第二相CoxCy XoxOy等可有效地钉扎位错，阻碍位错迁移，有效地提高本发明钢的耐火性能，可保证在800°C具有足够的屈服强度，保障钢结构的安全，还可确保在800°C持续5 7小时的时间，赢得更长时间自救和外界救助。低于0.05%的Co含量形成的CoxCyXoxOy系列第二相数量不够，高温强化作用不显著。高于0.25%的Co含量，易降低钢的室温韧性，且增加了生产成本。P、S是钢中有害的杂质元素，钢中P易在钢中形成偏析，降低钢的韧性。钢中S易形成易变形的MnS、FeS等硫化物，急剧降低钢的疲劳性能和高温性能，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，将钢得P、S含量分别限定在 P≤ 0.018%, S ≤ 0.008% 范围。本发明钢不仅抗风浪疲劳强度性能优良，抗风浪疲劳性能优良，三点弯曲疲劳次数达150 200万次，800°C高温下屈服强度ReL不低于室温屈服强度的80%，持续时间在
5.0 7.0小时，室温屈服强度为325 695MPa的抗风浪性能优良抵抗海洋风浪疲劳性能优良的耐火钢材，可保障钢结构使用寿命，降低海洋生态风险。
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三点弯曲疲劳寿命、室温屈服强度及在800°C下性能监测情况列表；
本发明各实施例按照以下步骤生产:
其步骤:
1)转炉冶炼，并按照常规量吹氩I 8分钟；
2)在钢包炉中按照0.1 0.4公斤/吨钢加入CaO进行造渣，并精炼15 60分钟；
3)进行轧制，控制开轧温度在990°C 1120°C，终轧温度控制在890°C 960°C；
4)终轧结束后钢板在辊道上停放15 150秒；
5)进行水冷，控制终冷温度在200°C 700°C；
6)自然冷却至室温。本发明各实施例按照成分要求及以下工艺步骤，冶炼了 7批本发明钢及2批本申请之前已有的专利比较钢，测试了钢材的三点弯曲疲劳寿命、室温屈服强度、800°C下屈服强度、800°C环境持续时间。模拟风浪载荷疲劳三点弯曲实验过程如下:将钢材取样加工成30mmX 30mmX 1000mm方棒试样,两端固定形成简支梁,试样中央垂直于地面施加载荷-释放载荷，往复振动，振幅100_，振动频率为I周/秒，直至试样断裂，记录往复振动次数。可见，按本发明成分和工艺生产的结构钢具有优良的抗疲劳性能、室温强度和高温强度，三点弯曲疲劳次数达150 200万次，800°C屈服强度/室温屈服强度之比均不低于80%，800°C下持续时间5.0小时 7.0小时 ，表明本发明钢具有优良抵抗海洋风浪疲劳性能和更好的耐火性能。不在本发明钢成分范围或/和生产工艺不在本发明范围内的对比钢，综合性能较低，在相同的实验条件下，三点弯曲疲劳次数仅20 50万次，800°C屈服强度/室温屈服强度之比均低于80%，80(TC下持续时间最高0.2小时，表明对比实施例钢种的高温强度较低，持续时间短，耐火性能较差。表1.本发明实施例与比较钢化学成分
权利要求
1.抗疲劳性能优良的海洋平台耐火钢，其化学成分及重量百分比为:c:0.10% 0.30%, S1: 0.05% 0.25%, Mn ( 0.20%, P 彡 0.018%, S 彡 0.008%, Al ( 0.18%, Mo:0.25% 0.80%, Co:0.05 0.25%,余量Fe和不可避免的杂质。
2.生产权利要求1所述的抗疲劳性能优良的海洋平台耐火钢的方法，其步骤: 1)转炉冶炼，并按照常规量吹氩I 8分钟； 2)在钢包炉中按照0.1 0.4公斤/吨钢加入CaO进行造渣，并精炼15 60分钟； 3)进行轧制，控制开轧温度在990°C 1120°C，终轧温度控制在890°C 960°C； 4)终轧结束后钢板在辊道上停放15 150秒； 5)进行水冷，控制终冷温度在200°C 700°C； 6)自然冷却至室温。
3.如权利要求2所述的生产抗疲劳性能优良的海洋平台耐火钢的方法，其特征在于:吹氩时间为2.5 5.0分钟。
4.如权利要求2所述的生产抗 疲劳性能优良的海洋平台耐火钢的方法，其特征在于:终轧后钢板在棍道上停放时间为35 120秒钟。
5.如权利要求2所述的生产抗疲劳性能优良的海洋平台耐火钢的方法，其特征在于:终冷温度控制为200 600°C。
全文摘要
抗疲劳性能优良的海洋平台耐火钢，其化学成分及重量百分比C0.10%～0.30%,Si:0.05%～0.25%,Mn≤0.20%,P≤0.018%,S≤0.008%,Al≤0.18%, Mo:0.25%～0.80%,Co0.05～0.25%； 其生产步骤转炉冶炼；造渣；轧制；在辊道上停放15～150秒；水冷；自然冷却至室温。本发明钢不仅抗风浪疲劳强度性能优良，抗风浪疲劳性能优良，三点弯曲疲劳次数达150～200万次，800℃高温下屈服强度ReL不低于室温屈服强度的80％，持续时间在5.0～7.0小时，室温屈服强度为325～695MPa的抗风浪性能优良抵抗海洋风浪疲劳性能优良的耐火钢材，可保障钢结构使用寿命，降低海洋生态风险。
文档编号C21C7/04GK103243261SQ20131016048
公开日2013年8月14日 申请日期2013年5月3日 优先权日2013年5月3日
发明者陈颜堂, 郭斌, 张开广, 刘文斌, 童明伟, 李书瑞 申请人:武汉钢铁(集团)公司