一种金相组织稳定的海洋工程用钢及生产方法.pdf

一种金相组织稳定的海洋工程用钢，其组分及wt%为：C：0.16～0.23%,Si:0.35%～0.65%,Mn：1.0～1.85%,P≤0.020%,S≤0.005%,Cr：0.15～0.29%，Al:0.02～0.045%,Ti:0.002～0.10%,N≤0.001%；生产步骤：铸坯经加常规热后分两阶段轧制成钢板；即第一阶段将铸坯横向轧制成成品钢板宽度尺寸，第二阶段沿铸坯纵向轧制成成品钢板厚度尺寸；自然冷却至室温；热处理；出炉并空冷至室温。本发明在海洋环境并保证其使用性能的原则下，通过对C及N元素的控制，再加以经850～960℃热处理0.5～1小时，使微观组织生成性能稳定的铁素体＋珠光体，从而具有抵抗外力的优良性能，上屈服强度并大于360MPa。

权利要求书
1.  一种金相组织稳定的海洋工程用钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.16～0.23%, Si: 0.35%～0.65%, Mn：1.0～1.85%, P：≤0.020%, S≤0.005%, Cr：0.15～0.29%，Al:0.02～0.045%, Ti:0.002～0.10%,N≤0.001%，余为Fe和不可避免的杂质；金相组织中铁素体占60~75%，其余为珠光体，铁素体的晶粒尺寸为5～15μm。

2.  生产一种金相组织稳定的海洋工程用钢的方法，其步骤：
1）铸坯经加常规热后分两阶段轧制成钢板；即第一阶段将铸坯横向轧制成成品钢板宽度尺寸，第二阶段沿铸坯纵向轧制成成品钢板厚度尺寸；
2）自然冷却至室温；
3）进行热处理，即将钢板加热至850～960℃，并在此温度下保温0.5～1小时；
4）出炉并空冷至室温。

说明书一种金相组织稳定的海洋工程用钢及生产方法
技术领域
本发明涉及一种海洋工程用钢及生产方法，具体地属于金相组织稳定的海洋工程用钢及生产方法。
背景技术
海洋钻井平台等海洋工程钢结构要求安全稳定运行20年以上，钢材微观组织结构和性能在服役期间应保持稳定，但实际上，海洋工程钢结构在运行期间受到温度的变化、湿度的变化、动态载荷的反复作用，在众多变化的外界因素的影响下，钢材的微观组织结构及力学性能就会发生变化，微观组织变化直接导致力学性能和结构尺寸的改变，尤其当钢中存在不稳定组织如马氏体-奥氏体组成(M—A)、亚稳组织如贝氏体组织等的时候，在南海温度高、湿度大、腐蚀性强、飓风多动载荷频繁的恶劣环境下，海洋钢结构钢材组织和性能就会随时间、温度、外载荷的变化而变化，钢结构抵抗外力的能力就会减弱，服役寿命就会降低甚至可能导致不可预测的灾难性事故，因此，需要开发一种微观组织结构在预期工作年限期间处于稳定状态的优质结构钢，确保海洋工程钢结构的安全。
在本申请以前，中国专利申请号为CN201010232467.0的文献，其公开了一种36kg级海洋平台用钢及其生产方法，化学成分为5～50mm厚度规格钢板：C：0.14～0.18％，Si：0.20～0.50％，Mn：1.30～1.60％，Nb：0.02～0.05％，S：≤0.005％，P≤0.015％，Als：0.020～0.04％，余量为Fe及不可避免的杂质；＞50～80mm厚度规格钢板：C：0.12～0.18％，Si：0.20～0.50％，Mn：1.30～1.60％，Nb：0.02～0.05％，V：0.02～0.06％，Ti：0.010～0.020％，Ni：0.10～0.40％，S：≤0.005％，P≤0.015％，Als：0.020～0.04％，余量为Fe及不可避免的杂质；并且，Nb+V+Ti≤0.12％。该文献的不足在于，针对不同厚度的成品钢板设定了不同的化学成分范围，且二者相互重叠区域较宽，不利于批量组织生产，易造成性能合格率降低。
中国专利申请号为CN200810119506.9的文献，其公开了“控轧控冷海洋平台用钢及其生产方法”， 经炼钢、精炼后采用板坯连铸、TMCP工艺生产。其板坯成分为：C 0.05～0.09％，Mn 1.20～1.60％，Si 0.20～0.50％，Nb 0.03～0.05％，Ti 0.010～0.020％，V 0.03～0.06％，S≤0.005％，Als 0.020～0.040％，P≤0.015％，余量为Fe及杂质。将按成分冶炼好的钢水浇铸成220～250mm厚板坯；将坯料装入板坯加热炉加热，出炉进行轧制。粗轧开轧温度在1060～1160℃；精轧开轧温度在840～940℃；终轧温度在780～820℃；轧制钢板厚度10～60mm。开始冷却温度在760～810℃；终止冷却温度在550～650℃；冷却速率在10～17℃/s；另有中国专利申请号为CN200610020027.2的文献，其公开了“一种耐海水腐蚀性能的海洋钻采平台用钢及其制造方法”， 按重量百分比计，其化学元素组成包括C：0.03～0.09，Mn：0.90～1.60，Si：0.10～0.50，P：0.006～0.020，Cr：0.004～0.100，Cu：0.02～0.40，Als：0.010～0.060，Nb：0.005～0.060，Ti：0.005～0.030，余量为Fe及不可避免的杂质；其由包括采用铁水脱硫、转炉顶底吹炼、真空处理、连铸，以及控轧控冷工艺制成。上述2项专利技术不足在于钢材采用热机械变形工艺过程（TMCP）、控轧控冷工艺制造，钢材的微观组织为亚稳组织即贝氏体组织，随着工作时间的延长，贝氏体组织就会向铁素体＋渗碳体转变，且贝氏体中位错密度显著高于铁素体，一些溶质原子如N，易在位错处聚集，使得钢材的韧性下降，导致钢结构不安全。
中国专利申请号为CN200910312330.3的文献，其公开了“大厚度调质型海洋平台用钢及其生产方法”， 钢的成分质量百分比为：C：0.16％～0.18％、Si：0.15％～0.35％、Mn：1.10％～1.15％、P：≤0.015％、S：≤0.005％、Ni：1.30％～1.40％、Cr：1.20％～1.30％、Cu：0.05％～0.10％、Mo：0.45％～0.55％、Nb：0.03％～0.04％、Ti：0.020％～0.025％、V：0.05％～0.06％、Al：0.02％～0.04％、B：0.0014％～0.0023％，其余为Fe和不可避免杂质，经冶炼、浇铸、加热、轧制、调质处理，最后切割制得成品钢板。该专利技术不足在于采用调质工艺，厚度方向组织和性能不易控制均匀，某些部位易产生亚稳组织，微观组织变化导致抵抗外力的性能降低，致使钢结构海洋工程不安全。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种在海洋环境条件下，并在保证其使用性能的原则下，微观组织稳定，抵抗外力性能优良，上屈服强度大于360MPa的金相组织稳定的海洋工程用钢及生产方法。
实现上述目的的措施：                                                                   
一种金相组织稳定的海洋工程用钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.16～0.23%, Si: 0.35%～0.65%, Mn：1.0～1.85%, P：≤0.020%, S≤0.005%, Cr：0.15～0.29%，Al:0.02～0.045%, Ti:0.002～0.10%,N≤0.001%，余为Fe和不可避免的杂质；金相组织中铁素体占60~75%，其余为珠光体，铁素体的晶粒尺寸为5～15μm。
生产一种金相组织稳定的海洋工程用钢的方法，其步骤：
1）铸坯经加常规热后分两阶段轧制成钢板；即第一阶段将铸坯横向轧制成成品钢板宽度尺寸，第二阶段沿铸坯纵向轧制成成品钢板厚度尺寸；
2）自然冷却至室温；
3）进行热处理，即将钢板加热至850～960℃，并在此温度下保温0.5～1小时；
4）出炉并空冷至室温。
若钢材长时间具有稳定的微观组织，其力学性能也不易随时间而变化，抵抗外载荷的能力同样始终如初。室温下，铁素体、珠光体等一般处于稳定状态，难于随时间的延长而发生固态相变，铁素体组织中的位错密度相对其它亚稳组织如贝氏体、低温回火马氏体亦较低，钢中溶质原子如N在位错发生偏聚，导致力学性能恶化的概率降低，用这样的钢材建造的钢结构可以长时间处于稳定状态，安全运行。钢中自由N原子含量导致钢材时效的重要因素，因此在钢中加入适量的Al、Ti，可与自由N反应生成TiN、AlN，以减少钢中自由N含量，降低钢材的时效敏感性，另一方面，还可以细化晶粒，提高钢的强度和韧性。
本发明本发明各元素及主要工艺控制的作用：
C：0.16～0.23%,在钢中添加适量的合金元素C，钢材再经850～960℃热处理0.5～1小时出炉空冷后，即可使金相组织为60~75%铁素体，其余为珠光体。
P、S：为杂质有害元素，钢中P、S含量越低越好，但若控制含量过低，导致生产工艺成本增加，设定P：≤0.020%, S≤0.005%即可。
Al:0.02～0.045%, Ti:0.002～0.10%,N≤0.001%，钢中存在一定含量的溶质原子N，添加适量的Al、Ti等，可与钢中自由N反应生成AlN、TiN等，减少钢中自由N含量，降低钢材时效敏感性，提高钢结构安全运行稳定性，另一方面，可以细化晶粒，获得晶粒尺寸为5～15μm的铁素体＋珠光体。
本发明与现有技术相比，在海洋环境条件下，并在保证其使用性能的原则下，由于通过对C及N元素的控制，再加以经850～960℃热处理0.5～1小时，使微观组织生成性能稳定的铁素体＋珠光体，从而具有抵抗外力的优良性能，上屈服强度并大于360MPa。
附图说明
附图为本发明的金相组织图。
具体实施方式
下面对本发明予以详细描述：
表1为本发明各实施例及对比例的组分取值列表；
表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数及性能列表。
本发明各实施例按照以下步骤生产：
1）铸坯经加常规热后分两阶段轧制成钢板；即第一阶将铸坯横向轧制成成品钢板宽度尺寸，第二阶段沿铸坯纵向轧制成成品钢板厚度尺寸；
2）自然冷却至室温；
3）进行热处理，即将钢板加热至850～960℃，并在此温度下保温0.5～1小时；
4）出炉并空冷至室温。
    表1. 本发明实施例与比较钢化学成分(wt.%)

表2. 生产本发明实施例钢及比较钢的主要工艺参数和性能

    从表2可以看出，在模拟飓风、海浪、地震试验条件下，经试用200天后，其上屈服强度没出现低于生产时要求的360MPa的，充分说明其微观组织生成性能稳定，具备抵抗外力的优良性能。
本具体实施方式仅为最佳例举，并非对本发明技术方案的限制性实施。