專利名稱：一種耐700℃高溫的海洋平臺用鋼及其生產方法
技術領域：
本發明涉及耐火鋼及其生產方法，具體地屬于一種耐700°C高溫的海洋平臺用鋼及其生產方法。
背景技術：
海洋鉆井平臺隨著海洋資源不斷開發需求量逐漸增加，由于海洋平臺固定在海水中，不能定期進入船塢檢查維修，大型遠洋船舶、艦艇等長期服役在廣袤無垠的海洋，遠離陸地，維護不便，而且海洋氣候復雜多變，海浪、冰塊對這些鋼結構破壞力較大，始終處于動態載荷狀態。海洋鉆井平臺開采的石油、天然氣等屬于易燃物質，容易發生火災事故，而這些鋼結構空間狹小，一旦發生火災就會造成較大的人員和財產損失。近些年來，海洋鉆井平臺、遠洋船舶等火災事故時有發生，造成了難于挽回的人員、財產、生態損失，因此，人們對海洋鉆井平臺等海洋工程裝備用鋼材的性能和質量提出了越來越高的要求，不僅要求鋼材具備良好的室溫強度和低溫沖擊韌性，還要求具備好的高溫強度，一旦發生火災，就可以延遲鋼結構破壞時間，贏得搶救機會，降低人員、生態和財產損失，意義重大。本發明的目的在于提供一種耐高溫海洋平臺鋼材，耐火性能優良，700°C環境鋼材下屈服強度ReL不低于室溫屈服強度的70%。滿足海上鉆井平臺、遠洋船舶、大型艦艇、海底隧道用鋼的需求。經初步檢索:
中國專利申請號為200610127469.7的專利文獻，公開了一種“低屈服比耐火鋼材”，其具有50 60公斤級(室溫下的抗拉強度為490 590MPa)，同時具有低屈服比和優異的耐火性。該文獻的組分為:C:0.04 0.15%, Si:0.1 1.0%、Mn:1.0 2.0%、P:0.020% 以下、S:0.010% 以下、Al:0.005 0.050%, Ti:0.02 0.08%, Cu:0.50
2.5%, N:0.002 0.010%, Mo:0 0.20% 但不包括 0.20%、Nb:0 0.005% 但不包括0.005%, V:0 0.005%但不包括0.005%,以及Fe和不可避免的雜質，下述MS值為
4.2 6.5 %，視場面積I μ m2中粒徑為5nm 30nm的含Cu析出物低于250個。MS =5 X [C] + [Mn] + [Ni]+2 X [Cu]。該專利文獻由于組分中含Cu，在生產過程易產生熱裂紋，導致降低鋼材成材率，增加生產成本；另一方面，含有價格昂貴的Mo，使生產成本較高。中國專利申請號為200810179362.6的文獻，其公開了“一種耐火鋼及其制備方法”，該耐火鋼的金相組織包括貝氏體和鐵素體，其中，以鋼的金相組織構成物的總體積為基準，該耐火鋼中貝氏體的體積百分數為20-40 %，鐵素體的體積百分數為60-80 所述耐火鋼含有以下化學成分:C:0.05-0.12重量％、Si:0.1-0.5重量％、Mn: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％。該文獻還提供了該耐火鋼的制備方法。其由于在鋼中添加了合金元素B，因此生產過程中及在使用過程中易產生硼脆，使用性能較差。中國專利申請號為03111076.2的文獻，其公開了一種“耐火鋼及其制造方法”。該文獻鋼是以C、S1、Mn 、Cr、Mo合金元素為主，附加Cu、Nb、V、N1、T1、Al、B、RE微量元素，采用控制軋制+控制冷卻工藝，控制碳當量、合金含量、屈強比，使其具有低價值和優良的焊接性能利用工藝控制和耐火合金配比實現耐大氣腐蝕的易于焊接的Q235和Q345級高性能耐火鋼，以滿足國內安全防火建筑用材的需要。該專利文獻存在化學成分復雜，生產難度和成本較大。且鋼中的稀土 RE易在生產中堵塞澆鑄水口，會造成生產事故。中國專利申請號為200610127468.2的文獻，其公開了一種“焊接性優異的耐火鋼材”，其具有50 60公斤級(常溫下的抗拉強度490 590MPa)的高強度。其組分為:C:0.02 0.15%但不包括 0.02%, Si:0.1 1.0%、Mn:1.0 2.0%、P:0.020% 以下、S:0.010% 以下、Al:0.005 0.050%,Ti:0.015 0.10%,Cr:0.2 2.0%,N:0.002
0.010%,B:0.0005 0.0050%,Mo:0 0.30%但不包括 0.30%,Nb:0 0.005%但不包括0.005%,V:0 0.005%但不包括0.005%、以及Fe和不可避免的雜質，下述TS值為O
0.10%、CS 值為 0.12 0.22%。其中，[X]表示元素 X 的質量 ％。TS = [Ti] — 3.4X [N]、CS = 6.4X [C] — 1.4 X [Ti]+0.004 X [Cr]+3.2 X [N]。該文獻的鋼中由于合金元素 Mo 含量較高，不經濟，且鋼中合金元素B易生產脆性相，惡化鋼的力學性能和使用性能。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種在環境溫度在700°C時，下屈服強度ReL不低于室溫屈服強度的70%， 且成本較低，易生產，操作簡單的耐700°C高溫的海洋平臺用鋼及其生產方法。實現上述目的的措施:
一種耐700°C高溫的海洋平臺用鋼，其組分及重量百分比含量為:C:0.16% 0.21%,S1: 0.25% 0.45%, Mn: 0.50% 1.30%, P^0.020%, S^0.010%, W: 0.15% 0.55%,V: 0.01% 0.10%,余量Fe和不可避免的雜質，并滿足關系式:1.5C彡W+2V ( 3C。優選的:C的重量百分比含量為0.17 0.19%。優選的:Mn的重量百分比含量為0.75 1.10%。優選的:W的重量百分比含量為0.20 0.45%。優選的:V含量范圍按重量百分比為0.02 0.06%。生產一種耐700°C高溫的海洋平臺用鋼的方法，其步驟為:
1)冶煉，并采用RH真空爐精煉；
2)一次性軋制到成品厚度，并控制終軋溫度在795 935°C ；
3)空冷至室溫；
4)進行正火，控制正火溫度在860 895°C；
5)待用。優選的:正火溫度在875 885 °C。本發明主要合金元素含量的設定及制造方法，依據以下原理:
普通低合金結構鋼隨著環境溫度的升高，屈服強度和抗拉強度均會下降，尤其當溫度超過600°C時，原子擴散速率加快，發生再結晶、晶粒長大和晶粒異常長大等過程，強度急劇降低，導致鋼結構坍塌等災難。為使鋼具有良好的耐高溫性能，在高溫下具有設計強度，采用中低碳低合金設計，正火的目的在于消除鋼材中內應力，改善組織，獲得穩定的低自由能微觀組織結構，較為細小的晶粒尺寸。采用W、V等合金元素對鋼進行固溶強化和WC、VC析出強化，遏制在高溫環境下晶粒長大及異常長大。正火過程得到的珠光體具有高的抗拉強度，Fe3C與WC、VC形成的復合滲碳體(Fe、W、V) 3C，可抑制高溫下原子擴散，細化晶粒，獲得良好的高溫強度。設定1.5C ( W+2V,目的在于鋼中W、V含量足夠形成WC、VC產生彌散強化，且略有余量形成置換固溶強化，并能抑制原子擴散，達到細化晶粒的效果。設定W+2VS 3C，限制W、V含量不能過量，否則惡化鋼的沖擊韌性，尤其對鋼的低溫斷裂韌性不利。以下簡述本發明鋼中選定各合金元素及成分范圍的理由:
C，設定范圍為0.16% 0.21%，優選0.17 0.19%。本發明鋼材需要進行正火生產最終產品，0.16% 0.21%范圍的C含量可以獲得預期的珠光體數量，得到相應的抗拉強度，足夠量的C可與W、V等合金元素生成WC、VC析出相，彌散強化基體，在高溫環境下抑制晶粒長大，保證鋼的高溫強度，過量的C含量會使鋼的沖擊韌性降低。Si，設定范圍是0.25% 0.45%，是一種經濟的置換固溶強化元素，加入鋼中可顯著提高鋼的屈服強度，可抑制鋼中原子在高溫下的擴散速率，有利于提高鋼的高溫強度，但過多地加入Si會使鋼的韌性，尤其使低溫韌性明顯降低。Mn, 0.50% 1.30%，優選0.75 1.10%。加入鋼中可形成置換固溶強化效果，提高鋼的屈服強度，還可以降低鋼的相變溫度，通過控制軋制過程，細化晶粒，在提高鋼的強度同時提高其斷裂韌性，但對鋼的高溫強度貢獻不大，故耐高溫結構鋼中不宜多加合金元素Mn。W，設定0.15% 0.55%，優選0.20 0.45%。加入適量的W，一方面在鋼中形成固溶強化，提高鋼的屈服強度，抑制鋼中原子擴散，可細化晶粒；另一方面，與C反應生成WC析出相，彌散強化基體，可有效釘扎晶界，產生細化晶粒效果，提高鋼的高溫強度，使鋼具有良好的耐火性能。但過量的W含量會降低鋼的斷裂韌性和沖擊韌性。
V，設定0.01% 0.10%，優選0.020 0.06%。V與鋼中C形成析出相VC，可抑制位錯的滑移，還可以抑制晶界的移動速率，提高鋼的高溫強度。V還可與鋼中殘余O反應生產納米級的顆粒v203、V2O5，這些顆粒分解溫度很高，同樣可以抑制晶界的遷移速率，使鋼具有耐火性能。固溶的V可以提高鋼的屈服強度，遏制原子擴散，保障鋼的高溫強度。P、S是鋼中有害的雜質元素，鋼中P雖然可大幅度提高強度，但易在鋼中形成偏析，降低鋼的韌性及焊接性能。鋼中S易形成塑性硫化物，使鋼各向異性嚴重，惡化鋼的沖擊韌性和加工性能，故P、S含量越低越好，但若將其含量限定得過低，會增加生產難度，提高生產成本，因此在不影響韌性及焊接性能的前提下，將鋼得P、s含量分別限定在< 0.02%及彡0.010%常規范圍。生產方法所依據的原理:
鋼水冶煉過程采用RH真空系統精練，目的在于通過RH真空循環過程除去鋼中大顆粒夾雜物SiO2、夾渣CaO及Ν、Η、0氣體等有害成分，顆粒細小的V203、V205等高溫穩定的第二相則保留在鋼水中，利用這些有益夾雜提高鋼的高溫強度。軋制過程采用連續軋制法，一次性軋制到成品厚度。由于最終狀態是正火熱處理，故無需進行控制軋制，以提高生產效率；終軋溫度控制在795°C 935°C，目的在于終軋溫度在再結晶溫度以下進行。若終軋溫度過高，易形成混晶，惡化鋼的綜合力學性能。若終軋溫度過低，易導致鋼的塑性指標降低至不能滿足要求；正火熱處理溫度之所以控制在860°C 895°C，以使金相組織均勻、穩定，無殘余內應力。
本發明與現有技術相比，能在環境溫度為700°C時，下屈服強度ReL不低于室溫屈服強度的70%，即具有良好的高溫強度，并且化學成分相對簡單，生產工藝過程容易操作，工藝參數容易控制，成本較低，效率高，適宜規模生產。
附圖為本發明的金相組織圖。
具體實施例方式下面對本發明予以詳細描述:
表I為本發明各實施例及對比例的取值列表；
表2為本發明各實施例及對比例的主要工藝參數列表；
表3為本發明各實施例及對比例性能監測情況列表；
表4為本發明各實施例及對比例高溫拉伸力學性能檢驗結果。本發明各實施 例按照以下步驟生產:
其步驟:
1)冶煉，并采用RH真空爐精煉；
2)一次性軋制到成品厚度，并控制終軋溫度在795 935°C ；
3)空冷至室溫；
4)進行正火，控制正火溫度在860 895°C；
5)待用。表1.本發明實施例及對比鋼化學成分(質量分數％)
權利要求
1.一種耐700°c高溫的海洋平臺用鋼，其組分及重量百分比含量為C 0. 16% O. 21%,Si : O. 25% O. 45%, Mn: O. 50% I. 30%, P ≤ O. 020%, S ≤ O. 010%, W: O. 15% O. 55%,V: O. 01% O. 10%，余量Fe和不可避免的雜質，并滿足關系式1. 5C≤W+2V≤3C。
2.如權利要求I所述的一種耐700°C高溫的海洋平臺用鋼，其特征在于C的重量百分比含量為O. 17 O. 19%。
3.如權利要求I所述的一種耐700°C高溫的海洋平臺用鋼，其特征在于Mn的重量百分比含量為O. 75 I. 10%ο
4.如權利要求I所述的一種耐700°C高溫的海洋平臺用鋼，其特征在于W的重量百分比含量為O. 20 O. 45%ο
5.如權利要求I所述的一種耐700°C高溫的海洋平臺用鋼，其特征在于V含量范圍按重量百分比為O. 02 O. 06%O
6.生產如權利要求I所述的一種耐700°C高溫的海洋平臺用鋼的方法，其步驟為 1)冶煉，并采用RH真空爐精煉； 2)一次性軋制到成品厚度，并控制終軋溫度在795 935°C ； 3)空冷至室溫； 4)進行正火，控制正火溫度在860 895°C； 5)待用。
7.如權利要求6所述的生產一種耐700°C高溫的海洋平臺用鋼的方法，其特征在于正火溫度在875 885 °C。
全文摘要
一種耐700℃高溫的海洋平臺用鋼，其組分及重量百分比含量為C0.16%～0.21%,Si:0.25%～0.45%,Mn:0.50%～1.30%,，P≤0.020%，S≤0.010%,W:0.15%～0.55%,V:0.01%～0.10%,并滿足關系式1.5C≤W+2V≤3C；其生產步驟為冶煉并采用RH真空爐精煉；一次性軋制到成品厚度℃；空冷至室溫；正火℃；待用。本發明能在環境溫度為700℃時，下屈服強度ReL不低于室溫屈服強度的70％，即具有良好的高溫強度，并且化學成分相對簡單，生產工藝過程容易操作，工藝參數容易控制，成本較低，效率高，適宜規模生產。
文檔編號C21D8/02GK103255339SQ201310033300
公開日2013年8月21日 申請日期2013年1月29日 優先權日2013年1月29日
發明者陳顏堂, 程吉浩, 張開廣, 劉文斌, 童明偉 申請人:武漢鋼鐵(集團)公司