高韌性海洋工程用鋼S355G8+M的研制開發

蔣雪軍,劉熙章,陳 松

(濟鋼集團有限公司科技質量部,山東濟南250101)

高韌性海洋工程用鋼S355G8+M的研制開發

蔣雪軍,劉熙章,陳 松

(濟鋼集團有限公司科技質量部,山東濟南250101)

通過采用低碳微合金化成分設計和優化的TMCP工藝,對組織進行適當調控,獲得了以鐵素體為主的晶粒較為細小、軟硬相比例適當的組織,成功開發出S355G8+M,性能滿足EN10225標準,滿足了客戶要求,創造了較大的經濟效益。

強化機理;CCT曲線;熱機械軋制

1 引言

海洋工程主要是指近海工程,是大陸架較淺水域的建設工程和在大陸架較深水域的建設工程,主要用于海上油氣的鉆探和開發,其中鉆探設施主要包括自升式鉆井平臺和半潛式鉆井平臺,開采設施主要包括固定式導管架平臺、順應塔平臺、張力腿平臺、立柱式平臺以及浮式生產儲油裝置等。

由于海洋工程服役期比船舶類高50%,采用的鋼板必須具有高強度、高韌性、抗疲勞、抗層狀撕裂、良好的焊接性及耐海水腐蝕等。海洋特殊的環境對鋼材提出的苛刻要求,使其制造成本和售價都大大高于普通鋼材。隨著我國海洋開發的不斷發展,對海洋平臺用鋼的需求量不斷擴大,當前僅海洋平臺用鋼年需求總量就在300萬噸以上。作為新興的海洋產業,發展前景較為廣闊,鋼材需求量多,因此公司也一直把進軍海洋工程用鋼作為結構調整的方向。

2 成分設計及工藝路線

2.1 成分設計

S355G8+M屬于海洋工程用鋼,因所處環境包括腐蝕、風浪、低溫、地震、海嘯、振動等惡劣因素的影響,因此對產品要求性能極高,客戶也對產品的低溫韌性、有害殘余元素含量、表面質量、內部質量、尺寸偏差、時效性能都提出了很高要求,主要要求如下:

(1)提出高的沖擊韌性,要求-40℃低溫橫向沖擊功不低于50J。

(2)提出屈強比的要求,要求屈服強度和抗拉強度之比≤0.90。

(3)提出熔煉成分、成分分析要求,要求有害殘余元含量低,要求As≤0.03%、Sn≤0.02、Pb、Sb、Bi≤0.01%。

(4)要求內部質量高,鋼板探傷級別至少符合歐洲標準EN10160S1/E2。

S355G8+M鋼材要求高的低溫韌性,而鋼的韌性和鋼的金屬晶格類型、組織類型、晶粒大小、固溶合金類型等因素有關;通過采用降低碳和夾雜物含量、細化晶粒甚至加入高韌性合金降低間隙原子含量均可以改善鋼的韌性。屈強比的控制是難點,因為強度的影響因素眾多,所有影響強度的因素都對屈強比產生影響[1]。如何通過對強度的控制進而實現對屈強比的控制是研究的重要內容。

根據產品性能要求,設想采用0.04%～0.09%的低碳成分設計,同時Nb、V、Ti微合金元素復合加入輔以TMCP工藝生產,采用低碳成分設計、純凈化精煉工藝、TMCP工藝,具有以下優勢,有較大的把握達到產品技術要求。

(1)基于低碳的產品成分設計,有利于保證鋼材的-40℃低溫沖擊韌性;有利于提高鑄坯斷面成分的均勻性,提高探傷的合格率,為厚規格產品的生產積累經驗和數據。

(2)加入Nb、V微合金元素可以晶粒強化、沉淀強化等方式彌補降低碳含量所造成的強度損失,而有益于低溫韌性、焊接性能的改善。

(3)冶煉過程可采用優質鐵水、優質廢鋼控制鋼水中的有害殘余元素As、Sn、Pb、Sb、Bi的含量使之滿足標準要求。

根據以上分析形成了S355G8+M成分工藝試制方案,結合對EN10225標準的技術要求,制定了詳細的質量計劃,規定冶煉精煉生產工藝流程。具體成分設計方案見表1。

2.2 工藝路線

KR鐵水預處理→120/210t轉爐冶煉→CAS→LF精煉→VD或RH精煉→1#、4#、5#鑄機連鑄→板坯切割→堆垛緩冷72小時→表面檢查清理→加熱→4 300mm軋機熱機械軋制→冷卻→矯直→緩冷→探傷→切割、取樣→檢驗、標志→入庫

3 CCT曲線研究及試制方案驗證

3.1 CCT曲線的測定與分析

3.1.1 試驗方案

為研究S355G8+M的軋制和冷卻工藝對鋼的組織的影響,采用成分類似的試樣在試驗室利用Gleeble-1500熱模擬試驗機、光學顯微鏡等手段進行了試驗,研究了鋼的冷卻轉變行為和組織演化規律,并獲得了鋼的冷卻轉變曲線,試驗鋼的成分見表2。

表1 S355G8+M試驗鋼的成分設計(wt.%)

表2 試驗鋼的化學成分(wt.%)

鋼樣在加熱或冷卻時,除了熱脹冷縮引起體積變化之外,還有因相變而引起的體積變化,在正常膨脹曲線上出現了轉折點[2]。根據轉折點可得出奧氏體轉變時的溫度和所需時間。在連續冷卻過程中,奧氏體即發生相應的轉變,在膨脹曲線上可以記錄相應冷卻速度下轉變開始點和轉變結束點的溫度。(根據記錄的冷卻過程的膨脹量-溫度曲線見如圖1,確定轉變開始、轉變終止點。)然后以溫度為縱坐標,時間為橫坐標,將相同性質的相轉變開始點和結束點分別連成曲線見圖1,并標明最終的組織和硬度值以及Ms點等,便可得到鋼的連續冷卻轉變曲線圖,見圖2。

圖1 溫度—膨脹量曲線

3.1.2 CCT曲線分析

熱模擬試驗得到的低合金結構鋼板S355G8+M的奧氏體動態連續冷卻轉變曲線見圖3。

圖2 變形奧氏體連續冷卻的工藝示意圖

圖3 試驗鋼動態CCT曲線

從圖3可以看出,隨著冷卻速度的增大,開始相變溫度逐漸降低。隨著冷卻速度的增大,奧氏體轉變為鐵素體的相變溫度由1℃/s時的743℃降低到10℃/s時的621℃,下降了122℃。將拋光好的試樣用4%的硝酸酒精溶液浸蝕約20s,即可顯示室溫組織。在金相顯微鏡下觀察分析組織特征。在動態連續冷卻過程中,相變組織的變化見圖4中的(a)～(h)。

圖4 不同冷速下的金相組織

由圖4可見:在較低冷速0.5℃/S時,變形后的組織為晶粒較為粗大的多邊形鐵素體和少量珠光體,見圖(a)。當冷速為1℃/S時,組織主要為多邊形鐵素體和少量珠光體,見圖(b1),但珠光體開始退化,已有極少量的針狀鐵素體出現,見圖(b2)。當冷速提高到3℃/S時,珠光體組織基本消失,只剩下多邊形鐵素體,而且晶粒尺寸較0.5℃/S、1℃/S時變的較為細小。當冷速為5℃/S時,開始出現準多邊形鐵素體,準多邊形鐵素體分布在多邊形鐵素體的周圍,鐵素體尺寸愈加細小。隨著冷速從7℃/S到19℃/S逐漸增大,針狀鐵素體的比例越來越大,多邊形鐵素體的比例越來越小,在冷速為10℃/S時,多邊形鐵素體消失。

從圖4(e)～(h)中可以看出針狀鐵素體在光學顯微鏡下并非呈針狀或條狀,而是呈現不規則的鐵素體塊,鐵素體塊間晶界模糊,沒有完整的連續晶界,晶粒間或晶粒內分布著細小(M-A)島,針狀鐵素體內部隱約可見浮凸和亞晶條紋,境內具有較高密度位錯,阻止了晶粒長大,細化了晶粒,使材料具有較高的強度和韌性[3]。

從CCT曲線來看,冷卻速度在3～5℃之間,相變轉變溫度約在720～760℃之間,由于實際軋制中,無論在900℃以上和900℃以下,變形量都很大,經過再結晶,晶粒已經有所細化,900℃以下的變形使得蓄積了較多的變形能,形成許多潛在的形核點,鐵素體轉變溫度有較大的提高。

綜合考慮,軋制工藝設定終軋溫度在840～880℃,開冷溫度780℃,終冷溫度660～610℃,冷速在4～7℃/s。

3.2 產品試制

根據試制方案組織進行了產品試制,試驗中確保設備處于良好的工作狀態,并選用精心優質原材料,精心進行煉鋼流程的每一個工序操作。試制產品的試制結果如表3、表4所示。

表3 有害殘余元素分析結果(wt.%)

表4 試制產品性能

試制結果表明,產品采用精心選用的原材料生產,有害殘余元素達到幾乎比要求低一個數量級的水平,達到標準要求。采用低碳成分設計,添加鈮釩鈦等微合金元素,以控制軋制工藝調控奧氏體及轉變后組織,細化鋼板最終組織,屈服強度超過標準要求,抗拉強度符合標準要求,伸長率超過標準要求,-40℃低溫沖擊功大大超過了標準50J的要求,達到了200～360J,有較大的富裕量。

按照預定成分和工藝軋制的鋼板獲得了較為細小的組織,屈服強度因晶粒細化的強化效果不過分強烈,抗拉強度通過其他強化機理獲得強化的效果也較為顯著,屈服強度和抗拉強度強化效果比較匹配,所以屈強比也達到標準要求。表面質量、尺寸偏差和平直度也符合了標準要求,性能質量檢測達到了EN10225標準的要求,試制獲得了圓滿成功。

3.3 S355G8+M鋼板質量控制研究

為了保證S355G8+M的性能指標符合要求,在批量生產過程中對S355G8+M鑄坯、鋼板進行了在線監控取樣分析,對鑄坯成分、氣體含量、低倍質量、鋼板組織、夾雜物、帶狀組織、晶粒度進行分析評價,對鋼板低溫沖擊韌性、屈強比等性能指標的保證情況進行了研究,確認優化了生產工藝參數,有力地保證了生產的推進。

3.3.1 鋼坯質量分析

(1)成分控制

成分控制總體良好,有害及殘余元素不超標,符合標準要求:As≤0.03%、Sn≤0.02%、Pb≤0.01%、Sb≤0.01%、Bi≤0.01%。

(2)氣體含量

在RH精煉工序對0803136爐進行定氫,測得氫含量為2 ppm,符合內部控制要求。

(3)鑄坯低倍

對0803133爐次鑄坯做低倍檢驗,檢驗結果見表5所示,照片見圖5、6所示。

圖5 低倍組織照片

表5 低倍評價

3.3.2 鋼板批量化生產性能分析

S355G8+M鋼板的拉伸、沖擊性能試驗表明鋼板具有良好的低溫沖擊韌性,-40℃橫向沖擊韌性高達300J,韌脆轉變溫度在-50℃以下,見表6。

圖6 200倍金相照片

表6 S355G8+M批量性能

圖7 試樣斷口形貌

圖7表明斷口是拋物線或者等軸狀的韌窩,韌窩數量較多且分布均勻,表明斷裂是韌性的。沖擊試驗結果和圖7斷口形貌圖表明采用低碳微合金設計、TMCP工藝生產的S355G+M鋼板具有良好的低溫韌性, -40℃低溫橫向平均沖擊值達到約300J,具備足夠的韌性儲備,完全可以達到EN10225標準提出的50J的要求。

在S355G8+M生產中,經過生產實踐發現,終軋溫度控制在880～840℃之間,ACC開始冷卻溫度約780℃左右,終冷溫度640℃左右,冷卻速度4℃/S～7℃/S,可以獲得屈服強度和抗拉強度的比例較為合適的以鐵素體為主的細小組織,見圖6,可保證屈強比不超過0.90,也可兼顧強度、低溫沖擊性能指標的要求。

4 結語

(1)成功開發出S355G8+M,性能滿足EN10225標準,滿足了客戶要求,創造了較大的經濟效益。

(2)通過采用低碳微合金化成分設計和優化的TMCP工藝,對組織進行適當調控,獲得了以鐵素體為主的晶粒較為細小、軟硬相比例合適的組織,低溫沖擊韌性滿足了標準要求,并且還有較大的富余量,屈強比也滿足了標準不大于0.9的要求。

[1] 翁宇慶,等.超細晶鋼—鋼的組織細化理論與控制技術[M].北京:冶金工業出版社.2003.

[2] 邵正偉,肖豐強.07Mn NiMo VDR連續冷卻過程相變行為研究[J].山東冶金.2010,10(5): 35-36.

[3] 宗云,趙莉萍.CSP條件下微合金鈮鋼的強韌化機理及其開發[J].冶金設備.2004,4(2):25 -29.

Study and Development of Steel H355G8+M of High Toughness for Ocean Object

JIANG Xue-jun,LIU Xi-zhang,CHEN Song

(Technology&Quality Department of Jinan Iron and Steel Group Corporation,Jinan 250101,Shandong,China)

Through a design of low carbon micro-alloy components and by optimizing TMCP process and properly adjusting the structure,obtains a material with the organization mainly of ferrite.It has finer grain,and the proportion of its hard and soft phase becomes more reasonable, so the successful steel of S355G8+M is explored.It well meets the standards of EN10225,and fulfills user’s demand.

strengthen principle,CCT curve,hot rolling

1001-5108(2016)04-0041-07

TG335.5

A

蔣雪軍,助理工程師,主要從事軋鋼質量管理方面的工作。