80mm調(diào)質(zhì)海工鋼EH550的生產(chǎn)開發(fā)與應(yīng)用

楊春衛(wèi)，宋增強(qiáng)

（北京首鋼股份有限公司，北京 100043）

與造船業(yè)相比，海洋工程用鋼需求總量不大，但因工業(yè)生產(chǎn)需求量較穩(wěn)定，用鋼的材料成本在造船業(yè)整體占比較少，所以海工用鋼的成本就大大降低，積極鼓勵(lì)海洋工程建設(shè)可提升煉鋼企業(yè)的利潤(rùn)。

在風(fēng)浪的作用下海洋平臺(tái)會(huì)遭受海上漂浮物的撞擊，為了確保海洋平臺(tái)使用的安全性需要高強(qiáng)度鋼塔尖海洋平臺(tái)；同時(shí)采用高強(qiáng)度鋼可減輕海洋平臺(tái)的重量，保證海洋平臺(tái)的承載力。對(duì)于固定式平臺(tái)用鋼，目前多采用屈服強(qiáng)度為360MPa級(jí)；半潛式平臺(tái)的甲板、立柱和下浮體大部分使用高于500MPa的鋼板，將460MPa～690MPa超高強(qiáng)度鋼板用在懸臂梁、海洋平臺(tái)的樁腿、樁靴、齒條升降機(jī)、懸臂梁等相關(guān)部位，在陸地資源逐漸稀缺的大環(huán)境下，能源的開發(fā)也逐步由淺部海域向深部海域轉(zhuǎn)移，深部開采區(qū)不再受氣候條件的限制，寒冷地帶也可進(jìn)行能源開采，船舶及海洋平臺(tái)用鋼開始應(yīng)用于-40℃～-70℃冰洋海域。因此，保證船舶及平臺(tái)用鋼良好的低溫韌性對(duì)于平臺(tái)工作人員安全至關(guān)重要，E級(jí)鋼板大量使用。

1 成分設(shè)計(jì)及工藝路線

海洋平臺(tái)長(zhǎng)期處于波浪、海潮、風(fēng)暴及寒冷流冰等嚴(yán)峻的工作環(huán)境中，服役期間要承受復(fù)雜的動(dòng)態(tài)載荷，對(duì)鋼板的強(qiáng)度、低溫沖擊韌性、抗層狀撕裂、焊接性能等要求較高。在開發(fā)過(guò)程中，充分考慮成分設(shè)計(jì)、鑄坯質(zhì)量、加熱制度、兩階段控制軋制、加速冷卻工藝、后續(xù)的調(diào)質(zhì)處理以及實(shí)際生產(chǎn)裝備情況，采用最經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化的生產(chǎn)方式，使產(chǎn)品性能達(dá)到技術(shù)要求并且穩(wěn)定控制。

1.1 成分設(shè)計(jì)

根據(jù)GB/T712-2011標(biāo)準(zhǔn)和各國(guó)船級(jí)社規(guī)范，調(diào)質(zhì)工藝下，為了提高鋼板淬透性，80mm厚EH550添加了Cr、B、Ni、Mo元素；為保證低溫韌性，添加了少量的Ni；嚴(yán)格控制S、P等雜質(zhì)元素含量，降低雜質(zhì)對(duì)心部低溫韌性和各向異性的影響；添加了微合金元素Nb、V、Ti，發(fā)揮其細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化作用，提高強(qiáng)度改善韌性；嚴(yán)格控制B含量[3-5]。

1.2 性能要求

鋼板機(jī)械性能要求見表1：

表1 EH550機(jī)械性能要求

1.3 工藝路線

選用400mm*2400mm鑄坯，開發(fā)80mm規(guī)格的EH550海工鋼，生產(chǎn)工藝路線設(shè)計(jì)為：鐵水預(yù)處理→100噸頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→LF爐精煉→RH真空脫氣→板坯連鑄→步進(jìn)梁式加熱爐→高壓水除鱗→4300mm軋機(jī)→快速冷卻→熱矯直→噴號(hào)→精整→探傷→拋丸→淬火→回火→噴號(hào)→取樣檢驗(yàn)→入庫(kù)→發(fā)貨。

2 煉鋼

海工板的冶煉過(guò)程采用潔凈鋼生產(chǎn)技術(shù)[1，2]，一是減少鋼中磷、硫、氮、氫等有害元素雜質(zhì)元素的含量；二是控制鋼中非金屬夾雜物的數(shù)量和形態(tài)。LF爐：Si、Mn合金按內(nèi)控配到位，目標(biāo)RH合金不做調(diào)整，白渣保持時(shí)間15min以上，目標(biāo)硫0.0020%；RH爐：禁止廢鋼調(diào)溫，真空處理時(shí)間按13～15min控制，深真空時(shí)間8min以上，硅鈣線按200m/爐控制，根據(jù)鋼水鈣含量做適當(dāng)調(diào)整但不低于150m/爐，軟吹10min以上； 連鑄：過(guò)熱度按照15℃～25℃控制，保持拉速穩(wěn)定，輕壓下正常使用，目標(biāo)中心偏析1.0級(jí)以下。

3 軋鋼

在控制軋制過(guò)程中, 道次變形量和總變形量對(duì)鋼材的組織和性能影響較大,首先，在奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制時(shí)，應(yīng)使形變?cè)诤穸确较虺浞譂B透至中心部分，以使奧氏體再結(jié)晶充分進(jìn)行，達(dá)到晶粒尺寸均勻細(xì)化。生產(chǎn)過(guò)程中要求道次壓下率大于10%，總變形率大于60%，盡可能加大道次壓下量，至少有兩道次壓下量≥20%。同時(shí)在高溫再結(jié)晶區(qū)，向鋼中加入少量的微合金元素Ti（質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于等于0.020%），可在較高溫度下析出細(xì)小的TiN顆粒，對(duì)奧氏體晶粒產(chǎn)生釘扎作用，從而限制奧氏體晶粒長(zhǎng)大。

另外，在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)軋制時(shí)保證一定形變率（≥50%），同時(shí)使鋼板厚度方向的形變累積效果均勻。生產(chǎn)過(guò)程中要求待溫厚度至少要大于兩倍板厚，精軋階段累計(jì)壓下率≥50%。

4 熱處理

研究了淬火工藝和回火工藝參數(shù)對(duì)鋼板性能的影響，80mm板熱處理淬火采用930℃，回火溫度640℃，回火時(shí)間4h±10min，回火后空冷冷卻至室溫。

4.1 淬火溫度影響分析

研究了淬火溫度對(duì)80mm厚EH550的影響，當(dāng)分別采用900℃和950℃淬火時(shí)，提高淬火溫度時(shí)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有提高，約120MPa左右；而經(jīng)930℃和950℃淬火并進(jìn)行660℃回火后，高溫淬火的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均小幅度降低約25MPa，-40℃的沖擊功高于900℃淬火約90J。

4.2 回火溫度影響分析

圖1 為回火溫度對(duì)80mm厚工業(yè)淬火EH550的影響。可以看出，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨著回火溫度的提高而降低，而低溫韌性呈呈先增加后降低的趨勢(shì)。

圖1 80mm厚EH550的回火溫度研究

4.3 回火時(shí)間的影響分析

圖2 回火時(shí)間對(duì)力學(xué)性能的影響

回火時(shí)間是保證鋼板的力學(xué)性能的重要參數(shù)，回火時(shí)間過(guò)短可能導(dǎo)致回火處理不充分，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)將導(dǎo)致強(qiáng)度等性能降低，也同時(shí)影響生產(chǎn)成本。研究了回火時(shí)間對(duì)50mmEH550鋼板力學(xué)性能的影響，回火溫度為600℃，回火時(shí)間＞50min時(shí)，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率及-40℃沖擊韌性等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足EH550的標(biāo)準(zhǔn)要求，回火時(shí)間較短時(shí)，抗拉強(qiáng)度偏低，超過(guò)120min時(shí)，回火時(shí)間進(jìn)一步提高，屈服及抗拉強(qiáng)度變化不明顯，但沖擊韌性明顯降低。綜合來(lái)看，當(dāng)為保證力學(xué)性能確定回火時(shí)間為（2.4-3T）min[6]。

5 實(shí)物質(zhì)量

5.1 金相組織

從圖3～圖4可看出：組織主要以回火索氏體為主，具有良好的強(qiáng)韌性。

圖3 鋼板1/4處金相組織

圖4 鋼板1/2處金相組織

5.2 力學(xué)性能

鋼板屈服強(qiáng)度為648MPa～769MPa，抗拉強(qiáng)720MPa～807MPa，延伸率為19.5%～22.5%，厚度1/4處-40℃沖擊功224-306J。鋼板強(qiáng)度、塑性及低溫韌性滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。抗層狀撕裂性能良好，Z向性能50%以上[7]。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)低碳、添加Cr、Mo、B等淬透性元素，以潔凈鋼冶煉、調(diào)質(zhì)處理等關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)，生產(chǎn)出具有優(yōu)良低溫韌性的調(diào)質(zhì)態(tài)海工鋼EH550，綜合力學(xué)性能良好，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，適合批量生產(chǎn)。