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。
在風(fēng)浪的作用下海洋平臺會遭受海上漂浮物的撞擊,為了確保海洋平臺使用的安全性需要高強(qiáng)度鋼塔尖海洋平臺;同時(shí)采用高強(qiáng)度鋼可減輕海洋平臺的重量,保證海洋平臺的承載力。對于固定式平臺用鋼,目前多采用屈服強(qiáng)度為360MPa級;半潛式平臺的甲板、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,船舶及海洋平臺用鋼開始應(yīng)用于-40℃~-70℃冰洋海域。因此,保證船舶及平臺用鋼良好的低溫韌性對于平臺工作人員安全至關(guān)重要,E級鋼板大量使用。
海洋平臺長期處于波浪、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)雜的動態(tài)載荷,對鋼板的強(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。
根據(jù)GB/T712-2011標(biāo)準(zhǔn)和各國船級社規(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]。
鋼板機(jī)械性能要求見表1:
表1 EH550機(jī)械性能要求
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→精整→探傷→拋丸→淬火→回火→噴號→取樣檢驗(yàn)→入庫→發(fā)貨。
海工板的冶煉過程采用潔凈鋼生產(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級以下。
在控制軋制過程中, 道次變形量和總變形量對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)使形變在厚度方向充分滲透至中心部分,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,對奧氏體晶粒產(chǎn)生釘扎作用,從而限制奧氏體晶粒長大。
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%。
研究了淬火工藝和回火工藝參數(shù)對鋼板性能的影響,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。
研究了淬火溫度對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。
圖1 為回火溫度對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。
圖1 80mm厚EH550的回火溫度研究
圖2 回火時(shí)間對力學(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)間過短可能導(dǎo)致回火處理不充分,時(shí)間過長將導(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。綜合來看,當(dāng)為保證力學(xué)性能確定回火時(shí)間為(2.4-3T)min[6]。
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
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??箤訝钏毫研阅芰己?,Z向性能50%以上[7]。
通過低碳、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)。