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海洋平台用钢E550 的研制开发过程

浏览124次时间：2014年3月19日 16:39

李金凤秦皇岛首秦金属材料有限公司秦皇岛 066400

【文章摘要】

本文论述了海洋平台用钢Ｅ５５０的开发过程中，化学成分设计和生产工艺控制过程。通过力学性能和金相组织及夹杂物等检验结果，表明采用低碳低合金成分设计，运用控轧控冷技术，调质工艺生产的索氏体型海洋平台用钢具有良好的综合性能。

【关键词】

海洋平台用钢Ｅ５５０；成分设计；调质工艺

近几年，我国海洋开发工作发展迅速，2007 年和2008 年我国海洋平台用钢量在40 万吨左右，2009 年达到了50 万吨，2010 年至2011 年需求量上升为100 万吨，而当前总用钢量在300 万吨以上，海洋平台用钢需求量在不断增长。因此，各个厂家也开始研制各种型号的海洋平台用钢。秦皇岛首秦金属材料有限公司( 以下简称首秦公司) 2011 年10 月份完成了E420、E460、E500、E550、E690 海洋平台用钢5 个级别的九国船板认证工作，取得了生产许可资格。海洋平台采用的钢板必须具有高韧性、高强度、抗层状撕裂、抗疲劳、耐海水腐蚀性及良好的焊接性等特性，因为海洋平台服役时间比船舶长50%。本文主要论述的是海洋平台用钢E550 级别开发过程中化学成分的选择、轧制工艺设计、热处理工艺设计，以及力学性能、金相检验等相关部分的工作。

首秦公司生产的海洋平台用钢既降低了生产成本满足了各项力学性能，同时又得到了更佳的焊接性能和更细小的组织结构。因为在轧钢阶段采用了控制冷却和控制轧制的技术，轧后钢板进行了调质热处理，从而实现了低合金含量和较低的碳当量的化学成分设计。

1 海洋平台用钢E550 的化学成分和生产工艺设计

海洋平台用钢E550 设计依据的各船级社规范要求如下，其中化学成分要求见表1-1，力学性能要求见表1-2。为了提高钢的韧性，改善钢的焊接性能，逐步降低碳含量是现代海洋平台用钢发展的要求，通常采用C ≤ 0.10% 的碳含量设计。镍和铬可以增加奥氏体过冷能力，降低贝氏体和马氏体的转变温度，促进马氏体的形成。钢的淬透性可以通过硼和钼显著增加，由此推迟过冷奥氏体向珠光体转变，通过这两者的复合添加，钢板轧后再经过ACC 快速冷却，基本可以消除钢中珠光体和铁素体的生成。铌对晶粒细化作用十分明显，通过轧制过程中Nb(C,N) 应变诱导析出，阻碍形变奥氏体回复、再结晶，经控冷控轧使精轧阶段非再结晶区轧制的形变奥氏体组织再相变时转变成细小的相变产物。钒有提高钢强度的作用，源于它的较高的析出强化功能。钛是强烈的固N 元素，能够改善钢的焊接性能，并且钢在加热时，细小的TiN粒子可有效地阻碍奥氏体晶粒长大。该公司将以上设计要求融于海洋平台用钢E550 的开发过程中，采用了V、Ti、Nb 复合微合金化设计，低碳及Mo-Ni-B 微合金化的成分设计方案，细化晶粒，提高钢的强度和韧性；钢的淬透性由Mo、B、Cr 提高，钢韧性的提高尤其是加入了适量的B,Ni ；降低 S、P 有害元素的含量，对于夹杂物便采用了Ca 进行球化处理。E550 钢设计成分如表1-3 所示。首秦公司在开发海洋平台用钢E550过程中，炼钢采用了炉外精炼（LF+RH）及Ca 处理，降低了钢中夹杂物的数量，保证了钢材纯净度，并且改善了钢中夹杂物形态，具体工艺流程如下：铁水预处理→ LD转炉冶炼→炉外精炼（LF+RH+ 喂Ca 线）→连铸→板坯轧制和热处理工艺是海洋平台用钢E550 生产过程中控制的关键环节, 具体工艺流程如下：板坯加热→除磷→轧制→ ACC 快速冷却→热矫直→标号→冷床冷却→喷打标识→下线堆冷（36 小时）→探伤→取样→热处理→二次取样→标识首秦公司在开发海洋平台用钢E550过程中，为了将奥氏体晶粒尽可能地破碎，细化奥氏体晶粒，粗轧在奥氏体再结晶区轧制，采用少道次大压下量，通过反复变形再结晶起到细化作用。精轧阶段采用轧制控制技术，在γ 相的未再结晶区变形，其累计变形量为60% ～ 70 ％，在Ar3 附近终轧，可以得到具有大量变形带的奥氏体未再结晶晶粒，相变以后能得到细小的铁素体晶粒。因此轧制工艺参数设计为：钢坯加热温度1200 ℃，保温40min，粗轧温度1050 ～ 1100℃ ；精轧阶段总压下率60%～ 70% ，开轧温度控制在900 ～ 930℃，轧后进入快速冷却阶段，终冷温度控制在800 ～ 850 ℃。实验用钢板规格为60mm。对钢板进行热处理（淬火+ 高温回火），以此获得良好的综合性能。因为海洋平台用钢E550 中含有较多像钒、铌、钛等强碳化物形成元素，为了增大奥氏体中合金元素含量和含碳量，提高过冷奥氏体的稳定性，奥氏体晶粒粗化应选择淬火温度偏高的，可使这类元素所形成的碳化物加速溶解。获得马氏体组织，冷却介质可以采用水，可以使E550 的冷却速度大于获得马氏体的临界冷却速度，较为经济。淬火后再经过高温回火，可转变成较为稳定的回火索氏体组织，还能消除内应力。因此热处理工艺参数为：选择淬火温度900-940℃，水冷，回火温度600 ～ 640℃、保温时间30 min。

2 海洋平台用钢E550 的检验结果及分析

海洋平台用钢E550 实验进行了两个炉次的冶炼，对两个炉次钢坯进行化学成分检验，检验结果符合设计要求，见表2-1，两个炉次钢坯分别编号为1 号和2号钢坯。

海洋平台用钢E550 实验对两炉钢坯采用了相同的轧制及热处理工艺，在轧制及热处理后分别取样进行检验，取样位置在钢板头部板宽1/4 板厚1/4 处。1 号钢坯轧制后样品编号为1-1，淬火后样品编号为1-2, 回火后样品编号为1-3 ；2 号钢坯轧制后样品编号为2-1，淬火后取样编号为2-2，回火后样品编号为2-3。取样数量：轧制和回火试样拉伸一个，冲击一组3 个，淬火试样拉伸一个。热轧（控轧控冷）和调质工艺生产的E550 钢板力学性能检验结果均符合设计要求，见表2-2。海洋平台用钢E550 在轧制、淬火、回火后分别取金相样检验。取样位置在钢板头部、板宽1/4 处，在钢板表面和心部分别切取下尺寸约为20mm ×20mm 的小块试样。试样经打磨、机械抛光、4％的硝酸酒精侵蚀处理，金相显微镜下进行观察、分析、照相，侵蚀前做夹杂物检验，侵蚀后做组织检验。金相检验照片见图1 ～ 4。

1、2 号试样根据GB/T10561-2005 夹__杂物检验结果均在1 级左右，主要为B 类氧化铝夹杂，有少量的D 类球状氧化物，均为炼钢过程中的脱氧产物，具体检验结果见表2-3。结果表明钢材纯净度较好，精炼工艺选择合理。

1、2 号试样的热轧组织基本上为粒状贝氏体和少量的铁素体，心部还有少量的珠光体类富碳相组织；淬火组织均为板条马氏体；回火组织表面上为回火索氏体，1/4 处和心部为索氏体和粒状贝氏体混合组织。

海洋平台用钢E550 开发本次试验最终成品板厚为60 毫米，由金相组织照片可以看出表面和心部组织在热轧和调质状态下存在一定差异，因此力学性能检验结果以板厚1/4 处为代表。由金相组织和力学性能检验结果分析，可以看出：热轧（控轧控冷）工艺生产的E550 钢板组织为粒状贝氏体和少量的铁素体，心部还有少量的珠光体类富碳相组织，其力学性能屈服强度、抗拉强度、伸长率、冲击功等检验指标均符合设计和标准要求。只是屈服强度值比较靠近下限，生产中不容易控制，产品合格率会受到一定影响。调质工艺生产的E550 钢板组织表面上为回火索氏体，1/4 处和心部为索氏体和粒状贝氏体混合组织，其力学性能整体均比热轧工艺下的要好，可以明显地看到屈服强度比热轧状态高出100 多兆帕，抗拉强度高出60 兆帕左右。生产中性能容易控制，不易产生不合格产品，但是增加的热处理过程会增加产品的生产成本，降低产品的价格竞争力。为了降低生产成本，同时能够保证产品质量，建议考虑增加控冷冷速，直接回火的工艺研究。

3 结论

1）海洋平台用钢E550 采用的低碳及Mo-Ni-B 微合金化的成分设计满足钢板的生产工艺和性能要求。精炼工艺合理，钢材纯净度较好, 夹杂物含量少，级别在1 级左右。

2）热轧（控轧控冷）工艺参数合理（钢坯加热温度1200℃，保温40min，粗轧温度1050 ～ 1100℃ ；精轧阶段总压下率60%～ 70% ，开轧温度900 ～ 930℃，轧后进入快速冷却阶段，终冷温度800 ～ 850℃）；生产的E550 钢板组织为粒状贝氏体、少量的铁素体和珠光体类富碳相组织；其力学性能屈服强度、抗拉强度、伸长率、冲击功等检验指标均符合设计和标准要求。