蒋雪军,刘熙章,陈 松

(济钢集团有限公司科技质量部,山东济南250101)

高韧性海洋工程用钢S355G8+M的研制开发

蒋雪军,刘熙章,陈 松

(济钢集团有限公司科技质量部,山东济南250101)

通过采用低碳微合金化成分设计和优化的TMCP工艺,对组织进行适当调控,获得了以铁素体为主的晶粒较为细小、软硬相比例适当的组织,成功开发出S355G8+M,性能满足EN10225标准,满足了客户要求,创造了较大的经济效益。

强化机理;CCT曲线;热机械轧制

1 引言

海洋工程主要是指近海工程,是大陆架较浅水域的建设工程和在大陆架较深水域的建设工程,主要用于海上油气的钻探和开发,其中钻探设施主要包括自升式钻井平台和半潜式钻井平台,开采设施主要包括固定式导管架平台、顺应塔平台、张力腿平台、立柱式平台以及浮式生产储油装置等。

由于海洋工程服役期比船舶类高50%,采用的钢板必须具有高强度、高韧性、抗疲劳、抗层状撕裂、良好的焊接性及耐海水腐蚀等。海洋特殊的环境对钢材提出的苛刻要求,使其制造成本和售价都大大高于普通钢材。随着我国海洋开发的不断发展,对海洋平台用钢的需求量不断扩大,当前仅海洋平台用钢年需求总量就在300万吨以上。作为新兴的海洋产业,发展前景较为广阔,钢材需求量多,因此公司也一直把进军海洋工程用钢作为结构调整的方向。

2 成分设计及工艺路线

2.1 成分设计

S355G8+M属于海洋工程用钢,因所处环境包括腐蚀、风浪、低温、地震、海啸、振动等恶劣因素的影响,因此对产品要求性能极高,客户也对产品的低温韧性、有害残余元素含量、表面质量、内部质量、尺寸偏差、时效性能都提出了很高要求,主要要求如下:

(1)提出高的冲击韧性,要求-40℃低温横向冲击功不低于50J。

(2)提出屈强比的要求,要求屈服强度和抗拉强度之比≤0.90。

(3)提出熔炼成分、成分分析要求,要求有害残余元含量低,要求As≤0.03%、Sn≤0.02、Pb、Sb、Bi≤0.01%。

(4)要求内部质量高,钢板探伤级别至少符合欧洲标准EN10160S1/E2。

S355G8+M钢材要求高的低温韧性,而钢的韧性和钢的金属晶格类型、组织类型、晶粒大小、固溶合金类型等因素有关;通过采用降低碳和夹杂物含量、细化晶粒甚至加入高韧性合金降低间隙原子含量均可以改善钢的韧性。屈强比的控制是难点,因为强度的影响因素众多,所有影响强度的因素都对屈强比产生影响[1]。如何通过对强度的控制进而实现对屈强比的控制是研究的重要内容。

根据产品性能要求,设想采用0.04%～0.09%的低碳成分设计,同时Nb、V、Ti微合金元素复合加入辅以TMCP工艺生产,采用低碳成分设计、纯净化精炼工艺、TMCP工艺,具有以下优势,有较大的把握达到产品技术要求。

(1)基于低碳的产品成分设计,有利于保证钢材的-40℃低温冲击韧性;有利于提高铸坯断面成分的均匀性,提高探伤的合格率,为厚规格产品的生产积累经验和数据。

(2)加入Nb、V微合金元素可以晶粒强化、沉淀强化等方式弥补降低碳含量所造成的强度损失,而有益于低温韧性、焊接性能的改善。

(3)冶炼过程可采用优质铁水、优质废钢控制钢水中的有害残余元素As、Sn、Pb、Sb、Bi的含量使之满足标准要求。

根据以上分析形成了S355G8+M成分工艺试制方案,结合对EN10225标准的技术要求,制定了详细的质量计划,规定冶炼精炼生产工艺流程。具体成分设计方案见表1。

2.2 工艺路线

KR铁水预处理→120/210t转炉冶炼→CAS→LF精炼→VD或RH精炼→1#、4#、5#铸机连铸→板坯切割→堆垛缓冷72小时→表面检查清理→加热→4 300mm轧机热机械轧制→冷却→矫直→缓冷→探伤→切割、取样→检验、标志→入库

3 CCT曲线研究及试制方案验证

3.1 CCT曲线的测定与分析

3.1.1 试验方案

为研究S355G8+M的轧制和冷却工艺对钢的组织的影响,采用成分类似的试样在试验室利用Gleeble-1500热模拟试验机、光学显微镜等手段进行了试验,研究了钢的冷却转变行为和组织演化规律,并获得了钢的冷却转变曲线,试验钢的成分见表2。

表1 S355G8+M试验钢的成分设计(wt.%)

表2 试验钢的化学成分(wt.%)

钢样在加热或冷却时,除了热胀冷缩引起体积变化之外,还有因相变而引起的体积变化,在正常膨胀曲线上出现了转折点[2]。根据转折点可得出奥氏体转变时的温度和所需时间。在连续冷却过程中,奥氏体即发生相应的转变,在膨胀曲线上可以记录相应冷却速度下转变开始点和转变结束点的温度。(根据记录的冷却过程的膨胀量-温度曲线见如图1,确定转变开始、转变终止点。)然后以温度为纵坐标,时间为横坐标,将相同性质的相转变开始点和结束点分别连成曲线见图1,并标明最终的组织和硬度值以及Ms点等,便可得到钢的连续冷却转变曲线图,见图2。

图1 温度—膨胀量曲线

3.1.2 CCT曲线分析

热模拟试验得到的低合金结构钢板S355G8+M的奥氏体动态连续冷却转变曲线见图3。

图2 变形奥氏体连续冷却的工艺示意图

图3 试验钢动态CCT曲线

从图3可以看出,随着冷却速度的增大,开始相变温度逐渐降低。随着冷却速度的增大,奥氏体转变为铁素体的相变温度由1℃/s时的743℃降低到10℃/s时的621℃,下降了122℃。将抛光好的试样用4%的硝酸酒精溶液浸蚀约20s,即可显示室温组织。在金相显微镜下观察分析组织特征。在动态连续冷却过程中,相变组织的变化见图4中的(a)～(h)。

图4 不同冷速下的金相组织

由图4可见:在较低冷速0.5℃/S时,变形后的组织为晶粒较为粗大的多边形铁素体和少量珠光体,见图(a)。当冷速为1℃/S时,组织主要为多边形铁素体和少量珠光体,见图(b1),但珠光体开始退化,已有极少量的针状铁素体出现,见图(b2)。当冷速提高到3℃/S时,珠光体组织基本消失,只剩下多边形铁素体,而且晶粒尺寸较0.5℃/S、1℃/S时变的较为细小。当冷速为5℃/S时,开始出现准多边形铁素体,准多边形铁素体分布在多边形铁素体的周围,铁素体尺寸愈加细小。随着冷速从7℃/S到19℃/S逐渐增大,针状铁素体的比例越来越大,多边形铁素体的比例越来越小,在冷速为10℃/S时,多边形铁素体消失。

从图4(e)～(h)中可以看出针状铁素体在光学显微镜下并非呈针状或条状,而是呈现不规则的铁素体块,铁素体块间晶界模糊,没有完整的连续晶界,晶粒间或晶粒内分布着细小(M-A)岛,针状铁素体内部隐约可见浮凸和亚晶条纹,境内具有较高密度位错,阻止了晶粒长大,细化了晶粒,使材料具有较高的强度和韧性[3]。

从CCT曲线来看,冷却速度在3～5℃之间,相变转变温度约在720～760℃之间,由于实际轧制中,无论在900℃以上和900℃以下,变形量都很大,经过再结晶,晶粒已经有所细化,900℃以下的变形使得蓄积了较多的变形能,形成许多潜在的形核点,铁素体转变温度有较大的提高。

综合考虑,轧制工艺设定终轧温度在840～880℃,开冷温度780℃,终冷温度660～610℃,冷速在4～7℃/s。

3.2 产品试制

根据试制方案组织进行了产品试制,试验中确保设备处于良好的工作状态,并选用精心优质原材料,精心进行炼钢流程的每一个工序操作。试制产品的试制结果如表3、表4所示。

表3 有害残余元素分析结果(wt.%)

表4 试制产品性能

试制结果表明,产品采用精心选用的原材料生产,有害残余元素达到几乎比要求低一个数量级的水平,达到标准要求。采用低碳成分设计,添加铌钒钛等微合金元素,以控制轧制工艺调控奥氏体及转变后组织,细化钢板最终组织,屈服强度超过标准要求,抗拉强度符合标准要求,伸长率超过标准要求,-40℃低温冲击功大大超过了标准50J的要求,达到了200～360J,有较大的富裕量。

按照预定成分和工艺轧制的钢板获得了较为细小的组织,屈服强度因晶粒细化的强化效果不过分强烈,抗拉强度通过其他强化机理获得强化的效果也较为显著,屈服强度和抗拉强度强化效果比较匹配,所以屈强比也达到标准要求。表面质量、尺寸偏差和平直度也符合了标准要求,性能质量检测达到了EN10225标准的要求,试制获得了圆满成功。

3.3 S355G8+M钢板质量控制研究

为了保证S355G8+M的性能指标符合要求,在批量生产过程中对S355G8+M铸坯、钢板进行了在线监控取样分析,对铸坯成分、气体含量、低倍质量、钢板组织、夹杂物、带状组织、晶粒度进行分析评价,对钢板低温冲击韧性、屈强比等性能指标的保证情况进行了研究,确认优化了生产工艺参数,有力地保证了生产的推进。

3.3.1 钢坯质量分析

(1)成分控制

成分控制总体良好,有害及残余元素不超标,符合标准要求:As≤0.03%、Sn≤0.02%、Pb≤0.01%、Sb≤0.01%、Bi≤0.01%。

(2)气体含量

在RH精炼工序对0803136炉进行定氢,测得氢含量为2 ppm,符合内部控制要求。

(3)铸坯低倍

对0803133炉次铸坯做低倍检验,检验结果见表5所示,照片见图5、6所示。

图5 低倍组织照片

表5 低倍评价

3.3.2 钢板批量化生产性能分析

S355G8+M钢板的拉伸、冲击性能试验表明钢板具有良好的低温冲击韧性,-40℃横向冲击韧性高达300J,韧脆转变温度在-50℃以下,见表6。

图6 200倍金相照片

表6 S355G8+M批量性能

图7 试样断口形貌

图7表明断口是抛物线或者等轴状的韧窝,韧窝数量较多且分布均匀,表明断裂是韧性的。冲击试验结果和图7断口形貌图表明采用低碳微合金设计、TMCP工艺生产的S355G+M钢板具有良好的低温韧性, -40℃低温横向平均冲击值达到约300J,具备足够的韧性储备,完全可以达到EN10225标准提出的50J的要求。

在S355G8+M生产中,经过生产实践发现,终轧温度控制在880～840℃之间,ACC开始冷却温度约780℃左右,终冷温度640℃左右,冷却速度4℃/S～7℃/S,可以获得屈服强度和抗拉强度的比例较为合适的以铁素体为主的细小组织,见图6,可保证屈强比不超过0.90,也可兼顾强度、低温冲击性能指标的要求。

4 结语

(1)成功开发出S355G8+M,性能满足EN10225标准,满足了客户要求,创造了较大的经济效益。

(2)通过采用低碳微合金化成分设计和优化的TMCP工艺,对组织进行适当调控,获得了以铁素体为主的晶粒较为细小、软硬相比例合适的组织,低温冲击韧性满足了标准要求,并且还有较大的富余量,屈强比也满足了标准不大于0.9的要求。

[1] 翁宇庆,等.超细晶钢—钢的组织细化理论与控制技术[M].北京:冶金工业出版社.2003.

[2] 邵正伟,肖丰强.07Mn NiMo VDR连续冷却过程相变行为研究[J].山东冶金.2010,10(5): 35-36.

[3] 宗云,赵莉萍.CSP条件下微合金铌钢的强韧化机理及其开发[J].冶金设备.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

蒋雪军,助理工程师,主要从事轧钢质量管理方面的工作。