80mm調質海工鋼EH550的生產開發與應用

楊春衛，宋增強

（北京首鋼股份有限公司，北京 100043）

與造船業相比，海洋工程用鋼需求總量不大，但因工業生產需求量較穩定，用鋼的材料成本在造船業整體占比較少，所以海工用鋼的成本就大大降低，積極鼓勵海洋工程建設可提升煉鋼企業的利潤。

在風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度鋼塔尖海洋平臺；同時采用高強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超高強度鋼板用在懸臂梁、海洋平臺的樁腿、樁靴、齒條升降機、懸臂梁等相關部位，在陸地資源逐漸稀缺的大環境下，能源的開發也逐步由淺部海域向深部海域轉移，深部開采區不再受氣候條件的限制，寒冷地帶也可進行能源開采，船舶及海洋平臺用鋼開始應用于-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重要，E級鋼板大量使用。

1 成分設計及工藝路線

海洋平臺長期處于波浪、海潮、風暴及寒冷流冰等嚴峻的工作環境中，服役期間要承受復雜的動態載荷，對鋼板的強度、低溫沖擊韌性、抗層狀撕裂、焊接性能等要求較高。在開發過程中，充分考慮成分設計、鑄坯質量、加熱制度、兩階段控制軋制、加速冷卻工藝、后續的調質處理以及實際生產裝備情況，采用最經濟最優化的生產方式，使產品性能達到技術要求并且穩定控制。

1.1 成分設計

根據GB/T712-2011標準和各國船級社規范，調質工藝下，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；嚴格控制S、P等雜質元素含量，降低雜質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，發揮其細晶強化和析出強化作用，提高強度改善韌性；嚴格控制B含量[3-5]。

1.2 性能要求

鋼板機械性能要求見表1：

表1 EH550機械性能要求

1.3 工藝路線

選用400mm*2400mm鑄坯，開發80mm規格的EH550海工鋼，生產工藝路線設計為：鐵水預處理→100噸頂底復吹轉爐→LF爐精煉→RH真空脫氣→板坯連鑄→步進梁式加熱爐→高壓水除鱗→4300mm軋機→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→入庫→發貨。

2 煉鋼

海工板的冶煉過程采用潔凈鋼生產技術[1，2]，一是減少鋼中磷、硫、氮、氫等有害元素雜質元素的含量；二是控制鋼中非金屬夾雜物的數量和形態。LF爐：Si、Mn合金按內控配到位，目標RH合金不做調整，白渣保持時間15min以上，目標硫0.0020%；RH爐：禁止廢鋼調溫，真空處理時間按13～15min控制，深真空時間8min以上，硅鈣線按200m/爐控制，根據鋼水鈣含量做適當調整但不低于150m/爐，軟吹10min以上； 連鑄：過熱度按照15℃～25℃控制，保持拉速穩定，輕壓下正常使用，目標中心偏析1.0級以下。

3 軋鋼

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，在奧氏體再結晶區軋制時，應使形變在厚度方向充分滲透至中心部分，以使奧氏體再結晶充分進行，達到晶粒尺寸均勻細化。生產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%。同時在高溫再結晶區，向鋼中加入少量的微合金元素Ti（質量分數小于等于0.020%），可在較高溫度下析出細小的TiN顆粒，對奧氏體晶粒產生釘扎作用，從而限制奧氏體晶粒長大。

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

4 熱處理

研究了淬火工藝和回火工藝參數對鋼板性能的影響，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80mm厚EH550的影響，當分別采用900℃和950℃淬火時，提高淬火溫度時屈服強度和抗拉強度均有提高，約120MPa左右；而經930℃和950℃淬火并進行660℃回火后，高溫淬火的屈服強度和抗拉強度均小幅度降低約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80mm厚工業淬火EH550的影響。可以看出，屈服強度和抗拉強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

4.3 回火時間的影響分析

圖2 回火時間對力學性能的影響

回火時間是保證鋼板的力學性能的重要參數，回火時間過短可能導致回火處理不充分，時間過長將導致強度等性能降低，也同時影響生產成本。研究了回火時間對50mmEH550鋼板力學性能的影響，回火溫度為600℃，回火時間＞50min時，屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率及-40℃沖擊韌性等各項指標均滿足EH550的標準要求，回火時間較短時，抗拉強度偏低，超過120min時，回火時間進一步提高，屈服及抗拉強度變化不明顯，但沖擊韌性明顯降低。綜合來看，當為保證力學性能確定回火時間為（2.4-3T）min[6]。

5 實物質量

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 力學性能

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

6 結語

通過低碳、添加Cr、Mo、B等淬透性元素，以潔凈鋼冶煉、調質處理等關鍵生產技術，生產出具有優良低溫韌性的調質態海工鋼EH550，綜合力學性能良好，滿足標準要求，適合批量生產。