一類海洋系泊鏈鋼及其系泊鏈的熱處理方法與流程
2023-05-30 13:13:37
本發明屬於低合金鋼及海洋系泊鏈熱處理領域，特別涉及一類細晶粒海洋系泊鏈鋼的成分設計和製造工藝，尤其涉及一類海洋系泊鏈及其熱處理的方法。
背景技術：
海洋勘探、深海採油、國防建設等均需要定位和系泊海洋浮體的系泊系統。其中主要結構是鋼製系泊鏈。系泊鏈按其強度級別可以分為三級、三級半、四級、四級半、五級和六級。各級鏈環整體調質後的抗拉強度分別不小於690Mpa、770Mpa、860Mpa、960Mpa、1000Mpa和1110Mpa，目前國內外使用的最高級別的系泊鏈為五級。六級鏈等待試用中。申請人將這些鋼和鏈歸為一類，即一類海洋系泊鏈鋼和一類海洋系泊鏈。
定位用系泊長鏈分為有橫檔和無橫檔二種，直徑約70～210mm，單支鏈的長度可達數公裡。根據挪威船級社的標準，抗拉強度690MPa以上的海洋用鋼即為超高強度鋼，因此所有系泊鏈鋼都是超高強度鋼。
系泊鏈必須具備合格的力學性能和海洋環境服役性能。而系泊鏈的成品熱處理在獲得強度的同時，必須保證其韌性，尤其是閃光焊縫區的韌性，以抵抗狂風巨浪，增強安全可靠性。系泊鏈通常在專用立式爐中進行連續淬火-連續回火，即連續調質熱處理和交貨。
根據對過去20餘年海洋浮體多發事故的統計，51％以上的事故與系泊鏈有關。甚至發生系泊鏈斷裂導致平臺傾覆的災難性事故。
為提高系泊鏈的力學性能和環境性能，保證海洋浮體的服役可靠性，系泊鏈製造的首要任務是獲得高強韌性匹配。
現有系泊鏈連續調質熱處理工藝的主流是淬火-淬火-高溫回火，即Q-Q-T，開發者Vicinay公司命名為DQT。
中國專利申請號99116494.6公開了系泊鏈鋼的淬火溫度為930℃。
美國專利申請號US2001/0024621A1公開的系泊鏈鋼淬火溫是870℃，C和晶粒細化元素的成分範圍(wt％)C 0.15～0.23,Al＜0.2，V＜0.2，Nb＜0.2，Ti＜0.2。
跨國集團Vicinay公司發表的系泊鏈連續雙淬火-回火(DQT)新工藝：約930℃淬火-880℃淬火-回火，其最高淬火加熱溫度限制在930℃左右，(LuisVicinay-Mooring Chain Reliability，Prepared for the FPSO Research Forum October 26th，2005 Organized by TWI)。一般生產中測溫儀表顯示爐氣溫度(爐溫)。見圖1，其中左側是立式連續式調質爐。
中國專利申請號200810033953.2公開了系泊鏈的淬火爐溫＜1050℃，無控制最高鏈溫手段。
中國專利申請號200910236675.5公開了系泊鏈連續熱處理工藝：爐溫加熱到1000～1050℃，鏈運行速度(線速度)Q 0.18～0.23m/min，保溫120～150min，水冷,T 0.14～0.18m/min,水冷，保溫150～200min，水冷。
中國專利申請號2013106244842公開的淬火溫度≤1050℃，回火前允許經過二次淬火處理。無控制最高鏈溫手段。晶粒細化元素的成分範圍(wt％)Nb 0.005～0.05，Ti 0.002～0.10，REM 0.010～0.025，N≤0.006。
中國專利CN98110160.7規定了在立式連續式調質爐中進行淬火加回火處理，其中淬火溫度為900～930℃。
綜上，系泊鏈連續熱處理的已有技術為最高淬火加熱溫度限制在930℃以下，就一般控制奧氏體晶粒的鋼材而言，為了獲得穩定的強韌性，這是必要的。而立式連續熱處理爐最高爐溫≤1050℃和≤1050℃時的線速度及其保溫時間的規定，都缺乏可行性，無實用意義。最高爐溫≤1050℃時的鏈溫不明，不能保證鏈溫始終低於鋼材的奧氏體晶粒粗化溫度，如果超過奧氏體晶粒粗化溫度，則不能確保鏈的性能，尤其是韌性合格，會增加廢品率(表1)。即現有系泊鏈鋼不能保證奧氏體晶粒粗化溫度高於930℃，因此生產中必須使用低的爐氣溫度，限制鏈的最高淬火加熱溫度低於奧氏體晶粒粗化溫度，注意了提高系泊鏈鋼和鏈的奧氏體晶粒粗化溫度的微合金元素的成分範圍。而實際上，缺少微合金元素的合理範圍和相互搭配，以及缺乏有效的坯料熱加工歷史，會導致加入的微合金元素不能形成理想的狀態、尺寸和分布，從而非但不能提高奧氏體晶粒粗化溫度，相反會降低韌性。特別是系泊鏈直徑增加，為均勻鏈的溫度分布，連續熱處理鏈的線速度必須降低，而減小線速度又會降低鏈的入水溫度，從而降低鏈的淬火效果和性能(表1)。
申請人也檢索了《ISO 683熱處理鋼，合金鋼和易切削鋼》標準，與系泊鏈鋼化學成分相近的鋼號，其淬火溫度均不超過860℃。
上述中國專利申請號200910236675.5提供的技術大體是熱處理爐的能力參數範圍，而且鏈溫不明，不能保證鏈溫始終低於鋼材的奧氏體晶粒粗化溫度，如果超過奧氏體晶粒粗化溫度，則不能確保韌性合格。淬火前增加120～150min的保溫，按所公開的線速度參數0.18～0.23m/min，需要高度22～35m的保溫區，這是不可能的。另外，一般倒U形立式連續爐最大高度僅約4m。
技術實現要素：
本發明的目的是：以提高系泊鏈的可靠性為前提，精確設計控制奧氏體晶粒粗化溫度的成分和工藝，將奧氏體晶粒粗化溫度從現有的低於930℃提高70℃以上，實現系泊鏈連續熱處理工藝的精確化，控制所需要的奧氏體晶粒粗化溫度，發揮合金元素的潛力，縮短生產周期，獲得理想的組織、亞結構和性能，減少設備投資，追求最佳性價比。
本發明在部分現有技術，即涵蓋通用的各級系泊鏈鋼的C和合金元素成分範圍的基礎上，提出奧氏體晶粒粗化溫度的關鍵是必須重視細化晶粒元素的成分及其配比，又獨創了奧氏體晶粒細化元素N的含量控制為0.006～0.024wt％。
為了實現上述系泊鏈連續淬火的高溫化、鏈溫分布的精細化，獲得高性能、高效率、高性價比目的，本發明提供的方法包括以下步驟：電爐或轉爐冶煉-爐外精煉-真空脫氣-連鑄，鋼坯加熱溫度1100～1300℃，鋼材終軋溫度850～1050℃，獲得奧氏體晶粒粗化溫度1000℃以上的系泊鏈鋼類。其中Al脫氧和控制N量都是已有技術。
本發明中細化奧氏體晶粒的微合金元素如下：
Al 0.01～0.06wt％，現有技術。
鋁是主要脫氧元素，能夠形成AlN，細化晶粒，改善鏈條母材及焊縫處的綜合力學性能。鋁不足0.01％時，作用不明顯，鋁超過0.06％時，鋁的氧化物夾雜增多，惡化鋼的衝擊性能。
N 0.006～0.024wt％，系泊鏈鋼N的成分設計是獨創。
鋼中的氮是不可避免的，形成的AlN、TiN、VN、NbN，可以避免應變時效，細化晶粒和提高強度。氮有生產過程中自然形成的殘餘氮和受控氮。本發明將受控氮含量控制在0.006～0.024wt％。氮不足0.006％時，細化晶粒作用不明顯，超過0.024％時缺陷增多，反而惡化鋼的性能。
Nb、Ti：是作為細化晶粒元素和析出強化元素而加入。
本發明在現有技術的基礎上精密控制其含量和配比，鈮、鈦可以單獨使用或與鋁聯合使用。當鋁、氮分別不足0.010和006wt％時，放棄用Al細化法，使用NbC等碳化物的奧氏體晶粒細化法。
綜上，本發明的一類海洋系泊鏈鋼，細化奧氏體晶粒的微合金元素的精確配合，其中，Al0.01～0.06wt％，N 0.006～0.024wt％和/或Nb 0.01～0.06wt％，和/或Ti0.001～0.2wt％，其中：當Al＜0.01wt％時,Nb0.01～0.06wt％和/或Ti0.001～0.2％wt％。
本發明提高淬火溫度可以減少有害元素在原奧氏體晶界處的偏聚，提高韌性，降低回火脆性敏感性，發揮碳化物的強化作用潛力，從而提高成品鏈的強韌性、均勻性。
淬火加熱的爐溫935℃～1150℃，水冷，回火爐溫590～690℃，水冷。
淬火溫度的選取對於鏈的最終性能起著決定性的作用，本發明鋼類在約830℃以上是奧氏體單相區，比較低的溫度，例如900℃和比較高的溫度，例如1000℃，合金和微合金化元素及其化合物的固溶量、均勻程度、晶界狀態，以及鋼的淬透性是不一樣的，高溫淬火能夠獲得穩定和理想的馬氏體和貝氏體組織，尤其是大直徑鏈。高溫淬火的固溶效果更充分，元素分布更均勻，晶間結合力更強，鏈的淬火入水溫度更高，淬火效果更佳，在590～690℃溫度範圍回火，獲得更高強韌性等，特別是焊縫區的成分均勻，焊縫區與基體的性能差別小，鏈橫截面上不同區域的性能差別減少。而奧氏體晶粒粗化溫度高於1000℃，是使用高溫淬火工藝的保證(表1，圖2～7)。
與現有技術相比，本發明具有以下有效效果：
以「海洋石油981」半潛式深海平臺使用的系泊鏈的連續熱處理為例，直徑84mm、鏈長1750m，1組12支鏈，根據上述技術，淬火和回火分別需要保溫，因此即使使用0.14m/min的線速度(實際仍然達不到保溫的時間要求)，考慮鏈的高溫線膨脹,一組鏈1750m×12支，使用2臺淬火爐-1臺回火爐，實現Q-Q-T即DQT雙淬火-回火工藝熱處理的周期超過9個月。
而同樣參數的該組鏈試用提高奧氏體晶粒粗化溫度超過70℃的鋼材，經過精確控制鏈溫，根據鏈徑、鏈溫和熱處理爐的參數規定預熱-加熱-保溫區各段的爐氣溫度，本發明Qh-T，即高溫淬火和回火工藝使用1臺淬火爐-1臺回火爐，鏈線速度分別允許提高到0.23m/min和更快，最高爐溫和最高表面鏈溫分別為1080℃和1000℃，熱處理周期成倍縮短，又省略了立式淬火爐的一半投資、能源消耗和管理。強韌性穩定在高水平。
對於低碳的系泊鏈鋼，本發明提供的數據表明，DQT和QT比較，在改善鏈性能方面並無明顯效果(表1)，根據熱處理原理，DQT並無消除或減輕閃光焊區夾雜物不良的功能，也不可能增加淬透深度。另一方面，DQT增加有檔鏈因淬火變形導致的橫檔鬆動。
總之，本發明發揮合金元素的潛力，縮短生產周期，獲得理想的組織、亞結構和性能，減少設備投資，追求最佳性價比。
附圖說明
圖1為Vicinay公司在Bilbao’s大學協助下開發的系泊鏈連續雙淬火-回火(DQT)新工藝示意圖。左側是立式連續式調質爐。
圖2～圖4為本發明人估算爐溫、鏈溫與加熱時間關係例。其中圖2是爐溫1040℃，1600s，直徑84mm鏈溫度曲線，表面和中心溫度接近。圖3是爐溫980℃，1600s,直徑160mm鏈溫度曲線估算，表面895℃，中心710℃,表面和中心溫差大。圖4是爐溫1040℃，1600s,直徑160mm鏈溫度曲線估算，表面981℃，中心782℃，表面和中心溫差減小；圖4與圖3比較，爐溫提高60℃，鍊表面溫度提高近100℃。
圖5為920℃加熱，奧氏體晶粒示意圖。其中顯示奧氏體晶粒度為12～8級。
圖6和圖7是本發明系泊鏈焊縫成分、淬火-回火組織的EPMA圖像，由圖6、7可見，1000℃高溫淬火，△C＝C基體0.274-焊縫C0.26＝0.014wt％，是參考文獻(SUZUKI.N,Tetsu to Hagane1987)對相同C含量900℃淬火的系泊鏈的△C＝C基體-焊縫＝0.13wt％的11％。Qh比Q對焊縫區成分均勻性，特別是C的影響非常顯著。
具體實施方式
具體方式見表1