CN101255528A - 超低温韧性优异的含铌钢板及其轧制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有良好超低温韧性的含铌钢板及其轧制方法，属于金属材料专业领域。一种超低温韧性优异的含铌钢板，其特征是：所述含铌钢板组分的重量百分比为：C：0.02～0.04，Mn：0.20～2.00，Nb：0.04～0.10，Ti：0.005～0.06，S：不高于0.003，P：不高于0.020，N：不高于0.005，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明提供的一种含铌钢板在超低温度下具有较高的拉伸强度、优异的超低温冲击韧性以及高的强度。这种钢材可用于低温压力容器用钢等场合，能够在超低温情况下长久使用。

Description

超低温韧性优异的含铌钢板及其轧制方法

(一)技术领域

本发明涉及具有良好超低温韧性的含铌钢板及其轧制方法，属于金属材料专业领域。

(二)背景技术

随着我国石油化学工业的迅速发展，气体的液化、分离和液化气体的生产、贮运已相当普遍。低温压力容器用钢板广泛用于制造低温焊接压力容器，而且随着石化产品的深度加工日益受到重视，对-60～-100℃低温用钢材市场前景广阔，低温技术和设备的发展促进了低温用钢的发展。

对低温用钢铁材料，低温韧性是其运行的安全性和可靠性的重要保证。尤其对于长期处在低温等恶劣环境下服役的材料，保证其具有足够的强度和韧性，尤其是低温韧性，是保证其安全使用的重要因素。

钢的强度通常通过在钢的化学组成与加工技术间建立一种平衡来获得，由此形成一种基本上均匀的显微组织。传统工艺采用Nb、V和Ti微合金化配合使用TMCP(热机械处理工艺)技术使组织细化，来获得韧性和高强度，但对于厚板，由于压缩比较低，同时由于加速冷却的速度受到限制，在这种情况下，通过TMCP技术来改善韧性就受到限制。随着钢板厚度加厚，强度和冲击韧性逐渐下降。传统的方法是采用降低钢中的C量，以减少珠光体量或添加Ni等元素来抑制珠光体形成来保证低温韧性。但是，使用传统方法时，钢中的C含量一般不低于0.04重量％，否则会造成晶界脆化，降低低温韧性。传统的组成体系时，-60℃下，采用全尺寸夏比V形缺口冲击试验测定的韧性最好的约为300焦耳。

中国专利CN02817752.5公开了“具有好超低温韧性的热轧钢板及其制造方法”，其涉及具有好的超低温韧性的、用于干线用管的热轧板，其钢板组成为：C：0.04重量％～0.07重量％；Si：0.15重量％～0.25重量％；Mn：1.50重量％～1.65重量％；Nb：0.04重量％～0.06重量％；V：0.04重量％～0.06重量％；Ti：0.01重量％～0.02重量％；Mo：0.10重量％～0.30重量％；Ni：0.10重量％～0.30重量％；S：不高于0.003重量％，P：不高于0.020重量％，N：不高于0.003重量％，其余为Fe和不可避免的杂质。其典型-60℃下，采用全尺寸夏比V形缺口冲击试验测定的韧性最好的约为300焦耳。

中国专利CN98807689.6“超低温韧性优异的可焊接的超高强度钢”涉及一种钢板，其抗拉强度至少约930MPa，-40℃下，采用全尺寸夏比V形缺口冲击试验测定的韧性至少约120焦耳。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种超低温韧性优异的含铌钢板及其轧制方法，该含铌钢板在超低温度下具有较高的拉伸强度、优异的超低温冲击韧性以及高的强度。

本发明是这样实现的：一种超低温韧性优异的含铌钢板，其特征是：所述含铌钢板组分的重量百分比为：C：0.02～0.04，Mn：0.20～2.00，Nb：0.04～0.10，Ti：0.005～0.06，S：不高于0.003，P：不高于0.020，N：不高于0.005，其余为Fe和不可避免的杂质。

一种含铌钢板的轧制方法，是按下列步骤进行：

(1)将钢坯加热至一个适当的温度，该温度介于1000℃和1250℃之间；

(2)在奥氏体可发生再结晶的温度区域内经一道次或多道次轧制成中间板坯，本阶段最后道次的压下率不小于15％，总压下率不小于40％；

(3)第一阶段轧制后的中间坯停留适当时间后用中间水冷装置进行喷水冷却，停留一定时间后，在奥氏体不发生再结晶的第二个温度范围，采用一个或多个道次进一步轧制所述的板材；

(4)第二阶段首道次压下量适当控制，终轧温度控制在一定的范围之内：

(5)轧后钢板采用加速冷却，冷却速度和终冷温度控制在一定范围之内。

所述第一阶段轧制后的中间坯停留不低于5秒时间后用中间水冷速度不低于1℃/秒进行喷水冷却，其后停留时间不低于5秒。在奥氏体不发生再结晶的第二个温度范围为介于800℃至1050℃之间。

所述第二阶段首道次压下量控制在不低于18％，终轧温度控制在800℃至900℃之间范围。

所述轧后钢板采用加速冷却，冷却速度控制在4～8℃/秒，终冷温度控制在不高于550℃。

本发明的材料是通过进一步降低钢中的C含量，添加较高量的Nb，配合中间冷却和TMCP工艺等，促使Nb细化铁素体晶粒和在铁素体晶界偏聚提高晶界结合强度来提高低温韧性，钢中C含量低于0.04重量％。而传统制造低温韧性优良的厚板是采用降低钢中C量，以减少珠光体量或添加Ni等元素来抑制珠光体形成来保证低温韧性，但一般最低的C含量不低于0.04重量％。

本发明提供的一种含铌钢板在超低温度下具有较高的拉伸强度、优异的超低温冲击韧性以及高的强度。这种钢材可用于低温压力容器用钢等场合，能够在超低温情况下长久使用。

(四)附图说明

图1为不同材料组成的全尺寸夏比V形缺口冲击韧性曲线；

图2为不同中间冷却条件对材料再结晶行为的影响示意图；

图3为一次轧制的厚板轧制流程示意框图；

图4为二次轧制的厚板轧制流程示意框图；

图5为含铌钢厚板控制轧制和冷却的工艺示意图。

图中：1加热炉，2粗轧机，3中间冷却，4精轧机，5加速冷却。

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明提供了一种超低温韧性优异的含铌钢板，在二次精炼过程中采用Ca处理，使硫化物夹杂球化。此时含铌钢板组分的重量百分比为：C：0.02～0.04，Mn：0.20～2.00，Nb：0.04～0.10，Ti：0.005～0.06，S：不高于0.003，P：不高于0.020，N：不高于0.005，其余为Fe和不可避免的杂质。

接着将钢坯加热1100℃至1250℃之间进行奥氏体化，第一阶段轧制压缩比为40～70％，保持10秒左右，然后以1～3℃/秒冷却中间坯至950～1000℃，保持10秒，进行第二阶段轧制，首道次压下率为20～25％，终轧温度控制在800℃～850℃之间。然后以冷却速度在4～6℃/秒进行加速冷却，终冷温度控制在500～550℃。

本发明的材料是通过进一步降低钢中的C含量，添加较高量的Nb，配合中间冷却和TMCP工艺等，促使Nb细化铁素体晶粒和在铁素体晶界偏聚提高晶界结合强度来提高低温韧性。其具体的化学组分及对组分限定的原因如下所述。

C：低的C含量可以减少钢中珠光体份数来提高冲击韧性，过低的C可能会形成晶界游离渗碳体造成晶界脆化。C与钢中添加的微合金元素形成析出相可形成沉淀强化。在本发明的材料中，C元素的含量控制在0.02重量％～0.04重量％。

Mn：Mn能同时提高强度和韧性的固溶强化元素，用于调节本发明材料的强度，控制在0.20重量％～2.0重量％。更高的强度级别可以进一步提高Mn含量，可能造成最终的材料组织出现贝氏体。

Nb：Nb可促进细化轧后组织，提高材料的强韧性。轧制过程中，固溶Nb以及析出的碳氮化物均能起阻碍再结晶过程或阻止再结晶晶粒长大。奥氏体向铁素体转变过程中Nb的析出可以进一步阻止晶粒尺寸的长大。但超过0.10重量％时对焊接性和HAZ的韧性不利。但为提高晶界的结合强度，和强化抑制再结晶的作用，需要保持较高Nb含量。本发明材料中优选为0.04重量％～0.10重量％。

Ti：Ti可通过形成弥散析出的氮化物来阻止加热过程中奥氏体晶粒长大，也有与阻止HAZ的组织粗化，同时固定钢中的游离N，对提高低温韧性有极大的好处。过量的Ti使得析出物尺寸粗化，不利其作用的发挥，本发明材料优选为0.005重量％～0.06重量％。

S：S是对冲击值带来不利影响的元素，可以形成硫化物夹杂，成为裂纹源，本发明材料控制在不高于0.003重量％。

P：P也是对冲击值带来不利影响的元素，可以在板坯芯部偏析以及在晶界偏聚等损害低温韧性，本发明材料控制在不高于0.020重量％。

N：N可以与Ti形成氮化物，阻止奥氏体晶粒长大，但游离的N对低温韧性极为有害，本发明材料控制在不高于0.005重量％。

Ni：Ni是稳定奥氏体的元素，可阻止珠光体的形成。如果需要在本发明材料的基础上进一步提高其强度，而保持其低温韧性，可以适当添加，但可能造成最终的材料组织出现贝氏体。

采用本发明材料和对比材料在相似的轧制条件下轧制钢材时，低温韧性有大幅度的提高，参见图1，以及表1至表3的实施例。

下面详细解释对本发明的含铌钢板的轧制方法。

图2所示为不同中间冷却条件对材料再结晶行为的影响(“软化比”为再结晶行为的宏观表征，软化比越高，再结晶趋势越明显)。采用快速中间冷却方式的含铌钢，其奥氏体再结晶行为得到明显的抑制。

图3和图4所示为一般厚板轧制流程的示意框图，图3显示了板坯在加热炉1加热后，直接进行轧制(精轧机4)和加速冷却5处理的过程；图4显示了板坯在加热炉1加热后，经第一阶段轧制(粗轧机2)、中间水冷3、第二阶段轧制(精轧机4)和加速冷却5处理的过程。第一阶段轧制可以在一个轧机机架上完成，也可以分别在两个机架上完成。中间水冷过程可以在中间水冷装置上完成，也可以在加速冷却装置上完成。

细小的奥氏体晶粒尺寸和一定程度的应变累积的奥氏体，可以增加铁素体晶界，固溶状态的Nb原子在铁素体晶界偏聚，可以增加晶界结合强度，阻止裂纹的扩展。轧前处于固溶状态的Nb有很好的抑制再结晶作用，可以促进变形奥氏体的应变累积效果。但是厚板轧制轧件厚度尺寸大、轧制道次间隙时间长，Nb易于形成碳氮化物析出。相变过程中，由于铁素体中Nb的固溶度低，Nb很容易在相变前沿偏聚，形成析出相或保持成固溶状态。

通过调整Nb和C的含量，采用控制的中间冷却可以促进Nb在轧前以固溶态存在，适当的控制冷却可以促进Nb在铁素体晶界偏聚以强化晶界。本发明采用中间水冷速度不低于2℃/秒，以减少中间待温过程Nb的析出量，然后停留时间不低于5秒，保证轧件的温度均匀性。冷却速度控制在4～8℃/秒，终冷温度控制在不高于550℃以保证相变过程Nb在铁素体晶界偏聚。

实施例

在实施例中，采用本发明的材料和对比材料制造连铸坯，两种材料在组成方面，例如C含量、Nb含量等不尽相同。

如图5所示，经冶炼并经二次精炼达到表1所示的本发明实施例及对比材料的连铸坯，进行1100℃～1200℃加热，第一阶段轧制压缩比为40～50％，在1050℃之前完成第一阶段轧制，中间坯厚度80～120mm，保持10秒，然后以～2℃/秒冷却中间坯至950℃，保持10秒，进行第二阶段轧制，首道次压下率为20～25％，最终产品厚度20～30mm，终轧温度控制在800℃～850℃之间。然后以冷却速度在5～7℃/秒进行加速冷却，终冷温度控制在500～550℃，参见表2。

对于按上述方法制造的本发明材料和对比材料，分别研究了其拉伸性能和冲击韧性，结果示于表3(冲击韧性曲线见图1)。在强度级别相当的条件下，本发明材料具有极其优异的低温冲击韧性。

本发明的一种含铌钢板，这种钢板抗拉强度不小于550MPa，在-60℃下，采用全尺寸夏比V形缺口冲击试验测定的韧性至少约350焦耳。

本发明提供的含铌钢厚板，在超低温度下可具有高的拉伸强度、优异的超低温冲击韧性以及高的强度，同时该钢板能满足必要的焊接性要求。这种钢材可用于低温压力容器用钢等场合，能在超低温情况下长久使用。

表1

表2

表3

Claims (6)

1. 一种超低温韧性优异的含铌钢板，其特征是：所述含铌钢板组分的重量百分比为：C：0.02～0.04，Mn：0.20～2.00，Nb：0.04～0.10，Ti：0.005～0.06，S：不高于0.003，P：不高于0.020，N：不高于0.005，其余为Fe和不可避免的杂质。

2. 根据权利要求1所述含铌钢板的轧制方法，其特征是：按下列步骤进行：

(1)将钢坯加热至一个适当的温度，该温度介于1000℃和1250℃之间；

(2)在奥氏体可发生再结晶的温度区域内经一道次或多道次轧制成中间板坯，本阶段最后道次的压下率不小于15％，总压下率不小于40％；

(3)第一阶段轧制后的中间坯停留适当时间后用中间水冷装置进行喷水冷却，停留一定时间后，在奥氏体不发生再结晶的第二个温度范围，采用一个或多个道次进一步轧制所述的板材；

(4)第二阶段首道次压下量适当控制，终轧温度控制在一定的范围之内；

(5)轧后钢板采用加速冷却，冷却速度和终冷温度控制在一定范围之内。

3. 根据权利要求2所述含铌钢板的轧制方法，其特征是：第一阶段轧制后的中间坯停留不低于5秒时间后用中间水冷速度不低于1℃/秒进行喷水冷却，其后停留时间不低于5秒。

4. 根据权利要求2或3所述含铌钢板的轧制方法，其特征是：在奥氏体不发生再结晶的第二个温度范围为介于800℃至1050℃之间。

5. 根据权利要求2所述含铌钢板的轧制方法，其特征是：第二阶段首道次压下量控制在不低于18％，终轧温度控制在800℃至900℃之间范围。

6. 根据权利要求2所述含铌钢板的轧制方法，其特征是：轧后钢板采用加速冷却，冷却速度控制在4～8℃/秒，终冷温度控制在不高于550℃。

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