CN101545077A

CN101545077A - 一种低温用钢及其制造方法

Info

Publication number: CN101545077A
Application number: CN200810035029A
Authority: CN
Inventors: 刘自成
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2008-03-24
Filing date: 2008-03-24
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2028-03-24
Also published as: CN101545077B

Abstract

本发明公开了一种低温用钢及其制造方法，其化学成分的重量百分配比为：C：0.060％～0.090％，Si：≤0.20％，Mn：1.10％～1.50％，P：≤0.015％，S：≤0.003％，Als：0.040％～0.070％，Cu：0.05％～0.45％，Ni：0.05～0.35％，Cr：0.05％～0.30％，Ti：0.007％～0.011％，Nb：0.007％～0.020％，N：≤0.0040％，Ca：0.001％～0.005％，其余为Fe和不可避免的夹杂。并提供了制造工艺步骤：使钢板能够获得优异的低温韧性，而且钢板可以承受大线能量焊接。本发明能够广泛用于石油天然气管线、低温储气罐体LPG、LNG的低温钢板。

Description

一种低温用钢及其制造方法

技术领域

本发明涉及低温用钢板，特别属于可承受大线能量焊接的钢板及其制造工艺，主要用于LPG低温储罐和冰海区域海洋平台的制造用材。

背景技术

众所周知，低碳(高强度)低合金钢是最重要工程结构材料之一，广泛应用于石油天然气管线、海洋平台、船舶制造、桥梁结构、锅炉压力容器、建筑结构、汽车工业、铁路运输及机械制造之中。低碳(高强度)低合金钢性能取决于其化学成分、制造过程的工艺制度，其中强度、韧性和焊接性是低碳(高强度)低合金钢最重要的性能，它最终决定于成品钢材的显微组织状态。随着科技不断地向前发展，人们对钢的强韧性、焊接性提出更高的要求，即在维持较低制造成本的同时大幅度地提高钢板的综合机械性能和使用性能，以减少钢材的用量而节约成本，减轻钢构件自身重量、稳定性和安全性。目前世界范围内掀起了发展新一代高性能钢铁材料的研究高潮，通过合金组合设计、革新控轧/TMCP技术及热处理工艺获得更好的显微组织匹配，从而使钢板得到更高的强度韧性匹配、抗HIC及SCC性能、更优良的焊接性。

现有制造—80℃的低温横向冲击韧性(单个值)≥120J的厚钢板时，一般要在钢中添加一定量的贵重合金元素Ni，以确保母材钢板具有优异的低温韧性；但是采用大线能量焊接时，焊接热影响区(HAZ)低温韧性发生比较严重的劣化，热影响区(HAZ)的低温韧脆转变温度一般比较难以达到-80℃【EP0288054A2、US Patent 4851052、EP 0839921A1】；大量专利文献只是说明如何实现母材钢板的低温韧性，对于如何在焊接条件下，获得优良的热影响区(HAZ)低温韧性说明得较少，尤其采用大线能量焊接时如何保证热影响区(HAZ)的低温韧性少之又少【昭63—93845、昭63—79921、昭60—258410、特平开4—285119、特平开4—308035、平3—264614、平2—250917、平4—143246、US Patent4855106、US Patent5183198、US Patent4137104】。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种低温用钢及其制造方法。它能够获得极高的超低温韧性，优良的抗HIC/SCC及焊接性，而且钢板可承受大线能量焊接。

本发明构思是：低温钢板是厚板产品中难度最大的品种之一，其原因是该类钢板不仅要求具有极高的超低温韧性、优良的焊接性、抗HIC及SCC性能，而且还要具有优良的抗焊接再热裂纹性能及可经受大线能量焊接性能；因此在关键技术路线和成分工艺设计上，综合了影响钢板超低温韧性、抗HIC/SCC、抗焊接再热裂纹敏感性及可大线能量焊接性的因素，创造性地采用低C—中Mn—低N—微Nb合金化—超微Ti处理低合金钢的成分体系作为基础，适当提高钢中酸溶Als含量并控制其范围、控制无因次Ni当量≥0.50及(Mn当量)/C≥15、少量的(Cu+Ni+Cr)合金化、Ca处理且Ca/S比控制在1.0～3.0之间及(％Ca)×(％S)^0.28≤1.0×10^-3，优化控轧及后续热处理工艺，获得极高的超低温韧性，优良的抗HIC/SCC及焊接性，而且钢板可承受大线能量焊接。

为解决上述技术问题，本发明的一种低温用钢，其化学成分的重量百分配比为：C：0.060％～0.090％，Si：≤0.20％，Mn：1.10％～1.50％，P：≤0.015％，S：≤0.003％，Als：0.040％～0.070％，Cu：0.05％～0.45％，Ni：0.05～0.35％，Cr：0.05％～0.30％，Ti：0.007％～0.011％，Nb：0.007％～0.020％，N：≤0.0040％，Ca：0.001％～0.005％，其余为Fe和不可避免的夹杂，且：

(Mn当量)/C≥15，以保证钢板晶粒均匀细小且在—80℃下夏比冲击试样断口纤维率至少高于50％；其中Mn当量＝(％Mn)+0.915(％Ni)+0.283(％Cu)+0.374(％Cr)—0.785(％Si)；

无因次Ni当量≥0.50，以降低在超低温下铁素体位错1/2<111>(110)运动的P—N阻力，确保—80℃下铁素体1/2<111>(110)位错具有较高的可动性，改善钢板的超低温韧性，根据试验研究并结合第一原理分析得出：无因次Ni当量＝(％Ni)+[％Cu—2.112(％Cu)²]+[％Cr—2.834(％Cr)²]+[1.574(％Mn)—(％Mn)2]—1.017(％Si)；

Ti/N在2.0～4.0之间、Als≥10[(％N_total)—0.292(％Ti)]，以确保钢板可承受大线能量焊接，HAZ低温韧性优良；

Ni/Cu≥1.0及Ca/S在1.0～3.0之间且(％Ca)×(％S)^0.28≤1.0×10^-3，以保证钢板具有优良的抗HIC和SCC性能。

碳0.06％～0.09％：从改善钢板的低温冲击韧性及焊接性角度，希望钢中C含量比较低为宜；但从钢板的强度，更重要的从热轧过程和正火过程的显微组织控制角度，C含量不宜过低，过低C含量导致奥氏体晶界迁移率高，这给热轧和正火的均匀细化组织带来较大问题，易形成混晶组织，同时过低C含量还造成晶界结合力降低，导致钢板低温冲击韧性低下、焊接热影响区低温冲击韧性劣化。

硅≤0.20％：Si促进钢水脱氧并能够提高钢板强度，但是采用Al脱氧的钢水，Si的脱氧作用不大，Si虽然能够提高钢板的强度，但是Si严重损害钢板的低温韧性和焊接性，尤其在大线能量焊接条件下，Si不仅促进M—A岛形成，而且形成的M—A岛尺寸大、分布不均匀，严重损害焊接热影响区(HAZ)的低温韧性和抗疲劳性能，因此钢中的Si含量应尽可能控制得低，考虑到炼钢过程的经济性和可操作性。

锰1.10％～1.50％：Mn作为合金元素在钢板中除提高强度和改善韧性外，还具有扩大奥氏体相区，降低Ac₁、Ac₃、Ar₁、Ar₃点温度，细化铁素体晶粒之作用；加入过多Mn会增加钢板内部偏析程度，降低钢板力学性能的均匀性和低温韧性；并且提高钢板的淬硬性，影响钢板大线能量焊接性。而小线能量焊接时，焊接热影响区易形成脆硬组织如马氏体、上贝氏体。

磷≤0.015％：P作为钢中有害夹杂对钢板的低温冲击韧性和焊接性具有巨大的损害作用；理论上要求越低越好，考虑到炼钢条件、炼钢成本和炼钢厂的物流顺畅原则，要求P控制此含量。

硫≤0.003％：S作为钢中有害夹杂对钢板的低温韧性(尤其横向低温韧性)损害作用很大，更重要的是S在钢中与Mn结合，形成MnS夹杂物，在热轧过程中，MnS的可塑性使MnS沿轧向延伸，形成沿轧向MnS夹杂物带，严重损害钢板的横向低温冲击韧性、Z向性能和焊接性，同时S还是热轧过程中产生热脆性的主要元素；理论上要求越低越好，但考虑到炼钢条件、炼钢成本和炼钢厂的物流顺畅原则，要求S控制此含量。

铜0.05％～0.45％：作为奥氏体稳定化元素，加入少量的Cu可以同时提高钢板强度和低酸度环境下抗HIC性，改善低温韧性而不损害其焊接性；但加入过多的Cu(≥0.45％)时，在热轧和正火处理过程中，将发生细小弥散的ε-Cu沉淀(Cu在铁素体中固溶度约0.45％左右)，损害钢板的低温韧性，同时还可能造成铜脆；但如果加入Cu含量过少(<0.05％)，对提高强度、韧性及低酸度下抗HIC无效。

铬0.05％～0.30％：作为铁素体稳定化元素，加入少量的Cr(≤0.30％)可以在不损害钢板的低温韧性和焊接性条件下，提高其强度；可采用Cr替代部分C，降低钢板的C含量，在不降低强度条件下，改善钢板的低温韧性和焊接性；因此低温用钢Cr合金化不可缺。但如果加入Cr含量过少(<0.05％)，对提高强度无效。

镍0.05～0.35％：Ni是钢板获得优良超低温韧性不可缺少的合金元素；同时钢中加Ni还可以降低铜脆发生，减轻热轧过程的开裂。因此从理论上讲，钢中Ni含量在一定范围内越高越好，但是Ni是一种很贵的合金元素，从低成本批量生产角度，适宜的加入量为0.05％～0.35％，远低于传统的低温用钢的Ni含量，且较低的Ni含量有助于提高钢板抗SCC和回火脆化，这也是本发明采用低Ni含量生产低温用钢的技术特色。

氮≤0.0040％：N的控制范围与Ti的控制范围相对应，对于大线能量焊接钢板，Ti/N在2.0～4.0之间最佳。N含量过低，生成TiN粒子数量少、尺寸大，不能起到改善钢的焊接性的作用，反而对焊接性有害；但是N含量过高时，钢中自由[N]增加，尤其大线能量焊接条件下热影响区(HAZ)自由[N]含量急剧增加，严重损害HAZ低温韧性，恶化钢的焊接性。

钛0.007％～0.011％：钢中加入微量的Ti目的是与钢中N结合，生成稳定性很高的TiN粒子，抑制焊接HAZ区奥氏体晶粒长大和改变二次相变产物，改善大线能量焊接HAZ的低温韧性。钢中添加的Ti含量要与钢中的N含量匹配，匹配的原则是TiN不能在液态钢水中析出而必须在固相中析出；因此TiN的析出温度必须确保低于1400℃，根据log[Ti][N]＝—16192/T+4.72可以确定Ti的加入量。当加入Ti含量过少(<0.007％)，形成TiN粒子数量不足，不足以抑制HAZ的奥氏体晶粒长大和改变二次相变产物而改善大线能量焊接HAZ的低温韧性；加入Ti含量过多(>0.012％)时，TiN析出温度超过1400℃，部分TiN颗粒在钢液凝固过程中析出大尺寸的TiN粒子，这种大尺寸TiN粒子不但不能抑制HAZ的奥氏体晶粒长大，反而成为裂纹萌生的起始点；因此Ti含量的最佳控制范围为0.007％～0.011％。

酸溶铝(Als)0.040％～0.070％：钢板中的Als能够固定钢中的自由[N]，降低焊接热影响区(HAZ)自由[N]，促进铁素体在焊接冷却循环中析出(先期析出的AlN可作为铁素体的形核位置，细化HAZ的显微组织)，改善大线能量焊接HAZ的低温冲击韧性作用；但钢中加入过量的Als不但会在钢中形成大量弥散的针状Al₂O₃夹杂物，损害钢板低温冲击韧性和焊接性，根据钢板成分体系分析，最佳Als含量控制在0.040％～0.070％之间。

铌0.007％～0.020％：钢中添加微量的Nb元素目的是进行未再结晶控制轧制，当Nb添加量低于0.007％时，不能有效发挥的未再结晶控轧作用；当Nb添加量超过0.020％时，大线能量焊接条件下诱发上贝氏体(Bu)形成和Nb(C，N)二次析出脆化作用，严重损害大线能量焊接热影响区(HAZ)的低温韧性，因此Nb含量控制在0.007％～0.020％之间，获得最佳的控轧效果及均匀细小的显微组织的同时，又不损害大线能量焊接HAZ的韧性。

钙0.001％～0.005％：对钢进行Ca处理，一方面可以纯净钢液，另一方面对钢中硫化物进行变性处理，使之变成不可变形的、稳定细小的球状硫化物，抑制S的热脆性、提高钢板冲击韧性和Z向性能、改善钢板冲击韧性的各向异性。Ca加入量的多少，取决于钢中S含量的高低，Ca加入量过低，处理效果不大；Ca加入量过高，形成Ca(O，S)尺寸过大，脆性也增大，可成为断裂裂纹起始点，降低钢的低温韧性，同时还降低钢质纯净度、污染钢液。一般控制Ca含量按ACR＝(wt％Ca)[1-1.24(wt％O)]/1.25(wt％S)，其中ACR为硫化物夹杂形状控制指数，取值范围1.0～3.0之间为宜。

一种低温用钢的制造方法，其包含以下步骤：

(1)按照上述的化学成份重量百分配比，C：0.060％～0.090％，Si：≤0.20％，Mn：1.10％～1.50％，P：≤0.015％，S：≤0.003％，Als：0.040％～0.070％，Cu：0.05％～0.45％，Ni：0.05～0.35％，Cr：0.05％～0.30％，Ti：0.007％～0.011％，Nb：0.007％～0.020％，N：≤0.0040％，Ca：0.001％～0.005％，其余为Fe和不可避免的夹杂，且：

(Mn当量)/C≥15，其中，Mn当量＝(％Mn)+0.915(％Ni)+0.283(％Cu)+0.374(％Cr)—0.785(％Si)；

无因次Ni当量≥0.50，其中，无因次Ni当量＝(％Ni)+[％Cu—2.112(％Cu)²]+[％Cr—2.834(％Cr)²]+[1.574(％Mn)—(％Mn)²]—1.017(％Si)；

Ti/N为2.0～4.0；

Als≥10[(％N_total)—0.292(％Ti)]；

Ni/Cu≥1.0；

Ca/S为1.0～3.0，且(％Ca)×(％S)^0.28≤1.0×10^-3。

(2)铁水深度脱硫，转炉冶炼，喂Si—Ca丝，连铸轻压下后成板坯，连铸的中间包浇铸温度为1535℃～1555℃；

(3)板坯下线精整，板坯定尺火切；

(4)板坯加热，温度为1050℃～1150℃；板坯出炉后高压水除鳞；

(5)第一阶段轧制，板坯粗轧：采用8％～20％的道次压下率进行连续轧制，确保形变金属发生动态/静态再结晶，细化奥氏体晶粒，上述技术为常规技术，在此不再详述；

(6)第二阶段轧制，热机轧制：采用未再结晶控制轧制，开轧温度780～820℃，轧制道次压下率≥8％，未再结晶区累计压下率≥60％，终轧温度760～800℃；

(7)钢板堆缓冷或坑缓冷；

(8)探伤；

(9)钢板切边、切头尾；粗抛丸去钢板表面氧化皮；

(10)正火热处理，正火温度880～920℃，正火后自然空冷到室温；

所述的步骤(2)连铸轻压下率控制范围为3％～7％。

所述的步骤(10)正火时间取1.0～2.0min/mm×钢板厚度t。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：由于采用的化学成分配比和采取的工艺，综合了影响钢板超低温韧性、抗HIC及SCC、抗焊接再热裂纹敏感性及可大线能量焊接性的因素。采用了低C—中Mn—低N—微Nb合金化—超微Ti处理低合金钢的成分体系，提高了钢中酸溶Als含量并控制其范围、控制无因次Ni当量≥0.50及(Mn当量)/C≥15、少量(Cu+Ni+Cr)合金化、Ca处理且Ca/S比在1.0～3.0之间及(％Ca)×(％S)^0.28≤1.0×10^-3，优化控轧及后续热处理工艺，获得极高的超低温韧性(—80℃及以下)，优良的抗HIC、SCC及焊接性，而且钢板可承受大线能量焊接，特别适宜于用作制造LPG低温储罐和冰海区域海洋平台，并且能够实现低成本稳定批量工业化生产。采用低Ni含量生产低温用钢，降低贵重资源消耗，降低制造成本，缩短了制造周期。同时还消除了大量含Ni的废钢回收的困难，实现制造过程的绿色环保，并且低Ni含量有助于提高钢板抗SCC和回火脆化。

附图说明

图1是本发明C的钢板显微组织(×800)示意图。

具体实施方式

以下用表1、2、3三个表格的形式，说明6个实施例A-F的钢板化学成分的重量配比、工艺参数及钢板机械性能。

表1 化学成分

钢样	C(％)	Si(％)	Mn(％)	P(％)	S(％)	Al_s(％)	N(％)	Ti(％)	Nb(％)	Cr(％)	Cu(％)	Ni(％)	Ca(％)	Mn当量/C	无因次Ni当量
钢样	C(％)	Si(％)	Mn(％)	P(％)	S(％)	Al_s(％)	N(％)	Ti(％)	Nb(％)	Cr(％)	Cu(％)	Ni(％)	Ca(％)	Mn当量/C	无因次Ni当量	钢板A	0.060	0.14	1.45	0.011	0.0027	0.053	0.0035	0.011	0.017	0.10	0.15	0.33	0.0036	28.7	0.542
钢板B	0.085	0.10	1.20	0.010	0.0015	0.065	0.0036	0.009	0.010	0.06	0.40	0.23	0.0026	17.3	0.689	钢板A	0.060	0.14	1.45	0.011	0.0027	0.053	0.0035	0.011	0.017	0.10	0.15	0.33	0.0036	28.7	0.542
钢板B	0.085	0.10	1.20	0.010	0.0015	0.065	0.0036	0.009	0.010	0.06	0.40	0.23	0.0026	17.3	0.689	钢板C	0.070	0.18	1.15	0.009	0.0011	0.043	0.0021	0.007	0.013	0.26	0.10	0.07	0.0031	17.1	0.522
钢板D	0.080	0.06	1.35	0.008	0.0014	0.050	0.0028	0.010	0.008	0.12	0.25	0.28	0.0015	20.9	0.719	钢板C	0.070	0.18	1.15	0.009	0.0011	0.043	0.0021	0.007	0.013	0.26	0.10	0.07	0.0031	17.1	0.522
钢板D	0.080	0.06	1.35	0.008	0.0014	0.050	0.0028	0.010	0.008	0.12	0.25	0.28	0.0015	20.9	0.719	钢板E	0.065	0.16	1.24	0.007	0.0018	0.067	0.0034	0.009	0.010	0.06	0.07	0.15	0.0022	19.9	0.511

钢板F

0.087

0.08

1.12

0.014

0.0025

0.061

0.0023

0.008

0.015

0.21

0.15

0.0034

15.1

0.765

Mn当量＝(％Mn)+0.915(％Ni)+0.283(％Cu)+0.374(％Cr)—0.785(％Si)无因次Ni当量＝(％Ni)+[％Cu—2.112(％Cu)²]+[％Cr—2.834(％Cr)²]+[1.574(％Mn)—(％Mn)²]—1.017(％Si)

表2 制造工艺

表3 钢板性能

上述实施例A-F钢板通过合理化学成分配比，未再结晶控轧、热处理工艺相结合，钢板即可获得极其优异的超低温冲击韧性(—80℃及以下)的钢板组织是均匀细小的等轴铁素体+少量弥散分布的珠光体。如图1所示，为钢板C的显微组织，而且钢板可以承受大线能量焊接。

Claims

1.一种低温用钢，其特征在于化学成分的重量百分配比为：C：0.060％～0.090％，Si：≤0.20％，Mn：1.10％～1.50％，P：≤0.015％，S：≤0.003％，Als：0.040％～0.070％，Cu：0.05％～0.45％，Ni：0.05～0.35％，Cr：0.05％～0.30％，Ti：0.007％～0.011％，Nb：0.007％～0.020％，N：≤0.0040％，Ca：0.001％～0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质，且：

Ti/N为2.0～4.0；

Als≥10[(％N_total)—0.292(％Ti)]；

Ni/Cu≥1.0；

Ca/S为1.0～3.0，且(％Ca)×(％S)^0.28≤1.0×10^-3。

2.一种低温用钢的制造方法，其特征在于包含以下步骤：

(1)按照上述的化学成份重量百分配比，C：0.060％～0.090％，Si：≤0.20％，Mn：1.10％～1.50％，P：≤0.015％，S：≤0.003％，Als：0.040％～0.070％，Cu：0.05％～0.45％，Ni：0.05～0.35％，Cr：0.05％～0.30％，Ti：0.007％～0.011％，Nb：0.007％～0.020％，N：≤0.0040％，Ca：0.001％～0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质；且(Mn当量)/C≥15，其中，Mn当量＝(％Mn)+0.915(％Ni)+0.283(％Cu)+0.374(％Cr)—0.785(％Si)；无因次Ni当量≥0.50，其中，无因次Ni当量＝(％Ni)+[％Cu—2.112(％Cu)²]+[％Cr—2.834(％Cr)²]+[1.574(％Mn)—(％Mn)²]—1.017(％Si)；Ti/N为2.0～4.0；Als≥10[(％N_total)—0.292(％Ti)]；Ni/Cu≥1.0；Ca/S为1.0～3.0，且(％Ca)×(％S)^0.28≤1.0×10^-3；

(3)板坯下线精整，板坯定尺火切；

(4)板坯加热，温度为1050℃～1150℃，板坯出炉后高压水除鳞；

(5)第一阶段轧制，板坯粗轧：采用8％～20％的道次压下率进行连续轧制，确保形变金属发生动态/静态再结晶，细化奥氏体晶粒；

(7)钢板堆缓冷或坑缓冷；

(8)探伤；

(9)钢板切边、切头尾；粗抛丸去钢板表面氧化皮；

(10)正火热处理，正火温度880～920℃，正火后自然空冷到室温。

3.如权利要求2所述的低温用钢的制造方法，其特征在于所述的步骤(2)连铸轻压下率控制范围为3％～7％。

4.如权利要求2所述的低温用钢的制造方法，其特征在于所述的步骤(10)正火时间取1.0～2.0min/mm×钢板厚度t。