CN101717887B

CN101717887B - 一种基于回转奥氏体韧化的低温钢及其制备方法

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Publication number: CN101717887B
Application number: CN200910237333A
Authority: CN
Inventors: 唐荻; 蔡庆伍; 武会宾; 杨跃辉; 张坤
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2009-11-13
Filing date: 2009-11-13
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2029-11-13
Also published as: CN101717887A

Abstract

本发明是一种基于回转奥氏体韧化的低温钢及其制备方法。所述低温钢以C、Si、Mn、Mo、Ni为主要化学成分炼制而成。本发明低温钢的制备方法为：首先选取原料利用真空感应炉冶炼，浇注后缓冷至室温后送至加热炉加热，保温1h后取出进行轧制，轧制采用再结晶型和未再结晶型两阶段控轧，共经过9道次；轧后控制冷却速度和终冷温度，最终轧成15mm厚钢板，然后进行调质热处理或双淬火热处理。采用该方法制成的低温钢的组织中含有不同含量和分布状态的回转奥氏体，故能得到不同强度与低温韧性组合的产品，屈服强度和抗拉强度分别在550～710MPa和680～750MPa之间，-196℃的实验条件下的横向冲击功在150～220J之间，能够满足LNG建设所需的性能要求。

Description

一种基于回转奥氏体韧化的低温钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种基于回转奥氏体韧化的LNG用低温钢的轧制及热处理工艺。

背景技术

天然气是一种优质能源，具有燃烧热值高、污染少等优点。随着环境保护要求的不断提高，日益受到人们的重视，广泛应用于发电、汽车燃料、居民生活和工业等方面。天然气一般要经过液化，而液化天然气(LNG)的储运有着其它输送方式无法比拟的优点：首先，可以减少风险性管线建设，使远洋天然气贸易成为可能，是解决海洋、荒漠地区的天然气开发与回收的有效方法；其次，储运费用低，单位重量的液化天然气地面运输费用仅是管道运输费用的1/6～1/7。因此，大量LNG中继站及接收终端的建设已是必然趋势，LNG主要的储存装置为大型的LNG储罐，其内壳由专用钢铁材料焊接而成，由于在低于-162℃的低温下服役，因此其对钢材有着特殊的性能要求，主要包括：优良的低温韧性、较高的强度、较高的组织稳定性和焊接性能等。目前，能符合上述要求且得到广泛应用的是经过适当热处理的Ni含量在9％左右的低碳钢(9Ni钢)。

9Ni钢于1942年由美国INCO公司开发，1948年推向市场，1952年应用于液体氧容器，1956年初列入ASTM标准。70年代后期，世界上能源需求增加，由此带来的环境问题开始提上议事日程，天然气作为绿色能源逐步受到人们的重视，因此陆地上LNG储罐的需求快速增加，而从80年代开始，9Ni钢逐渐取代了Ni-Cr不锈钢，成为LNG储罐建设用钢的主材。

近年来，为了有效利用建筑面积，降低建设成本，LNG储罐的建设规模不断增加，愈来愈多地使用了厚度达50mm的极厚9Ni钢板，大大超过了以往使用的钢板厚度(30mm)。当板厚为40mm时，普通9Ni钢尚能保证使用的安全性，而超过50mm后，必然导致强度的下降，安全性降低，限制了储罐规模的进一步增加，因此必须开发厚规格的LNG建设用9Ni钢。同时，对其性能的要求也不断上升，-196℃时的横向冲击功从27J增加至80J。可见，随着应用领域的不断拓展，对9Ni钢的需求及性能要求不断增加。

目前，国际上主要的9Ni钢生产厂家均位于欧美和日本等发达国家，如：新日铁、Arcelor、Thyssenkrupp和International Steel Group等。采取的工艺路线为：采用转炉炼钢和炉外精炼，严格控制钢中的S、P含量(分别低于0.001％和0.003％)，并减少钢中的夹杂物含量，使用连铸坯进行轧制，轧后进行热处理。其研究重点为钢水成分的精确控制和轧后的热处理：通过大幅降低钢中的S、P、O、H等有害元素来改善钢的性能，并开发了多种热处理工艺，如：淬火+回火、双正火+回火、轧后直接淬火+回火和双淬火+回火等，但针对轧制工艺以及原始奥氏体晶粒度对性能的影响研究较少。由于产品规格越来越厚，传统的成分设计及生产工艺已经难以满足要求，因此需要开发新一代的9Ni钢。

从国内来看，随着石油化工等行业的发展，我国对低温钢的需求不断增加，为摆脱对国外产品的依赖，已经开展了Ni系低温钢国产化的相关工作，并成功研制了0.5Ni、1.5Ni、3.5Ni、5Ni、9Ni等Ni系低温钢，其中0.5Ni钢已经得到了大规模的推广应用，其性能已经达到或超过国外产品，可满足-60～-70℃低温设备的应用，3.5Ni钢也通过了实验室实验和工业试制，具备了良好的综合性能；而-196℃级的9Ni钢尚未实现大规模的国产化。近来，国内的一些大型钢铁企业已经开始开发国产化的9Ni钢，并取得了积极的成果。其中，太钢于90年代末开始研发9Ni钢，并于2007年通过了国家鉴定，现已开始供货；鞍钢也开发出了9Ni钢，并于2008年通过认证；另外，南钢、济钢等也积极开展了相关的研究工作，但普遍存在产品合格率低，热处理工艺不稳定等问题。因此，完全有必要对现有LNG用低温钢及其制备方法加以改进。

发明内容

本发明的目的在于针对目前存在的问题及LNG用低温钢的发展趋势，提供了一种以C、Si、Mn、Mo、Ni为主要化学成分制成的基于回转奥氏体韧化的低温钢及其制备方法。本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

本发明提出一种以C、Si、Mn、Mo、Ni为主要化学成分制成的基于回转奥氏体韧化的低温钢。该低温钢的化学成分质量百分含量为：C：0.02％～0.04％、Si：0.05％～0.15％、Mn：0.5％～0.8％、Mo：0.07～0.1％、Ni：8.5～9.5％、P：≤0.01％、S：≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质。

最优选地，该钢的化学成分质量百分含量为：C：0.036％，Si：0.10％，Mn：0.70％，Ni：9.02％，Mo：0.096％，P：0.0068％，S：0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。

所述基于回转奥氏体韧化的低温钢所选取的合金元素在钢中的主要作用在于：

C：碳对钢的强度、韧性和焊接性能都有重要的影响，当碳含量降到0.05％以下时，过冷奥氏体在以超过5℃/s的冷速冷却过程中，不再发生奥氏体向铁素体与渗碳体的两相分解，由于无渗碳体生成，使钢的韧性提高。同时，碳含量的降低，使钢的可焊性提高。

Mn：钢中的Mn主要起固溶强化的作用，同时适当提高Mn/C和Mn/S有利于韧性的改善，因此本发明将Mn作为主要的合金元素。

Si：降低硅含量，减少钢中M/A的形成，可以提高低温钢的低温韧性。

Mo：考虑到Mo在提高淬火性的同时还能有助于减小回火脆化敏感性，因此加入了少量的Mo元素。

S、P：S和P是钢中的有害元素，故严格控制钢中P、S的含量，减少钢板产生裂纹的倾向。

本发明的另一个目的还在于提供一种所述基于回转奥氏体韧化的低温钢的制备方法，其具体制备步骤如下：

步骤1.原料的选取和计量：设计基于回转奥氏体韧化的低温钢的化学成分质量百分含量为：C：0.02％～0.04％、Si：0.05％～0.15％、Mn：0.5％～0.8％、Mo：0.07～0.1％、Ni：8.5～9.5％、P：≤0.01％、S：≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质。

步骤2：炼钢：利用真空感应炉冶炼，浇注后缓冷至室温，再将钢坯加热至1200～1220℃左右，保温1h后取出进行轧制。

步骤3：轧制：轧制工艺采用两阶段控轧，其中，粗轧在奥氏体完全再结晶区轧制，开轧温度为1150℃，终轧温度控制在980℃，道次压下率不低于20％；精轧在奥氏体未再结晶区轧制，开轧温度900℃，终轧温度控制在800℃，道次压下率不低于10％，轧后快冷至400℃左右，此后进行空冷，最终轧成15mm厚钢板。其具体压下规程为：100mm-77mm，77mm-60mm，60mm-47mm，47mm-37mm，37mm-29mm，29mm-24mm，24mm-20mm，20mm-17mm，17mm-15mm，共经过9道次轧制，前4道为粗轧，后5道为精轧。

步骤4：热处理：主要采用固溶淬火、两相区淬火加回火的双淬火热处理工艺或淬火加回火的调质热处理工艺。所述双淬火热处理工艺包括：固溶淬火，两相区淬火及回火工艺三个步骤，其中，固溶淬火工艺为800℃保温1h，水冷；两相区淬火工艺为700℃保温0.5h～1h或650℃保温1h，水冷，回火工艺为570～600℃保温0.5h～1.5h，水冷。调质热处理工艺具体为：固溶淬火工艺为800℃保温1h，水冷，回火工艺为570℃保温1h，水冷。

步骤5：低温韧性的检测：从经过热处理的钢板上切取标准冲击样品，横向取样，检测其在-196℃时的冲击功。

经研究表明，当采用双淬火工艺时得到的组织为板条马氏体以及不同含量的回转奥氏体的混合组织；两相区淬火温度为650℃时，组织中还有少量的铁素体。采用调质热处理工艺时，最终组织为板条马氏体，外加5％左右的回转奥氏体。当采用双淬火工艺后，回转奥氏体不但在原始奥氏体晶界和马氏体板条束界析出，而且也在晶粒内部形核长大，充分发挥了其韧化效果。

附图说明

图1为实施例1经过调质处理后的组织；

图2为实施例2经过双淬火工艺的组织；

图3为实施例3经过双淬火工艺的组织；

图4为实施例4经过双淬火工艺的组织；

图5为实施例5经过双淬火工艺的组织；

图6为实施例6经过双淬火工艺的组织；

图7为实施例1经调质处理后回转奥氏体在钢中的分布状况；

图8为实施例2经双淬火处理后回转奥氏体在钢的分布；

图9为实施例3经双淬火处理后回转奥氏体在钢的分布；

图10为实施例4经双淬火处理后回转奥氏体在钢的分布；

图11为实施例5经双淬火处理后回转奥氏体在钢的分布；

图12为实施例6经双淬火处理后回转奥氏体在钢的分布。

具体实施方式

本发明涉及一种基于回转奥氏体韧化的低温钢的制备方法，其工艺包括：

选取钢的化学成分质量百分含量为C：0.02％～0.04％、Si：0.05％～0.15％、Mn：0.5％～0.8％、Mo：0.07～0.1％、Ni：8.5～9.5％、P：≤0.01％、S：≤0.005％，余量为Fe及不可避免的杂质；利用真空感应炉冶炼进行炼钢，浇注后缓冷至室温，送至加热炉。加热温度为1200～1220℃，保温1h后取出进行轧制，轧制采用两阶段控轧，共经过9道次，前4道为粗轧，后5道为精轧。粗轧在奥氏体完全再结晶区轧制，开轧温度为1150℃，终轧温度控制在980℃；精轧在奥氏体未再结晶区轧制，开轧温度900℃，终轧温度控制在800℃，轧后控制冷却速度和终冷温度，终冷温度为400℃左右，此后进行空冷，最终轧成15mm厚钢板，然后进行调质热处理或双淬火热处理。从经过热处理后的钢板上切取标准冲击样品，横向取样，检测-196℃下的冲击功。

实施例1

选取钢的化学成分质量百分含量为：C 0.036％，Si 0.10％，Mn0.70％，Ni 9.02％，Mo 0.096％，P 0.0068％，S 0.005％，余量为Fe及不可避免的杂质。利用真空感应炉冶炼进行炼钢，浇注后缓冷至室温，送至加热炉。加热温度为1200～1220℃，保温1h后取出进行轧制，轧制采用两阶段控轧，共经过9道次，前4道为粗轧，后5道为精轧。粗轧在奥氏体完全再结晶区轧制，开轧温度为1150℃，终轧温度控制在980℃；精轧在奥氏体未再结晶区轧制，开轧温度900℃，终轧温度控制在800℃，轧后控制冷却速度和终冷温度，终冷温度为400℃左右，此后进行空冷，最终轧成15mm厚钢板，然后进行调质热处理，固溶淬火工艺为800℃保温1h，水冷，回火工艺为570℃保温1h，水冷。从经过热处理的钢板上切取标准冲击样品，横向取样，检测其在-196℃时的冲击功。

如图1、图7所示：经检测，采用调质处理时钢板的屈服强度为715MPa，抗拉强度为750MPa，断后延伸率23％，-196℃时的冲击功为165J，组织为板条马氏体和4.47％的回转奥氏体，回转奥氏体分布在原始奥氏体晶界或马氏体板条束界。

实施例2

原料的选取、炼钢、轧制及检测步骤与实施例1中相同，区别于实施例1的是其热处理工艺采用双淬火工艺，固溶淬火工艺为800℃保温1h，水冷；两相区淬火工艺为650℃保温1h，水冷，回火工艺为570℃保温1h，水冷。

如图2、图8所示：经检测，采用上述双淬火工艺时：屈服强度为645MPa，抗拉强度为700MPa，断后延伸率25％，-196℃时的冲击功为177J，组织为板条马氏体、铁素体和10.15％的回转奥氏体。

实施例3

原料的选取、炼钢、轧制及检测步骤与实施例1中相同，区别于实施例1的是其热处理工艺采用双淬火工艺，固溶淬火工艺为800℃保温1h，水冷；两相区淬火工艺为700℃保温0.5h，水冷，回火工艺为570℃保温1h，水冷。

如图3、图9所示：经检测，采用上述双淬火工艺时：屈服强度为640MPa，抗拉强度为695MPa，断后延伸率25％，-196℃时的冲击功为180J，组织为板条马氏体和4.36％的回转奥氏体。

实施例4

原料的选取、炼钢、轧制及检测步骤与实施例1中相同，区别于实施例1的是其热处理工艺采用双淬火工艺，固溶淬火工艺为800℃保温1h，水冷；两相区淬火工艺为700℃保温1h，水冷，回火工艺为570℃保温0.5h，水冷。

如图4、图10所示：经检测，采用上述双淬火工艺时：屈服强度为635MPa，抗拉强度为685MPa，断后延伸率27％，-196℃时的冲击功为187J，组织为板条马氏体和3.48％的回转奥氏体。

实施例5

原料的选取、炼钢、轧制及检测步骤与实施例1中相同，区别于实施例1的是其热处理工艺采用双淬火工艺，固溶淬火工艺为800℃保温1h，水冷；两相区淬火工艺为700℃保温1h，水冷，回火工艺为600℃保温1h，水冷。

如图5、图11所示：经检测，采用上述双淬火工艺时：屈服强度为550MPa，抗拉强度为715MPa，断后延伸率28％，-196℃时的冲击功为220J，组织为板条马氏体和14％的回转奥氏体。

实施例6

原料的选取、炼钢、轧制及检测步骤与实施例1中相同，区别于实施例1的是其热处理工艺采用双淬火工艺，固溶淬火工艺为800℃保温1h，水冷；两相区淬火工艺为700℃保温1h，水冷，回火工艺为570℃保温1.5h，水冷。

如图6、图12所示：经检测，采用上述双淬火工艺时：屈服强度为605MPa，抗拉强度为665MPa，断后延伸率30％，-196℃时的冲击功为178J，组织为板条马氏体和9.74％的回转奥氏体。

上述实施实例中，采用双淬火工艺后，回转奥氏体不但在原始奥氏体晶界和马氏体板条束界析出，而且也在晶粒内部形核长大，充分发挥了其韧化效果。本发明可根据现场生产节奏采用不同的工艺参数，调整热处理工艺。

Claims

1.一种基于回转奥氏体韧化的低温钢，以C、Si、Mn、Mo、Ni为主要化学成分制成，其特征在于：所述低温钢的化学成分质量百分含量为：C：0.02％～0.04％、Si：0.05％～0.15％、Mn：0.5％～0.8％、Mo：0.07～0.1％、Ni：8.5～9.5％、P：≤0.01％、S：≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质；

所述的基于回转奥氏体韧化的低温钢的制备方法包括以下步骤：

步骤1.原料的选取和计量：设计基于回转奥氏体韧化的低温钢的化学成分质量百分含量为：C：0.02％～0.04％、Si：0.05％～0.15％、Mn：0.5％～0.8％、Mo：0.07～0.1％、Ni：8.5～9.5％、P：≤0.01％、S：≤0.005％，其余为Fe和不可避免的杂质；

步骤2：炼钢：利用真空感应炉冶炼，浇注后缓冷至室温，再将钢坯加热至1200～1220℃左右，保温1h后取出进行轧制；

步骤3：轧制：轧制工艺采用两阶段控轧，其中，粗轧在奥氏体完全再结晶区轧制，开轧温度为1150℃，终轧温度控制在980℃，道次压下率不低于20％；精轧在奥氏体未再结晶区轧制，开轧温度900℃，终轧温度控制在800℃，道次压下率不低于10％，轧后快冷至400℃左右，然后进行空冷，最终轧成15mm厚钢板；

步骤4：热处理：采用双淬火热处理工艺或调质热处理工艺；所述双淬火热处理工艺包括：固溶淬火，两相区淬火加回火工艺三个步骤，其中，固溶淬火工艺为800℃保温1h，水冷；两相区淬火工艺为700℃保温0.5～1h或650℃保温1h，水冷，回火工艺为570～600℃保温0.5h～1.5h，水冷；所述调质热处理工艺包括：固溶淬火加回火两个步骤，其中，固溶淬火工艺为800℃保温1h，水冷；回火工艺为570℃保温1h，水冷；

2.根据权利要求1所述的一种基于回转奥氏体韧化的低温钢，其特征在于：所述步骤3中的轧制共经过9道次，前4道为粗轧，后5道为精轧，其具体压下规程为：100mm-77mm，77mm-60mm，60mm-47mm，47mm-37mm，37mm-29mm，29mm-24mm，24mm-20mm，20mm-17mm，17mm-15mm。