CN102330031B - 一种高韧性-130℃低温钢的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种高韧性-130℃低温钢的制造方法，本发明属低合金钢制造领域。本发明的化学成分按重量百分比由以下组成，C：≤0.12、Si：0.10～0.35、Mn：0.30～1.00、P：≤0.015、S：≤0.005、Ni：4.70～5.30、Al：0.005～0.10，此外还含有Nb：≤0.040、V：≤0.060、Cr：≤0.25、Mo：≤0.50、Zr≤0.050、RE≤0.020中的一种或一种以上，余量为Fe。本发明钢的生产工艺采用一次淬火＋回火或两次淬火＋一次回火热处理工艺，组织稳定，具有稳定且优良的-130℃低温韧性，具有良好的适应性，工艺简单，成本低廉，利于推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种高韧性-130℃低温钢的制造方法，属低合金钢制造领域。
背景技术
在本发明前，中国专利申请号200810035029公开了“一种低温用钢及其制造方法”，ωNi 含量范围为0.05～0.35%，具有优异低温韧性和大线能量焊接性能，用于制造石油天然气管线、低温储气罐体；中国专利申请号200710113574和200610007960分别公开的“一种低温压力容器用钢板及其生产方法”和“一种低温高强度、高韧性钢及其制造方法”,所涉及钢ωNi 含量范围分别为0.10～0.35%、1.00～1.40%，低温冲击试验温度分别为-40℃、-60℃；申请号为200710062013.1的“一种生产低温高韧性钢及其钢板的方法”专利涉及9Ni钢，低温冲击试验温度可达-196℃。又有如日本专利JP59013050涉及破冰船体用2.5Ni低温高韧性铸钢及生产工艺，低温冲击试验温度为-75℃，日本专利JP2007239090涉及一种ωNi≤2.0%的具有优异低温韧性和超高热输入能量焊接热影响区韧性的厚钢板，这两个专利涉及钢的Ni含量都低于本案。
5Ni低温钢广泛应用于石油化工和空分制氧设备等方面，一套300kt/a乙烯装置中有各种低温设备58台，需要低温钢约2000吨，110kt/a尿素等中型化肥厂需要各种低温钢材（包括钢板、钢管、锻件、焊材）约1000吨。随着我国石油化工工业的迅猛发展，石油化工装置的规模在不断地扩大，对5Ni低温钢的需求量巨大。
5Ni低温钢因其强度高、低温韧性优异，成本比相应温度级别的Cr-Ni不锈钢低，在美国、日本等发达国家逐渐被广泛采用。5Ni低温钢在我国目前只是制订了相关产品标准，批量性生产还是空白，相关工程用钢一直依赖进口。因此，进行5Ni 低温钢的研发可以填补我国相关产品的空白，结束该产品长期依赖进口受制于人的不利局面，并且有助于我国能源战略储备体系的建立，具有良好的市场前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种高韧性-130℃低温钢的制造方法，能克服已有技术之不足，还提高了低温韧性储备；采用可行的生产工艺，适合大生产操作，获得稳定而且优良的-130℃低温韧性。
所述目的是通过如下方案实现的：
一种高韧性-130℃低温钢，是由下述重量百分比的成分组成：C≤0.12、Si0.10～0.35、Mn0.30～1.00、P≤0.015、S≤0.005、Ni:4.70～5.30、Al0.005～0.10，此外还含有Nb≤0.040、V≤0.060、Cr≤0.25、Mo≤0.50、Zr≤0.050、RE≤0.020中的一种或一种以上，余量为Fe及不可避免的杂质。
在上述成分中，优选采用下述重量比例的一种或多种成分：C0.033～0.064，Si 0.13～0.19，Mn 0.49～0.73，P 0.005，S 0.003，Ni 4.82～5.04，Al 0.017～0.041，Nb 0.017，Cr 0.15。
还可以优选采用下述重量比例的一种或多种成分：C 0.056～0.115，Si 0.16～0.33，Mn 0.37～0.62，P 0.008，S 0.004，Ni 4.91～5.25， Al 0.011～0.036，Zr 0.009，RE 0.0002。
以下详述本发明中C、Si、Mn、P、S、Ni、A1、Nb、V、Cr、Mo、Zr、RE限定量的理由。
C在钢中以间隙原子存在，能非常有效地提高钢材强度，但是，随着碳含量增加，钢材的延伸率和冲击韧性下降，尤其是低温韧性下降的幅度更大，考虑到本发明的目的是制造高韧性-130℃低温钢，同时，还要兼顾钢材的焊接性，因而希望C含量低，所以C含量上限是0.12%。
Si是为钢水预脱氧而添加的，能降低钢中碳的石墨化倾向，并以固溶强化形式提高钢的强度，但Si含量不宜高，以免降低钢的韧性，所以其含量范围为0.10～0.35%。
Mn是提高钢的屈服强度和抗拉强度的元素，在低碳低合金高强度钢中，均添加适量Mn以提高钢材的强度，添加0.30%以上是必要的；但Mn含量高时因钢的过热敏感性增大，在稍有过热的情况下，晶粒就发生粗化，还增加回火脆性，所以上限是1.00%。
P含量越少越好，但是工业生产中使P含量降低需要很高的成本，所以上限是0.015%。
S含量过高则使钢材具有各向异性且韧性降低，所以上限是0.005%。
Ni能与铁以任何比例互溶，通过细化铁素体晶粒改善钢的低温韧性，并具有明显降低冷脆转变温度的作用，对于-130℃低温钢，4.70%的Ni含量是必须的；但含量过高易造成钢板氧化皮难以脱落，且成本升高，故上限控制在5.30%。
A1是钢中的主要脱氧元素，一定含量的A1还能细化钢材的晶粒，提高钢材的强度和韧性；但Al含量过高易导致钢中夹杂物增多，对钢材的低温韧性不利，因此，Al含量的限定范围为0.005～0.10%。
Nb是一种强碳、氮化物形成元素，在钢中形成的NbC、Nb(CN)等第二相质点，可阻止奥氏体晶粒长大，细化晶粒，提高钢材的强度和低温韧性；但Nb含量过高易产生晶间裂纹，故其含量控制在0.040%以下。
V也是一种强碳、氮化物形成元素，在钢中形成的VC、V(CN)等第二相质点，能细化晶粒，提高钢材的强度和低温韧性；但V含量过高会降低钢的焊接性，故其含量限制在0.060%以下。
Cr是缩小奥氏体区的元素，是中等强度碳化物形成元素，在钢中可以形成碳化物，也可固溶于铁素体；同时，Cr还是提高钢淬透性的有效元素，加入Cr会提高钢材焊接冷裂纹敏感性，本发明中Cr的含量控制在0.25%以下。
Mo是有效提高钢材回火稳定性的元素，还能提高钢材的强度，提高钢材的抗氢脆能力；如果添加量过高，将导致钢材的韧性和焊接性能下降，故其含量限制在0.50%以下。
Zr含量在0.030%时，RE添加量在约230g/吨时，均有助于提高钢的纯净度，从而提高钢材的低温韧性。
本发明同时提供一种高韧性-130℃低温钢的制造方法，采用铁水脱硫技术，转炉顶底吹炼，真空深处理及成分微调，按通常超纯净钢工艺进行轧制、热处理，铸坯表面涂敷防氧化涂料，钢的开轧温度≤1100℃，控轧累计压下率≥60%，末三道次累计压下率≥35%，终轧温度750～860℃；采用两次淬火＋一次回火处理，第一次淬火保温温度为790～880℃，第二次淬火保温温度为670～770℃，保温时间均为：30～50分钟十板厚(mm)×1分钟/mm，回火保温温度570～670℃，保温时间为45～65分钟十板厚(mm)×1分钟/mm。
本发明具有如下优点：
1. 本发明钢采用了微合金化处理，钢中的夹杂物是细小的氧化物夹杂，钢质纯净，为获得稳定而且优良的低温韧性奠定了基础。
2. 采用一次淬火＋回火或两次淬火＋一次回火热处理工艺，组织稳定，因而本发明钢具有稳定而且优良的-130℃低温韧性。
3. 实际应用中，可以采用低合金钢生产设备生产本发明钢，因此本发明钢的生产工艺具有良好的适应性，降低了生产成本，适应大生产要求，在各冶金企业均可实施，利于推广应用。
4. 本发明钢最适合作为低温气体球罐、储罐用钢。
具体实施方式
本发明的实施例与一种公开出版物所示5%Ni低温钢（孙进.-120℃ 下具有良好低温韧性的5%Ni钢研制.中国特殊钢国际学术研讨会暨高品质特殊钢技术与市场论坛论文集.2009,p.123-125）进行化学成分（见表1）、强塑性（见表3）和低温韧性（见表4）比较。
本发明钢实施例的制备工艺为：
按照本发明钢成分要求冶炼的铸坯，在其表面涂敷防氧化涂料后，加热到1050～1200℃，出炉轧制，开轧温度≤1050℃，具体如约1000℃，控轧累计压下率≥60%，具体如约67%，末三道次累计压下率≥35%，具体如约37%，终轧温度750～860℃，具体如约820℃。热处理工艺见表2。
表1 实施例与对比例的化学成分
| 钢种 | C | Si | Mn | Ni | Al | Nb | V | Cr | Mo | Zr | RE |
| 实施例1 | 0.03 | 0.32 | 0.72 | 4.73 | 0.095 | 0.039 | 0.06 | 0.24 | 0.03 | ||
| 实施例2 | 0.06 | 0.15 | 0.77 | 4.83 | 0.039 | 0.026 | 0.04 | 0.50 | |||
| 对比例1 | 0.04 | 0.15 | 0.55 | 4.91 | 0.027 | ＜0.01 | 0.03 | ||||
| 实施例3 | 0.05 | 0.30 | 0.81 | 4.97 | 0.047 | 0.032 | 0.20 | ||||
| 实施例4 | 0.07 | 0.10 | 0.45 | 5.16 | 0.031 | 0.08 | |||||
| 实施例5 | 0.07 | 0.23 | 0.98 | 5.08 | 0.071 | 0.017 | |||||
| 实施例6 | 0.08 | 0.35 | 0.62 | 4.90 | 0.024 | 0.05 | |||||
| 实施例7 | 0.10 | 0.26 | 0.30 | 5.30 | 0.012 | ||||||
| 实施例8 | 0.12 | 0.21 | 0.49 | 5.21 | 0.005 | 0.002 | |||||
| 对比例2 | 0.04 | 0.15 | 0.55 | 4.91 | 0.027 | ＜0.01 |
表2 实施例与对比例的热处理温度
| 钢 种 | 第一次淬火，℃ | 第二次淬火，℃ | 回火，℃ |
| 实施例1 | 880 | 690 | 650 |
| 实施例2 | 860 | 720 | 670 |
| 对比例1 | 830 | 720 | 620 |
| 实施例3 | 850 | 770 | 570 |
| 实施例4 | 830 | 750 | 590 |
| 实施例5 | 830 | 730 | 610 |
| 实施例6 | 820 | 710 | 630 |
| 实施例7 | 800 | 690 | 650 |
| 实施例8 | 790 | 670 | 670 |
| 对比例2 | 830 | 720 | 620 |
表3 实施例与对比例的强塑性
| 钢 种 | 屈服强度，MPa | 抗拉强度，MPa | 伸长率，% |
| 实施例1 | 550 | 610 | 31 |
| 实施例2 | 580 | 650 | 29 |
| 对比例1 | 560 | 630 | 25 |
| 实施例3 | 420 | 550 | 35 |
| 实施例4 | 435 | 570 | 33 |
| 实施例5 | 450 | 600 | 31 |
| 实施例6 | 425 | 580 | 34 |
| 实施例7 | 470 | 640 | 32 |
| 实施例8 | 480 | 660 | 32 |
| 对比例2 | 410 | 530 | 30 |
表4 实施例与对比例的低温韧性
本发明钢的力学性能稳定，低温韧性优良。
本发明钢通过微合金化处理，控制P、S、O、N含量，并对夹杂物进行变性处理，钢质纯净；通过恰当的控制轧制及两次淬火+一次回火热处理，发明钢组织均匀而稳定，从而确保本发明钢具有稳定而且优良的低温韧性。本发明钢的强度与对比例相当或高于对比例，发明钢的塑性优于对比钢，尤其是本发明钢的-130℃冲击功值高于对比钢，表现出良好的低温了韧性。
Claims (1)
1.一种高韧性-130℃低温钢的制造方法，该钢的化学成分按重量百分比由以下组成，C：0.07、Si：0.10、Mn：0.45、P：≤0.015、S：≤0.005、Ni：5.16、Al：0.031、Mo：0.08，余量为Fe及不可避免的杂质，其特征在于采用铁水脱硫技术，转炉顶底吹炼，真空深处理及成分微调，按通常超纯净钢工艺进行轧制、热处理，其特征在于：铸坯表面涂敷防氧化涂料，加热到1050～1200℃，出炉轧制，钢的开轧温度≤1100℃，控轧累计压下率≥60%，末三道次累计压下率≥35%，终轧温度750～860℃；采用两次淬火＋一次回火处理，第一次淬火保温温度为830℃，第二次淬火保温温度为750℃，保温时间均为：30～50分钟十板厚(mm)×1分钟/mm，回火保温温度590℃，保温时间为45～65分钟十板厚(mm)×1分钟/mm。
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