CN102586696A

CN102586696A - 应用于深冷环境的7Ni钢及其制备工艺

Info

Publication number: CN102586696A
Application number: CN2012100660407A
Authority: CN
Inventors: 刘东升; 邹志文; 朱绪祥; 程丙贵
Original assignee: Jiangsu Shagang Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Shagang Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Priority date: 2012-03-14
Filing date: 2012-03-14
Publication date: 2012-07-18

Abstract

本发明提出一种应用于深冷环境的7Ni钢及其制备工艺。该7Ni钢包括如下化学成分(wt％)：C 0.04～0.12％、Si 0.03～0.35％、Mn 0.3～1.2％、P≤0.007％、S≤0.004％、Ni 7.0～7.8％、Al 0.02～0.05％、Cr 0.2～0.6％、Mo 0.02～0.04％、Cu0.01～1.2％，以及余量Fe和杂质元素。该制备工艺为：取具有与上述7Ni钢相同组分的铸坯经加热、保温、控轧、控冷和热处理，制成成品板材。本发明的7Ni钢屈服强度在530～710MPa之间、抗拉强度在670～780MPa之间、在-196℃下的冲击功大于100J，可用于制造储存液化天然气(LNG)的压力容器等。

Description

应用于深冷环境的7Ni钢及其制备工艺

技术领域

本发明具体涉及一种在深冷环境下具有优异强韧性的7Ni钢及其制备工艺，可用于液化天然气存储罐的制备。

背景技术

随着世界经济的发展，石油危机的冲击和煤炭、石油所带来的环境污染问题日益严重。LNG具有燃烧值高，对大气无污染等特点，被誉为洁净的绿色新能源。同时，天然气探明储量较高，促使其在世界能源消费结构中的比重越来越大。开发、利用天然气已成为许多国家实施能源结构调整和可持续发展的重点战略。在全球许多国家今后几十年的能源发展中，天然气作为新型洁净的能源在国家环保安全和能源保障方面具有重要意义。在我国，面对居高不下的国际油价以及“缺煤少油”的能源格局，为有效缓解能源供应紧张的局面，2004年，发改委在《我国能源中长期发展规划》中提出在沿海地区建设LNG接收站。当前，中石油、中石化和中海油等的多个LNG项目正在建设和筹备建设之中，首批LNG项目有10余个容量为160,000m³罐的超大型接收站，9Ni钢(C-Mn-Ni，9％Ni)在制造LNG储存和运输用大型容器方面获得广泛应用。

国内外诸多钢铁厂均发展出具有优良性能的深冷环境用9Ni钢，如公开号为JP2002012951的发明专利提出一种具有优良性能的9Ni钢，该钢种包含的化学成分及其质量百分比分为：C 0.02～0.10％、Si≤0.10％、Mn 0.2～1.0％、P≤0.01％、S 0.0005～0.003％、Ni 7.5～10.0％、Al 0.01～0.08％，以及Mo 0.05～0.5％和Cr0.05～0.5％。可见，与本发明比较，其合金中添加了较多量的Mo。

公开号CN101215668A的发明专利提出一种低碳9Ni钢厚板的制造方法，该案所涉9Ni钢包含的化学成分及其质量百分比分为：C 0.02-0.04％、Si 0.15～0.30％、Mn 0.5～0.9％、Ni 8.9～9.5％、P≤0.01％和S≤0.005％，其制备工艺为：热轧淬火后直接580℃回火1小时，回火后采用水冷(DQ+T)；或者热轧淬火后800℃保温1小时淬火，580℃保温回火1小时水淬(DQ+QT)；或者热轧淬火后800℃保温1小时淬火，670℃保温1小时淬火，580℃保温回火1小时水冷 (DQ+QLT)。该案中低碳9Ni钢厚板的屈服强度小于710MPa，抗拉强度小于720MPa，-196℃冲击功在150-250J之间。

又如公开号CN101058842A的发明专利提出一种提高低温钢板韧性的方法，其涉及的低温钢板包含的化学组分及其质量百分比分别为：C≤0.07％、Si 0.01～0.40％、Mn 0.20～0.90％、Ni 8.50～10.00％、Mo≤0.50％、P≤0.004％以及S≤0.002％，其制备工艺为：热处理880℃保温15分钟以上水淬，650～700℃保温15分钟以上水淬，620～570℃保温30分钟以上空冷或大于空冷速度冷却。该案制成的低温钢板屈服强度小于630MPa，抗拉强度小于720MPa，-196℃冲击功在230～270J之间。

与上述2个发明案比较，本发明使用了Ni合金减量化设计，使储存LNG用钢的生产成本大大降低。

发明内容

本发明的目的在于提出一种应用于深冷环境的7Ni钢，其在-196℃以下的深冷环境中具有优良韧性及高屈服强度，且成本低，制备工艺简单，从而克服了现有技术中的不足。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种应用于深冷环境的7Ni钢，其特征在于：该7Ni钢包括的化学成分及其质量百分数分别为：C 0.04～0.12％、Si 0.03～0.35％、Mn 0.3～1.2％、P≤0.007％、S≤0.004％、Ni 7.0～7.8％、Al 0.02～0.05％、Cr 0.2～0.6％、Mo0.02～0.04％、Cu 0.01～1.2％，以及余量Fe和杂质元素。

进一步地讲：在由所述7Ni钢制成的板材中，沿横断面的金相组织为回火马氏体+回转奥氏体。

所述板材的厚度为15±10mm，屈服强度在530-710MPa之间、抗拉强度在670-780MPa之间、在-196℃下的Charpy冲击吸收能量大于100J。

本发明的另一目的在于提出一种制备如上所述应用于深冷环境的7Ni钢的工艺，其技术方案如下：

应用于深冷环境的7Ni钢的制备工艺，其特征在于，该工艺包括的步骤为：

取具有与上述应用于深冷环境的7Ni钢相同组分的铸坯加热至1180～1250℃，保温1～3h；

将铸坯进行两阶段轧制，其中粗轧的开轧温度为1000～1100℃，总压缩比为40～60％，精轧的开轧温度为850～900℃，总压缩比为50～75％；

将轧制完成后形成的板材以10～30℃/s冷却速度控冷至300℃以下；

对冷却后的板材进行热处理；

进一步的讲，该工艺中，轧制完成后形成的板材是进入层流冷却进行水冷。

更进一步的讲，该工艺中，在对轧制完成后形成的板材进行水冷时，开冷温度在800～900℃，终冷温度在300℃以下。

热处理工艺1为：将热轧板材加热至650～700℃保温0.5～3h，随后在520～600℃保温0.5～3小时回火(DQ+LT)。

热处理工艺2为：将热轧板材在770～830℃保温0.5～3h后淬火；随后，将板材在630～700℃保温0.5～3h后再淬火；最后，将板材在480～600℃回火保温0.5～3h后淬火(QLT)。

所述具有与上述应用于深冷环境的7Ni钢相同组分的铸坯的制备过程为：按所述应用于深冷环境的7Ni钢的化学组成配比冶炼原料，并将冶炼原料进行冶炼、浇铸，直至形成铸坯。

如下结合该应用于深冷环境的7Ni钢的化学组成以及制备工艺流程对本发明的原理进行说明。

首先，该应用于深冷环境的7Ni钢包含的组分及其作用分别为：

C：碳是较强的固溶强化元素，能显著提高钢板强度，同时碳可以提高奥氏体的稳定性，但是降低韧性和塑性，明显恶化钢板焊接性能，在船板钢的化学成分设计中，为了使钢板具有良好的焊接性能、较好的低温冲击韧性，必须降低钢中的含碳量，使其控制在中下限，因此C优选控制在0.12％以下。

Si：硅在钢中起固溶强化作用，提高钢板的强度，可以提高碳的活度，促进铁素体形成，从而使碳扩散到残余奥氏体中，因此硅在9Ni钢中有助于残余奥氏体的形成和稳定性，同时抑制渗碳体形成。但是硅元素过高会严重损害钢板的低温韧性和焊接性能。

Mn：锰是置换型合金元素，通过固溶强化细化晶粒提高钢的强度，同时锰可以扩大Fe-C相图中γ相区域，起到稳定奥氏体作用。但是锰含量过高时，易于形成偏析组织，对钢的性能有害，另外锰降低奥氏体中碳的活度，促进碳化物的形成。

S：硫是钢中有害的夹杂物形成元素，常以MnS等夹杂物的形成沿轧制方向分布，由于它破坏了钢的连续性，显著降低延展性和韧性，加剧各向异性，损害焊接性，其影响程度随硫含量的提高而加剧，因此要采取措施降低硫含量，日本9Ni钢种的硫含量一般控制在0.002％以下。

P：磷是钢中重要的晶界偏析元素，对于低温冲击韧性和焊接性能具有极大的损害作用。日本9Ni钢种的磷含量一般控制在0.005％以下，新日铁和JFE生产的9Ni钢磷含量一般控制在0.002％以下。

Al：铝含量是9Ni钢明确要求的元素，一般要求Alt≥0.018％。Al在炼钢过程中是脱氧剂，也可以形成AlN颗粒起到细化晶粒的作用。

Ni：镍是7Ni钢中最主要的合金元素，也是奥氏体形成元素，可以扩大奥氏体区，降低Ar3温度，在回火时镍元素扩散并且富集在奥氏体内部，冷却之后可以稳定残余奥氏体，从而大大提高深冷环境下的冲击韧性。

Cr：铬元素能够显著提高钢的强度，在Ni元素减少的情况下，添加Cr有利于保持其强度，但是必须控制在较小的范围内，以免影响合金的低温韧性。

Mo：增加强度且抑制回火脆化的作用，但太过量的话强度过高影响焊接区的韧性。

Cu：铜元素能够增加钢板的强度，同时可以提高钢板的耐蚀性。适当的回火处理时，能够得到细小弥散的Cu析出，起到析出强化的作用。同时Cu也可以提高残余奥氏体的稳定性。本发明考虑到对LNG船体或者LNG管道的安全性的日益提高，要求增强LNG用钢的强度，因此引入Cu元素，用于提高7Ni钢的强度。然而，过量的Cu析出会引起韧性的下降，因此，Cu的优选范围为0.5～1.0％。

与现有技术相比，本发明的特点及积极效果在于以下三个方面：

1)本发明提出的产品在室温下的屈服强度为530～710MPa、抗拉强度在670～780MPa，在-196℃深冷环境下冲击功大于100J。

2)本发明对于考虑了工业生产的实际条件，开发了适合7Ni钢的QLT和DQ-LT等热处理工艺，分别适合不同的轧钢和热处理生产线，DQ-LT处理可以有效节约能耗。

3)本发明在特定条件下，可替代传统9Ni钢，由于使用Cu，Cr等元素代替Ni元素，节约我国稀缺的Ni元素，这对我国钢铁产业发展有积极意义。

附图说明

图1是Cu含量与钢板力学性能测试关系图；

图2A是实施例(4)的金相组织图；

图2B是实施例(4)的TEM扫描图；

图3A是实施例(6)的金相组织图；

图3B是实施例(6)的TEM扫描图；

图4A是实施例(11)的金相组织图；

图4B是实施例(11)的TEM扫描图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案作进一步说明，共六个实施部分，共13个实施例。

实施部分(一)

该应用于深冷环境的7Ni钢包含的成分为(wt％)：C 0.05％、Si 0.05％、Mn0.47％、P 0.006％、S 0.004％、Ni 7.59％、Cu 1.03％、Al 0.049％，Cr 0.47％、Mo0.025％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

该应用于深冷环境的7Ni钢的制备工艺为：

按上述应用于深冷环境的7Ni钢的化学组成配制冶炼原料，并将冶炼原料经冶炼、浇铸后，形成厚度100mm的板坯；

将板坯放入加热炉内加热，加热温度为1200℃，保温3h；

板坯出炉后进行两阶段轧制，其中，粗轧开轧温度1100℃，待温厚度为50mm，精轧开轧温度860℃，轧后钢板厚度为15mm；

热轧后形成的板材进入层流冷却进行水冷，并以15℃/s的冷却速度迅速冷却至50℃；

冷却后的热轧板材经过800℃保温1h后淬火，再分别经665℃和700℃保温1h后淬火，再分别在600℃回火1h，最终形成15mm厚的成品板材。钢板的力学性能列于表1。

表1经QLT处理试制7Ni钢的性能

括号外的冲击功值为3个试样的平均值，括号内的数值为最小值，以下同。

实施部分(二)

本实施例使用实施例1所用的化学成分，钢板的热轧冷却工艺同实施例1，而热处理工艺不同与实施例1的热处理工艺。具体工艺参数如下：冷却后的热轧板材经665℃和700℃保温1h后淬火，然后分别在600℃回火1h，最终形成15mm厚的成品板材。钢板的力学性能列于表2。

表2经DQ-LT处理试制7Ni钢的性能

实施部分(三)

该应用于深冷环境的7Ni钢包含的成分为(wt％)：C 0.06％、Si 0.04％、Mn0.40％、P 0.006％、S 0.004％、Ni 7.73％、Cu 0.03％、Al 0.026％，Cr 0.48％、Mo0.022％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

该应用于深冷环境的7Ni钢的制备工艺为：

将板坯放入加热炉内加热，加热温度为1200℃，保温3h；

冷却后的热轧板材经过800℃保温1h后淬火，再分别经635℃，665℃和720℃保温1h后淬火，然后分别在600℃，560℃和480℃回火1h，最终形成15mm厚的成品板材。钢板的力学性能列于表3。

实施部分(四)

该应用于深冷环境的7Ni钢的化学成分，轧制和冷却工艺同实施例3。将热轧板材加热到665℃和700℃保温1h淬火，然后在480℃回火1h。热处理后钢板的力学性能列于表4。

表3经QLT处理试制7Ni钢的性能

表4经DQ-LT处理试制7Ni钢的性能

以上实例(4)，(6)，(11)的金相和扫描组织分别见图2-图4。

实施部分(五)

该应用于深冷环境的7Ni钢包含的成分为(wt％)：C 0.06％、Si 0.06％、Mn0.43％、P 0.007％、S 0.005％、Ni 7.50％、Cu 0.31％、Al 0.041％，Cr 0.45％、Mo0.03％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

该应用于深冷环境的7Ni钢的制备工艺为：

将板坯放入加热炉内加热，加热温度为1200℃，保温3h；

冷却后的热轧板材经过800℃保温1h后淬火，再经665℃保温1h后淬火，再分别在600℃回火1h，最终形成15mm厚的成品板材。钢板的力学性能列于表5。

表5经QLT处理试制7Ni钢的性能

实施部分(六)

该应用于深冷环境的7Ni钢包含的成分为(wt％)：C 0.05％、Si 0.06％、Mn0.42％、P 0.006％、S 0.005％、Ni 7.49％、Cu 0.50％、Al 0.044％，Cr 0.42％、Mo0.025％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

该应用于深冷环境的7Ni钢的制备工艺为：

将板坯放入加热炉内加热，加热温度为1200℃，保温3h；

冷却后的热轧板材经过800℃保温1h后淬火，再经665℃保温1h后淬火，再分别在600℃回火1h，最终形成15mm厚的成品板材。钢板的力学性能列于表6。

表6经QLT处理试制7Ni钢的性能

以上实施例仅用于说明本发明的内容，除此之外，本发明还有其他实施方式。但是，凡采用等同替换或等效变形方式形成的技术方案均落在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种应用于深冷环境的7Ni钢，其特征在于：该7Ni钢包括的化学成分及其质量百分数分别为：C 0.04～0.12％、Si 0.03～0.35％、Mn 0.3～1.2％、P≤0.007％、S≤0.004％、Ni 7.0～7.8％、Al 0.02～0.05％、Cr 0.2～0.6％、Mo0.02～0.04％、Cu 0.01～1.2％，以及余量Fe和杂质元素；

本发明提出的7Ni钢，其特征在于：所述板材的厚度为15±10mm，屈服强度在530～710MPa之间、抗拉强度在670～780MPa之间、在-196℃下的冲击功大于100J；

7Ni钢的制备工艺，其特征在于，该工艺包括的步骤为：

对冷却后的板材进行热处理；

7Ni钢的热处理工艺，其特征在于，该工艺中，对冷却后的板材进行热处理的过程具体为：将板材在650～700℃保温0.5～3h，其后在520～600℃保温0.5～3h回火；

或将板材在770～830℃保温0.5～3h后淬火；其后，将板材在630～700℃保温0.5～3h后淬火；最后，将板材在480～600℃回火保温0.5～3h后淬火。