CN104988385A

CN104988385A - 一种不含镍的超低温环境用钢板及其制备方法

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Publication number: CN104988385A
Application number: CN201510384731.5A
Authority: CN
Inventors: 于雄; 吴小林; 李国忠; 潘贵明; 韩全军; 周海燕
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2015-07-04
Filing date: 2015-07-04
Publication date: 2015-10-21
Anticipated expiration: 2035-07-04
Also published as: CN104988385B

Abstract

本发明公开了不含镍的超低温环境用钢板，其化学成分按质量百分比计为：C：0.16～0.22%，Si：0.20～0.35%，Mn：22.5～28.0%，Al：1.50～2.50%，V：0.04～0.10%，P：≤0.025%，S：≤0.010%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。制造工艺包括KR铁水预处理-BOF转炉-LF精炼-RH真空脱气-连铸-缓冷-表面清理-加热-轧制-精检-性能检测-包装入库。该不含镍钢板无需热调质处理，节省了能源消耗，有助于控制生产成本，能够在-196℃超低温环境下使用。

Description

一种不含镍的超低温环境用钢板及其制备方法

技术领域

本发明属于钢板制造领域，具体涉及一种超低温环境下使用的不含镍钢板及其制造方法。

背景技术

目前低温钢以镍钢为主，正火或正火+回火或调质态交货，如3.5Ni、5Ni、9Ni钢等，镍为钢中主要合金元素，采用正火或正火+回火或调质态交货。镍钢在生产制造的过程中需要大量宝贵的镍资源进行合金化，同时，在热处理过程中需要消耗大量的热能，故其生产周期长，能耗高，资源消耗压力大，相应的生产成本居高不下，环境污染严重。因此，急需开发一种新型的超低温环境用钢板材料，连铸生产，且该钢板应该具有良好的低温韧性，减少镍含量用量，避免苛刻的热处理工艺，从而有效降低生产成本。

Mn和Ni元素在某些方面具有相似的特性，如：两者都易固熔于铁素体和奥氏体中，扩大奥氏体区；两者均使临界温度A3点降低，(α+γ)区下移。

中国Mn资源丰富，价格低廉，通过与其它合金共同作用，使钢板在室温下体现奥氏体组织特征，以面心立方晶格为主，避免或减轻钢板低温转脆现象，故该钢种能在极低温度范围内使用。

由于奥氏体钢在加热过程中不存在相变现象，故不能通过热处理工艺较大幅度的改变钢板力学性能，因此，需要设计合理的成分，采用连铸工艺，依靠轧制过程中合理的工艺保证钢板的成材率及性能，同时避免苛刻的热处理过程对能源的消耗。

基于此，如何设计合理的成分，制定完善的连铸工艺和热轧工艺，保证钢板奥氏体组织特性，同时满足钢板的成材率、力学性能及工艺性能是本领域技术人员需要思考的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种不含镍的超低温环境用钢板材料，该钢板可用于-196℃条件下的结构件、容器板、管道等，克服常规低温钢板大量消耗镍资源的缺点。

本发明的另一目的是提供上述不含镍钢板的连铸生产方法，该钢种连铸工艺的关键难点在于保护渣的设计，由于钢中需要[Al]元素抑制γ→ε马氏体相变，同时，需要22.5%以上Mn元素扩大奥氏体区，而Mn合金化的结果是钢种液相线温度降低大约100℃，因此，连铸保护渣存在以下难点：1）钢种液相线温度低，保护渣的熔化温度应该相应的降低；2）该钢种钢中含2%左右Al，Al易与保护渣中SiO₂反应，导致保护渣变性，4[Al]+3SiO₂=3[Si]+2(Al₂O₃)，最终达到反应平衡时渣中（Al₂O₃）含量30%左右，存在浇注困难的问题；3）保护渣需要一定的碱度，及一定的促结晶物质，以利用熔渣凝固过程中析出晶体，控制铸坯向结晶器传热，防止传热过快形成铸坯裂纹。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为，一种不含镍的超低温环境用钢板，该钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.16～0.22%，Si：0.20～0.35%，Mn：22.5～28.0%，Al：1.50～2.50%，V：0.04～0.10%，P：≤0.025%，S：≤0.010%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。

不含镍的超低温环境用钢板材料的有效化学成分设计的依据及限定含量范围的理由如下：

C是钢中最重要的元素之一，C溶解在γ铁中形成的一种间隙固溶体，呈面心立方结构，稳定奥氏体组织，但同时，C对钢板的塑性有不利的影响，考虑到钢板的低温冲击性能，C含量严格控制在0.16～0.22%为宜。

Mn在此钢铁材料中是最重要的合金元素。作为一种有效的扩大奥氏体元素，锰将奥氏体临界转变温度降至室温以下，使钢在室温下保持奥氏体组织。本发明Mn含量的范围确定为22.5～28.0%。

Al元素强烈抑制Fe-Mn中γ→ε马氏体相变，稳定奥氏体，同时Al的加入也可降低Fe-Mn合金的加工硬化能力，可改善切削性能和冷加工性能，本发明超低温环境下使用的钢板中铝含量在1.5～2.5%之间。

V是碳化物和氮化物的形成元素，V的作用是通过形成V（C，N）影响钢的组织和性能，主要在奥氏体晶界的铁素体中沉淀析出，在轧制过程中能抑制奥氏体的再结晶并阻止晶粒长大，从而起到细化铁素体晶粒、提高钢的强度和韧性的作用，本发明中V的含量控制在0.04～0.10%为宜。

本发明另一目的是提供上述不含镍的超低温环境用钢板的制备方法，采用连铸工艺，显著提高成材率及生产效率，工艺步骤如下：

（1）冶炼：原料依次经KR铁水预处理，BOF转炉冶炼：转炉出炉温度为1610～1650℃，扒渣处理，LF 精炼：依次完成V-Mn-Al合金化，采用钒铁进行V合金化、采用金属Mn进行合金化，分若干次完成金属Mn合金化，采用铝块进行Al合金化，出炉温度不高于1550℃，RH真空脱气精炼：真空度≤0.5mbar，真空保持25min以上时破空，H含量不高于1ppm，待温；

（2）连铸：连铸过程采用低过热度浇注，过热度不高于25℃，连铸保护渣碱度w(CaO)/w(SiO₂)≤0.6，所述保护渣的主要成分包括SiO₂:35～38%，CaO：20～22%，Al₂O₃：1.8～2.5%，Na₂O：7～8%，F^-：8.5～10%，B₂O₃：4～6%，Li₂O：3～5%及不可避免的夹杂物，浇注过程配合动态轻压下，压下量为5～7mm，浇注所得板坯加罩堆缓冷；

（3）加热：轧制前对连铸坯进行加热，采用分段加热方式：总加热时间为10～12min/cm；预热段温度为600～800℃，预热段保温3～3.5min/cm；第一加热段温度为900～1000℃，第一加热段保温3～3.5min/cm；第二加热段温度为1000～1100℃，第二加热段保温2～3min/cm；均热段温度为1050～1100℃，均热段保温2～3min/cm；出炉温度1080～1100℃，出炉后对钢坯表面高压水除鳞；

（4）轧制：高压水除鳞的水压≥20MPa，保证板坯的表面质量，开轧温度为1020～1100℃，前3至5道次的单道次压下量20mm～35mm，轧制的总压缩比为≥10，轧制完成后，钢板在表面温度100～200℃时下线；

（5）空冷：板坯空冷至室温即得钢板成品。

进一步地，所述步骤（2）中连铸保护渣的主要成分包括SiO₂:36.8%，CaO：20.8%，Al₂O₃：2.2%，Na₂O：7.57%，F^-：9.5%，B₂O₃：6%，Li₂O：3%及不可避免的夹杂物，保护渣的碱度为0.57。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

现低温环境使用钢板广泛采用Ni系钢板，镍钢在生产制造的过程中需要大量宝贵的镍资源进行合金化，在合金固熔以及金相转变等热处理过程中需要消耗大量的热能，故其生产周期长，能耗高，资源消耗压力大，相应的生产成本居高不下。本发明设计了一款能够适用于超低温环境下使用的不含镍钢板，采用Mn元素能有效降低钢板奥氏体临界转变温度的特点，通过Al抑制γ→ε马氏体相变，V细化铁素体晶粒，提高钢的强度和韧性，在生产过程中采用BOF转炉-LF精炼-RH真空脱气-连铸的工艺生产铸坯，热轧成板，得到常温下细化的奥氏体组织，利用奥氏体钢无低温转脆现象，确保钢板-196℃横向冲击功≥100J、纵向冲击功≥100J，满足用户要求，所得钢板成品厚度6～50mm，具有奥氏体组织，钢板厚度方向1/4处屈服强度≥235MPa，抗拉强度：540～730MPa，延伸率≥30%，屈强比≤0.75。

本发明另针对钢板元素组成特点设计了适于浇注过程使用的保护渣，解决了①保护渣熔化温度低，②保护渣变性，③控制铸坯向结晶器传热的难题。

①本发明钢材合金含量高，液相线温度明显低于常规钢种（该钢板液相线温度1410℃，常规钢种1510℃），相对应地，该钢板的保护渣熔化温度需要较大幅度低于常规保护渣熔化温度，B₂O₃熔点低，能较大的降低保护渣的熔化温度至850℃左右，控制液渣层厚度稳定在12mm，即满足连铸顺行要求。

②钢水中Al不可避免的与连铸保护渣中（SiO2）发生化学反应，4[Al]+3(SiO2)—2(Al2O3)+3[Si]，导致连铸保护渣变性，碱度上升明显，超出了合理范围0.85～1.25范围，甚至达到了3.0以上，进而导致浇注困难，本保护渣因为含有酸性氧化物B₂O₃，B₂O₃能有效的补充保护渣的酸性，实现熔渣的酸碱平衡。

③钢水凝固形成连铸坯过程中，由于合金含量高，容易形成裂纹、凹陷等铸坯表面缺陷，因此，需要控制铸坯向结晶器传热，降低传热效率，保护渣凝固渣膜中析出晶体，是控制传热有效的手段之一。保护渣中适当Li2O元素，有利于促进凝固渣膜的CaF2晶体析出，解决了控制18MnAlVD铸坯向结晶器传热的难题。

使本发明的超低温环境使用的不含镍钢板得以实现连铸生产，无需调质热处理，节省了能源消耗，有助于控制生产成本，显著提高了生产效率。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

一种不含镍的超低温环境用钢板，其化学成分按质量百分比计为：C：0.2%，Si：0.3%，Mn：24.2%，Al：2.0%，V：0.08%，P：0.014%，S：0.002%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。

上述不含镍的超低温环境用钢板材料的制造工艺包括KR铁水预处理-BOF转炉-LF精炼-RH真空脱气-连铸-缓冷-表面清理-加热-轧制-精检-性能检测-包装入库。具体工艺如下，

（1）冶炼：原料依次经KR铁水预处理，BOF转炉冶炼：转炉出炉温度为1610～1650℃，扒渣处理，LF 精炼：依次完成V-Mn-Al合金化，采用钒铁进行V合金化、采用金属Mn进行合金化，分5次完成金属Mn合金化，采用铝块进行Al合金化，出炉温度不高于1550℃，RH真空脱气精炼：真空度≤0.5mbar，真空保持25min以上时破空，H含量不高于1ppm，取化学成分样检测，待温；

（2）连铸：板坯规格370mm*1600mm*L，中包开浇温度1440℃，拉速0.35m/min，连铸过程采用低过热度浇注，过热度不高于25℃，连铸保护渣的主要成分包括SiO₂:36.8%，CaO：20.8%，Al₂O₃：2.2%，Na₂O：7.57%，F：9.5%，B₂O₃：6%，Li₂O：3%及不可避免的夹杂物，保护渣的碱度为0.57，保护渣层厚度12mm，保持结晶器液面火焰活跃，浇注过程配合动态轻压下，压下量为5mm，二冷区采用雾化喷水弱冷模式，避开脆性敏感区，浇注所得板坯加罩堆缓冷；

（3）加热：轧制前对连铸坯进行加热，采用分段加热方式：总加热时间为10～12min/cm；预热段温度为600～800℃，预热段保温3～3.5min/cm；第一加热段温度为900～1000℃，第一加热段保温3～3.5min/cm；第二加热段温度为1000～1100℃，第二加热段保温2～3min/cm；均热段温度为1100℃，均热段保温2～3min/cm；出炉温度1080～1100℃，出炉后对钢坯表面高压水除鳞，除磷压力≥23MPa；

（4）轧制：开轧温度为1100℃，前3至5道次的单道次压下量20mm～35mm，轧制的总压缩比为≥10，轧制完成后，钢板在表面温度100～200℃时下线；

（5）空冷：板坯空冷至室温即得钢板成品。

本实施例所得不含镍的超低温环境用钢板的低温韧性能见表1，力学性能见表2

表1

表2

实施例2

一种不含镍的超低温环境用钢板，其化学成分按质量百分比计为：C：0.18%，Si：0.36%，Mn：22.9%，Al：1.89%，V：0.08%，P：0.013%，S：0.002%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。

（2）连铸：板坯规格370mm*1600mm*L，中包开浇温度1443℃，拉速0.33m/min，连铸过程采用低过热度浇注，过热度不高于25℃，连铸保护渣的主要成分包括SiO₂:36.8%，CaO：20.8%，Al₂O₃：2.2%，Na₂O：7.57%，F：9.5%，B₂O₃：6%，Li₂O：3%及不可避免的夹杂物，保护渣的碱度为0.57，保护渣层厚度12mm，保持结晶器液面火焰活跃，浇注过程配合动态轻压下，压下量为5mm，二冷区采用雾化喷水弱冷模式，避开脆性敏感区，浇注所得板坯加罩堆缓冷；

（5）空冷：板坯空冷至室温即得钢板成品。

本实施例所得不含镍的超低温环境用钢板的低温韧性能见表3，力学性能见表4

表3

表4

Claims

1.一种不含镍的超低温环境用钢板，其特征在于：该钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.16～0.22%，Si：0.20～0.35%，Mn：22.5～28.0%，Al：1.50～2.50%，V：0.04～0.10%，P：≤0.025%，S：≤0.010%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。

2.一种制造如权利要求1所述的不含镍的超低温环境用钢板的方法，其特征在于：工艺步骤如下：

（2）连铸：连铸过程采用低过热度浇注，过热度不高于25℃，连铸保护渣碱度w(CaO)/w(SiO₂)≤0.6，所述保护渣的主要成分包括SiO₂:35～38%，CaO：20～22%，Al₂O₃：1.8～2.5%，Na₂O：7～8%，F^-：8.5～10%，B₂O₃：4～6%，Li₂O：3～5%及不可避免的夹杂物，浇注过程配合动态轻压下，压下量为5～7mm，浇注所得板坯加罩堆缓冷72小时以上；

（4）轧制：开轧温度为1020～1100℃，前3至5道次的单道次压下量20mm～35mm，轧制的总压缩比为≥10，轧制完成后，钢板在表面温度100～200℃时下线；

（5）空冷：板坯空冷至室温即得钢板成品。

3.根据权利要求2所述的不含镍的超低温环境用钢板的制备方法，其特征在于：步骤（2）连铸过程中保护渣厚度为10～16mm，结晶器渣面火焰保持活跃。

4.根据权利要求2所述的不含镍的超低温环境用钢板的制备方法，其特征在于：所述保护渣的主要成分包括SiO₂:36.8%，CaO：20.8%，Al₂O₃：2.2%，Na₂O：7.57%，F：9.5%，B₂O₃：6%，Li₂O：3%及不可避免的夹杂物，保护渣的碱度为0.57。

5.根据权利要求2所述的不含镍的超低温环境用钢板的制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中板坯的拉速0.3～0.4m/min。