CN105506457A - 低温锻钢制造方法及其产品 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及低温锻钢制造方法及其产品，方法包括步骤：冶炼并浇注成钢锭，控制钢锭成分按重量百分比，除Fe和不可避免的杂质外，还含有C：0.04～0.10％、Si：0.15～0.35％、Mn：0.30～0.90％、Ni：3.50～3.80％、P：≤0.008％、S：≤0.008％、Cr：≤0.20％、Nb：0.010～0.050％、Al:0.010～0.040％、N：0.005～0.015％；钢锭锻造；正火处理；回火处理；调质处理。添加了现有钢种标准之外的元素成份，改进锻造、热处理工艺，该低温锻钢，用于制造薄壁锻件和厚壁锻件均能应用于-101℃使用环境，特别适用于200mm以上的厚壁容器锻件制造。

Description

低温锻钢制造方法及其产品
技术领域
本发明涉及锻钢制造领域，具体的是一种在-101℃低温性能好的锻钢制造方法及该方法生产的锻钢。
背景技术
随着大型乙烯、液化天然气、海洋装备等新型清洁能源产业的发展，低温压力容器已成为压力容器行业重要门类，例如裂化、裂解气中烯烃分离，用到深冷分离工艺，其容器需要满足-80～-120℃的使用条件，而3.5Ni低温钢正是适用于上述使用条件的典型钢种。
随着生产技术进步，为了提高设备使用效率和安全性，新一代低温容器设计，向高参数、大型化、一体化方向发展，压力容器所用大锻件的单件重量和厚度也不断增大。
而大型厚壁锻件与小型薄壁件或钢板在制造过程中存成显著差别，例如制造大型厚壁锻件需要采用大型钢锭，而大型钢锭凝固条件恶劣，容易出疏松、偏析、夹砂等内部冶金缺陷；大型钢锭在锻造时，为保证锻透、压实，需进行拔长、镦粗工序，之后冲孔、扩孔、拔长成型为厚壁筒体，因3.5Ni低温钢热裂纹倾向较强，因此每一火次的压下量和变形速率都不能过大，进而影响到晶粒再结晶和晶粒细化；3.5Ni低温钢相变机理特殊，其锻件尺寸厚度增大后，截面组织均匀性和稳定性都难以保证，此外3.5Ni低温钢大型锻件还受到淬透性差等诸多因素影响。
由于上述原因存在，采用传统工艺应用生产的3.5Ni低温钢大型厚壁锻件，其力学性能，特别是-100℃低温冲击性能，往往难以达到合格标准。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种低温锻钢制造方法及该方法生产的锻钢，本方法能够克服现有技术存在的不足，其锻钢制造的200mm以上厚壁容器也能满足-101℃低温应用标准。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
低温锻钢制造方法，包括顺序进行的如下步骤
A、冶炼浇注得到钢锭，控制钢锭成分按重量百分比，除Fe和不可避免的杂质外，还含有C：0.04～0.10％、Si：0.15～0.35％、Mn：0.30～0.90％、Ni：3.50～3.80％、P：≤0.008％、S：≤0.008％、Cr：≤0.20％、Nb：0.010～0.050％、Al:0.010～0.040％、N：0.005～0.015％；
B、锻造：钢锭加热至1150～1250℃，开始锻造，终锻温度≥800℃，锻造比≥3；
C、正火处理：保温温度为880～950℃，保温时间≥3h；回火处理：保温温度为600～660℃，保温时间≥6h；
D、调质处理：加热至830～890℃，并保温≥3h，以淬火冷却速度冷却至≤150℃，然后进行回火，保温温度为600～660℃，保温时间≥3h。
进一步的，所述D步骤中，淬火冷却至≤80℃。
进一步的，所述A步骤中，钢锭成分还含有Mo、V之一或者其组合，按重量百分比Mo、Nb、V的总量≤0.12％。
进一步的，按重量百分比，所述Mo为≤0.06％，V为≤0.05％。
进一步的，所述步骤C中，正火处理之前还包括退火处理：保温温度为500～700℃，保温时间≥3h。
进一步的，所述A步骤中，冶炼浇注得到钢锭的过程包括，采用电炉粗炼；钢水去氧化渣进钢包炉；钢包炉中在1630～1670℃精炼、真空除气、调整钢水成分、加热、调整还原渣；采用真空浇铸工艺铸锭得到钢锭，浇铸温度为1610～1650℃，真空度为≤67Pa；所述步骤C中，正火处理时采用风冷或空冷，回火处理时采用空冷或炉冷；所述步骤D中，淬火冷却为水冷，回火保温后空冷或炉冷。
采用本发明的低温锻钢制造方法制造的锻钢，所述锻钢制成的锻件屈服强度为330～460MPa，抗拉强度为500～570MPa，延伸率30％～37％，面缩率70％～80％，-100℃冲击功180～330J。
本发明的有益效果是：上述低温锻钢制造方法，添加了现有钢种标准之外的元素成份，改进锻造、热处理工艺，能克服现有技术存在的不足，该方法得到的低温锻钢，用于制造厚壁锻件也能具有很好的常温性能和低温性能，特别适用于200mm以上的厚壁容器锻件制造。
附图说明
图1是采用本发明方法制造的290mm厚壁压力容器筒体锻件在TxT/4位置处的金相组织图；
图2是采用本发明方法制造的290mm厚壁压力容器筒体锻件在TxT/4位置处的碳化物扫描电镜图；
图3是采用本发明方法制造的290mm厚壁压力容器筒体锻件在TxT/2位置处的金相组织图；
图4是采用本发明方法制造的290mm厚壁压力容器筒体锻件在TxT/2位置处的碳化物扫描电镜图；
按照相关标准，T为锻件的最大有效热处理厚度，检验试样的纵轴应位于锻件的任一表面至少T/2或T/4处，试样的长度中点应位于任何另一表面至少1个T处。这样的试样通常称为TxT/2或TxT/4试样。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
低温锻钢制造方法，包括顺序进行的如下步骤
A、冶炼浇注得到钢锭，控制钢锭成分按重量百分比，除Fe和不可避免的杂质外，还含有C：0.04～0.10％、Si：0.15～0.35％、Mn：0.30～0.90％、Ni：3.50～3.80％、P：≤0.008％、S：≤0.008％、Cr：≤0.20％、Nb：0.010～0.050％、Al:0.010～0.040％、N：0.005～0.015％；
B、锻造：钢锭加热至1150～1250℃，开始锻造，终锻温度≥800℃，锻造比≥3；
C、正火处理：保温温度为880～950℃，保温时间≥3h；回火处理：保温温度为600～660℃，保温时间≥6h；
D、调质处理：加热至830～890℃，并保温≥3h，以淬火冷却速度冷却至≤150℃，然后进行回火，保温温度为600～660℃，保温时间≥3h。
本发明的低温锻钢制造方法，先制造钢锭并控制钢锭成分，按重量百分比，含有Fe和不可避免的杂质，还含有C：0.04～0.10％、Si：0.15～0.35％、Mn：0.30～0.90％、Ni：3.50～3.80％、P：≤0.008％、S：≤0.008％、Cr：≤0.20％、Nb：0.010～0.050％、Al:0.010～0.040％、N：0.005～0.015％。
其冶炼浇注钢锭的过程，优选的可以是采用，电炉粗炼；钢水去氧化渣进钢包炉；钢包炉中在1630～1670℃精炼、真空除气、调整钢水成分、加热、调整还原渣；采用真空浇铸工艺铸锭得到钢锭，浇铸温度为1610～1650℃，真空度为≤67Pa的工艺，有利于提高钢锭冶金质量。具体的是首先采用电炉粗炼低磷、低硫钢水；采用倒包方式兑入钢包炉，彻底去除氧化渣，防止回磷；在钢包炉中精炼和真空除气，调整钢的成分、加热和调整还原渣，精炼温度为1630℃～1670℃；钢水浇铸成钢锭，浇铸温度为1610℃～1650℃，浇注前真空度为≤67Pa。
对于钢锭的成分，优选的，可以是钢锭成分还含有Mo、V之一或者其组合，按重量百分比Mo、Nb、V的总量≤0.12％。适当添加上述成份可以提高钢材的强度和低温韧性。进一步优选的按重量百分比，将Mo含量控制在0.06％以下，V含量控制在0.05％以下，可以防止晶间裂纹产生或焊接性能下降。
钢锭制成后，先加热至1150～1250℃，随后开始锻造，终锻温度控制在800℃以上，锻造比控制在3以上，有利于晶粒细化，进一步优选的，应该保证锻造的最后一火次具有足够的剩余锻比，例如锻件在最后一火次成型过程中具有至少10％压下率。
随后依次进行：正火处理，正火保温温度为880～950℃，保温时间≥3h，正火处理的冷却方式可以是风冷或空冷；进行回火处理，保温温度为600～660℃，保温时间≥6h，回火处理的冷却方式可以是空冷或炉冷；进行调质处理：加热至830～890℃，并保温≥3h，以淬火冷却速度快速冷却至≤150℃，例如可以采用水冷，然后进行回火处理，回火处理保温温度为600～660℃，保温时间≥3h，回火处理冷却方式可以是空冷或炉冷。
更为优选的，针对难以淬透的工件，进行调质处理的淬火冷却可以是冷却至≤80℃，保证锻件心部充分降温。对于厚壁件，例如厚度在200mm以上的锻件，优选的，在其锻造后正火处理之前，还可以包括退火处理，退火处理保温温度为500～700℃，保温时间≥3h。
下面以具体实施例本说明，如下表1～4，1#～7#样品，其钢锭的成份含量如表1、2中所示，然后按照表3中的参数进行行锻造和热处理，最终产品的性能如表4。
表1，1#～7#样品中各元素的成分含量一，按重量百分比：
样品 C_％ Si_％ Mn_％ Ni_％ P_％ S_％ Cr_％
1# 0.042 0.36 0.76 3.55 0.005 0.003 0.16
2# 0.101 0.36 0.91 3.52 0.008 0.008 0.19
3# 0.082 0.27 0.75 3.48 0.005 0.003 0.13
4# 0.091 0.16 0.81 3.56 0.007 0.006 0.153 -->
5# 0.072 0.25 0.78 3.54 0.005 0.002 0.13
6# 0.093 0.23 0.32 3.81 0.006 0.003 0.14
7# 0.120 0.30 0.69 3.72 0.011 0.005 0.21
表2，1#～7#样品中各元素的成分含量二，按重量百分比：
样品 Mo_％ V_％ Nb_％ Al_％ N_％ Ti_％
1# 0.039 0.017 0.012 0.014 0.0095 -
2# - - 0.049 0.011 0.0152 -
3# 0.061 - 0.016 0.017 0.0121 -
4# 0.031 0.045 0.039 0.014 0.0105 -
5# 0.055 0.021 - 0.027 0.0117 -
6# 0.048 0.020 0.024 0.039 0.0049 -
7# 0.110 0.006 - 0.009 0.0005 0.003
表1、2数据含义为：
1#的样品中各元素含量为，除Fe和不可避免杂质外，按重量百分比，还含有C：0.042％、Si：0.36％、Mn：0.76％、Ni：3.55％、P：0.005％、S：0.003％、Cr：0.16％、Mo：0.039％、V：0.017％、Nb：0.012％、Al:0.014％、N：0.0095％，不含Ti,2#～7#样品对应的数据含义同上，其中7#样品为对比例。
表3，1#～7#样品的锻造和热处理参数：
表3中数据含义为，1#样品采用本发明的方法进行锻造和热处理，其厚度为300mm，锻造时加热温度为1250℃，然后开始锻造，终锻温度为965℃，锻造比为3；随后进行热处理，包括加热至700℃并保温3小时的退火处理，加热至950℃并保温7小时的正火处理，加热至600℃并保温8小时的回火处理；随后进行调质处理，包括加热至890℃并保温6小时并快速冷却至80℃的淬火处理，加热至620℃并保温7小时的回火处理。表格中2#～7#样品对应数据含义同上。其中5#、6#样品在锻造后未进行退火处理。
表4，1#～7#样品的测试性能：
表4中数据含义为，1#样品分别在tx2t，和TxT/4位置进行取样，(按照相关标准，T为锻件的最大有效热处理厚度，检验试样的纵轴应位于锻件的任一表面至少T/2或T/4处，试样的长度中点应位于任何另一表面至少1个T处。这样的试样通常称为TxT/2或TxT/4试样。t为产品所规定的高拉应力表面区表面距离锻件最近热处理表面的最大距离，t×2t取样即是指在试样的纵轴距最近热处理表面距离至少等于所规定的高拉应力表面到最近的热处理表面的最大距离，且不小于19mm，且试样长度中点到其他热处理表面至少为此距离的两倍，且不小于38mm)。
样品分别进行最小模拟焊后热处理(Min.PWHT)，工艺为610±10℃保温温度，保温3.5～4小时；最大模拟焊后热处理(Max.PWHT)，工艺为610±10℃保温温度，保温10.5～12小时，300℃以上的加热、冷却速率以不大于55℃/时控制。
随后进行性能检测，1#样品tx2t位置取样，经最小模拟焊后热处理，其常温性能为，屈服强度为420MPa，抗拉强度为520MPa，延伸率为35％，面缩率为81％，-100℃冲击吸收功为，192J、286J、234J，晶粒度为8级，其他样品对应数据含义同上。
表4数据可见，1～6#样品采用本发明的方法制造的锻件，其具有很好的常温性能和低温性能，7#样品为对比例，其低温性能具有明显差距。

Claims (7)

1.低温锻钢制造方法，其特征在于，包括顺序进行的如下步骤
A、冶炼浇注得到钢锭，控制钢锭成分按重量百分比，除Fe和不可避免的杂质外，还含有C：0.04～0.10％、Si：0.15～0.35％、Mn：0.30～0.90％、Ni：3.50～3.80％、P：≤0.008％、S：≤0.008％、Cr：≤0.20％、Nb：0.010～0.050％、Al:0.010～0.040％、N：0.005～0.015％；
B、锻造：钢锭加热至1150～1250℃，开始锻造，终锻温度≥800℃，锻造比≥3；
C、正火处理：保温温度为880～950℃，保温时间≥3h；回火处理：保温温度为600～660℃，保温时间≥6h；
D、调质处理：加热至830～890℃，并保温≥3h，以淬火冷却速度冷却至≤150℃，然后进行回火，保温温度为600～660℃，保温时间≥3h。
2.如权利要求1所述的低温锻钢制造方法，其特征在于，所述D步骤中，淬火冷却至≤80℃。
3.如权利要求1所述的低温锻钢制造方法，其特征在于，所述A步骤中，钢锭成分还含有Mo、V之一或者其组合，按重量百分比Mo、Nb、V的总量≤0.12％。
4.如权利要求3所述的低温锻钢制造方法，其特征在于，按重量百分比，所述Mo为≤0.06％，V为≤0.05％。
5.如权利要求1所述的低温锻钢制造方法，其特征在于，所述步骤C中，正火处理之前还包括退火处理：保温温度为500～700℃，保温时间≥3h。
6.如权利要求5所述的低温锻钢制造方法，其特征在于，所述A步骤中，冶炼浇注得到钢锭的过程包括，采用电炉粗炼；钢水去氧化渣进钢包炉；钢包炉中在1630～1670℃精炼、真空除气、调整钢水成分、加热、调整还原渣；采用真空浇铸工艺铸锭得到钢锭，浇铸温度为1610～1650℃，真空度为≤67Pa；所述步骤C中，正火处理时采用风冷或空冷，回火处理时采用空冷或炉冷；所述步骤D中，淬火冷却为水冷，回火保温后空冷或炉冷。
7.采用如权利要求1、2、3、4、5或6所述的低温锻钢制造方法制造的锻钢，其特征在于，所述锻钢制成的锻件屈服强度为330～460MPa，抗拉强度为500～570MPa，延伸率30％～37％，面缩率70％～80％，-100℃冲击功180～330J。
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