CN106756527B - 一种液化气体船用碳锰低温钢及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种液化气体船用碳锰低温钢及其制造方法，其化学成分重量百分比为：C：0.03～0.08%、Si：0.10～0.30%、Mn：0.60～1.30%、P：≤0.015%、S：≤0.005%、Nb：0.010～0.080%、Al：0.010‑0.060%，余为Fe和不可避免的杂质。本发明采用洁净钢冶炼‑连铸工艺，制得高纯净度、均质连铸坯，通过两阶段控制轧制、控制冷却，获得细小铁素体+珠光体组织。本发明的液化气体船用碳锰低温钢具有钢质纯净、组织均匀、晶粒度10.0‑13.5级、韧脆转变温度低于‑80℃的特征，满足液化气体运输船液货舱及船体结构的建造需求，同时具有化学成分简单、成本低的优点。

Description

一种液化气体船用碳锰低温钢及制造方法
技术领域
本发明属于合金钢制造领域，涉及一种液化气体船用碳锰低温钢及其制造方法。
背景技术
液化石油气(Liquefied petroleum gas，简称LPG)以其使用方便、清洁、少污染的特点受到广泛的采用。随着我国经济持续的高速发展，人民生活水平的逐步提高，城市人口迅速增长以及环境保护意识的增强，对LPG的需求迅速增长，已成为世界第三大液化气消费市场。由于国内产量远滞后于需求，进口量大增，与之相适应，LPG船运市场也随之发展起来。LPG船主要运输以丙烷和丁烷为主要成份的石油碳氢化合物或两者混合气，包括丙烯和丁烯，还有一些化工产品，近年来乙烯也列人其运输范围。LPG船因其特殊用途而产生了各方面的特殊要求，其技术难度大，代表当今世界的造船技术水平，船价为同吨位常规运输船的2～3倍，是一种高技术、高附加值的船舶。
但目前国内LPG运输船数量严重不足，且现有LPG运输船船舶状况不佳，无法满足LPG水运市场的需求。中国是造船大国，造船行业在最近几年发展迅速，目前在世界造船行业的年造船能力已经跃居世界第二位，LPG船用高强度耐低温冲击钢需求巨大。LPG船一般设计使用温度最低为-55℃，相应要求低温钢板具有-75℃良好的低温冲击韧性，以保证船体结构的安全。一般对于0℃以下服役环境的钢板，都需添加一定量的Ni提高低温韧性，同时要具有稳态组织状态，避免出现不稳定的中温转变组织。
如“一种压力容器用低温钢板”(申请公布号：CN104674110)，该钢板化学成分的质量百分含量为：C0.03-0.07％、Si0.15-0.3％、Ni6.8-8.0％、Mn0.6-0.9％、P≤0.005％、S≤0.005％、Al0.02-0.04％、Mo0.01-0.2％、Nb0.01-0.09％，余量为Fe和不可避免的杂质；Ni含量高，合金成本高，且钢板需淬火+回火热处理，制造成本高且工艺复杂。“一种高强高韧性船用低温钢”(申请公布号：CN102851591A)，该钢板化学成分的质量百分含量为：C0.04-0.12％、Si0.20-0.55％、Ni0.05-0.50％、Mn0.6-1.4％、P0.005-0.015％、S≤0.005％、Al0.02-0.07％、Cu0.05-0.40％、N≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质，并保证Ni/Cu比为1.2-1.5；添加Ni、Cu等贵重合金，虽韧脆转变温度也低于-80℃，但成本高。“一种LPG船用储罐用钢板及其制造方法”(申请公布号：CN104831181A)，该钢板化学成分的质量百分含量为：C0.05-0.095％、Si≤0.30％、Ni0.15-0.80％、Mn0.70-1.35％、P≤0.015％、S≤0.008％、Al0.020-0.060％、Cu0.15-0.30％、Mo0.15-0.35％、Ti0.008-0.020％，以及元素Nb、V、B三种中的一种或多种，Nb0.015-0.065％或V0.030-0.060％或B0.0005-0.0020％，余量为Fe和不可避免的杂质；添加Ni、Cu、Mo等贵重合金，合金成本高，且钢板需淬火+回火热处理，制造成本高且工艺复杂。“一种具有优异韧性390MPa级低温船用钢”(申请公布号：CN103882297A)，该钢板化学成分的质量百分含量为：C0.05-0.12％、Si0.08-0.30％、Mn1.0-1.40％、P≤0.01％、S≤0.01％、Als0.01-0.05％、Nb0.02-0.04％、Ti0.005-0.020％，余量为Fe和不可避免的杂质；钢板组织为多边形铁素体+针状铁素体+珠光体+贝氏体，其中贝氏体体积百分含量范围7-25％；其C含量较高，不利于焊接性，且钢中有体积分数为7-25％的贝氏体，属非稳态的中温转变组织，低温服役时的安全性差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，如何在不添加Cu、Cr、Ni、Mo等贵重合金元素的条件下，采用超低C和Nb、Al复合微合金化设计以及两阶段控制轧制、轧后层流冷却及层流冷却后再返回预矫直机返矫，来使液化气体船用低温钢得到细小均匀的铁素体+珠光体组织，获得良好的低温韧性和良好板形。
本发明解决以上技术问题的技术方案是：
一种液化气体船用碳锰低温钢及制造方法，液化气体船用碳锰低温钢的化学成分重量百分比为：C：0.03-0.08％、Si：0.10-0.30％、Mn：0.60-1.30％、P：≤0.015％、S：≤0.005％、Nb：0.010-0.080％、Al：0.010-0.060％，余为Fe和不可避免的杂质；
液化气体船用碳锰低温钢的制造方法包括以下步骤：
冶炼和铸造工序：采用转炉或电炉冶炼，铸造采用连铸；铁水脱硫后目标硫≤0.005％，转炉冶炼防止终点回S，严格做好转炉出钢挡渣，LF炉采用白渣操作，精炼总时间确保≥30分钟，RH高真空度≤5.0mbar条件下保持≥25分钟，连铸采用保护浇铸，中包采用无碳覆盖剂，连铸过程采用恒拉速；
加热炉加热工序：将连铸坯装入加热炉中加热，加热温度为1120-1230℃，时间为1-5小时，钢内部获得细小均匀的原始奥氏体组织；
中厚板轧机轧制工序：在中厚板轧机上进行轧制，采用两阶段轧制，粗轧轧制总压下率≥40％，粗轧终轧温度为1000-1100℃，精轧轧制总压下率≥45％，精轧开轧温度860-930℃，终轧温度为780-860℃，轧后经层流冷却，终冷返红温度450-650℃，随后空冷至室温；钢板经层流冷却后，倒回预矫直机矫1-5道次，再上冷床冷却至室温；通过两阶段控制轧制和控制冷却，获得细小均匀的铁素体+珠光体组织，晶粒度10.0-13.5级，韧脆转变温度低于-80℃。
本发明各元素的作用及配比依据如下：
碳：具有显著的固溶强化作用，提高钢的淬透性，但碳含量较高对钢的冲击韧性尤其是上平台冲击功非常不利，且明显损害焊接性能；因此，本发明涉及的钢板采用低碳成分设计，碳含量范围为0.03～0.08wt.％。
硅：钢中脱氧元素之一，同时具有较强的固溶强化作用，但过量的Si将恶化钢的低温韧性及焊接性能；综合上述考虑，本发明钢的硅含量范围为0.10～0.30wt.％。
锰：明显提高钢的淬透性，具有一定的固溶强化作用，扩大微合金碳氮化物在奥氏体中的固溶度积，可以避免过多的微合金碳氮化物在轧制过程中形变诱导析出，但Mn含量过高时，其在铸坯中的偏析倾向增加，另外对焊接性能不利；基于上述原因，本发明钢Mn含量范围为:0.60～1.30wt.％。
铌：轧制过程中固溶于奥氏体中的Nb和形变诱导析出碳氮化铌粒子显著提高奥氏体未再结晶温度，获得薄饼状奥氏体，有助于细化铁素体组织，本发明中Nb含量应控制在0.010-0.080wt.％。
铝：铝是强脱氧元素，还可与N结合形成AlN，能够起到细化晶粒作用。
磷和硫：钢中杂质元素，显著降低低温韧性和焊接性能，其含量应分别控制在≤0.015wt.％和≤0.005wt.％。
本发明控轧控冷的工艺控制原理如下：
在铸坯加热阶段，控制奥氏体化温度，高于微合金元素Nb的全固溶温度，但低于奥氏体发生反常晶粒长大的温度，获得细小均匀的原始奥氏体组织。采用两阶段控轧工艺，在粗轧阶段，适当降低粗轧温度、提高道次压下量，实施再结晶控轧，通过反复再结晶细化奥氏体；精轧阶段在奥氏体未再结晶温度(Tnr)以下变形，利用固溶Nb和析出Nb抑制奥氏体再结晶，获得薄饼状奥氏体，有助于细化铁素体和贝氏体组织。层流冷却阶段，终冷返红温度控制在450-650℃，获得铁素体和珠光体组织，晶粒度10.0-13.5级。
这样，本发明在化学成分上采用低碳设计，加入适量Mn、Si，进行Nb微合金化；在生产工艺上，采用结晶和非再结晶区控制轧制技术，充分利用控轧控冷对奥氏体状态和微合金元素析出的调控作用，细化晶粒，进而在后续层流冷却中获得晶粒细小的铁素体和珠光体组织，既成分低，制造工艺又简单，还能使液化气体船用低温钢获得良好的低温韧性。由此可见，本发明的液化气体船用低温钢采用超低C和Nb、Al复合微合金化设计，无需添加Cu、Cr、Ni、Mo等贵重合金元素，通过两阶段控制轧制及轧后层流冷却，无需热处理，即可得到细小均匀的铁素体+珠光体组织，从而获得良好的强韧性匹配，具有成分及制造工艺简单、成分低、低温韧性好的优点，适合建造液化气体运输船液货舱及船体结构，具有韧脆转变温度低于-80℃的特征。
本发明的优点在于：采用低C、适量Nb微合金化的成分设计，通过控制轧制和控制层流、控制返红温度工艺生产具有细晶铁素体/珠光体组织的液化气体船用碳锰低温钢，晶粒度10.0-13.5级；细晶铁素体/珠光体组织保证了高的屈服强度和低温韧性，韧脆转变温度低于-80℃；低的碳含量和碳当量设计，不添加Cu、Cr、Ni、Mo等贵重元素，降低了合金成本，通过控轧控冷获得细晶组织，具有高强度、高韧性和优异的焊接性。
附图说明
图1为本发明钢板显微组织的OM图片。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明中的一部分，而不是全部的实施例。
本发明实施例钢铸坯通过转炉冶炼、LF精炼、连铸进行生产，化学成分共3个实施例，化学成分如表1所示。
制造方法包括以下步骤：
冶炼和铸造工序：采用转炉或电炉冶炼，铸造采用连铸；铁水脱硫后目标硫≤0.005％，转炉冶炼防止终点回S，严格做好转炉出钢挡渣，LF炉采用白渣操作，精炼总时间确保≥30分钟，RH高真空度≤5.0mbar条件下保持≥25分钟，连铸采用保护浇铸，中包采用无碳覆盖剂，连铸过程采用恒拉速；
加热炉加热工序：将连铸坯装入加热炉中加热，加热温度为1120-1230℃，时间为1-5小时，钢内部获得细小均匀的原始奥氏体组织；
中厚板轧机轧制工序：在中厚板轧机上进行轧制，采用两阶段轧制，粗轧轧制总压下率≥40％，粗轧终轧温度为1000-1100℃，精轧轧制总压下率≥45％，精轧开轧温度860-930℃，终轧温度为780-860℃，轧后经层流冷却，终冷返红温度450-650℃，钢板经层流冷却后，倒回预矫直机矫1-5道次，再上冷床冷却至室温；通过两阶段控制轧制和控制冷却，获得细小均匀的铁素体+珠光体组织，晶粒度10.0-13.5级，韧脆转变温度低于-80℃。
铸坯加热温度、粗轧终轧温度、精轧开轧温度、精轧终轧温度等主要工艺参数见表2。钢板横向拉伸性能、纵向冲击功在表3中列出。
图1给出了3号钢板显微组织的金相照片，由图1可知，热轧态组织为铁素体+珠光体组织。
表1液化气体船用碳锰低温钢的化学成分(wt.％)
钢坯编号 C Mn Si P S Nb Al Fe
A 0.06 1.04 0.19 0.006 0.002 0.050 0.043 Bal.
B 0.05 1.25 0.25 0.005 0.003 0.030 0.036 Bal.
C 0.08 0.90 0.20 0.008 0.002 0.060 0.020 Bal.
表2液化气体船用碳锰低温钢的主要轧制工艺参数
表3液化气体船用碳锰低温钢的力学性能
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种液化气体船用碳锰低温钢的制造方法，其特征在于：所述液化气体船用碳锰低温钢化学成分重量百分比为：C：0.03-0.08%、Si：0.10-0.30%、Mn：0.60-1.30%、P：≤0.015%、S：≤0.005%、Nb：0.010-0.080%、Al：0.010-0.060%，余为Fe和不可避免的杂质；
所述液化气体船用碳锰低温钢的制造方法包括以下步骤：
冶炼和铸造工序：采用转炉或电炉冶炼，铸造采用连铸；铁水脱硫后目标硫≤0.005%，转炉冶炼防止终点回S，严格做好转炉出钢挡渣，LF炉采用白渣操作，精炼总时间确保≥30分钟，RH高真空度≤5.0mbar条件下保持≥25分钟，连铸采用保护浇铸，中包采用无碳覆盖剂，连铸过程采用恒拉速；
加热炉加热工序：将连铸坯装入加热炉中加热，加热温度为1120-1230℃，时间为1-5小时，钢内部获得细小均匀的原始奥氏体组织；
中厚板轧机轧制工序：在中厚板轧机上进行轧制，采用两阶段轧制，粗轧轧制总压下率≥40%，粗轧终轧温度为1000-1100℃，精轧轧制总压下率≥45%，精轧开轧温度860-930℃，终轧温度为780-860℃，轧后经层流冷却，终冷返红温度450-650℃，随后空冷至室温；钢板经层流冷却后，倒回预矫直机矫1-5道次，再上冷床冷却至室温；通过两阶段控制轧制和控制冷却，获得细小均匀的铁素体+珠光体组织，晶粒度10.0-13.5级，韧脆转变温度低于-80℃。
2.如权利要求1所述的液化气体船用碳锰低温钢的制造方法，其特征在于：所述液化气体船用碳锰低温钢化学成分重量百分比为：C：0.05-0.08%、Si：0.19-0.25%、Mn：0.90-1.25%、P：0.005-0.008%、S：0.002-0.003%、Nb：0.03-0.06%、Al：0.02-0.043%，余为Fe和不可避免的杂质；
所述加热炉加热工序中，加热温度为1130-1220℃；
所述中厚板轧机轧制工序中，粗轧终轧温度为1022-1100℃，精轧开轧温度860-910℃，终轧温度为785-853℃，终冷返红温度460-650℃。
3.如权利要求1或2所述的液化气体船用碳锰低温钢的制造方法，其特征在于：所述液化气体船用碳锰低温钢化学成分重量百分比为：C：0.06%、Si：0.19%、Mn：1.04%、P：0.006%、S：0.002%、Nb：0.05%、Al：0.043%，余为Fe和不可避免的杂质。
4.如权利要求1或2所述的液化气体船用碳锰低温钢的制造方法，其特征在于：所述液化气体船用碳锰低温钢化学成分重量百分比为：C：0.05%、Si：0.25%、Mn：1.25%、P：0.005%、S：0.003%、Nb：0.03%、Al：0.036%，余为Fe和不可避免的杂质。
5.如权利要求1或2所述的液化气体船用碳锰低温钢的制造方法，其特征在于：所述液化气体船用碳锰低温钢化学成分重量百分比为：C：0.08%、Si：0.20%、Mn：0.90%、P：0.008%、S：0.002%、Nb：0.06%、Al：0.02%，余为Fe和不可避免的杂质。
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