CN108220784A - 一种低屈强比碳锰低温钢的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低屈强比碳锰低温钢的制造方法，化学成分重量百分比为C=0.05~0.09、Si=0.10~‑0.40、Mn=1.30~1.50、P≤0.010、S≤0.003、Nb≤0.010、Al=0.030~0.060，余为Fe和不可避免的杂质。本发明采用低C高Mn、高Al的成分设计，通过连铸过程中动态轻压下控制技术，并配合轧制过程中高温大压下及轧后快速冷却控制工艺，获得细小的准多边形铁素体及少量针状铁素体+珠光体组织。本发明的低屈强比碳锰低温钢针对液化石油气船用钢，具有钢质纯净、低屈强比、高韧性及低温焊接性能优异的特点，钢板厚度方向韧脆转变温度低于‑80℃，焊后‑70℃焊接性能优良，此外，无需添加Cu、Cr等微合金元素，制造成本低廉。

Description

一种低屈强比碳锰低温钢的制造方法

技术领域

本发明属于低合金结构钢制造领域，具体涉及一种低屈强比碳锰低温钢的制造方法。

技术背景

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。由于民用及商用液化气需求的不断增加，全球液化石油气贸易量大幅增长。与之相适应，LPG船运市场也随之发展起来。

LPG船作为目前世界四大主力发展船型之一，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，包括丙烯和丁烯等化工产品。对于普通运输船而言，-40℃已是运输使用极限，而LPG船液货舱正常工作温度在-55~-60℃。船用碳锰低温钢则主要应用于LPG/VLGC船液货舱及次屏蔽等船体结构，船用低温钢在母材及焊接应用中至少需要接受-70℃的考验，属于高端船用钢板。一般对于0℃以下服役环境的钢板，生产过程中都需要添加一定量的Nb、Ni等微合金元素进行晶粒细化，提高低温韧性。

CN201610815114公开的“一种用于-70℃的高强度、高韧性、低屈强比低温钢及其制造方法”，该钢板化学成分的质量百分含量为：C=0.05～0.20、Si≤0.30、Mn=0.85～1.50、P≤0.005、S≤0.003、Al=0.015～0.050、Ni=0.35～0.70，此外还含有Mo≤0.10、Nb≤0.05，Ti≤0.025，Ca≤0.005中的一种或多种，余为Fe和不可避免的杂质。该发明方案中由于添加Ni、Mo等贵重合金，合金成本高，且钢板需正火+回火热处理，制造成本高且工艺复杂。

CN201611003652 公开的“一种液化气体船用碳锰低温钢及制造方法”，该钢板化学成分为：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。该发明方案由于大量添加Nb元素，一定程度上增加了合金成本，另外Nb元素轧制过程中会析出碳氮化物，使屈强比增高。且在较高输入量焊接速度下，固溶Nb会增加HAZ区贝氏体转变的倾向，对焊接后低温性能存在一定影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何在不添加Ni、Cu等贵重合金元素的条件下，采用低C高Mn、Al脱氧细晶成分设计，配合冶炼连铸过程中动态轻压下控制技术，轧制阶段高温大压下及轧后快速冷却控制工艺，使钢板获得均匀细小的准多边形铁素体及少量针状铁素体+珠光体组织，从而获得良好的低温韧性及屈强比性能，韧脆转变温度可达到-80℃，屈强比≤0.85。

本发明解决以上技术问题的技术方案是：

一种低屈强比碳锰低温钢的制造方法，钢的化学成分重量百分比为C=0.05～0.09、Si=0.10～0.40、Mn=1.30～1.50、P≤0.010、S≤0.003、Nb≤0.010、Al=0.030～0.060、Ti=0.01～0.02，余为Fe和不可避免的杂质；包括以下工艺步骤：

（1）冶炼和铸造：采用转炉或电炉冶炼，铸造采用连铸或模铸，铁水经预处理脱硫，转炉终点控制出钢[C]≤0.005，[P]≤0.005，出钢时开启全程吹氩，采用挡渣棒或挡渣球挡渣；钢水到LF精炼炉后进行加热升温及造白渣操作，保持白渣时间≥15min，精炼总在站时间≥45min；VD炉真空度0.5 tor以下保持时间不小于15min，钢水定氢[H]≤2.0ppm，经转炉及精炼操作后，铁水硫含量S≤0.003；连铸采用全程保护浇铸，过热度≤35℃，结晶器采用低碳保护渣，连铸过程配合采用动态轻压下，控制低倍偏析达到GB226要求偏析C类0.5级。

（2）加热炉加热：将连铸坯或钢锭装入加热炉中加热，加热温度为1100~1180℃，均热时间10~60min，钢坯获得细小均匀的原始奥氏体组织。

（3）中厚板轧机轧制：在中厚板轧机上进行轧制，采用控轧控冷工艺，粗轧轧制温度不低于980℃，设定粗轧中间坯厚度不小于3倍轧制厚度，粗轧阶段至少有一道次压下率≥20%，并至少有二道次平均压下率≥18%；精轧开轧温度830~920℃，终轧温度800~840℃，轧后经加速冷却，冷却速度10~18℃/s，返红温度560~640℃，钢板经热矫后上冷床空冷。

所述钢的化学成分重量百分比优化为C=0.06~0.09、Si=0.10~0.40、Mn=1.30~1.50、P≤0.010、S≤0.003、Nb≤0.010、Al=0.043~0.060、Ti=0.01~0.02，余为Fe和不可避免的杂质。

通过粗轧阶段高温大压下及控轧控冷，钢板获得细小均匀的准多边形铁素体及少量针状铁素体+珠光体组织，晶粒度10~13级，采用上屈服取值，屈强比≤0.85，钢板表面及心部韧脆转变温度均低于-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，C含量的提高虽然能够提高强度和降低Ar3温度，但恶化钢的低温韧性和焊接性能，因此本发明涉及的钢种对碳含量进行平衡，最终碳含量控制在0.05～0.09wt.。

硅：钢种脱氧元素之一，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，因此对本发明涉及的钢种碳含量进行平衡，最终碳含量控制在0.10～0.40 wt.。

锰：锰是弱碳化物形成元素，它可以降低奥氏体转变温度，细化铁素体晶粒，同时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德固溶度积，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，对提高钢板强度和韧性，降低钢板屈强比有益，因此对本发明涉及的钢种采用高Mn设计，含量控制在1.30～1.50 wt.。由于Mn含量的提高，导致在铸坯中偏析倾向增加，则通过连铸动态轻压下工艺进行控制，使低倍满足GB226要求偏析C类0.5级。

铌：轧制过程中固溶于奥氏体中德Nb和形变诱导析出碳氮化铌离子显著提高奥氏体未再结晶温度，有助于细化铁素体组织，但会显著提高钢板屈强比，且在较高输入量焊接速度下，固溶Nb会增加HAZ区贝氏体转变的倾向，对焊接后低温性能存在一定影响。因此对本发明涉及的钢种采用低Nb设计，含量控制在0.10 wt.以下。

铝：铝是强脱氧元素，增加Al含量，可以提高铁素体相变点和抑制碳化物析出，促进碳原子在铁素体基体和残余奥氏体之间迁移，可以提高M-A组元内部残余奥氏体含量，改善M-A组元的形貌和尺寸，从而显著提高低温冲击性能及大线能量焊接性能。本发明Al含量控制在0.030～0.060wt。

钛：钢中进行微Ti处理，有利于加热过程中控制奥氏体晶粒长大、轧制过程细化奥氏体及铁素体晶粒、改善船板焊接性能。本发明Ti含量控制在0.010～0.020wt。

磷和硫：钢种杂志元素，显著降低低温韧性和焊接性能，其含量应分别控制在P≤0.010、S≤0.003。

本发明控轧控冷的工艺控制原理如下：

在铸坯加热阶段，在高于本发明涉及的钢板的完全奥氏体化温度的前提下，尽量降低加热温度，获得细小均匀的原始奥氏体组织。控制均热时间，确保钢坯加热温度均匀。在轧制过程中，粗轧阶段采用高温大压下，提高展宽后道次压下率，增大钢坯心部金属变形程度，在动态再结晶过程中是钢坯厚度方向均匀的获得细小奥氏体晶粒；精轧阶段在奥氏体再结晶温度以下变形，总的变形率在40%以上，进一步获得形变奥氏体组织，有助于增加铁素体形核率。加速冷却阶段，冷却速度控制在12~15℃/s，返红温度控制在560~640℃，获得细小的针状铁素体及准多边形铁素体+珠光体组织。

本发明采用低C高Mn、高Al细晶成分设计，在冶炼连铸过程中通过动态轻压下控制技术，获得优异的铸坯质量，轧制过程中采用高温大压下及轧后快速冷却控制工艺，使钢板获得均匀细小的准多边形铁素体及少量针状铁素体+珠光体组织，成分设计及工艺路线简单，制造成本低，还能获得良好的低温韧性及焊接性能。由此可见，本发明的低屈强比液化石油气船用碳锰低温钢无需添加Ni、Cu等贵重合金，少量添加Nb微合金元素，无需热处理即可满足建造液化石油气运输船低温液舱及次屏蔽结构的需求，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高Mn、高Al，降低Nb含量的成分设计，通过连铸过程中动态轻压下控制技术，并配合轧制过程中高温大压下及轧后快速冷却控制工艺生产液化石油气运输船低温钢板，无需添加Cu、Cr等贵金属，生产工艺简单，生产成本低廉；低的Nb含量和高的Mn、Al含量设计，减少了碳氮化物的析出，保证了低屈强比性能并提高了大线能量焊接性能；细小的准多边形铁素体及少量针状铁素体+珠光体组织，保证了钢板获得高强度、高韧性和优异的焊接性能。

具体实施方式

下面结合实施例进一步说明。

实施例为低屈强比液化石油气船用碳锰低温钢，分为ABC三组（炉号）。钢的化学成分如表1所示。

制造方法包括以下步骤：

（1）冶炼和铸造：采用转炉或电炉冶炼，铸造采用连铸；铁水经预处理脱硫，转炉加强终点控制，出钢[C]≤0.005，[P]≤0.005，出钢时开启全程吹氩，采用挡渣棒或挡渣球挡渣。钢水到LF精炼炉后，进行加热升温及造白渣操作，要求快速成渣，保持白渣时间≥15min，精炼总在站时间≥45min；VD炉真空度0.5 tor以下保持时间不小于15min，钢水定氢[H]≤2.0ppm，经转炉及精炼操作后，铁水S含量≤0.003%。连铸采用全程保护浇铸，过热度≤35℃，结晶器采用低碳保护渣，连铸过程配合采用动态轻压下，控制低倍偏析达到GB226要求偏析C类0.5级。

（2）加热炉加热：将连铸坯或钢锭装入加热炉中加热，加热温度为1100~1180℃，均热时间10~60min，钢坯获得细小均匀的原始奥氏体组织；

（3）中厚板轧机轧制：在中厚板轧机上进行轧制，采用控轧控冷工艺，粗轧轧制温度不低于980℃，设定粗轧中间坯厚度不小于3倍轧制厚度，粗轧阶段至少有一道次压下率≥20%，并至少有二道次平均压下率≥18%，；精轧开轧温度830~920℃，终轧温度为800~860℃，轧后经加速冷却，冷却速度10~18℃/s，返红温度560~640℃，钢板经热矫后上冷床空冷。通过粗轧阶段高温大压下及控轧控冷，钢板获得细小均匀的准多边形铁素体及少量针状铁素体+珠光体组织，晶粒度10~13级，采用上屈服取值，屈强比≤0.85，钢板表面及心部韧脆转变温度均低于-80℃。

铸坯加热温度、粗轧最大两道次轧制压下率、精轧开轧温度、精轧终轧温度、加速冷却冷速及返红温度等主要工艺参数见表2。钢力学性能见表3。表4给出1号钢板采用不同线输入能量焊接后性能。

表1低屈强比液化石油气船用碳锰低温钢的化学成分(wt，%)

表2低屈强比液化石油气船用碳锰低温钢的控轧控冷参数

表 3低屈强比液化石油气船用碳锰低温钢的力学性能

表4低屈强比液化石油气船用碳锰低温钢的焊接性能

图1给出1号钢板显微组织的金相照片。由图1可知，轧态组织为准多边形铁素体及少量针状铁素体+珠光体组织。

Claims (2)

1.一种低屈强比碳锰低温钢的制造方法，其特征在于：钢的化学成分重量百分比为C=0.05～0.09、Si=0.10～0.40、Mn=1.30～1.50、P≤0.010、S≤0.003、Nb≤0.010、Al=0.030～0.060、Ti=0.01～0.02，余为Fe和不可避免的杂质；包括以下工艺步骤：

（1）冶炼和铸造：采用转炉或电炉冶炼，铸造采用连铸或模铸，铁水经预处理脱硫，转炉终点控制出钢[C]≤0.005，[P]≤0.005，出钢时开启全程吹氩，采用挡渣棒或挡渣球挡渣；钢水到LF精炼炉后进行加热升温及造白渣操作，保持白渣时间≥15min，精炼总在站时间≥45min；VD炉真空度0.5 tor以下保持时间不小于15min，钢水定氢[H]≤2.0ppm，经转炉及精炼操作后，铁水硫含量S≤0.003；连铸采用全程保护浇铸，过热度≤35℃，结晶器采用低碳保护渣，连铸过程配合采用动态轻压下，控制低倍偏析达到GB226要求偏析C类0.5级；

（2）加热炉加热：将连铸坯或钢锭装入加热炉中加热，加热温度为1100~1180℃，均热时间10~60min，钢坯获得细小均匀的原始奥氏体组织；

（3）中厚板轧机轧制：在中厚板轧机上进行轧制，采用控轧控冷工艺，粗轧轧制温度不低于980℃，设定粗轧中间坯厚度不小于3倍轧制厚度，粗轧阶段至少有一道次压下率≥20%，并至少有二道次平均压下率≥18%；精轧开轧温度830~920℃，终轧温度800~840℃，轧后经加速冷却，冷却速度10~18℃/s，返红温度560~640℃，钢板经热矫后上冷床空冷。

2.根据权利要求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：所述钢的化学成分重量百分比为：C=0.06~0.09、Si=0.10~0.40、Mn=1.30~1.50、P≤0.010、S≤0.003、Nb≤0.010、Al=0.043~0.060、Ti=0.01~0.02，余为Fe和不可避免的杂质。