CN108950400A - 一种低温海洋用钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温海洋用钢及其制备方法，其化学组分及其质量百分比为：C 0.10‑0.15%，Si 0.51‑0.60%，Mn 4.1‑6.9%，P≤0.005%，S≤0.002%，Cr 0.90‑1.15%，Ni 0.15‑0.25%，余量为Fe和不可避免的杂质；制备时，首先在铁水罐中调节各化学组分的质量百分比，经深脱硫预处理、转炉冶炼、精炼脱硫后，再用RH真空系统精炼，最后连续铸造成板坯；板坯经过轧制、浇水冷却、再经回火处理，最后自然冷却至室温即可；本发明的低温海洋用钢化学成分和生产工艺简单，生产成本低廉，综合力学性能优良，具有良好的经济效益和社会效益。

Description

一种低温海洋用钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及低合金钢制造技术领域，具体是一种低温海洋用钢及其制备方法。

背景技术

低温海洋工程钢结构多用含昂贵合金元素Ni的钢材制造，Ni含量水平在1.5%～9.0%或采用Mn≥10%的高锰钢生产，制造难度大，生产成本高。如中国发明专利，申请号为CN89104759.X公开了一种铁-锰-铝-碳奥氏体无磁钢与低温钢，含Mn 19～21%、Al 2.3～3.2%、C 0.25～0.33%、Si ≤0.7%、S≤0.05%、P≤0.04%、Fe余量，由Mn、C稳定奥氏体结构，Al抑制γ→ε马氏体相变，该钢种具有极低的磁导率与在77K及其以上温度的高韧性。该申请制备的新钢种可以作为无磁钢，代替1Cr18Ni9Ti及有色合金用于变压器、磁选机及电机等电气设备中不导磁部件的制造。作为低温钢可代替1Cr18Ni9Ti与9%Ni钢用于77K及其以上温度的低温设备的机械部件，如容器、阀门等，且价格低于1Cr18Ni9Ti，热处理工艺及焊接工艺远比9%Ni钢简单。但该申请中所涉及钢种属典型高Mn高合金钢，生产难度较大，铸坯质量和钢板表面质量均难于保证，成材率低。

中国发明专利，申请号为CN201110331478.9公开了一种高韧性-130℃低温钢及其制造方法，化学成分按重量百分比由以下组成，C≤0.12、Si 0.10～0.35、Mn 0.30～1.00、P≤0.015、S≤0.005、Ni 4.70～5.30、Al 0.005～0.10，此外还含有Nb≤0.040、V≤0.060、Cr≤0.25、Mo≤0.50、Zr≤0.050、RE≤0.020中的一种或一种以上，余量为Fe。该申请中钢的生产工艺采用一次淬火+回火或两次淬火+一次回火热处理工艺，组织稳定，具有稳定且优良的-130℃低温韧性。上述技术属典型5Ni钢低温品种，虽具有良好的综合力学性能，但由于昂贵合金元素Ni含量较高达4.70～5.30%，添加的合金元素较多，且采用两次淬火+一次回火热处理生产工序，生产工序复杂，操作不易控制，生产成本相对较高等问题。

中国发明专利，申请号为CN200710062011.2公开了一种提高低温钢板韧性的方法，包括板坯料加热、轧制与热处理，在坯料加热工序中，加热温度为1150℃～1250℃；在轧制工序时，先粗轧轧制成80mm～135mm厚的粗轧钢板；再精轧成8mm～35mm厚的钢板，精轧的轧制温度为Ac 3+30℃～880℃，精轧的总变形率为40%～90%；热处理工序中，把精轧制后的钢板，加热到Ac 3点以上～880℃，保温15分钟以上；水冷却；再经Ac1～Ac3转变点之间，奥氏体+铁素体两相区保温15分钟以上；并水冷却；在Ac 1点以下保温30分钟以上；并空冷或大于空冷的速度冷却回火热处理。该发明可以提高低温钢板韧性的方法使-196℃横向低温冲击韧性值远高于220J，属典型9Ni高合金钢制造工艺，但成形工序复杂难于控制，还需进行多次热处理，制造工序复杂，生产成本较高。

鉴于目前低温海洋用钢存在的上述不足，研发一种低温海洋用钢及其制备方法是本技术领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的就是要解决目前低温海洋工程钢结构多用含昂贵合金元素Ni的钢材制造，制造难度大，生产成本高等问题，提供一种生产成本低廉的低温海洋用钢及其制备方法。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种低温海洋用钢，其化学组分及其质量百分比为：C 0.10-0.15%，Si 0.51-0.60%，Mn4.1-6.9%，P≤0.005%，S≤0.002%，Cr 0.90-1.15%，Ni 0.15-0.25%，余量为Fe和不可避免的杂质。

优选地，本发明中所述化学组分及其质量百分比为：C 0.10-0.105%，Si 0.55-0.58%，Mn 4.5-6.0%，P≤0.0041%，S≤0.0008%，Cr 1.0-1.05%，Ni 0.18-0.22%，余量为Fe和不可避免的杂质。

进一步地，本发明中所述各化学组分及其质量百分比为：C 0.10%，Si 0.60%，Mn6.4%，P 0.0034%，S 0.002%，Cr 0.90，Ni 0.25%，余量为Fe和不可避免的杂质。

进一步地，本发明中所述Mn的质量百分比为5.1-5.8%，所述Ni的质量百分比为0.19-0.21%。

优选地，本发明中所述低温海洋用钢的屈服强度≥400MPa，-70℃冲击吸收功≥180J。

本发明的一种低温海洋用钢的制备方法，包括以下步骤：

（1）冶炼、铸造

在铁水罐中兑入质量分数P≤0.005%，S≤0.002%，且温度T≥1280℃的铁水，然后将铁水用脱硫剂1进行深脱硫预处理，再进入顶底复吹转炉冶炼，加入脱磷剂将铁水中的磷含量降低至P≤0.005%，再进入精炼炉加入脱硫剂2将铁水中的硫含量S≤0.002%，添加合金料SiFe、MnFe、CrFe、镍板调整至铁水中Si的含量为0.51-0.60%、Mn的含量为4.1-6.9%，Cr的含量为0.90-1.15%，镍的含量为0.15-0.25%，除渣次数≥2次；再用RH真空系统精炼，最后连续铸造成板坯；

（2）轧制

对铸坯分两个阶段轧制成钢板，第一阶段初轧始轧温度≥1050℃，轧制成厚度为初始板坯厚度的45-60%的半成品钢材；第二阶段精轧开轧温度为950-1000℃，终轧温度≤890℃；

（3）冷却

将精轧后的钢板浇水快速冷却至320-660℃；

（4）回火

将冷却后的钢板进行回火处理，钢板的加热温度为450-680℃，保温时间为30-100min；回火后自然冷却至室温即可。

优选地，本发明中所述脱磷剂的主要成分为石灰。

优选地，本发明中所述脱硫剂1的主要成分为石灰和碳化钙，所述脱硫剂2的主要成分为石灰或萤石。

优选地，本发明中所述步骤（4）中钢板的加热温度为500-660℃。

本发明中各组分的作用及控制的理由是：

奥氏体晶体结构为面心立方结构，易滑移系比体心立方结构的铁素体多，低温韧性相比铁素体更好，因此低温钢铁材料一般设计成奥氏体组织或含有部分奥氏体组织的钢材，使之能够在-70℃以下环境下服役。本发明中加入的合金元素Mn（锰）属扩大奥氏体区域元素，能够使钢中的部分奥氏体组织稳定在-140℃，具有良好的低温冲击韧性，因此，本发明中采用的是中等水平含量的Mn。

C：碳是钢中合金元素C属扩大奥氏体区域元素，与添加的合金元素Mn形成交互作用，在生产过程中形成一定数量的奥氏体组织。添加适量的合金元素C，可保障钢材一定强度。

Si：硅是钢中的有益元素，溶于铁素体后有很强的固溶强化作用，能显著提高钢的强度和硬度，但含量较高时，将使钢的塑性和韧性降低。

Mn：钢中添加的Mn含量，可使奥氏体组织稳定到-140℃环境，获得良好的低温韧性。

Ni：钢中添加Ni合金元素，可稳定奥氏体组织，避免发生分解，降低钢材的物理和力学性能，大幅度降低了典型1.5Ni、5Ni钢的昂贵合金元素Ni元素的含量，降低了生产成本。

Cr：奥氏体组织虽然具有良好的低温韧性，但强调相对较低，添加适量的铬与铁基金属晶体形成置换固溶强化，可显著提高钢铁材料的强度。

P（磷）、S（硫）：钢中P、S降低钢的物理性能及力学性能，故钢中P、S含量越低越好，但若控制含量过低，导致生产工艺成本增加。

本发明与现有技术相比，具有以下几个优点：

（1）工艺上将轧制过程分两阶段完成，第一阶段属等轴晶粒轧制，即将铸态粗大的柱状晶粒在≥1050℃温度轧制成的均匀的等轴晶粒，为第二阶段细化晶粒轧制做准备；钢板回火加热温度为450~680℃，保温时间为30~100min，回火后在空气中自然冷却至室温形成所需钢板，可以消除制造过程中产生的残余应力以获得良好的综合性能。

（2）本发明制备的钢材屈服强度≥400MPa，-70℃冲击吸收功均高于180J，以Mn代Ni，用贫Ni高强钢代替了现有的含Ni量达1.5-1.9%的合金结构钢，使用本发明制备的钢材建造的海洋工程钢结构，生产成本较低廉，具有良好的经济效益和社会效益。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，便于更清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

按照本发明化学元素成分、质量百分比及生产方法要求，制备了五个实施例，分别为实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5。为验证各化学组分、质量百分比含量以及轧制过程中的第二阶段终轧温度、精轧后浇水冷却温度及回火温度对低温海洋工程用钢性能参数的影响，制备了三个对比实施例，即对比实施例1、对比实施例2和对比实施例3，即冶炼并轧制了8批钢板，其中对比实施例1的化学成分在本发明的范围内，而轧制过程中的第二阶段终轧温度、精轧后浇水冷却温度及回火温度均不在本发明的范围内，对比实施例2的化学成分不在本发明的范围内，而轧制过程中的第二阶段终轧温度、精轧后浇水冷却温度及回火温度均在本发明的范围内，对比实施例3的化学成分和轧制过程中的第二阶段终轧温度、精轧后浇水冷却温度及回火温度均不在本发明的范围内。

按照本发明方法的五个实施例及三个对比实施例的化学元素成分质量百分比参见表1，其中余量为Fe和不可避免的杂质，生产过程控制参数与钢板质量情况参见表2。

表1本发明实施例及对比实施例的化学成分对比（wt%）

表2 本发明实施例及对比实施例生产过程控制对钢板性能的影响

从上表1和表2可看出，本发明实施例1-5的化学成分及质量百分比、及生产工艺过程控制的轧制温度所生产的钢板在-70℃冲击功均高于180J，而对比实施例1-3的钢成分范围或/和生产工艺不在本发明范围内，所生产的对比钢板在-70℃冲击功均很低。其中，本发明实施例3所制备的钢板的-70℃冲击功为264J，综合力学性能优良，在低温海洋环境下稳定性好，安全运行，为最佳实施例。

Claims (10)

1.一种低温海洋用钢，其特征在于其化学组分及其质量百分比为：C 0.10-0.15%，Si0.51-0.60%，Mn 4.1-6.9%，P≤0.005%，S≤0.002%，Cr 0.90-1.15%，Ni 0.15-0.25%，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种低温海洋用钢，其特征在于其化学组分及其质量百分比为：C 0.10-0.105%，Si 0.55-0.58%，Mn 4.5-6.0%，P≤0.0041%，S≤0.0008%，Cr 1.0-1.05%，Ni 0.18-0.22%，余量为Fe和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的一种低温海洋用钢，其特征在于各化学组分及其质量百分比为：C 0.10%，Si 0.60%，Mn 6.4%，P 0.0034%，S 0.002%，Cr 0.90，Ni 0.25%，余量为Fe和不可避免的杂质。

4.根据权利要求1或2所述的一种低温海洋用钢，其特征在于：所述Mn的质量百分比为5.1-5.8%。

5.根据权利要求1或2所述的一种低温海洋用钢，其特征在于：所述Ni的质量百分比为0.19-0.21%。

6.根据权利要求1或2所述的一种低温海洋用钢，其特征在于：所述低温海洋用钢的屈服强度≥400MPa，-70℃冲击吸收功≥180J。

7.如权利要求1或2所述的一种低温海洋用钢的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）冶炼、铸造

在铁水罐中兑入质量分数P≤0.005%，S≤0.002%，且温度T≥1280℃的铁水，然后将铁水用脱硫剂1进行深脱硫预处理，再进入顶底复吹转炉冶炼，加入脱磷剂将铁水中的磷含量降低至P≤0.005%，再进入精炼炉加入脱硫剂2将铁水中的硫含量S≤0.002%，添加合金料SiFe、MnFe、CrFe、镍板调整至铁水中Si的含量为0.51-0.60%、Mn的含量为4.1-6.9%，Cr的含量为0.90-1.15%，镍的含量为0.15-0.25%，除渣次数≥2次；再用RH真空系统精炼，最后连续铸造成板坯；

（2）轧制

对铸坯分两个阶段轧制成钢板，第一阶段初轧始轧温度≥1050℃，轧制成厚度为初始板坯厚度的45-60%的半成品钢材；第二阶段精轧开轧温度为950-1000℃，终轧温度≤890℃；

（3）冷却

将精轧后的钢板浇水快速冷却至320-660℃；

（4）回火

将冷却后的钢板进行回火处理，钢板的加热温度为450-680℃，保温时间为30-100min；回火后自然冷却至室温即可。

8.根据权利要求7所述的一种低温海洋用钢的制备方法，其特征在于：所述脱磷剂的主要成分为石灰。

9.根据权利要求7所述的一种低温海洋用钢的制备方法，其特征在于：所述脱硫剂1的主要成分为石灰和碳化钙，所述脱硫剂2的主要成分为石灰或萤石。

10.根据权利要求7所述的一种低温海洋用钢的制备方法，其特征在于：所述步骤（4）中钢板的加热温度为500-660℃。