CN110499448A - 一种性能优异的高n奥氏体不锈钢中厚板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种性能优异的高N奥氏体不锈钢中厚板及其制造方法。连铸坯中等轴晶比例≥80％；铸坯表面粗糙度≤100μm；铸坯预热段温度980～1100℃，加热段温度1160～1230℃，均热段温度1200～1230℃，在炉时间3～4h；粗轧开轧温度≥1150℃，前2道次压下率≥20％，粗轧后续道次压下量≤15％，中间坯厚度80～120mm；精轧开轧温度≥1050℃，终轧温度≥950℃，轧制压下率≤20％；固溶温度980～1050℃，在炉时间2～5min/mm。产品宽2200～4000mm，厚30～60mm。‑196℃屈服强度≥350MPa、抗拉强度≥1250MPa、延伸率≥40％。表面裂纹废品率由15％以上降至5％以下。

Description

一种性能优异的高N奥氏体不锈钢中厚板及其制造方法
技术领域
本发明涉及奥氏体不锈钢板轧制技术领域，特别涉及一种具有高强度、高韧性的奥氏体不锈钢热轧中厚板及其制造方法，该奥氏体不锈钢中厚板主要适合用于高韧性、高强度受冲击负荷的结构部件，如为国家大型航空、航天设备提供风洞机械系统、电站汽水分离器、汽轮机片和核电安全设备等结构制造领域。
背景技术
随着近年来国内大飞机实验用风洞实验室建设、水蒸气压力容器、核电安全设备、船舶工业等行业的快速发展，对具有高的低温抗拉强度及高韧性的奥氏体不锈钢中厚板的需求日趋增加，高N奥氏体不锈钢由于在高温和极低温度下都具有良好的塑韧性、冷热加工性能和耐局部腐蚀性能而被广泛用于石油、化工、宇航和能源等领域，这些领域要求材料使用温度最低可达到-196。目前，对宽幅、大尺寸奥氏体不锈钢热轧中厚板需求越来越大，这主要由于厚度为30～60mm，宽度为2200～4000mm的宽幅、大尺寸含氮奥氏体不锈钢的使用可减少拼接焊缝，减小制造过程焊材探伤工作量，降低设备维护成本，增加设备的安全性。同时，大幅降低工厂化预制成本，缩短含N奥氏体不锈钢采购周期，提升工程建造速度，具有广阔的应用前景。此外，高N奥氏体不锈钢连铸坯含有0.1～0.35％的氮，在热加工过程中，非受控性温降，不可避免在脆性相析出温度范围内进行轧制，当脆性相比例较高时，容易导致热轧边裂及表面裂纹的产生，且热加工温度越低，展宽比越大，钢板表面出现裂纹现象越严重。由此可见，如何解决边裂及表面裂纹的产生，并提高其低温性能是高N奥氏体不锈钢中厚板开发的关键。
申请号为200910048117.6的专利公开了一种中低温强度优异的奥氏体不锈钢板及其制造方法，通过在普通低碳的基础上，添加稀土及其它合金元素；通过调整镍铬当量形成元素，奥氏体不锈钢铸态中高温铁素体δ含量小于2％，提高奥氏体不锈钢强度；但生产成本高。
申请号201410582327.4的专利公开了一种304LN核电用奥氏体不锈钢的制备方法，通过EAF电弧炉粗炼，AOD精炼、浇注，热加工锻造，最后进行热处理。该发明的制备方法工艺步骤简单，易操作，通过对不锈钢化学成分的严格控制以及对冶炼、锻造、热处理工艺的优化设计，以进一步提高304LN核电用奥氏体不锈钢的耐蚀性能和力学性能，然后该方法主用通过锻造方法制备304LN奥氏体不锈钢，与轧制相比，其成本要远高于轧制的成本，不适于大规模批量化生产。
申请号为201710875353.X的专利公开了一种超低温性能优良的奥氏体不锈钢及其制造方法，其特征在于：通过控制铁素体含量，提高韧性和超低温强度，避免脆性相析出，7K断裂韧性>200MPa·m1/2，在7K的屈服强度>750MPa，可以用于超低温韧性、超低温强度有特殊要求的核电、超导等行业，然而该方法并没有考虑考虑优化连铸工艺及改善连铸坯中等轴晶比例，且没有考虑铸坯表面喷涂对奥氏体不锈钢表面质量的影响。
申请号为201611037354.9的专利公开了一种消除2205双相不锈钢中板热加工表面裂纹的方法，其特征在于：坯料选择及修磨；铸坯加热，预热段温度为1100～1150℃，加热段温度为1150～1240℃，均热段温度为1220～1240℃，驻炉时间按铸坯厚度9～10min/10mm；20～25MPa高压水除鳞；粗轧开轧温度大于1150℃，压下率小于25％，轧制8～11道次，中间坯厚度35～45mm；精轧开轧温度大于1050℃，终轧温度大于950℃，压下率小于18％，轧制8～12道次。其优点是合理选取坯料规格，经修磨优化加热后合理匹配轧制温度和压下率等参数，有效避免了2205双相不锈钢中板表面裂纹缺陷。然而，该方法并没有考虑优化炼钢及连铸工艺来改善连铸坯中等轴晶比例，且没有考虑对不锈钢表面进行修磨喷涂对板材表面质量产生的影响，也没有对轧制钢板的宽度进行明确(未考虑展宽比这一影响因素)。由此可知，提供一种具有性能优异的(高强度、高韧性)的高N奥氏体不锈钢中厚板及其制造方法成为发展高N奥氏体不锈钢中厚板的核心问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有技术的不足，提供一种性能优异的(高强度、高韧性)的高N奥氏体不锈钢中厚板及其制造方法。该方法采用优化连铸阶段电磁搅拌工艺，铸坯表面修磨与喷涂抗氧化涂料，并控制高压水除鳞工艺和粗轧阶段和精轧阶段道次变形量等工艺参数，最终制备得到宽度为2200～4000mm，厚度为30～60mm的高N奥氏体不锈钢中厚板，解决了高N奥氏体不锈钢中厚板易产生边裂及表面裂纹的问题，表面裂纹废品率由初期的15％以上，降低至5％以下，所制钢板平均室温力学性能为：屈服强度≥250MPa，抗拉强度≥560MPa，延伸率≥50％；-196℃力学性能为：屈服强度≥350MPa，抗拉强度≥1250MPa，延伸率≥40％。
具体的技术方案是：
一种低温强度、韧性优异的高N奥氏体不锈钢中厚板及其制造方法，所涉及钢种化学成分重量百分比为：C 0.03％～0.05％，Si 0.30％～0.45％，Mn 1.6％～1.8％，Cr18.5％～20.0％，Ni 10.0％～12.0％，V≤0.1％，P≤0.025％，S≤0.003％，N 0.10％～0.35％，Ca 0.0010％～0.0020％，Als≤0.05％，余量为Fe和不可避免杂质。
本发明钢种化学成分中各主要元素的作用如下：
碳：C在奥氏体不锈钢中是强烈形成并稳定奥氏体及扩大奥氏体相区的元素，但C含量需控制在0.02％以下，因为C含量过高，会导致碳化物(Fe,Cr)23C6析出，从而导致局部Cr的贫化，使钢的耐腐蚀性能下降。但C含量过低会导致钢的强度降低，本发明中C的含量控制在0.01％～0.02％。
硅：Si是铁素体相形成元素，在奥氏体不锈钢中，Si含量增加会导致铁素体含量增加，同时金属相形成也会加速和增多，从而影响钢的性能。在保持Si含量在0.45％以下时，其可以提高其抗氧化性、耐硝酸和硫酸腐蚀性。所以本发明中Si含量控制在0.3％～0.45％。
锰：Mn可以抑制钢种硫的作用，提高热塑性，Mn也是比较弱的奥氏体形成元素，另外Mn是脱氧所必须的，但Mn含量过高耐蚀性会降低，因此本发明中Mn含量控制在1.6％～1.8％。
铬：Cr为强烈的铁素体形成元素。随着钢中Cr含量增加，奥氏体不锈钢中可出现铁素体组织。Cr是耐蚀性最有效元素，铬形成Cr2O3致密的氧化膜，阻碍氧和金属离子的扩散，从而提高钢的抗氧化性和抗腐蚀性能；但Cr的含量太高时，延伸率降低，成形性能变差。当Cr含量超过20％时，为了维持奥氏体组织，必须添加大量的Ni，影响了经济性和生产效率，所以本发明中Cr含量控制在18.5％～20％。
镍：Ni是奥氏体相形成元素，其主要作用是形成并稳定奥氏体，提高奥氏体不锈钢的低温韧性。另外，Ni对改善耐蚀性是有效的，在如上所述的Cr含量范围内，为了维持奥氏体相组织，Ni含量10％以上是必要的。但在奥氏体不锈钢中，随着Ni含量的增加，残余的铁素体含量会降低，这样不利于钢的耐蚀性。另外，从经济性考虑，Ni含量也不宜多加，其上限应为12％，所以本发明中Ni含量控制在10％～12％。
钒：V为奥氏体相形成元素，在奥氏体不锈钢钢中钒会导致脆性相析出温度区间增加，V的含量应控制在0.1％以下。
磷、硫：P、S在不锈钢中被视为有害元素，应尽量控制得越低越好，同时考虑成本因素，P、S含量分别控制在0.025％和0.003％以下。
氮：N是强烈的形成并稳定奥氏体且扩大奥氏体区元素，N在不锈钢中可以替代部分Ni，可以降低钢中的铁素体含量，使奥氏体相更稳定。另外，固溶的N还可以提高耐蚀性，但N含量过高会导致Cr2N析出，并且缩窄钢的热加工区间，N的含量应控制在0.10％～0.35％。
钙：由于硫在钢中形成硫化锰夹杂，塑性极好的硫化锰经过加工后呈长条状会严重损害钢板的横向冲击性能。经过钙处理可以改变硫化物的形状，使得硫化物呈细小的颗粒状或球形夹杂存在。在铝脱氧钢中，钙还可以改变Al2O3的结构。钙处理必须确保向钢中加入足够量的钙，钙加入量不够，形成高熔点的夹杂物，浇铸时容易造成水口堵塞；钙含量过高时也，容易形成高熔点的CaS，影响浇铸性能。因此Ca的含量控制在0.001％～0.0020％。
本发明一种高N奥氏体不锈钢中厚板的制造方法，其包括如下步骤：
(1)炼钢：按下述成分冶炼，其化学成分重量百分比为：C 0.03％～0.05％，Si0.30％～0.45％，Mn 1.6％～1.8％，Cr 18.5％～20.0％，Ni 10.0％～12.0％，V≤0.1％，P≤0.025％，S≤0.003％，N 0.10％～0.35％，Ca 0.0010％～0.0020％，Als≤0.05％，余量为Fe和不可避免杂质；采用铁水+废钢，或者单独使用铁水，通过电炉炼钢、AOD脱碳、VOD脱氧三步法炼钢并在VOD结束后进行喂硅钙钡丝和钛丝处理，获得满足成分要求的钢液；
(2)连铸：通过控制连铸过程拉速1～1.5m/min、二冷阶段施加强电磁搅拌，搅拌方式为正反转交替搅拌，其中正转搅拌时间10～15s，反转搅拌时间2～5s，电流1000～2000A，频率为5～20Hz，使钢液经过连铸获得连铸坯，且连铸坯中等轴晶比例不低于80％；
(3)修磨及喷涂：连铸坯进行带温表面在线修磨，采用砂轮对铸坯上下表面进行全修磨，表面粗糙度Ra≤100μm，然后对修磨后的铸坯喷涂采用高温抗氧化涂料(Al2O3)，喷涂厚度为0.1～0.2mm。
(4)铸坯加热：将修磨及喷涂抗氧化涂料的铸坯送入步进式加热炉内进行加热，铸坯依次经预热段、加热段和均热段处理后出炉；其预热段温度区间为980～1100℃，避开有害相Cr2N析出区间，加热段温度区间为1160～1230℃，使有害性固溶，并均匀分布于钢中，均热段温度区间为1200～1230℃，控制奥氏体晶粒度，在炉时间3～4小时，避免加热时间过长，在晶界附近产生裂纹；
(5)高压水除鳞：开轧前利用高压水对出炉后铸坯进行除鳞1～2min，除鳞机压力20～25MPa；
(6)轧制：粗轧开轧温度≥1150℃，其目的是为了在高温轧制时，有利于得到动态再结晶组织，粗轧阶段：轧制道次3～6次，前2道次采用大压下率，轧制压下率≥20％，其目的使热变形能够快速施加到材料内部，提高组织均匀性，同时大变形量也有利于诱发材料动态再结晶。前两道次轧制完成后在对钢坯上下表面进行水冷，水冷速度为15～35℃/s，水冷时间5～10s，返红时间10～15s，其目的是为了在表层形成细晶区，提高钢坯表层强度，抑制在后续轧制过程中裂纹的产生。粗轧阶段后续道次压下量≤15％，辊道速度为40～70r/min，轧制过程中不需表面除鳞，轧制道次3～6次，中间坯厚度80～120mm；精轧阶段：开轧温度≥1050℃，终轧温度≥950℃，轧制压下率≤20％，辊道速度为20～40r/min，轧制道次4～6次，当道次压下量不足5mm时，可按5mm压下量控制；
(7)热处理：高温固溶，温度980～1050℃，在炉时间2～5min/mm，水冷至室温。
上述成分、工艺方案所制备得到宽度为2200～4000mm，厚度为30～60mm的高N奥氏体不锈钢中厚板，解决了高N奥氏体不锈钢热轧中厚板易产生边裂及表面裂纹的问题，表面裂纹废品率由初期的15％以上，降低至5％以下，所制钢板平均室温力学性能为：屈服强度≥250MPa，抗拉强度≥560MPa，延伸率≥50％；-196℃力学性能为：屈服强度≥350MPa，抗拉强度≥1250MPa，延伸率≥40％。
有益效果：
与以往的技术相比，本发明突出优势在于：
(1)通过优化连铸阶段电磁搅拌工艺(控制搅拌方式与时间)，大幅提高连铸坯等轴晶率，同时对铸坯表面进行适当修磨和高压水除鳞，从源头上为生产出高质量高N奥氏体不锈钢热轧中厚板产品奠定了基础。
(2)坯料的表面喷涂及保温工艺对轧制影响很大，温度过高会造成铸坯严重氧化，晶粒尺寸粗化，致使轧制过程产生裂纹；温度过低，变形抗力大，并导致后续轧制过程温度过低，影响产品表面质量。所以，本发明选取对铸坯表面进行喷涂，并严格控制在炉温度与时间，保证了钢板在精轧温度，提高钢板表面质量。
(3)本发明粗轧与精轧均采用多道次轧制工艺，有利于奥氏体的协调变形。粗轧时采用快轧，缩短展宽时间，降低了轧制过程中的温降，同时前两道次轧制完成后在对钢坯上下表面实行水冷和返红，在表层形成细晶区，提高表层变形抗力，抑制表面裂纹产生；另外，终轧温度控制在950℃以上，避开脆性相析出区间，大大降低了钢板形成裂纹的倾向，有利于获得高表面质量钢板。
(4)本发明提出了一种高质量、高成材率高N奥氏体不锈钢中厚板及其制造方法，解决了高N奥氏体不锈钢中厚板易产生边裂及表面裂纹的问题，表面裂纹废品率由初期的15％以上，降低至5％以下，所制钢板平均室温力学性能为：屈服强度≥250MPa，抗拉强度≥560MPa，延伸率≥50％；-196℃力学性能为：屈服强度≥350MPa，抗拉强度≥1250MPa，延伸率≥40％。
具体实施方式
以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。
其中表1为实施例钢的化学成分，表2为实施例钢的冶炼工艺制度，表3为实施例钢铸坯的处理方法；表4为实施例钢的轧制方法；表5为实施例钢各道次压下量；表6为实施例钢固溶工艺；表7为实施例不锈钢性能。
表1本发明实施例的化学成分(wt，％)
实施例 C Si Mn Cr Ni N V Ca Als
1 0.032 0.39 1.65 18.6 11.2 0.12 0.039 0.0011 0.021
2 0.038 0.41 1.7 19.1 10.5 0.21 0.041 0.0012 0.031
3 0.042 0.39 1.73 19.3 11.5 0.22 0.031 0.0013 0.033
4 0.043 0.43 1.63 18.9 11.9 0.31 0.061 0.0013 0.021
5 0.049 0.35 1.69 11.7 11.7 0.29 0.081 0.0015 0.024
注：钢中杂质元素P≤0.025％；S≤0.003％；0≤0.0050％
表2实施例钢的冶炼工艺制度
表3实施例钢铸坯的处理方法
表4实施例钢的轧制方法
表5实施例钢各道次压下量
表6实施例钢固溶工艺
实施例 退火温度/℃ 在炉时间/(min·mm<sup>-1</sup>)
1 1020 2
2 1030 2.5
3 1010 5
4 980 4
5 1045 3.5
表7实施例不锈钢性能
从实施例可以看出，根据本发明生产的高N奥氏体不锈钢中厚板产品；经检测，所制钢板平均室温力学性能为：屈服强度≥250MPa，抗拉强度≥560MPa，延伸率≥50％；-196℃力学性能为：屈服强度≥350MPa，抗拉强度≥1250MPa，延伸率≥40％，表面裂纹废品率由初期的15％以上，降低至5％以下。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种性能优异的高N奥氏体不锈钢中厚板，其特征在于，钢中化学成分按重量百分比为：C 0.03％～0.05％，Si 0.30％～0.45％，Mn 1.6％～1.8％，Cr 18.5％～20.0％，Ni10.0％～12.0％，V≤0.1％，P≤0.025％，S≤0.003％，N 0.10％～0.35％，Ca 0.0010％～0.0020％，Als≤0.05％，余量为Fe和不可避免的杂质；-196℃力学性能为：屈服强度≥350MPa，抗拉强度≥1250MPa，延伸率≥40％。
2.根据权利要求1所述的性能优异的高N奥氏体不锈钢中厚板，其特征在于，成品钢板的宽度为2200～4000mm，厚度为30～60mm。
3.一种如权利要求1或2所述的性能优异的高N奥氏体不锈钢中厚板的制造方法，包括：炼钢-连铸-修磨及喷涂-铸坯加热-高压水除鳞-轧制-热处理，其特征在于，
(1)炼钢：采用铁水+废钢，或者单独使用铁水，通过电炉炼钢、AOD脱碳、VOD脱氧三步法炼钢并在VOD结束后进行喂硅钙钡丝和钛丝处理，获得满足成分要求的钢液；
(2)连铸：控制连铸过程拉速1～1.5m/min、二冷阶段施加强电磁搅拌，搅拌方式为正反转交替搅拌，其中正转搅拌时间10～15s，反转搅拌时间2～5s，电流1000～2000A，频率为5～20Hz，使钢液经过连铸获得连铸坯，且连铸坯中等轴晶比例不低于80％；
(3)修磨：对铸坯上下表面进行全修磨，铸坯表面粗糙度Ra≤100μm；
(4)铸坯加热：将修磨后的铸坯送入加热炉内进行加热，铸坯依次经预热段、加热段和均热段处理后出炉；预热段温度区间为980～1100℃，加热段温度区间为1160～1230℃，均热段温度区间为1200～1230℃，在炉时间3～4h；
(5)高压水除鳞：开轧前利用高压水对出炉后铸坯进行除鳞1～2min，除鳞机压力20～25MPa；
(6)轧制：粗轧开轧温度≥1150℃，粗轧阶段：轧制道次3～6次，前2道次采用大压下率，轧制压下率≥20％，前两道次轧制完成后在对钢坯上下表面进行水冷，水冷速度为15～35℃/s，水冷时间5～10s，返红时间10～15s，继续轧制，粗轧阶段后续道次压下量≤15％，辊道速度为40～70r/min，轧制过程中不需表面除鳞，轧制道次3～6次，中间坯厚度80～120mm；精轧阶段：开轧温度≥1050℃，终轧温度≥950℃；轧制压下率≤20％，辊道速度为20～40r/min，轧制道次4～6次，当道次压下量不足5mm时，可按5mm压下量控制；
(7)热处理：高温固溶，温度980～1050℃，在炉时间2～5min/mm，水冷至室温。
4.根据权利要求3所述的一种性能优异的高N奥氏体不锈钢中厚板的制造方法，其特征在于，喷涂的高温抗氧化涂料，喷涂厚度为0.1～0.2mm。
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