CN110863135A - 一种低温容器用高镍钢及其制造方法 - Google Patents

一种低温容器用高镍钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低温容器用高镍钢，其化学成分按重量百分比计为：C：0.01％～0.10％，Si：0.10％～0.25％，Mn：0.50％～1.50％，Ni：5.0％～6.0％，Mo：0.05％～0.30％，Cr：0.30％～0.90％，RE：0.03％～0.20％，S：≤0.005％，P：≤0.008％，余量为Fe和杂质。通过在钢中加入一定量的Cr、Mo和稀土使其强度和低温韧性达到9％Ni钢的标准要求，稀土元素的加入，净化了钢液，大大减轻了有害元素的作用，稀土元素固溶于奥氏体中，可以提高基体的强度和基体的Ni含量，增加残余奥氏体的数量，提高钢材的韧性；其制造方法采用冶炼后采用控制轧制和在线淬火+两相区淬火+高温回火热处理。大大减少了镍的使用量，降低了钢的生产的成本，尤其适合于液化天然气(LNG)储罐的建造。

Description

一种低温容器用高镍钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及冶金炼钢领域，特别涉及一种低温容器用高镍钢及其制造方法。
背景技术
随着全世界范围内对天然气使用量的日益扩大，对建造液化天然气(LNG)储罐用9％Ni钢的需求量也在迅速增加。9％Ni钢由于其Ni含量达到9％而使其成本居高不下，本发明拟采用5％Ni钢替代传统的9％Ni钢，并通过添加适量的Cr、Mo和稀土元素来弥补由于Ni含量的降低而对钢板强度和低温韧性的影响。
关于5Ni钢的专利，有CN201510815584，一种在线淬火生产高韧性5Ni钢中厚板的方法，CN201410600875，一种低温压力容器用5Ni钢板及其生产方法。采用这两项专利制造的5Ni钢，其性能满足EN10028-4中对于5Ni钢的技术要求，但是无法满足9Ni钢的技术要求。
关于5Ni钢的论文，也是对其轧制工艺、热处理工艺、组织结构等方面的研究，力求更好地满足EN10028-4中对于5Ni钢的技术要求，也是无法满足9Ni钢的技术要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种低温容器用高镍钢及其制造方法，用于替代9％Ni钢的低温容器用高镍钢。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种低温容器用高镍钢，其化学成分按重量百分比计为：C：0.01％～0.10％，Si：0.10％～0.25％，Mn：0.50％～1.50％，Ni：5.0％～6.0％，Mo：0.05％～0.30％，Cr：0.30％～0.90％，RE：0.03％～0.20％，S：≤0.005％，P：≤0.008％，余量为Fe和杂质。
一种低温容器用高镍钢制造方法，包括以下步骤：
(1)转炉+LF+真空精炼：LF炉造还原渣脱硫，调整成分；然后，钢液在真空炉内脱气，保证真空炉的保压时间为15～20min，测定H、O含量，保证[H]≤2ppm，[O]≤20ppm；
(2)连铸：全程保护浇注，减少连铸过程的二次氧化；
(3)板坯缓冷：连铸坯进缓冷坑缓冷，使铸坯中的气体充分的扩散排出，缓冷时间≥48小时；
(4)轧制：钢坯采用两阶段控制轧制，一阶段开轧温度≥1050℃，二阶段开轧温度≥850℃，终轧温度830±20℃轧后在线淬火；
(5)在线淬火：钢板轧后在轧制辊道运行至少20秒后进入超快冷区域在线淬火，出水温度控制在200℃以下，返红温度控制在350℃以下；
(6)两相区淬火+回火热处理：将室温钢板进加热炉，在630～700℃保温2～4min/mm淬火，在550～600℃保温4～6min/mm回火后空冷。
低温容器用高镍钢的成分作用：
(1)碳：碳是提高钢强度最有效的化学元素，但同时，碳会大幅降低钢的韧性，破坏钢的焊接性能，综合考察，碳含量控制在0.01～0.10％对于低温容器用高镍钢是合适的；
(2)硅：硅可以提高钢的强度，但对钢的韧性不利，将其含量控制在0.10～0.25％；
(3)锰：锰能提高钢的强度和韧性，但是锰含量过高时，会促进晶粒长大，产生回火脆性，锰含量应控制在0.50～1.50％；
(4)镍：镍能提高钢的强度，又能使钢获得优异的低温韧性，镍属于无限扩大奥氏体区的元素之一，因此，高镍钢经过调质处理后，可以获得完全细化的回火索氏体组织，钢的强韧性匹配良好，但是，镍属于稀缺资源，价格昂贵，将镍含量控制在5.0～6.0％，再辅以少量Mo、Cr和稀土等合金元素，钢的综合性能可以实现等同于9％Ni钢；
(5)钼：钼能使钢的晶粒细化，显著提高高的淬透性，一直钢的回火脆性，从而提高钢的强度，改善钢的韧性，且与铬同时添加时，可以降低铬引起的回火脆性，但是，钼属于缩小奥氏体区的元素之一，因此，其含量应控制在0.05～0.30％；
(6)铬：铬能提高钢的淬透性，从容提高钢的强度，但是，铬属于缩小奥氏体区的元素之一，且铬能显著提高钢的脆性转变温度，因此，其含量应控制在0.30～0.90％；
(7)稀土元素：稀土在钢中的作用是净化、变质和合金化。稀土在钢液中与O、S具有很强的亲和力，是最强、最有效的脱氧剂，稀土氧化物、稀土硫氧化物与基体间的电子密度差很大，这说明界面上有很大的应力，这将有利于对基体的强化和晶粒细化，同时，稀土几乎是唯一能与钢中Pb、Bi、As、Sb等有害元素化合的元素，可以大大减轻这些元素的有害作用；稀土可以变质钢中的MnS、Al2O3和渗碳体，消除其有害作用；稀土元素固溶于奥氏体中，可以提高基体的强度并促进先共析铁素体的析出，提高基体的Ni含量，增加残余奥氏体的数量，提高钢材的韧性。
但是，稀土加入量不宜过多，以避免稀土过量导致Fe-Ce中间相析出，污染钢液，并出于成本的考虑，将其含量应控制在0.03～0.20％。
(8)硫：硫在钢中易形成FeS和MnS夹杂，产生热脆现象，显著降低钢的韧性，因此，应尽量降低钢中的硫含量；
(9)磷：磷在钢中常偏聚于晶界，破坏基体的连续性，显著降低钢的韧性，使焊接性能变坏，易产生冷脆，因此，应尽量降低钢中的磷含量。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
(1)低温容器用高镍钢为5％Ni钢，可替代9％Ni钢。其屈服强度≥585MPa，抗拉强度≥680MPa，延伸率≥18％，-196℃V型冲击功≥100J，侧膨胀≥1.0；
(2)稀土元素的加入，净化了钢液，大大减轻了有害元素的作用，稀土元素固溶于奥氏体中，可以提高基体的强度和基体的Ni含量，增加残余奥氏体的数量，提高钢材的韧性；
(3)Cr、Mo合金的加入，改善了钢的淬透性，提高了钢的强度，其联合加入又缓解了单一加入带来的提高脆性转变温度的风险；
(4)在线淬火既缩短了生产流程，又提高了钢的强度；
(5)轧后热处理采用两相区淬火+回火工艺充分保证钢板的低温韧性。
(6)大大减少了镍的使用量，降低了钢的生产的成本，用于LNG储罐的制造，可创造直接经济效益。
附图说明
图1为4％硝酸酒精溶液腐蚀的按实例一方案制造的钢板光学显微镜下放大500倍的组织照片，钢板微观组织为回火索氏体+少量奥氏体。
图2为4％硝酸酒精溶液腐蚀的按实例二方案制造的钢板在扫描电镜下放大4000倍的组织照片，钢板微观组织为回火索氏体+少量奥氏体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步说明：
低温容器用高镍钢，其化学成分按重量百分比计为：C：0.01％～0.10％，Si：0.10％～0.25％，Mn：0.50％～1.50％，Ni：5.0％～6.0％，Mo：0.05％～0.30％，Cr：0.30％～0.90％，RE：0.03％～0.20％，S：≤0.005％，P：≤0.008％，余量为Fe和杂质；
低温容器用高镍钢的制造方法，包括以下步骤：
(1)转炉+LF+真空VD精炼：LF炉造还原渣脱硫，减少夹杂，调整成分。然后，钢液在真空炉内脱气，保证真空炉的保压时间为15～20min。测定H、O含量，保证[H]≤2ppm，[O]≤20ppm。
(2)连铸：全程保护浇注，减少连铸过程的二次氧化，降低钢中的夹杂物含量，提高钢的纯净度。
(3)板坯缓冷：连铸坯进缓冷坑缓冷，使铸坯中的气体得到充分的扩散排出，最大程度降低铸坯气体含量，缓冷时间≥48小时。
(4)轧制：钢坯采用两阶段控制轧制，一阶段开轧温度≥1050℃，二阶段开轧温度≥850℃，终轧温度830±20℃轧后在线淬火。对于第一阶段高于1050℃的再结晶区轧制，是为了确保奥氏体有足够的延伸，充分发挥控制轧制的强化作用；对于高于850℃的未再结晶区轧制，是为了增大铁素体的有效形核面积，细化铁素体晶粒；终轧温度控制在830℃左右是为了保证在线淬火温度。
(5)在线淬火：钢板轧后在轧制辊道运行20秒后进入超快冷区域在线淬火，出水温度控制在200℃以下，返红温度控制在350℃以下。
(6)两相区淬火+回火热处理：将室温钢板进加热炉，在630～700℃保温2～4min/mm淬火，在550～600℃保温4～6min/mm回火后空冷。两相区淬火使得合金元素和杂质元素向奥氏体区富集，提高奥氏体的稳定性的同时净化基体。回火的目的是得到以回火索氏体为主的组织，并通过马氏体逆转变使钢中奥氏体的量增多，进一步增加钢的韧性。
低温容器用高镍钢的冶炼采用转炉+LF+VD精炼，保证了对钢成分和钢中气体含量的精确控制；连铸过程全程保护浇注和板坯缓冷，保证了铸坯的内部质量；控制轧制保证了初始组织的细化；在线淬火既缩短了生产流程，又提高了钢的强度；轧后热处理采用两相区淬火+回火工艺可以充分保证钢板的低温韧性。
实施例一
低温容器用高镍钢的制造方法，包括以下步骤：
1)采用100吨氧气顶吹转炉冶炼，吹炼过程中做到碳温协调；
2)LF炉造还原渣脱硫，减少夹杂，调整成分。VD炉的保压时间为18min。测定H、O含量，[H]＝1.0ppm，[O]＝15ppm；
3)连铸过程全程保护浇注，铸坯规格300mm；
4)板坯进缓冷坑缓冷，缓冷60小时；
5)两阶段控制轧制，一阶段开轧温度1100℃，二阶段开轧温度880℃，终轧温度850℃，轧后在轧制辊道运行20秒后进入超快冷区域在线淬火，出水温度190℃，返红温度310℃，钢板厚度，30mm；
6)热处理：将室温钢板进加热炉，在670℃保温2min/mm淬火，在560℃保温4min/mm回火后空冷。
实施例二
低温容器用高镍钢的制造方法，包括以下步骤：
1)采用100吨氧气顶吹转炉冶炼，吹炼过程中做到碳温协调；
2)LF炉造还原渣脱硫，减少夹杂，调整成分。VD炉的保压时间为18min。测定H、O含量，[H]＝1.2ppm，[O]＝16ppm；
3)连铸过程全程保护浇注，铸坯规格300mm；
4)板坯进缓冷坑缓冷，缓冷60小时；
5)两阶段控制轧制，一阶段开轧温度1100℃，二阶段开轧温度860℃，终轧温度830℃，轧后在轧制辊道运行20秒后进入超快冷区域在线淬火，出水温度180℃，返红温度300℃，钢板厚度，30mm；
6)热处理：将室温钢板进加热炉，在650℃保温2min/mm淬火，在580℃保温4min/mm回火后空冷。
实施例三
低温容器用高镍钢的制造方法，包括以下步骤：
1)采用100吨氧气顶吹转炉冶炼，吹炼过程中做到碳温协调；
2)LF炉造还原渣脱硫，减少夹杂，调整成分。VD炉的保压时间为20min。测定H、O含量，[H]＝1.2ppm，[O]＝16ppm；
3)连铸过程全程保护浇注，铸坯规格300mm；
4)板坯进缓冷坑缓冷，缓冷60小时；
5)两阶段控制轧制，一阶段开轧温度1100℃，二阶段开轧温度900℃，终轧温度845℃，轧后在轧制辊道运行20秒后进入超快冷区域在线淬火，出水温度190℃，返红温度320℃，钢板厚度，30mm；
6)热处理：将室温钢板进加热炉，在670℃保温2min/mm淬火，在580℃保温4min/mm回火后空冷。
比较例
9Ni钢的制造方法，包括以下步骤：
1)采用100吨氧气顶吹转炉冶炼，吹炼过程中做到碳温协调；
2)LF炉造还原渣脱硫，减少夹杂，调整成分。VD炉的保压时间为18min。测定H、O含量，[H]＝1.2ppm，[O]＝15ppm；
3)连铸过程全程保护浇注，铸坯规格300mm；
4)板坯进缓冷坑缓冷，缓冷60小时；
5)两阶段控制轧制，一阶段开轧温度1080℃，二阶段开轧温度870℃，终轧温度750℃，轧后空冷，钢板厚度30mm；
6)离线热处理，将室温钢板进加热炉，在800℃保温2min/mm淬火，在650℃保温3min/mm淬火，在570℃保温5min/mm回火后空冷。
钢板成分见表1。
表1：钢化学成分wt％
C Si Mn P S Ni Cr Mo RE
实施例1 0.065 0.17 1.15 0.005 0.002 5.55 0.50 0.20 0.15
实施例2 0.075 0.18 0.90 0.005 0.002 5.50 0.60 0.15 0.12
实施例3 0.070 0.18 1.05 0.005 0.002 5.70 0.60 0.18 0.08
比较例 0.068 0.15 0.78 0.005 0.002 9.03 - - -
钢板性能见表2。
表2：低温容器用高镍钢性能
Figure BDA0002254082290000061
低温容器用高镍钢，通过在钢中加入一定量的Cr、Mo和稀土使其强度和低温韧性达到9％Ni钢的标准要求。其制造方法采用冶炼后采用控制轧制和在线淬火+两相区淬火+高温回火热处理。尤其适合于液化天然气(LNG)储罐的建造。
上面所述仅是本发明的基本原理，并非对本发明作任何限制，凡是依据本发明对其进行等同变化和修饰，均在本专利技术保护方案的范畴之内。

Claims (2)

1.一种低温容器用高镍钢，其特征在于，其化学成分按重量百分比计为：C：0.01％～0.10％，Si：0.10％～0.25％，Mn：0.50％～1.50％，Ni：5.0％～6.0％，Mo：0.05％～0.30％，Cr：0.30％～0.90％，RE：0.03％～0.20％，S：≤0.005％，P：≤0.008％，余量为Fe和杂质。
2.一种低温容器用高镍钢制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)转炉+LF+真空精炼：LF炉造还原渣脱硫，调整成分；然后，钢液在真空炉内脱气，保证真空炉的保压时间为15～20min，测定H、O含量，保证[H]≤2ppm，[O]≤20ppm；
(2)连铸：全程保护浇注；
(3)板坯缓冷：连铸坯进缓冷坑缓冷，使铸坯中的气体充分的扩散排出，缓冷时间≥48小时；
(4)轧制：钢坯采用两阶段控制轧制，一阶段开轧温度≥1050℃，二阶段开轧温度≥850℃，终轧温度830±20℃轧后在线淬火；
(5)在线淬火：钢板轧后在轧制辊道运行至少20秒后进入超快冷区域在线淬火，出水温度控制在200℃以下，返红温度控制在350℃以下；
(6)两相区淬火+回火热处理：将室温钢板进加热炉，在630～700℃保温2～4min/mm淬火，在550～600℃保温4～6min/mm回火后空冷。
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