CN111118405A - 一种适合低温环境的燃气仪表壳体用热镀锌板及其生产方法 - Google Patents

一种适合低温环境的燃气仪表壳体用热镀锌板及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适合低温环境的燃气仪表壳体用热镀锌板，包括基板和镀层，所述基板包括以下质量百分比的化学成分：C：≤0.006％，Si：≤0.01％，Mn：0.08～0.50％，P：≤0.010％，S：≤0.008％，Als：0.025～0.060％，Ti：0.03～0.09％，B：0.0005～0.0050％，N：＜0.004％，O：＜0.004％，且Cu+Ni+Cr+Mo+Sn+As≤0.03％，余量为Fe及不可避免的杂质；所述镀层中总铝质量百分含量控制在0.18～0.23％；经炼钢、热轧、酸洗、冷轧、退火、镀锌、光整工艺进行生产，生产出的热镀锌钢板具有良好的深冲性能，屈服强度为130～170MPa、抗拉强度为280～300MPa、A80延伸率≥43％、n值≥0.21、r值≥2.3，深冲成形后的零件在‑30℃～‑50℃低温下放置5h后，使用6kg重的铅球从1m高度处自由落体撞击零件，零件未发生开裂，满足燃气仪表壳体的使用要求。

Description

一种适合低温环境的燃气仪表壳体用热镀锌板及其生产方法
技术领域
本发明属于金属材料领域，具体涉及一种适合低温环境的燃气仪表壳体用热镀锌板及其生产方法。
背景技术
燃气仪表用于计量天然气、城市管道煤气、液化石油气等，广泛应用于生活与工业环境中。燃气仪表壳体使用环境复杂，对仪表壳体有很高要求，如深冲性能良好、耐腐蚀性能良好、使用寿命长，特别是在低温使用环境(-30℃～-50℃)下，要求具有较高的耐低温脆性，防止壳体在外力的碰撞下发生开裂，导致仪表内部损坏，甚至引起燃气泄漏，造成重大安全事故。考虑到耐蚀性要求，燃气仪表壳体需采用热镀锌等耐蚀镀层钢板，壳体形状复杂要求热镀锌具有良好的深冲性能，同时因冬季气温低，要求具有良好的耐低温脆性，普通的超低碳钢无法满足使用要求。
以下对国内现有已公开的低温钢的生产方法及技术现状作简要分析：
中国专利号为CN 107699803 A的《一种超低碳低温用钢及其热处理工艺》，化学成分按重量百分比如下：C：0.005-0.01％；Ni：1.0-4.5％；Mn：6.0-12.0％；Al：1.0-3.0％；Cu：0.5-3.0％；P：≤0.005％；S：≤0.003％；N：0.005-0.008％；O：0.0005-0.002％；余量为Fe。并采用利用残余奥氏体的TRIP效应和纳米析出相的析出强化，制备获得高强塑积超低碳节镍纳米析出强化低温钢，具有良好的强度和优异的塑性，并且具有良好的焊接性，成本较低，热处理工艺简易。该专利用于运输、存储设备，Mn、Ni、Cu元素含量较高，成本较高，屈服强度达850～940MPa，强度较高，不适合深冲，且不涉及热镀锌过程。
中国专利号为CN 103882312 B的《低成本高韧性-140℃低温用钢板的制造方法》，化学成分按重量百分比如下：C：0.03～0.10％，Si：0.05～0.25％，Mn：1.80～3.50％，P：≤0.010％，S：≤0.002％，Ni：1.30～3.50％，Cu：0.10～0.80％，Nb：≤0.20％，Ti：≤0.035％，Alt：0.010～0.050％，其余为Fe及不可避免的杂质。该专利通过控制钢中杂质元素、冶炼及精炼、控轧控冷工艺及热处理工艺生产，生产的钢板具有良好的强韧性匹配，同时具有优异的低温韧性。该专利用于运输、储存设备，产品为热轧结构钢板，不适合深冲，且为低碳钢，Mn、Ni元素含量较高。
中国专利号CN 101654766 A的《一种超低温用钢及其制造方法》，化学成分按重量百分比如下：C：0.10～0.20％，Si：0.20～0.40％，Mn：1.40～1.60％，P：≤0.015％，S：≤0.05％，Nb：0.01～0.06％，Ti：≤0.001％，N：＜0.003％，其余为Fe及不可避免的杂质。该专利通过控制热处理，并限制钢中Ti、N元素的含量，提供了一种低成本、工艺简单、具有优良的低温韧性的钢板及其制造方法。该专利为热处理钢板，不涉及热镀锌过程，且为低碳钢，同时不适合深冲。。
中国专利号CN 103045958 A的《一种高强度-50℃低温用钢板及其制备方法》，化学成分按重量百分比如下：C：0.06～0.09％、Si：0.20～0.40％、Mn：1.3～1.5％、P：≤0.015％、S：≤0.005％、Nb:0.02～0.04％、Ni：0.30～0.50％、Cr：0.10～0.30％、Mo：0.10～0.30％、V：0.03～0.05％、Ti:0.01～0.02％。采用低碳微合金化设计，控制轧制控制冷却(TMCP)+回火工艺(T)，最终获得了以回火贝氏体为主的金相组织，从而获得了强度、塑性、韧性和焊接性的良好匹配，同时降低了生产成本，提高了生产效率。该专利为低碳钢，用于低温球罐、储罐，低温压力管道的制造，产品添加多种合金，强度较高，不适合深冲。
中国专利号CN 101545077 B的《一种低温用钢及其制造方法》，化学成分按重量百分比如下：：C：0.060％～0.090％，Si：≤0.20％，Mn：1.10％～1.50％，P：≤0.015％，S：≤0.003％，Als：0.040％～0.070％，Cu：0.05％～0.45％，Ni：0.05～0.35％，Cr：0.05％～0.30％，Ti：0.007％～0.011％，Nb：0.007％～0.020％，N：≤0.0040％，Ca：0.001％～0.005％，其余为Fe和不可避免的夹杂。优化控轧及后续热处理工艺，获得极高的超低温韧性，而且钢板可承受大线能量焊接。该专利用于石油天然气管线、低温储气罐体LPG、LNG，该专利为低碳钢，且含有Ni、Cr等成本较高的合金元素，产品强度较高，成形性能不能满足深冲要求。
关于已有的低温钢专利，(1)主要为低碳钢，用途为天然气管线、低温储气罐体，成形性能差，仅能简单变形，不适合深冲；(2)通过热处理的方式，获得高的耐低温性能；(3)通过添加Ni、Mn等合金元素，获得良好的耐低温性能，成本较高；关于已有的低温钢专利不涉及燃气仪表用途，也未涉及热镀锌过程，目前尚未系统的方法涉及适合低温环境的燃气仪表壳体用热镀锌板的生产方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种适合低温环境的燃气仪表壳体用热镀锌板及其生产方法，通过添加B元素，减少P元素在晶界的偏析，以及通过控制杂质元素N、O、P、S、残余元素Cu、Ni、Cr、Mo、Sn、As，以减少钢中夹杂物、提高钢水纯净度，配合全流程工艺控制，获得深冲性能良好的热镀锌钢板，且具有较好的耐低温脆性，满足燃气仪表壳体的使用要求。
本发明采取的技术方案为：
一种适合低温环境的燃气仪表壳体用热镀锌板，包括基板和镀层，所述基板包括以下质量百分比的化学成分：C：≤0.006％，Si：≤0.01％，Mn：0.08～0.50％，P：≤0.010％，S：≤0.008％，Als：0.025～0.060％，Ti：0.03～0.09％，B：0.0005～0.0050％，N：＜0.004％，O：＜0.004％，且Cu+Ni+Cr+Mo+Sn+As≤0.03％，余量为Fe及不可避免的杂质；所述镀层中总铝质量百分含量控制在0.18～0.23％。
所述基板优选为包括以下质量百分比的化学成分：C：0.0010～0.0046％，Si：0.0016～0.0071％，Mn：0.09～0.32％，P：≤0.009％，S：≤0.008％，Als：0.034～0.053％，Ti：0.048～0.073％，B：0.0005～0.0024％，N：＜0.003％，O：＜0.003％，且Cu+Ni+Cr+Mo+Sn+As≤0.03％，余量为Fe及不可避免的杂质；
本发明还提供了所述适合低温环境的燃气仪表壳体用热镀锌板的生产方法，所述生产方法包括以下步骤：
1)铁水预处理；
2)转炉冶炼：控制转炉停吹温度及游离氧量；
3)合金微调站；
4)RH炉精炼：控制RH精炼过程的钢水循环时间、镇静时间；
5)连铸；
6)铸坯进行扒皮处理；
7)热轧；
8)酸洗；
9)冷轧；
10)连续退火；
11)热浸镀锌；
12)光整。
进一步地，步骤2)中，要求前扒渣和后扒渣；
步骤2)中，控制转炉停吹温度为1660～1680℃，游离氧量≤200ppm，确保夹杂物生成量较少；采用自循环废钢，强化转炉脱磷，加强挡渣操作。
步骤3)中，进行钢包顶渣改质。
步骤4)中，RH采用轻处理工艺，破空前保证净循环时间＞6min，破空到开浇镇静时间＞20min，为夹杂物的上浮提供条件，方便进行吸附和去除。
步骤6)中，铸坯进行扒皮处理的方法为对铸坯表面进行火焰清理；尺寸大于10μm的非金属夹杂物主要存在于连铸坯0～4mm表层内，且在1～3mm表层内大尺寸夹杂物的数量最多，而在距表面超过4mm的连铸坯内部，大尺寸夹杂物的数量很少。通过对铸坯表面进行火焰清理，可显著降低表面裂纹、皮下气泡、夹渣等缺陷，其是提高成品卷表面质量的最有效方式。
步骤7)中，铸坯出炉温度控制在1180℃～1220℃；终轧温度控制在890℃～930℃；卷取温度控制在660℃～720℃。
步骤8)中，采用喷流式酸洗，酸槽的温度为80℃～90℃。
步骤9)中，采用五机架连轧，冷轧总压下率控制在70％～85％。
步骤10)中，连续退火温度控制在800℃～850℃。
步骤11)中，锌液温度为450～465℃，锌液中的总铝质量百分含量控制在0.18～0.23％。
步骤12)中，光整延伸率控制在0.6％～1.5％。
本发明公开的适合低温环境的燃气仪表壳体用热镀锌板生产主要基于以下原理：
碳(C)：C是钢中对性能影响最大的元素，C含量增高会使钢的强度增加，但使塑性下降、冲压性能变坏，为获得良好的深冲性能，一般IF钢要求C元素含量≤0.007％。因此，本发明中C元素含量控制为≤0.006％。
硅(Si)：Si在钢中具有较强的强化作用，但Si易形成氧化物，不利于酸洗，退火后表面容易形成氧化色，而且还降低钢板的涂镀性。因此，本发明采用低硅控制，Si元素的含量≤0.01％。
锰(Mn)：Mn是脱氧的主要元素，适量添加Mn元素对钢的低温冲击性能有利，但添加过多的Mn会增加钢的淬透性，而且，在连铸过程中易导致偏析程度增大，对塑性、焊接性能、疲劳性能都不利。因此，本发明中Mn元素百分含量控制范围为0.08～0.50％。
磷(P)：P为钢中不可避免的有害杂质，对钢的冲压性能、冷脆性、二次加工脆性等均有不良影响，应严格控制钢中P元素的含量。因此，本发明的P元素百分含量控制范围为≤0.010％。
硫(S)：S为钢中不可避免的有害杂质，对钢的焊接性能、冷弯性能、韧性均产生不利影响，应严格控制钢中S元素的含量。因此，本发明的S元素百分含量控制范围为≤0.008％。
铝(Al)：Al为了脱氧而添加的，当Als含量不足0.01％时，不能发挥其效果；另一方面，由于添加多量的铝容易形成氧化铝夹杂物。因此，本发明的Als元素百分含量控制范围为0.025～0.060％。
钛(Ti)：Ti是钢中强脱氧剂，它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力，提高钢的强度，改善焊接性能，但Ti含量过多时，将与钢中的N结合，形成大尺寸的TiN粒子，将促进钢中裂纹的萌生。因此，本发明的Ti元素百分含量控制范围为0.03～0.09％。
硼(B)：微量的B元素可使晶粒细化，增加组织的均匀性；B元素在奥氏体晶界上有偏聚作用，能抑制铁素体的形核，使C曲线右移，抑制珠光体的转变；B元素还可以阻碍P元素在晶界的偏析，从而提高钢的低温冲击性能，但B过高时易于O、N等形成非金属夹杂。因此，本专利的B元素百分含量控制范围为0.0005～0.0050％。
氮(N)：N能提高钢的强度、低温韧性和焊接性，但过高时将与B形成BN，导致热塑性较差，且过高的N将偏析分布于晶界，影响钢的低温韧性。因此，本发明将N元素百分含量控制范围为＜0.004％。
氧(O)：O为钢中不可避免的有害杂质，主要以氧化物系非金属夹杂物的形式存在于钢中，将引起应力集中，导致产生微裂纹，降低韧性，应严格控制钢中O元素的含量。因此，本发明的O元素百分含量控制范围为＜0.004％。
控制残余元素Cu、Ni、Cr、Mo、Sn、As含量：炼钢原料废钢、铁水、铁合金等在炼钢过程中，通常将大量的杂质元素带入炉中，在冶炼过程中一部分杂质元素可以去除，一部分最终残留在钢中，过高的残余元素将在钢种偏析，影响钢的低温性能。因此，本发明的残余元素Cu+Ni+Cr+Mo+Sn+As百分含量控制范围为≤0.03％。
控制炼钢过程的夹杂物：炼钢过程中产生的夹杂物不仅影响成品卷的表面质量，而且还影响低温冲击性能。本发明通过控制转炉停吹温度及游离氧量，确保夹杂物生成量较少，通过控制RH精炼过程的钢水循环时间、镇静时间，为夹杂物的上浮提供条件，方便进行吸附和去除。
铸坯扒皮处理：尺寸大于10μm的非金属夹杂物主要存在于连铸坯0～4mm表层内，且在1～3mm表层内大尺寸夹杂物的数量最多，而在距表面超过4mm的连铸坯内部，大尺寸夹杂物的数量很少。通过对铸坯表面进行火焰清理，可显著降低表面裂纹、皮下气泡、夹渣等缺陷，是提高成品卷表面质量的最有效方式。因此，本专利对铸坯进行扒皮处理。
本发明通过对化学成分进行合理设计，控制钢水洁净度，并对炼钢、热轧、酸洗、冷轧、退火、镀锌、光整等工艺进行全流程控制，生产出的热镀锌钢板具有良好的深冲性能，屈服强度为130～170MPa、抗拉强度为280～300MPa、A80延伸率≥43％、n值≥0.21、r值≥2.3，深冲成形后的零件在-30℃～-50℃低温下放置5h后，使用6kg重的铅球从1m高度处自由落体撞击零件，零件未发生开裂，满足燃气仪表壳体的使用要求。
附图说明
图1为实施例1的金相组织；
图2为实施例1经低温撞击试验后的宏观形貌；
图3为比较例1经低温撞击试验后的宏观形貌；
图4为比较例1中的热镀锌板在低温撞击实验后断裂处的形貌。
具体实施方式
根据本发明中的适合低温环境的燃气仪表壳体用热镀锌板的化学成分、炼钢、热轧、酸洗、冷轧、连续热镀锌、光整工艺要求，通过各实施具体说明本专利。
各实施例及比较例中的热镀锌板，包括基板和镀层，基板的化学成分如表1所示，其余为Fe和不可避免的杂质元素，实施例的残余元素Cu+Ni+Cr+Mo+Sn+As≤0.03％；镀层中总铝质量百分含量控制在0.18～0.23％。
表1实施例化学成分，wt％
Figure BDA0002397217860000091
各实施例的热镀锌板的生产方法如下，比较例不进行步骤6)操作：
1)铁水预处理：要求前扒渣和后扒渣；
2)转炉冶炼：控制转炉停吹温度及游离氧量；采用自循环废钢，强化转炉脱磷，加强挡渣操作；
3)合金微调站：进行钢包顶渣改质；
4)RH炉精炼：RH采用轻处理工艺，控制RH精炼过程的钢水循环时间、镇静时间；
5)连铸；
6)铸坯进行扒皮处理；
7)热轧；
8)酸洗：采用喷流式酸洗；
9)冷轧；
10)连续退火；
11)热浸镀锌；
12)光整。
上述各工艺主要工艺参数及最终性能分别如表2、表3所示。
表2生产工艺
Figure BDA0002397217860000101
表3产品性能
Figure BDA0002397217860000102
实施例1的金相组织如图1所示，实施例与比较例的夹杂物评级如表4所示。可以看出：实施例的金相组织为铁素体，晶粒度为8.0级，实施例基板中夹杂物较少，如表4所示。
表4实施例1～4及对比例1～3的夹杂物评级
类别 A细 A粗 B细 B粗 C细 C粗 D细 D粗 DS
实施例1 0 0 0 0 0 0 0.5 0 0
实施例2 0 0 0.5 0 0 0 0 0 0
实施例3 0 0 0 0 0 0 0.5 0 0
实施例4 0 0 0.5 0 0 0 0 0 0
比较例1 0 0.5 0 1.0 0 0 0 1.0 0.5
比较例2 1.5 0 1.0 0 0 0 1.0 0 0.5
比较例3 0.5 0 1.0 0 0 0 0.5 0 0.5
成形后的零件在低温下放置5h后，使用6kg重的铅球从1m高度处自由落体撞击零件，表5为实施例和比较例的低温撞击实验结果，图2为实施例1经低温撞击试验后的宏观形貌，图3为比较例1经低温撞击试验后的宏观形貌，图4为比较例1断裂处的形貌，可以看出比较例出现明显的开裂，开裂处为明显的沿晶脆性断裂。
表5低温撞击试验结果
样例 低温下放置5h后，铅球撞击零件试验结果
实施例1 -30℃～-50℃未开裂
实施例2 -30℃～-50℃未开裂
实施例3 -30℃～-50℃未开裂
实施例4 -30℃～-50℃未开裂
比较例1 -15℃开裂
比较例2 -25℃开裂
比较例3 -25℃开裂
上述参照实施例对一种适合低温环境的燃气仪表壳体用热镀锌板及其生产方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适合低温环境的燃气仪表壳体用热镀锌板，包括基板和镀层，其特征在于，所述基板包括以下质量百分比的化学成分：C：≤0.006％，Si：≤0.01％，Mn：0.08～0.50％，P：≤0.010％，S：≤0.008％，Als：0.025～0.060％，Ti：0.03～0.09％，B：0.0005～0.0050％，N：＜0.004％，O：＜0.004％，且Cu+Ni+Cr+Mo+Sn+As≤0.03％，余量为Fe及不可避免的杂质；所述镀层中总铝质量百分含量控制在0.18～0.23％。
2.一种如权利要求1所述的适合低温环境的燃气仪表壳体用热镀锌板的生产方法，所述生产方法包括以下步骤：
1)铁水预处理；
2)转炉冶炼：控制转炉停吹温度及游离氧量；
3)合金微调站；
4)RH炉精炼：控制RH精炼过程的钢水循环时间、镇静时间；
5)连铸；
6)铸坯进行扒皮处理；
7)热轧；
8)酸洗；
9)冷轧；
10)连续退火；
11)热浸镀锌；
12)光整。
3.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，步骤2)中，控制转炉停吹温度为1660～1680℃，游离氧量≤200ppm。
4.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，步骤4)中，RH采用轻处理工艺，破空前保证净循环时间＞6min，破空到开浇镇静时间＞20min。
5.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，步骤6)中，铸坯进行扒皮处理的方法为对铸坯表面进行火焰清理。
6.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，步骤7)中，铸坯出炉温度控制在1180℃～1220℃；终轧温度控制在890℃～930℃；卷取温度控制在660℃～720℃。
7.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，步骤8)中，采用喷流式酸洗，酸槽的温度为80℃～90℃。
8.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，步骤9)中，采用五机架连轧，冷轧总压下率控制在70％～85％。
9.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，步骤10)中，连续退火温度控制在800℃～850℃。
10.根据权利要求2所述的生产方法，其特征在于，步骤11)中，锌液温度为450～465℃，锌液中的总铝质量百分含量控制在0.18～0.23％；步骤12)中，光整延伸率控制在0.6％～1.5％。
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