CN111321348A - 一种lng船用肋板l型钢及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种LNG船用肋板L型钢及其制造方法，属于低合金高强度结构钢制造领域。该钢的化学成分以质量百分比计包含C：0.11～0.16％、Si：0.41～0.55％、Mn：0.21～0.48％、P：≤0.003％、S：≤0.001％、Cr：0.59～0.94％、Ni：0.24～0.60％，还包含Zr：0.006～0.012％、La：0.006～0.012％、Y：0.006～0.012％中的至少一种，以及余量的Fe和不可避免的杂质。屈服强度≥440MPa，低温冲击韧性‑100℃KV2≥88J，疲劳强度≥320MPa，适用于建造超大型LNG船舶肋板钢结构，并保障安全运行。

Description

一种LNG船用肋板L型钢及其制造方法
技术领域
本发明属于低合金高强度结构钢制造领域，具体涉及一种LNG船用肋板L型钢及其制造方法。
背景技术
随着世界范围内对液化天然气(LNG)需求量的增加，航行于北极航道等极寒海域的LNG船舶日益增多，相应的用于建造LNG船舶肋板的高强度低温L型钢用量剧增。目前现有低温L型钢品种LT-FH32、LT-FH36等虽可用于建造低温肋板，但对于超大型LNG船舶，其强度偏低，难于抵抗极寒海域狂风巨浪的冲击，存在一定安全隐患。另外现有低温L型钢品种LT-FH32、LT-FH36等采用控制轧制+快速冷却(TMCP)工艺技术生产，其微观结构含有亚稳贝氏体组织，随着时间的推移，亚稳贝氏体组织会向铁素体组织转变，导致体积(尺寸)变化，威胁船体结构安全。另外，TMCP工艺生产的低温L型钢中存在一定的残余应力，降低船体结构的疲劳性能，缩短LNG船舶的服役时间。一般地，用于建造超大型LNG船舶肋板L型钢需要保证优良的-80℃冲击韧性，才能保证船舶航行安全，另外还要求具有优良的抗疲劳性能，抵御强烈的飓风、海浪冲击作用。
申请号为201710911471.1的发明，公开了“一种超低碳低温用钢及其热处理工艺”，该技术的不足之处在于：其一，所涉及钢种Ni含量较高，上限达到4.5％,原材料成本较高。其二，Mn含量较高，属于典型的中Mn合金钢，在铸造过程中导热较差，热塑性低，易产生铸坯(锭)裂纹，导致成材率低。其三，添加的Al含量高，易氧化产生结瘤堵塞浇注水口，增加生产难度。其四，钢中添加的Cu含量较高，Cu富集区熔点仅为1083℃，易产生高温裂纹，废品率高。其五，制造工艺包括热轧、冷轧、多次热处理的工序，生产流程长，增加了生产成本。
申请号为201810946698.4的发明，公开了“一种LPG船用低温钢板及其生产方法”，该技术的不足之处在于终轧后采用ACC浇水加速冷却钢板，得到成品钢板微观组织为亚稳贝氏体，随着时间的推移，会向更稳定的组成相铁素体、析出相Fe3C转变，导致体积变化，致使钢结构的尺寸发生变化，扭曲变形，抵抗外载荷的能力变弱，安全隐患较大。另外，采用加速冷却技术制造的钢板残余应力较大，在焊接过程中易发生钢板变形，增加机加工难度。采用内应力较大的钢板建造LNG低温船舶肋板，航行于台风巨浪中，抗疲劳性能会降低，安全服役时间减少。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种LNG船用肋板L型钢，该钢兼具优良的抗疲劳性能、较高的-100℃低温冲击韧性、强度匹配性好以及制造成本适中的特点。
本发明的另一目的是提供一种上述LNG船用肋板L型钢的制造方法，该方法具有较好的生产适应性。
技术方案：本发明所述的一种LNG船用肋板L型钢，化学成分以质量百分比计包含C：0.11～0.16％、Si：0.41～0.55％、Mn：0.21～0.48％、P：≤0.003％、S：≤0.001％、Cr：0.59～0.94％、Ni：0.24～0.60％，还包含Zr：0.006～0.012％、La：0.006～0.012％、Y：0.006～0.012％中的至少一种，以及余量的Fe和不可避免的杂质。
具体对主要控制的合金元素原理说明如下：
C(碳)：为了获得设计的强度，钢中需添加并控制一定范围的C含量，通过本发明申请的正火热处理，得到数量适宜的析出相Fe3C，保障钢材的屈服强度≥440MPa。C含量若高于0.16％，则在生产过程中易生产钢板中心偏析、疏松等缺陷，降低钢的致密性，恶化低温冲击性能，使得钢的-100℃冲击功难于达到88J；若低于0.11％，因C含量偏低，综合强化效果不足于使本发明申请的屈服强度≥440MPa。故将C的含量设定为0.11～0.16wt.％，并在0.11～0.14wt.％进行优选。
Mn(锰)：我国Mn资源丰富，价格低廉。本发明申请低温型钢添加合金元素Mn可形成固溶强化作用，提高钢的屈服强度，另一方面，Mn元素可通过抑制溶质原子C的扩散稳定高温奥氏体组织，降低奥氏体转变温度，采用本专利申请的控制轧制工艺，获得细化的原始奥氏体晶粒，低温冲击韧性良好。若添加的Mn含量高于0.48％，易产生数量较多的有害夹杂MnS，降低低温韧性；若Mn含量低于0.21％，则固溶强化作用降低。故将Mn含量范围设定在0.21～0.48wt.％。
P(磷)：钢中残余P为有害元素，易在晶界偏聚，形成低熔点共晶相，降低钢的低温冲击韧性，导致沿晶脆性断裂，将P限定在P≤0.003wt.％，若将P含量控制得过低，生产成本显著增加。
S(硫)：钢中残余元素S是有害元素，生产过程中易形成有害夹杂MnS、FeS等，剧烈降低钢的低温韧性。但若将S控制得过低，则在生产过程中脱硫处理时间延长，生产成本大幅增加，故将S含量控制在S≤0.001wt.％为宜。
Si(硅)：本发明申请添加合金元素Si固溶强化作用显著，提高钢的屈服强度，但降低低温韧性，综合权衡强度与低温冲击韧性匹配，故将Si含量控制在Si：0.41～0.55wt.％范围为宜。
Cr(铬)：添加的合金元素Cr一方面通过固溶于基体提高钢的强度，另一方面，在生产过程中可生成Cr3C等析出相，形成弥散强化，提高强度。另外添加一定含量的Cr可提高钢的耐海水腐蚀性能。但若Cr含量超过0.94％，则会降低钢的低温冲击韧性。故将钢中的Cr含量控制在0.51～0.94wt.％范围，并在0.59～0.68wt.％进行优选。
Ni(镍)：添加适量的合金元素Ni可提高钢的致密性，提高钢的低温冲击韧性。Ni还可以与钢中有害元素P等反应生成高熔点相，减少P在晶界的偏聚，显著降低钢在低温环境下的脆性断裂倾向，另外，添加一定含量的Ni可显著提高钢的耐海水腐蚀性能。但我国Ni资源较少，价格昂贵，较高的Ni含量导致生成成本增加。故将钢中Ni含量控制在0.24～0.60wt.％范围，并在0.37～0.58wt.％进行优选。
Zr(锆)、La(镧)、Y(钇)：本发明申请中添加一种以上的Zr、La、Y合金元素，目的在于净化钢质。Zr、La、Y属微合金化元素，可与钢中有害元素P、S等反应生成高熔点复合相，通过钢渣排除，生成的微小颗粒(纳米级)相一方面可弥散强化基体，另一方面，在制造过程中抑制晶粒异常长大，细化晶粒作用明显，提高低温冲击韧性。但如果添加量过高，则增加了生产成本，故将Zr、La、Y合金元素的加入量控制在0.006～0.012wt.％范围。
而对应于上述LNG船用肋板L型钢，本发明提供的制造方法所采用的技术方案，工序包括转炉冶炼、炉外钢包电炉精炼、RH真空精炼、连铸、轧制以及热处理；
其中，转炉冶炼过程中进行二次造渣脱P处理；炉外钢包电炉精炼进行脱S处理；RH真空精炼进行成分的微调并进行微合金化处理；
所述轧制工序中，对均热后的截面尺寸为280×350mm的矩形连铸坯进行轧制，开轧温度：≥1050℃，终轧温度：860～910℃，连续轧制成宽度为400mm的型钢；
所述热处理工序中，对轧制成的型钢进行正火热处理，正火温度范围850～950℃，正火保温时间：40～98分钟，出炉空冷。
具体的，采用碱性转炉装入包括铁水、废钢、MnFe、SiFe、CrFe、NiFe合金料熔炼，吹氧升温氧化脱C，加CaO、FeO脱P，除去三分之二炉渣，再次加入冶炼辅料CaO、FeO，进行二次造渣脱P。
炉外钢包电炉精炼时，加入CaO含量≥98％的石灰进行脱S处理。
RH真空精炼时，将成分微调至控制范围，极限真空下处理时间10～14分钟以祛除钢中包括N、H、O气体和有害夹杂；然后喂SiCa丝进行Ca处理；喂含Zr、La、Y一种以上元素的微合金丝进行微合金化处理，并在极限真空下处理时间2～6分钟。
连铸工序中，浇铸温度为1521～1532℃；并在轧制前对连铸坯进行1188～1221℃加热，保温3～6小时。
有益效果：与现有技术相比，该LNG船用肋板L型钢的合金元素设计相对简单，结合其制造方法中采用两次除渣脱P处理、钢包炉精炼脱S、RH真空精炼后，钢水较为洁净，过程参数容易控制，因此适宜工业规模化生产。采用控制轧制及正火处理的L型钢，获得稳定的铁素体+珠光体组织，铁素体基体弥散分布析出相，有效地提高了强度，钢中消除了亚稳组织，从而不会发生二次固态相变，排除了钢结构在服役过程中产生扭曲的隐患，提高了钢结构的安全性。并且正火处理消除了钢中残余应力，细化了铁素体晶粒，从而获得了优异的抗疲劳性能。该钢的屈服强度≥440MPa，低温冲击韧性-100℃KV2≥88J，疲劳强度≥320MPa，适用于建造超大型LNG船舶肋板钢结构，并保障安全运行。
附图说明
图1是本发明LNG船用肋板L型钢的微观组织照片。
具体实施方式
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。
本发明的LNG船用肋板L型钢，化学成分以质量百分比计包含C：0.11～0.16％、Si：0.41～0.55％、Mn：0.21～0.48％、P：≤0.003％、S：≤0.001％、Cr：0.59～0.94％、Ni：0.24～0.60％，还包含Zr：0.006～0.012％、La：0.006～0.012％、Y：0.006～0.012％中的至少一种，以及余量的Fe和不可避免的杂质。其制造方法包括如下步骤：
(1)转炉冶炼：碱性转炉装入包括铁水、废钢、MnFe、SiFe、CrFe、NiFe合金料熔炼，吹氧升温氧化脱C，加CaO、FeO脱P，除去三分之二炉渣，再次加入冶炼辅料CaO、FeO，进行二次造渣脱P；
(2)炉外钢包电炉精炼，加入CaO含量≥98％的石灰进行脱S处理；
(3)RH真空精炼，将成分微调至控制范围，极限真空下处理时间10～14分钟以祛除钢中包括N、H、O气体和有害夹杂；然后喂SiCa丝进行Ca处理；喂含Zr、La、Y一种以上元素的微合金丝进行微合金化处理，极限真空下处理时间2～6分钟；
(4)连铸截面尺寸为280×350mm的矩形坯，浇铸温度：1521～1532℃；
(5)轧制前，铸坯加热温度：1188～1221℃，保温时间：3～6小时；轧制开轧温度：≥1050℃，终轧温度：860～910℃，连续轧制成宽度为400mm的型钢；
(6)热处理：对轧制成的型钢进行正火热处理，正火温度范围850～950℃，正火保温时间：40～98分钟，出炉空冷。
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，其中，Zr/La/Y的总量不超过0.015wt.％。为验证各化学组分和质量百分比含量以及冶炼过程中的RH极限真空处理时间、轧制过程中的终轧温度、正火热处理温度、保温时间等工艺参数对性能参数的影响，制备了三个对比例，即对比例1、对比例2和对比例3，即冶炼并试制了8批肋板L型钢。其中，对比例1的化学组分质量百分比含量不在本发明的范围内，而制备过程的工艺参数在本发明的范围内，对比例2的化学组分质量百分比含量在本发明的范围内，而制备过程的工艺参数不在本发明的范围内，对比例3的化学组分质量百分比含量及制备过程的工艺参数均不在本发明的范围内。五个实施例及三个对比例的化学元素成分重量百分比见表1，其中余量为Fe和不可避免的杂质。
表1本发明实施例及对比例的化学成分对比(wt.％)
Figure BDA0002430392310000051
生产过程工艺控制参数与肋板型钢性能情况见表2。
表2本发明实施例及对比例生产过程控制参数对肋板L型钢性能情况表
Figure BDA0002430392310000061
由表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工艺参数所生产的肋板L型钢屈服强度均高于440MPa，冲击韧性-100℃KV2均高于88J，疲劳强度都高于320MPa。再结合图1所示，该钢的金相组织由铁素体和珠光体构成，并且，铁素体基体中弥散分布颗粒细小的析出相，是其呈现高强度、优良的低温冲击韧性的一个重要因素。
而对比例1、对比例2和对比例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肋板L型钢屈服强度低于413MPa，-100℃冲击韧性均低于51J，疲劳强度均低于214MPa。
其中，本发明实施例2所制备的肋板L型钢的屈服强度为479MPa，-100℃冲击韧性达到229J，疲劳强度为354MPa，综合力学性能优良，制造极寒海域超大型LNG船舶肋板可保障安全运行，为最佳实施例。

Claims (10)

1.一种LNG船用肋板L型钢，其特征在于，化学成分以质量百分比计包含C：0.11～0.16％、Si：0.41～0.55％、Mn：0.21～0.48％、P：≤0.003％、S：≤0.001％、Cr：0.59～0.94％、Ni：0.24～0.60％，还包含Zr：0.006～0.012％、La：0.006～0.012％、Y：0.006～0.012％中的至少一种，以及余量的Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的LNG船用肋板L型钢，其特征在于，金相组织由铁素体和珠光体构成，其中，铁素体基体弥散分布有Fe3C析出相颗粒。
3.根据权利要求1所述的LNG船用肋板L型钢，其特征在于，质量百分比计的化学成分中C含量为0.11～0.14％。
4.根据权利要求1所述的LNG船用肋板L型钢，其特征在于，质量百分比计的化学成分中Cr含量为0.59～0.68％。
5.根据权利要求1所述的LNG船用肋板L型钢，其特征在于，质量百分比计的化学成分中Ni含量为0.37～0.58％。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述的LNG船用肋板L型钢的制造方法，其特征在于，工序包括转炉冶炼、炉外钢包电炉精炼、RH真空精炼、连铸、轧制以及热处理；
其中，转炉冶炼过程中进行二次造渣脱P处理；炉外钢包电炉精炼进行脱S处理；RH真空精炼进行成分的微调并进行微合金化处理；
所述轧制工序中，对均热后的截面尺寸为280×350mm的矩形连铸坯进行轧制，开轧温度：≥1050℃，终轧温度：860～910℃，连续轧制成宽度为400mm的型钢；
所述热处理工序中，对轧制成的型钢进行正火热处理，正火温度范围850～950℃，正火保温时间：40～98分钟，出炉空冷。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，采用碱性转炉装入包括铁水、废钢、MnFe、SiFe、CrFe、NiFe合金料熔炼，吹氧升温氧化脱C，加CaO、FeO脱P，除去三分之二炉渣，再次加入冶炼辅料CaO、FeO，进行二次造渣脱P。
8.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，炉外钢包电炉精炼时，加入CaO含量≥98％的石灰进行脱S处理。
9.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，RH真空精炼时，将成分微调至控制范围，极限真空下处理时间10～14分钟以祛除钢中包括N、H、O气体和有害夹杂；然后喂SiCa丝进行Ca处理；喂含Zr、La、Y一种以上元素的微合金丝进行微合金化处理，并在极限真空下处理时间2～6分钟。
10.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，连铸工序中，浇铸温度为1521～1532℃；并在轧制前对连铸坯进行1188～1221℃加热，保温3～6小时。
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