CN111440990B - 一种低剩磁、表面质量优异的船用5Ni钢板的制造方法 - Google Patents

一种低剩磁、表面质量优异的船用5Ni钢板的制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低剩磁、表面质量优异的船用5Ni钢板的制造方法，工艺流程为转炉冶炼‑>LF精炼‑>RH高真空脱气‑>Ca处理‑>连铸‑>铸坯缓冷处理‑>铸坯表面清理‑>加热‑>轧制‑>两次淬火‑>回火。组分设计采用低碳、低硅，5％Ni，并加入V、Nb，改善淬透性提高低温韧性，提高奥氏体非再晶开始温度，让钢板可采用高温轧制、高温淬火，进而显著改善板型，使适用于薄规格产品的生产。本申请从元素设计、工艺控制、母材组织、中心偏析、淬回火温度及时间等角度进行优化，在实现5Ni钢板高强度的同时，保证钢板具有良好的延伸率、‑130℃低温冲击韧性、优异表面质量以及低剩磁。

Description

一种低剩磁、表面质量优异的船用5Ni钢板的制造方法
技术领域
本发明涉及船用钢板的制造方法，尤其涉及一种船用5Ni钢板的制造方法。
背景技术
液化石油气(Liquefied Petroleum Gas，简称LPG)除了管线运输外，最主要的运输方式为海运，采用船舶储运LPG，运输LPG以及经石油裂化、液化得到的液化乙烯(LEG)采用的运输船通常采用强度高，低温韧性好，延伸率高的5Ni钢建造。5Ni钢是指钢中Ni的含量达到5％左右。由于5Ni钢的Ni含量高、表面质量要求高、杂质参与量要求低，给冶炼、轧制、热处理等生产工序提出了更高的要求。除此之外，低剩磁也是制约5Ni钢得以批量生产的重要因素。
公开号CN104195428A的专利文献公开了一种含V低碳高强5Ni钢中厚板及其制造方法，该方法是通过在低C，5％左右的Ni含量的基础上加入适量的V，通过两阶段控制轧制以及调质热处理获得了一款5Ni钢，并介绍了钢板的钢板平直度，钢板的生产厚度在25mm～50mm之间，不适合更薄钢板的生产，若生产厚度减薄则钢板平直度难以保证。公开号CN102330031A的专利文献公开了一种高韧性-130℃低温钢的制造方法，方法中加入Nb、Mo、Cr、Zr和RE等，Nb、Mo属于贵重金属，显著增加会造成合金原料成本增加，Zr和RE等元素的加入又会显著增加钢水冶炼难度，难以实现批量。公开号CN104388838A的专利文献公开了一种超低温压力容器用5Ni钢板及其生产方法，生产厚度8～50mm，成分设计简化，采用控制轧制及冷却，堆垛冷却，采用两次淬火加回火的热处理方式，获得了高强度，低温韧性至-125℃的5Ni钢板。其中控制轧制第二阶段要求开轧温度≤850℃，终轧温度≤810℃，轧后对半成品钢板水冷，水冷时返红温度≤650℃，轧制第二阶段开轧温度低、轧后水冷不利于薄板的板形控制。公告号CN105331890A的专利文献公开了一种在线淬火生产高韧性5Ni钢中厚板的方法，采用铸坯开坯的方法，进行两阶段轧制，在线淬火至200℃以下，在590～620℃回火，获得回火马氏体加少量逆转变奥氏体混合组织的5Ni钢板。铸坯开坯对于钢板组织性能均匀性有很好的效果，但是也显著增加了生产成本，延长了生产了过程。
对于5Ni钢板而言，表面质量及剩磁都是重要的供货要求，这两个要求也是5Ni供货技术要求中不同于其它钢种最重要的两点。其中表面质量是制约薄规格5Ni钢板生产的重要因素。
发明内容
针对5Ni钢板，尤其是薄规格的5Ni钢板，采用低C、5％含量的Ni、V+Nb微合金化的成分设计，生产方法中采用铸坯剥皮，高温热轧，轧后不水冷，随后进行两次淬火+回火热处理，提高第一次淬火温度，改善高Ni含量的偏析，采用真空吸盘吊装，以此获得良好的强韧性5Ni钢，产品表面质量优异、低剩磁。
本发明船用5Ni钢化学成分按质量百分比计为C：0.07～0.10％，Si：0.05～0.20％，Mn：0.60～0.80％，Ni：4.90～5.25％，P：≤0.0070％，S：≤0.0020％，Alt：0.010～0.035％，V：0.010～0.015％，Nb：0.010～0.020％，Ca:0.0005～0.0030％，O：≤0.0012％，N：≤0.0040％，H：≤0.00010％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
本发明船用5Ni钢中各元素的设置依据如下：
C的加入可以增加钢的淬透性，特别是中厚板生产，可以显著提高强度，但是C含量过多不利于钢的-110℃～-130℃超低温冲击性能、超低温应变时效性能、焊接性能以及耐蚀性能，所以本发明中碳含量控制介于0.07～0.10％。
Si主要用于脱氧，虽要依据不同的冶炼方式来确定其加入量，但要获得良好的钢板性能，必须在0.05％以上，若超过0.30％以上易在氧化铁皮中形成硅铝尖晶石，不易去除，考虑到5Ni钢表面质量尤其重要，所以本发明采用低Si含量控制，并规定其上限为0.20％。
Mn是提高钢淬透性的元素，并起固溶强化作用以弥补钢中因C含量降低而引起的强度损失。当钢中Mn含量过低时，无法充分发挥强度确保的作用，但当Mn含量过高时则会增加其碳当量从而损坏焊接性能。另外，Mn易在钢板中心产生偏析，降低钢板中心部位的冲击韧性。因此，本发明Mn含量控制为0.60～0.80％。
Ni是提高钢板的淬透性并可以显著改善其低温韧性的元素，对冲击韧性和韧脆转变温度具有良好的影响。但Ni含量太高时，板坯表面易生成黏性较高的氧化铁皮，难以去除，影响钢板的表面质量。另外，Ni也是贵重金属，含量过高会增加成本。因此，本发明在满足按照船级社规范与国际通用标准的前提下，将其含量控制在4.90～5.25％，有利于达到最优的性价比。
Nb的溶质拖曳作用和Nb(C，N)对奥氏体晶界的钉扎作用，均抑制形变奥氏体的再结晶，扩大奥氏体非再结晶区间，以此可提高精轧开轧温度，保证钢板板型，易于实现高温精轧，降低钢板的屈强比，避开二次氧化铁皮形成的温度区间。但过多的Nb也会导致钢板的细晶形成，提高屈强比，故本发明控制其含量在窄区间内0.010～0.020％。
V是一种强碳、氮化物形成元素，在钢中形成VC、V(CN)等第二相质点，能细化晶粒，提高钢材的强度和低温韧性，但是V的含量过高会降低钢的焊接性，故其含量控制在0.010～0.015％。
Ca处理是本发明钢种的必要处理环节，0.0005～0.0030％的Ca不仅可以降低硫化物带来的性能危害，还可以是尖锐的Al2O3夹杂变性为球性低熔点夹杂，从而减少钢板轧制过程中硬质夹杂物尖角处微裂纹的产生，提高钢板冲击韧性。
P虽能提高耐蚀性，但会降低低温韧性和影响钢板的可焊性，对结构钢是不适当的，本发明规定其控制在0.0070％以下。
S形成MnS夹杂物，也会导致中心偏析，对耐蚀性也有不良影响，发明规定在其控制在0.0020％以下。
Al主要是起固氮和脱氧作用。Al与N接合形成的AlN可以有效地细化晶粒，但含量过高会损害钢的韧性。因此，本发明控制其含量(Alt)在0.010～0.035％。
O、N：有害气体元素，含量高，夹杂物多，降低钢板塑性、韧性和焊接弯曲性能。本发明严格控制O含量不高于0.0012％；N含量不高于0.0040％。
H：有害气体元素。H含量高，易产生白点，降低钢板塑性、韧性，严重危害钢板使用性能。本发明为提高钢板综合性能，严格控制H含量在0.00010％以内。
本发明5Ni钢板的制备方法，具体工艺如下，
冶炼连铸工艺：冶炼原料依次经转炉冶炼、RH精炼、LF精炼，为了控制钢板内部疏松、偏析，进行低过热度浇注，浇铸过热度控制在5～25℃，全程氩气保护浇注，以及动态轻压下控制；以保证铸坯中心偏析不高于C1.0级。
板坯缓冷及清理修磨工艺：铸坯下线后，必须进行缓冷处理，铸坯堆垛入坑缓冷或加罩缓冷。缓冷开始温度不低于600℃，缓冷时间不得低于72小时。缓冷结束后采用打磨清理铸坯表面，铸坯上下面各磨去1-2mm厚，打磨后涂涂料(耐高温的乳胶漆)，涂料的目的是封闭铸坯表面，防止暴露于空气中再加热时氧化。
加热工艺：将铸坯送入步进式加热炉，平均速率在10～14cm/min，加热至1170～1220℃，待心部温度到达表面温度时开始保温，保温时间不低于0.5小时，使钢中的合金元素充分固溶以保证最终产品的成份及性能的均匀性。
轧制工艺：钢坯出炉后经高压水除鳞处理后进行粗轧+精轧两阶段控制轧制：粗轧的开轧温度介于1080～1150℃，粗轧后三道道次压下率≥15％，待温厚度≥1.8H，其中H为成品厚度。精轧采取高温轧制，开轧温度介于880～970℃，终轧温度不低于800℃，轧后空气冷却，不能水冷。
淬火热处理工艺：第一次淬火(一淬)温度880±10℃，炉温到温后保温时间为30～100min，水淬。第二次淬火(二淬)温度为760±10℃，炉温到温后保温时间为30～100min，水淬。为保证钢板的均匀性，温度控制精度为±10℃。
回火热处理工艺：钢板淬火后，在630±10℃回火，钢板芯部到温后，保温120～200min，给予足够的时间，使淬火马氏体中的碳充分扩散，获得回火索氏体，保证钢板强韧性匹配，提升钢板工程应用性。
回火后的钢板即为钢板成品，产品要用真空吊装，回火后取样检测性能。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)采用低碳、5％Ni，并加入适量V，保证钢板淬透性，提高钢板的抗拉强度，保证了钢板-130℃～-150℃低温冲击韧性，加入适量Nb，提高奥氏体非再晶开始温度，让钢板高温轧制，尤其是高温精轧，从而保证钢板特别是薄规格钢板的板形。
(2)本发明采用低Si含量、高温轧制、以及铸坯上下表面修磨、表面涂涂料、高压水除鳞等方式，有助于提高钢板的表面质量。
(3)本发明通过加入Nb，分段加热控制，高温轧制，轧后空冷(不水冷)，保证了5Ni钢板的良好板形，也防止因矫直导致的钢板划伤，有助于保护钢板表面质量。
(4)虽然5Ni钢相比于其它普通钢材奥氏体铁素体相变点低得多，但本发明为了保证与其它钢种进行一起排产，热处理过程中提高第一淬温度达880±10℃，无需大生产热处理炉大幅度升温降温，提高第一次淬火温度同时有助于改善高Ni含量钢的偏析程度。
本发明的5Ni钢板制造方法可生产厚度为6～50mm，屈服强度≥520MPa，抗拉强度介于620～645MPa，屈强比≤0.82，延伸率≥26％，-130℃下冲击韧性≥200J的钢板；表面质量优异：达到SA 2.0级。钢板角部平均剩磁≤15Guass。超声波探伤按照EN10160标准，板体区域达到Class S3要求，边缘区域达到Class E4要求。钢板的组织为均匀的回火索氏体组织，可适应批量生产。
附图说明
图1是本发明实施例4的试验钢低倍组织，连铸带来的中心偏析得到了明显改善；
图2是本发明实施例1的试验钢的厚度1/4处金相组织，为回火索氏体组织；
图3是本发明实施例4的试验钢的厚度1/4处金相组织，为回火索氏体组织。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
一种船用5Ni钢板的生产工艺流程为：转炉冶炼->LF精炼->RH高真空脱气->Ca处理->连铸->铸坯缓冷处理->铸坯表面清理->加热->轧制->两次淬火->回火，包括如下具体步骤：
(1)冶炼：选用优质原料，采用150吨转炉冶炼，RH高真空脱气处理后送入LF炉精炼并破空进行Ca处理，再经过RH真空脱气，实施例1-4的合金组分控制见表1。
(2)连铸：将冶炼的钢水浇铸成150mm厚的连铸坯，浇铸温度控制在液相线以上5-25℃，全程氩气保护浇注，浇铸过程中实施动态轻压下。连铸工艺参数见表2，铸坯中心偏析不高于C1.0级的为合格。
(3)铸坯缓冷处理：连铸板坯入坑堆垛缓冷扩氢，缓冷开始温度≥600℃，时间72小时。入坑温度及缓冷时间见表2。缓冷后对铸坯表面用机器打磨清理，在上下表面各清理掉1.5mm厚，涂高温涂料(耐高温乳胶漆)隔绝空气，防止再加热前氧化。
(4)再加热：将步骤(3)所得连铸坯放入步进式加热炉，平均速率10～14cm/min，加热至1180-1250℃，待心部温度到达表面温度时开始保温，保温1小时以上。使钢中的合金元素充分固溶以保证最终产品的成份及性能的均匀性。并控制600～900℃加热时间≥0.32min/mm。
(6)轧制：钢坯出炉后经高压水除鳞处理后，进行粗轧+精轧两阶段控制轧制：粗轧的开轧温度1080～1150℃，粗轧后三道道次压下率≥15％，待温厚度≥1.8H，其中H为成品厚度。精轧采取高温轧制，精轧开轧温度介于880～970℃，精轧结束温度≥800℃。轧制完成之后钢板不经ACC机组进行加速水冷却，进行空气冷却。轧制阶段的工艺参数见表3。
(7)淬火：钢板一淬温度为880±10℃，炉温到温后保温时间为30～100min；二淬温度为760±10℃，炉温到温后保温时间为30～100min；淬火介质为水。
(8)回火：钢板回火温度为630±10℃，保温时间为120～200min。
(9)二淬后及回火后钢板吊运采取真空吸盘吊装，并进行单独隔离堆放。
(10)回火后钢板进行横向拉伸、横向冲击试验、测定剩磁及钢板表面质量。
实施例1-4的元素组分、工艺参数见表1～表3。各实施例生产出的产品检测性能见表4。
图1给出了实施例4的试验钢钢板低倍，连铸带来的中心偏析得到了明显改善。图2、3给出了实施例1、4试验钢厚度1/4处的微观组织照片。成品钢板的微观组织为回火索氏体组织。
本发明采用高温控轧和离线淬火+回火工艺，从化学成分设计、工艺控制、母材组织、中心偏析、淬回火温度及时间等角度进行控制，在实现5Ni钢板高强度的同时，保证钢板具有良好的延伸率、-130℃低温冲击韧性、优异表面质量以及低剩磁。
表1实施例超强钢板的化学成分(wt％)
Figure BDA0002430299150000051
表2连铸工艺控制
实施例 铸坯厚度mm 过热度℃ 动态轻压下区间fs 缓冷起始温度℃ 扩氢时间hour
1 150 23 0.35-0.95 700 72
2 150 18 0.35-0.95 690 72
3 150 16 0.35-0.95 680 72
4 150 14 0.35-0.95 700 72
表3轧制工艺控制
Figure BDA0002430299150000061
表4本发明实施例横向拉伸、横向冲击性能及剩磁
Figure BDA0002430299150000062

Claims (7)

1.一种低剩磁、表面质量优异的船用5Ni钢板的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)钢水冶炼：按质量百分比计为C：0.07～0.10％，Si：0.05～0.20％，Mn：0.60～0.80％，Ni：4.90～5.25％，P：≤0.0070％，S：≤0.0020％，Alt：0.010～0.035％，V：0.010～0.015％，Nb：0.010～0.020％，Ca:0.0005～0.0030％，O：≤0.0012％，N：≤0.0040％，H：≤0.00010％，余量为Fe及不可避免的杂质元素的化学成分冶炼钢水，RH高真空脱气处理后送入LF炉精炼并破空进行Ca处理，再经过RH真空脱气；
(2)连铸：将钢水浇注成连铸坯，浇铸过热度控制在5～25℃，以中心偏析不高于C1.0级的铸坯为合格坯；
(3)板坯缓冷及修磨：铸坯下线后进行缓冷处理，缓冷开始温度不低于600℃，缓冷时间不得低于72小时；缓冷后打磨清理铸坯表面，上下表面各磨去1～2mm厚，然后在表面涂涂料隔绝空气防止再加热时氧化；
(4)再加热：加热至1170～1220℃，并控制600～900℃加热时间≥0.32min/mm，待铸坯心部温度到达铸坯表面温度时开始保温计时，保温时间不低于0.5小时；
(5)热轧：钢坯出炉后经高压水除鳞处理，进行粗轧+精轧两阶段控制轧制：粗轧开轧温度介于1080～1150℃，粗轧后三道道次压下率≥15％，待温厚度≥1.8H，H为成品钢板厚度；精轧采用高温轧制，开轧温度介于880～970℃，结束温度≥800℃，轧制目标厚度，轧制完成之后钢板空冷；
(6)淬火热处理工艺：第一次淬火温度880±10℃，炉温到温后保温时间为30～100min，水淬；第二次淬火温度为760±10℃，炉温到温后保温时间为30～100min，水淬；
(7)回火热处理工艺：回火温度是630±10℃，钢板1/2厚度处到温后，保温120～200min，使淬火马氏体中的碳充分扩散，获得回火索氏体的微观结构，钢板成品表面质量达到SA 2.0，钢板角部平均剩磁≤15Guass；
按照EN 10160标准进行超声波探伤：板体区域达到Class S3要求，边缘区域达到ClassE4要求；
钢板屈服强度≥520MPa，抗拉强度介于620～645MPa，屈强比≤0.82，延伸率≥26％，-130℃下冲击韧性≥200J的钢板；钢板的组织主要为均匀的回火索氏体组织。
2.根据权利要求1所述的低剩磁、表面质量优异的船用5Ni钢板的制造方法，其特征在于：适用于制造6～50mm厚的5Ni钢板。
3.根据权利要求1所述的低剩磁、表面质量优异的船用5Ni钢板的制造方法，其特征在于：步骤(1)钢水的冶炼包括转炉冶炼、RH精炼、LF精炼。
4.根据权利要求1所述的低剩磁、表面质量优异的船用5Ni钢板的制造方法，其特征在于：步骤(2)钢水浇注时全程氩气保护、动态轻压下控制。
5.根据权利要求1所述的低剩磁、表面质量优异的船用5Ni钢板的制造方法，其特征在于：步骤(3)铸坯缓冷时要求堆垛入坑或加罩。
6.根据权利要求1所述的低剩磁、表面质量优异的船用5Ni钢板的制造方法，其特征在于：步骤(4)采用步进式加热炉加热铸坯，平均速率10～14cm/min。
7.根据权利要求1所述的低剩磁、表面质量优异的船用5Ni钢板的制造方法，其特征在于：钢板回火热处理后采用真空吸盘吊装，单独堆放。
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