CN112281066A - 一种高屈服强度lng储罐用高锰中厚板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高屈服强度LNG储罐用高锰中厚板及其制备方法，所述高锰中厚板化学组成为：C：0.56～0.79％，Si：0.18～0.56％，Mn：18.30～25.50％，P：≤0.020％，S：≤0.0060％，V：0～0.60％，Al：1.50～5.10％，余量为Fe和不可避免的杂质。通过铸造、均质化处理、再结晶区轧制和后续的快速冷却步骤获得再结晶的单相奥氏体组织，可实现奥氏体钢屈服强度462～636MPa、‑196℃冲击吸收功119.3～163.0J的优异性能。本发明利用晶界强化、沉淀强化和固溶强化等多种强化手段大幅度提高了屈服强度，避免了单独采用细晶强化和位错强化导致的‑196℃超低温冲击韧性的降低，同时该方法工艺流程简便，生产成本较9Ni钢大大降低。

Description

一种高屈服强度LNG储罐用高锰中厚板及其制备方法
技术领域
本发明属于钢铁材料技术领域，具体涉及一种高屈服强度LNG储罐用高锰中厚板及其制备方法。
背景技术
天然气作为一种高效、安全的清洁能源，推动着现代社会的高速发展，而我国的天然气能源的消费占比却远远落后于世界发达国家的水平。近年来，我国逐步加大了对天然气能源的开发，至2020年LNG储罐用钢需求总量达到60万吨，急需新型钢材以降低成本、提高储罐质量。在新型超低温材料的开发中，高锰奥氏体钢由于其价格、低热膨胀系数和低周疲劳性能的显著优势而备受关注。高锰奥氏体钢采用锰和碳稳定奥氏体相，在室温条件下获得单相奥氏体组织，而奥氏体钢一般不存在韧脆转变现象，因此高锰奥氏体钢具备超低温(-196℃)应用的先天优势。但是，高锰奥氏体钢由于其面心立方晶体结构的特征，导致其屈服强度相对较低(通常在200～400MPa之间)，使其在工程应用方面具有一定的局限性，亟待解决LNG储罐用热轧高锰奥氏体钢屈服强度低这一问题。
长期以来，人们寄希望通过固溶强化、沉淀强化和细晶强化等方式来提高高锰奥氏体钢的屈服强度。但是，对于面心立方晶体结构的高锰奥氏体钢而言，其八面体间隙相对于体心立方结构要大得多，这就使得高锰奥氏体钢的固溶强化效果相对体心立方结构钢要弱。同时，也是因为这一原因使得奥氏体钢中析出第二相相对困难，造成了沉淀强化效果较弱。在体心立方晶体的钢材中，细晶强化被认为是一种同时可以提高强度和韧性的方法，而对于单相的奥氏体钢而言，这条规则并不适用。一方面，细晶强化虽然可以有效地提高高锰钢的屈服强度，但是只有将晶粒细化至5μm以下时才能将高锰奥氏体钢的屈服强度提升至约400MPa，而通过常规热轧手段只能将晶粒细化至10μm左右；另一方面晶粒过度细化会抑制孪生的激活，反而会造成高锰奥氏体钢-196℃超低温韧性的下降。因此，细化晶粒不能达到同时提高高锰钢的屈服强度和超低温韧性的目的。
发明内容
本发明的技术任务是针对以上现有技术的不足，提供了一种高屈服强度LNG储罐用高锰中厚板及其制备方法，通过调整高锰中厚板成分设计实现高屈服强度LNG储罐用高锰中厚板的制备，同时在制备方法中结合细晶强化、沉淀强化和位错强化的方式进一步提高LNG储罐用高锰中厚板屈服强度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高屈服强度LNG储罐用高锰中厚板，其化学成分按重量百分比为：C：0.56～0.79％，Si：0.18～0.56％，Mn：18.30～25.50％，P：≤0.020％，S：≤0.0060％，V：0～0.60％，Al：1.50～5.10％，余量为Fe和不可避免的杂质。
基于上述成分设计的LNG储罐用高锰中厚板，厚度为12～25mm，组织特征为再结晶单相奥氏体组织，屈服强度为462～636MPa，抗拉强度为800～1041MPa，断后延伸率为46.5～62.1％，屈强比为0.52～0.61，-196℃冲击吸收功为119.3～163.0J。
基于上述成分设计的高屈服强度LNG储罐用高锰中厚板的制备方法，具体步骤如下：
步骤1，铸造：
按照高屈服强度LNG储罐用高锰中厚板的成分配比进行冶炼，将获得的钢水浇注到铁模中，得到铸锭；
步骤2，加热：
将铸锭重新加热至950～1200℃，并保温2～3h进行均质化处理；
步骤3，轧制：
加热后的铸锭进行再结晶区控制轧制，开轧温度为1026～1074℃，终轧温度为930～995℃，总压下率为63～85％，得到热轧钢材；
步骤4，冷却：
将热轧钢材于19～34℃/s水冷或空冷至室温，得到高屈服强度LNG储罐用高锰中厚板。
进一步地，所述步骤1中，采用真空感应炉进行冶炼，冶炼温度为1650℃。
进一步地，所述步骤1中，铸锭的厚度为40～94mm。
进一步地，所述步骤3中，热轧钢材的厚度为12～25mm。
进一步地，所述步骤4中，开冷温度为925～982℃。
在奥氏体钢中适当提高碳元素的含量可以较大程度地提高钢材的强度，一方面较高的碳含量可以有效提高固溶强化的效果，另一方面，较高的碳含量可以促进其与微合金元素结合形成第二相粒子析出，起到提高沉淀强化的作用。同时，C、Al等元素可以提高钢材的层错能(SFE)，稳定奥氏体。Mn元素能扩大奥氏体相区，同时控制层错能的大小，保证高锰钢在形变中不发生马氏体相变。Si元素可以小层错能，抑制交滑移而促进平面滑移，增加层错数量，促进孪生变形，还能起到固溶强化的作用。V元素可以与C元素结合析出第二相，起到析出强化的作用。通过合金的SFE设计，使-196℃超低温下钢材的SFE位于20～35mJ/m2的范围附近，可以充分激活形变孪晶，发挥孪生诱导塑性(TWIP)效应的优势，达到提高高锰钢超低温韧性的目的。
与现有技术相比，上述成分设计的高屈服强度LNG储罐用高锰中厚板及其制备方法具有如下有益效果：
1.采用高Al的合金成分设计，在获得优异力学性能的同时避免了Cr、Cu等贵重金属的使用，降低了合金成本；
2.在高温区进行轧制，大大降低轧制过程中的变形抗力；
3.在高温区进行轧制，获得再结晶的奥氏体组织，利用细晶强化、沉淀强化和位错强化等多种方式提高屈服强度，克服了单纯采用细晶强化或位错强化所导致的-196℃超低温冲击韧性显著下降的缺点。
附图说明
图1本发明实施例4制备的LNG储罐用高锰中厚板的显微组织图；
图2本发明实施例5制备的LNG储罐用高锰中厚板的显微组织图；
图3本发明实施例6制备的LNG储罐用高锰中厚板的显微组织图；
图4本发明实施例7制备的LNG储罐用高锰中厚板的显微组织图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下实施例中均采用真空感应炉进行熔炼，在450mm二辊可逆热轧实验轧机上进行轧制。
实施例1～7的高屈服强度LNG储罐用高锰中厚板，其化学成分按重量百分比为：C：0.56～0.79％，Si：0.18～0.56％，Mn：18.30～25.50％，P：≤0.020％，S：≤0.0060％，V：0～0.60％，Al：1.50～5.10％，余量为Fe和不可避免的杂质。
实施例1～7的高屈服强度LNG储罐用高锰中厚板的制备方法，步骤如下：
步骤1，铸造：
按照表1高屈服强度LNG储罐用高锰中厚板的成分配比，在1650℃冶炼，将获得的钢水浇注到铁模中，得到厚度为40～94mm的方形薄铸锭；
步骤2，加热：
将方形薄铸锭重新加热至1200℃，并保温2h；
步骤3，轧制：
加热后的薄铸锭进行完全再结晶区控制轧制，开轧温度为、终轧温度、总压下率如表2所示，得到热轧钢材，热轧钢材的厚度如表3所示；
步骤4，冷却：
将热轧钢材水冷后空冷，或直接空冷至室温，开冷温度、冷却速度、终冷温度如表2所示，得到高屈服强度LNG储罐用高锰中厚板。
表1化学成分按重量百分比(％)
Figure BDA0002749226180000041
表2控制轧制工艺参数
Figure BDA0002749226180000042
表3热轧钢材厚度
实施例 1 2 3 4 5 6 7
热轧钢材厚度，mm 12 12 12 20 25 12 15
实施例1～7制备的LNG储罐用高锰中厚板，经测试，其屈服强度(YS)、抗拉强度(TS)、断后延伸率(TEL)、屈强比(YR)、-196℃冲击吸收功如表4所示。实施例4、5、6、7制备的LNG储罐用高锰中厚板的显微组织分别如图1、2、3、4所示，其组织均为再结晶的单相奥氏体组织。
表4高锰中厚板的力学性能
实施例 YS，MPa TS，MPa TEL，％ YR -196℃冲击吸收功，J
1 473.2 873.2 62.1 0.53 163.0
2 493.6 886.5 58.6 0.56 148.9
3 462.1 881.4 61.7 0.52 124.5
4 503.2 883.4 53.7 0.57 122.4
5 635.6 1040.4 50.2 0.61 119.3
6 471.3 823.7 46.5 0.57 137.7
7 463.1 800.6 47.7 0.56 155.4
以上技术方案阐述了本发明的技术思路，不能以此限定本发明的保护范围，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上技术方案所作的任何改动及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (3)

1.一种高屈服强度LNG储罐用高锰中厚板，其特征在于，其化学成分按重量百分比为：C：0.56～0.79％，Si：0.18～0.56％，Mn：18.30～25.50％，P：≤0.020％，S：≤0.0060％，V：0～0.60％，Al：1.50～5.10％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种高屈服强度LNG储罐用高锰中厚板，其特征在于，所述LNG储罐用高锰中厚板屈服强度为462～636MPa，抗拉强度为800～1041MPa，断后延伸率为46.5～62.1％，屈强比为0.52～0.61，-196℃冲击吸收功为119.3～163.0J。
3.根据权利要求1或2所述的一种高屈服强度LNG储罐用高锰中厚板的制备方法，其特征在于，所述LNG储罐用高锰中厚板的制备包括铸造、加热、轧制、冷却四个步骤，其中轧制步骤采用再结晶区控制轧制，开轧温度为1026～1074℃，终轧温度为930～995℃，总压下率为63～85％。
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