CN112281074A - 一种低密度lng储罐用高锰中厚板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低密度LNG储罐用高锰中厚板及其制备方法，所述LNG储罐用高锰中厚板化学成分按重量百分比为：C：0.30～0.68％，Si：0.15～0.54％，Mn：17.00～24.50％，Al：1.98～8.03％，P：≤0.020％，S：≤0.0060％，余量为Fe和不可避免的杂质。制备方法：1)冶炼和铸造；2)铸锭均质化处理；3)钢坯的控制轧制；4)钢板的快速冷却，得到低密度LNG储罐用高锰中厚板。本发明中的LNG储罐用高锰中厚板相对于常规的LNG储罐用高锰钢可减重约3.00％～11.54％，可有效降低LNG储运设备自重，采用Al合金化代替Cr、Cu等贵重金属，合金成本也进一步降低。另外，本发明的低密度LNG储罐用高锰中厚板同样具有高的强度和优异的超低温韧性，可满足LNG储运设施的建造要求。

Description

一种低密度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，具体涉及一种低密度LNG储罐用高锰中厚板及其制备方法。
背景技术
受国际碳价格上涨和“更低碳排放”需求的影响，世界能源结构逐步从煤炭转向天然气和电力。据国际能源署(IEA)在其《2019年世界能源展望》的“既定政策设想”中表示，到2040年，世界天然气使用量将平均每年增长1.7％，它在一次能源中的比例会超过煤炭并向石油接近。特别是液化天然气(LNG)贸易增长超过一倍，从2017年的4000亿m3增加到2040年的9000亿m3。由于LNG的储运需要首先在低温高压的条件下将天然气转为-196℃的液体，普通的结构钢在-196℃温度下韧性将急剧恶化，因此这就需要大量的LNG储罐用钢。传统的LNG储罐用钢通常采用9Ni钢、奥氏体钢不锈钢或殷瓦钢，然而这些材料普遍存在造价高昂、生产工艺复杂和焊接困难等问题，因此开发新型低成本高性能LNG储罐用钢成为发展的必然趋势。在这些新发展的低温材料中，高锰奥氏体钢由于其低廉的价格和良好的综合力学性能而备受关注。
随着天然气能源的不断普及和推广，车用小型LNG储罐和小型船用储罐的使用量也将大幅度增长。LNG流动储运设施的轻量化对提高LNG储罐运输车、运输船的载运量、推动节能减排具有重要意义。研究显示，若汽车整车重量降低1％，油耗可降低0.7％。车辆每减重100公斤，二氧化碳排放可减少约5克/公里；同时，车辆控制稳定性、噪音、振动方面也均有改善，安全性也得到很大的提高。纵观现有的LNG储罐用高锰钢都具有较大的密度，不利于储运设备的自身减重，加重了不必要的能源消耗。因此，开发一种低密度LNG储罐用高锰钢不仅能降低了LNG的储运成本，而且也能减少LNG运输过程对环境的破坏，具有很好的应用前景。
发明内容
针对现有LNG储罐用钢密度较大的不足，本发明提供了一种低密度LNG储罐用高锰中厚板及其制备方法。本发明中的LNG储罐高锰钢采用Fe-Mn-C-Al-Si系的成分设计，通过Al元素的添加调节层错能，有效降低了钢材的密度的同时，也能提高超低温冲击韧性。结合控制冷却与控制轧制工艺得到晶粒适度细化的再结晶的组织，使得钢材获得良好的强度和超低温韧性的综合性能。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种低密度LNG储罐用高锰中厚板，其化学成分按重量百分比为：C：0.30～0.68％，Si：0.15～0.54％，Mn：17.00～24.50％，Al：1.98～8.03％，P：≤0.020％，S：≤0.0060％，余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步地，所述LNG储罐用高锰中厚板在-196℃下超低温夏比冲击试验冲击吸收功为57.4～171.5J，屈服强度(Rel)为352.5～585.0MPa，抗拉强度(Rm)为730.3～898.7MPa，断后延伸率(TEL)为33.1～68.6％。
进一步地，所述LNG储罐用高锰中厚板钢材的密度为7.04～7.72g/cm3，相对于常规的LNG储罐用高锰钢可减重约3.00％～11.54％，以一块10吨重的钢材为例，钢材的减重最高可到达到约1.15吨。
基于上述成分设计，本发明还提供了一种低密度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：
按照低密度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1100～1200℃，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1026～1120℃，终轧温度为930～1050℃，总压下率为60～84％，得到热轧钢材；
步骤4，冷却：
将热轧钢材于19～40℃/s冷速冷却至室温，得到低密度LNG储罐用高锰中厚板。
其中，所述步骤1中，采用真空感应炉进行冶炼，冶炼温度为1650℃。
其中，所述步骤1中，铸锭的厚度为30～135mm。
其中，所述步骤3中，热轧钢材的厚度为12～25mm。
其中，所述步骤4中，开冷温度为918～980℃。
本发明所述低密度LNG储罐用高锰中厚板，其成分设计原理为：采用Fe-Mn-C-Al-Si的成分设计，通过Al元素的添加调节层错能，Al含量过低会导致层错能降低，形变过程中容易产生马氏相，恶化低温韧性，同时Al含量过低也不利于降低钢材的密度；而Al含量过高，组织中又会产生δ-铁素体相，过多的δ-铁素体相也严重损害低温韧性，因此将Al含量定为1.98～8.03％；C元素可以起到稳定奥氏体，提高钢材强度的作用，为得到足够的强度，将碳含量定为0.30～0.68％；Mn元素能扩大奥氏体相区，是在室温下就能得到单相奥氏体组织的根本原因。通过控制Mn含量，还能控制层错能的大小，保证高锰钢在形变中不发生马氏体相变，促进TWIP(孪生诱导塑性)效应。因此，本发明的Mn含量控制在17.00～24.50％之间，太高会恶化低温韧性。添加Si元素可以起到固溶强化的作用，同时Si可以降低层错能，抑制交滑移而促进平面滑移，增加层错数量，促进孪生变形，但是过量的Si也会使钢材脆化，本发明将Si含量定为0.15～0.54％。本发明制备的钢材在具有良好的强度和超低温韧性的综合性能的同时，相对于一般的LNG储罐用高锰钢其密度也得到了有效的降低。。
本发明提供了一种低密度LNG储罐用高锰中厚板及其制备方法，与现有技术相比，有益效果是：
1.采用Fe-Mn-C-Al-Si的成分设计，得到了优异的屈服强度和超低温冲击韧性。不仅在综合力学性能上高于已报道的高锰LNG储罐用钢，避免了贵重的合金元素，如Ni、Cr、Cu的添加，有效降低了合金生产成本。
2.通过Al的合金化处理，有效地降低了钢材的密度，减轻了钢材的自重。良好的综合性能及低密度特性使得本发明的高锰钢在LNG储运方面具有巨大的潜力，尤其是在LNG储罐运输车和运输船的运用方面具有良好的前景。
3.采用高温再结晶区控制轧制，有效降低了设备的负荷，对设备的要求小，可满足绝大部分钢厂的生产条件。
附图说明
图1是本发明对比例制备的LNG储罐用高锰中厚板的光学显微组织图；
图2是本发明实施例1制备的LNG储罐用高锰中厚板的光学显微组织图；
图3是本发明实施例2制备的LNG储罐用高锰中厚板的光学显微组织图；
图4是本发明实施例3制备的LNG储罐用高锰中厚板的光学显微组织图；
图5是本发明实施例4制备的LNG储罐用高锰中厚板的光学显微组织图；
图6是本发明实施例5制备的LNG储罐用高锰中厚板的光学显微组织图；
图7是本发明实施例6制备的LNG储罐用高锰中厚板的光学显微组织图；
图8是本发明实施例7制备的LNG储罐用高锰中厚板的光学显微组织图。
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。
对比例
对比例的LNG储罐用高锰中厚板，其化学成分按重量百分比为：C：0.44％，Si：0.19％，Mn：23.90％，Cr：4.10％，Cu：0.44％，P：≤0.003％，S：≤0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质。
对比例的LNG储罐用高锰中厚板的制备方法，步骤如下：
步骤1，铸造：
按照上述的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70mm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1所示，得到热轧钢材，热轧钢材的厚度为12mm；
步骤4，冷却：
将热轧钢材水冷室温，开冷温度、冷却速度、终冷温度如表1所示，得到LNG储罐用高锰中厚板，经检测其力学性能参数如表2所示。
表1控制轧制工艺参数
对比例 开轧温度，℃ 终轧温度，℃ 总压下率，％ 开冷温度，℃ 终冷温度，℃ 冷却速度，℃/s
1054 981 78 939 室温 29
表2对比例实验钢的力学性能
对比例 YS，MPa TS，MPa TEL，％ -196℃冲击吸收功，J
347.9 855.8 63.8 152.4
实施例1～7
实施例的低密度LNG储罐用高锰中厚板，其化学成分按重量百分比为：C：0.30～0.68％，Si：0.15～0.54％，Mn：17.00～24.50％，Al：1.98～8.03％，P：≤0.020％，S：≤0.0060％，余量为Fe和不可避免的杂质。各实施例的具体的化学成分如表3所示。
实施例的低密度LNG储罐用高锰中厚板的制备方法，各实施例的工艺参数如表4、5所示，具体步骤如下：
步骤1，铸造：
按照上述的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30～135mm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4所示，得到热轧钢材，热轧钢材的厚度如表5所示；
步骤4，冷却：
将热轧钢材水冷室温，开冷温度、冷却速度、终冷温度如表4所示，得到LNG储罐用高锰中厚板，经检测其力学性能参数如表6所示。
表3化学成分按重量百分比(％)
Figure BDA0002749225590000051
表4热轧板热加工工艺(％)
实施例 开轧温度，℃ 终轧温度，℃ 总压下率，％ 开冷温度，℃ 终冷温度，℃ 冷却速度，℃/s
1 1043 955 67 930 室温 31
2 1087 930 79 938 室温 36
3 1120 1010 71 980 室温 24
4 1070 980 60 960 室温 28
5 1026 975 84 956 室温 40
6 1068 970 73 953 室温 34
7 1082 960 81 938 室温 19
表5热轧钢材成品厚度
实施例 1 2 3 4 5 6 7
热轧钢材厚度，mm 12 15 20 12 12 15 25
表6高锰中厚板的力学性能
实施例 YS，MPa TS，MPa TEL，％ -196℃冲击吸收功，J
1 352.5 730.3 67.5 168.2
2 375.8 775.7 68.6 171.5
3 390.5 781.4 66.2 163.0
4 392.2 793.5 66.1 129.3
5 471.3 823.7 46.5 137.7
6 463.1 800.6 47.7 155.4
7 585.0 898.7 33.1 57.4
图1～8分别为对比例和实施例1～7制备的LNG储罐用高锰中厚板的光学显微组织图，图2～7显示实施例1～6组织由单相的等轴的奥氏体晶粒组成，说明热轧组织发生了较完全的再结晶；图8显示实施例7的组织由大部分的等轴奥氏体晶粒和少量的δ-铁素体相组成的双相组织。
密度的测量
将对比例及实施例1～7中热轧后的钢材加工成
Figure BDA0002749225590000062
的圆柱样，样品数量为3。试样重量采用电子天平进行称重。试样的体积采用排水法测量，使用5ml规格的量筒。各例中钢材的密度测量结果如表7所示。相对于对比例中FeMnCrCu系实验钢密度的相对变化和1wt％Al元素的添加对钢材密度的影响规律也列于表7中。
表7高锰中厚板的密度
Figure BDA0002749225590000061
Figure BDA0002749225590000071
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 (4)

1.一种低密度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：0.30～0.68％，Si：0.15～0.54％，Mn：17.00～24.50％，Al：1.98～8.03％，P：≤0.020％，S：≤0.0060％，余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的一种低密度的LNG储罐用高锰中厚板，其特征在于，所述LNG储罐用高锰中厚板钢材的密度为7.04～7.72g/cm3，较常规的LNG储罐用高锰钢可减重约3.00％～11.54％。
3.根据权利要求1所述的一种低密度LNG储罐用高锰中厚板，其特征在于，所述LNG储罐用高锰中厚板在-196℃下超低温夏比冲击试验冲击吸收功为57.4～171.5J，屈服强度为352.5～585.0MPa，抗拉强度为730.3～898.7MPa，断后延伸率为33.1～68.6％。
4.一种基于权利要求1～3其中任意一项所述的低密度LNG储罐用高锰中厚板的制备方法，包括冶炼、加热、轧制、冷却四个步骤，其特征在于，轧制步骤中采用再结晶区控制轧制，开轧温度为1026～1120℃，终轧温度为930～1050℃，总压下率为60～84％。
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