CN112941405B - 一种高韧性耐热船用球扁钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高韧性耐热船用球扁钢及其制备方法，所述制备方法为：在转炉或电炉中装入CaO、40％高炉铁水、废钢、MnFe、SiFe、NiFe、NbFe、TiFe合金料以及辅料进行熔化，然后加FeO进行脱P，取样分析合金元素含量并进行目标值调整，采用钢包炉LF进行脱S处理，接着采用真空脱气，最后连铸成铸坯；然后经过轧制和热处理得到球扁钢成品。本发明制备的球扁钢室温屈服强度≥610MPa，+700℃屈服强度≥470MPa，‑120℃冲击吸收功≥90J，用于建造低温能源船舶液化天然气、乙烯等储罐的加强筋、船体骨架等结构件，安全性更好。

Description

一种高韧性耐热船用球扁钢及其制备方法
技术领域
本发明属于高强度结构钢制造领域，具体涉及一种高韧性耐热船用球扁钢及其制备方法。
背景技术
LNG、LPG等运输船舶的服役安全要求越来越严，技术含量越来越高，设计选用船体结构钢材时既要考虑钢材的力学性能、质量，还要考虑钢材的抗高低温性能，在高低温环境仍具备一定的强度，在出现危机时刻为救援争取时间，化险为夷。
现有的船体结构球扁钢多采用普通钢材A、D、E、AH32、AH36、DH36、EH36等质量等级的钢种建造，这些钢种能保证-40℃冲击功≥41J，但是随着环境温度的升高，强度急剧降低，失去支撑能力，同时难于满足-120℃服役环境要求，不能用于建造超低温液化天然气、乙烯储罐的加强筋等结构件，现有的球扁钢高温强度低，遇到火灾等高温险情不能够支撑有效载荷，不能延缓足够的时间消除险情，因此，需要提供一种高强度既有优良的超低温韧性又具有耐高温性能的球扁钢，为航行于恶劣环境的远洋船舶提供足够的安全。
发明内容
发明目的：本发明目的是提供一种高韧性耐热船用球扁钢及其制备方法，解决了现有的球扁钢随着环境温度的升高，强度急剧降低，同时难于满足-120℃服役环境要求，不能延缓足够的时间消除险情的问题。本发明制备的球扁钢室温屈服强度≥610MPa，+700℃屈服强度≥470MPa，-120℃冲击吸收功≥90J，用于建造低温能源船舶液化天然气、乙烯等储罐的加强筋、船体骨架等结构件，安全性更好。
技术方案：本发明一种高韧性耐热船用球扁钢，所述钢各成分及其质量百分比含量为：C:0.02～0.059％，Si:0.51～0.82％，Mn:0.1～0.29％，P≤0.006％，S≤0.002％，Ni：4.21～4.62％，Nb：0.25～0.45％，Ti:0.28～0.36％，余量为Fe和不可避免的杂质。
进一步，所述Si的质量百分比含量为0.51～0.61％。
进一步，所述Nb的质量百分比含量为0.26～0.36％。
进一步，所述Ti的质量百分比含量为0.29～0.34％。
本发明还包括一种高韧性耐热船用球扁钢的制备方法，包括以下步骤：
1)转炉或电炉冶炼：
在转炉或电炉中装入CaO、40％高炉铁水、废钢、MnFe、SiFe、NiFe、NbFe、TiFe合金料以及辅料进行熔化，然后加FeO进行脱P，取样分析合金元素含量并进行目标值调整，采用钢包炉LF进行脱S处理，接着采用真空脱气，最后连铸成铸坯；
2)轧制：
将铸坯加热温度为1240～1300℃，保温时间≥4.0h，铸坯出炉后立即轧制，开轧温度≥1080℃，终轧温度≤900℃，轧后空冷；
3)热处理：
正火：将轧制的球扁钢加热至935～955℃温度范围，保温106～120min，出炉空冷至室温；
回火：经正火的球扁钢加热至660～680℃温度范围，保温125～140min，出炉空冷至室温，得到球扁钢成品。
进一步，所述铸坯为(150～220)mm×(320mm～480)mm的矩形坯。
进一步，所述球扁钢成品的室温屈服强度≥610MPa，+700℃屈服强度≥470MPa，-120℃冲击吸收功≥90J。
本发明控制的合金元素原理说明如下：
C(碳)：低合金结构钢中的C强烈提高钢的屈服强度和抗拉强度，降低钢的低温韧性，故本发明申请钢中C含量控制在减低范围，而如果C含量过低，钢的屈服强度难于达到610MPa，故将合金元素C成分范围设定在0.02～0.059％。
Si(硅)：Si在结构钢中属非碳化物形成元素，可以抑制钢中原子扩散，阻碍析出相长大粗化，可有效提高高温屈服强度，若Si含量添加过量，提高强度的同时降低低温韧性，故将合金元素C成分范围设定在0.51～0.82％。
Mn(锰):结构钢中添加适量的合金元素Mn可降低相变温度，稳定奥氏体相，抑制亚共析钢高温再结晶铁素体形成，细化晶粒，提高综合力学性能，若添加过多的Mn则易形成MnS，恶化低温韧性，故将合金元素Mn成分范围设定在0.1～0.29％。
P(磷)、S(硫)：对于要求良好低温韧性的结构钢而言，P、S为有害元素，故将P、S控制在较低含量范围：P≤0.006％、S≤0.002％。
Ni(镍)：添加合金元素Ni可有效稳定奥氏体组织，抑制原子扩散，使得相变在较低温度发生，遏制了相变产物再结晶粗化，可以获得非常细小的相变组织，具有优良的低温冲击韧性-120冲击功≥90J，Ni属贵金属，过多加入导致成本增加，故将合金元素Ni成分范围设定在4.21～4.62％。
Nb(铌)：结构钢中添加适量的合金元素Nb，有效地提高了钢的再结晶温度，使得在较高温度轧制或热处理而不会导致奥氏体晶粒粗化，获得细化的原始晶粒和良好的低温韧性，另一方面，Nb可与钢中C、N反应生成弥散析出相Nb(CN)，阻碍热过程晶界迁移，细化晶粒，故将合金元素Nb成分范围设定在0.25～0.45％％。
Ti(钛):添加到结构钢中的合金运输Ti，可与钢中残余元素O、C、N等反应生成弥散、细小析出相Ti2O5、TiC、Ti(CN)等，高温下很稳定，可抑制晶界迁移而发生显著再结晶，维持结构钢在高温环境仍具有足够的强度支撑载荷，故将合金元素Ti成分范围设定在0.28～0.36％。
本发明有益效果在于：本发明的球扁钢，可用于建造LNG、LPG低温船舶储罐加强筋、航行于极寒海域龙骨等结构件，不会发生脆裂，保障船舶、低温储罐具有足够的安全性；同时具有良好的高温强度，在火灾等高温险情时，结构件仍具有足够的强度支撑载荷，赢得宝贵时间排除险情。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述：
实施例1
本实施例的球扁钢，所述钢各成分及其质量百分比含量为：C:0.028％，Si:0.63％，Mn:0.16％，P：0.005％，S：0.001％，Ni：4.21％，Nb：0.25％，Ti:0.34％，余量为Fe和不可避免的杂质；
球扁钢的制备方法，包括以下步骤：
1)转炉或电炉冶炼：
在转炉或电炉中装入CaO、40％高炉铁水、废钢、MnFe、SiFe、NiFe、NbFe、TiFe合金料以及辅料进行熔化，然后加FeO进行脱P，取样分析合金元素含量并进行目标值调整，采用钢包炉LF进行脱S处理，接着采用真空脱气，最后连铸成150mm×320mm的铸坯；
2)轧制：
将铸坯加热温度为1277℃，保温时间4.0h，铸坯出炉后立即轧制，开轧温度1200℃，终轧温度879℃，轧后空冷；
3)热处理：
正火：将轧制的球扁钢加热至935℃温度范围，保温110min，出炉空冷至室温；
回火：经正火的球扁钢加热至674℃温度范围，保温128min，出炉空冷至室温，得到球扁钢成品。
实施例2
本实施例的球扁钢，所述钢各成分及其质量百分比含量为：C:0.039％，Si:0.82％，Mn:0.22％，P：0.004％，S：0.002％，Ni：4.62％，Nb：0.34％，Ti:0.28％，余量为Fe和不可避免的杂质；
球扁钢的制备方法，包括以下步骤：
1)转炉或电炉冶炼：
在转炉或电炉中装入CaO、40％高炉铁水、废钢、MnFe、SiFe、NiFe、NbFe、TiFe合金料以及辅料进行熔化，然后加FeO进行脱P，取样分析合金元素含量并进行目标值调整，采用钢包炉LF进行脱S处理，接着采用真空脱气，最后连铸成220mm×480mm的铸坯；
2)轧制：
将铸坯加热温度为1240℃，保温时间3.6h，铸坯出炉后立即轧制，开轧温度1100℃，终轧温度890℃，轧后空冷；
3)热处理：
正火：将轧制的球扁钢加热至943℃温度范围，保温106min，出炉空冷至室温；
回火：经正火的球扁钢加热至660℃温度范围，保温125min，出炉空冷至室温，得到球扁钢成品。
实施例3
本实施例的球扁钢，所述钢各成分及其质量百分比含量为：C:0.02％，Si:0.67％，Mn:0.25％，P：0.006％，S：0.0007％，Ni：4.33％，Nb：0.45％，Ti:0.32％，余量为Fe和不可避免的杂质；
球扁钢的制备方法，包括以下步骤：
1)转炉或电炉冶炼：
在转炉或电炉中装入CaO、40％高炉铁水、废钢、MnFe、SiFe、NiFe、NbFe、TiFe合金料以及辅料进行熔化，然后加FeO进行脱P，取样分析合金元素含量并进行目标值调整，采用钢包炉LF进行脱S处理，接着采用真空脱气，最后连铸成200mm×350mm的铸坯；
2)轧制：
将铸坯加热温度为1286℃，保温时间3.5h，铸坯出炉后立即轧制，开轧温度1150℃，终轧温度880℃，轧后空冷；
3)热处理：
正火：将轧制的球扁钢加热至948℃温度范围，保温112min，出炉空冷至室温；
回火：经正火的球扁钢加热至680℃温度范围，保温134min，出炉空冷至室温，得到球扁钢成品。
实施例4
本实施例的球扁钢，所述钢各成分及其质量百分比含量为：C:0.047％，Si:0.51％，Mn:0.1％，P：0.003％，S：0.0009％，Ni：4.45％，Nb：0.40％，Ti:0.36％，余量为Fe和不可避免的杂质；
球扁钢的制备方法，包括以下步骤：
1)转炉或电炉冶炼：
在转炉或电炉中装入CaO、40％高炉铁水、废钢、MnFe、SiFe、NiFe、NbFe、TiFe合金料以及辅料进行熔化，然后加FeO进行脱P，取样分析合金元素含量并进行目标值调整，采用钢包炉LF进行脱S处理，接着采用真空脱气，最后连铸成200mm×400mm的铸坯；
2)轧制：
将铸坯加热温度为1260℃，保温时间3.8h，铸坯出炉后立即轧制，开轧温度1180℃，终轧温度900℃，轧后空冷；
3)热处理：
正火：将轧制的球扁钢加热至939℃温度范围，保温115min，出炉空冷至室温；
回火：经正火的球扁钢加热至677℃温度范围，保温138min，出炉空冷至室温，得到球扁钢成品。
实施例5
本实施例的球扁钢，所述钢各成分及其质量百分比含量为：C:0.059％，Si:0.74％，Mn:0.29％，P：0.002％，S：0.0008％，Ni：4.56％，Nb：0.29％，Ti:0.30％，余量为Fe和不可避免的杂质；
球扁钢的制备方法，包括以下步骤：
1)转炉或电炉冶炼：
在转炉或电炉中装入CaO、40％高炉铁水、废钢、MnFe、SiFe、NiFe、NbFe、TiFe合金料以及辅料进行熔化，然后加FeO进行脱P，取样分析合金元素含量并进行目标值调整，采用钢包炉LF进行脱S处理，接着采用真空脱气，最后连铸成200mm×450mm的铸坯；
2)轧制：
将铸坯加热温度为1300℃，保温时间3.6h，铸坯出炉后立即轧制，开轧温度1160℃，终轧温度886℃，轧后空冷；
3)热处理：
正火：将轧制的球扁钢加热至955℃温度范围，保温118min，出炉空冷至室温；
回火：经正火的球扁钢加热至669℃温度范围，保温134min，出炉空冷至室温，得到球扁钢成品。
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，为验证各化学组分和质量百分比含量以及轧制过程中的铸坯加热温度、精轧终轧温度、热处理参数对性能参数的影响，制备了三个对比实施例，即对比实施例1、对比实施例2和对比实施例3，即冶炼并轧制了8批钢材。其中，对比实施例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，对比实施例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，对比实施例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实施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；生产过程控制参数与球扁钢性能质量情况见表2。
表1本发明实施例及对比实施例的化学成分对比(wt％)
Figure BDA0002915826230000061
表2本发明实施例及对比实施例生产过程控制对钢材性能情况表
Figure BDA0002915826230000071
从表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参数所生产的球扁钢室温屈服强度均高于610MPa，+700℃屈服强度均高于470MPa，而对比实施例1、对比实施例2和对比实施例3的钢材成分范围或/和生产工艺不在本发明范围内所生产的对比钢材屈服强度低于591MPa，+700℃屈服强度均低于198MPa。其中，本发明实施例5所制备的球扁钢的室温屈服强度为659MPa，+700℃屈服强度为508MPa，-120℃冲击功达到138J，综合力学性能优良，制造超低温结构件可有效避免脆裂，并具有优良的高温屈服强度，在+700℃环境仍具有足够支撑载荷的能力，为最佳实施例。

Claims (6)

1.一种高韧性耐热船用球扁钢，其特征在于，所述钢各成分及其质量百分比含量为：C：0.02～0.059％，Si：0.51～0.82％，Mn：0.1～0.29％，P≤0.006％，S≤0.002％，Ni：4.21～4.62％，Nb：0.25～0.45％，Ti：0.28～0.36％，余量为Fe和不可避免的杂质，所述球扁钢成品的室温屈服强度≥610MPa，+700℃屈服强度≥470MPa，-120℃冲击吸收功≥90J。
2.根据权利要求1所述的一种高韧性耐热船用球扁钢，其特征在于：所述Si的质量百分比含量为0.51～0.61％。
3.根据权利要求1所述的一种高韧性耐热船用球扁钢，其特征在于：所述Nb的质量百分比含量为0.26～0.36％。
4.根据权利要求1所述的一种高韧性耐热船用球扁钢，其特征在于：所述Ti的质量百分比含量为0.29～0.34％。
5.根据权利要求1所述的一种高韧性耐热船用球扁钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)转炉或电炉冶炼：
在转炉或电炉中装入CaO、40％高炉铁水、废钢、MnFe、SiFe、NiFe、NbFe、TiFe合金料以及辅料进行熔化，然后加FeO进行脱P，取样分析合金元素含量并进行目标值调整，采用钢包炉LF进行脱S处理，接着采用真空脱气，最后连铸成铸坯；
2)轧制：
将铸坯加热温度为1240～1300℃，保温时间≥4.0h，铸坯出炉后立即轧制，开轧温度≥1080℃，终轧温度≤900℃，轧后空冷；
3)热处理：
正火：将轧制的球扁钢加热至935～955℃温度范围，保温106～120min，出炉空冷至室温；
回火：经正火的球扁钢加热至660～680℃温度范围，保温125～140min，出炉空冷至室温，得到球扁钢成品。
6.根据权利要求5所述的一种高韧性耐热船用球扁钢的制备方法，其特征在于：所述铸坯为(150～220)mm×(320mm～480)mm的矩形坯。
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