CN113802071A - 一种强韧性匹配良好的lng储罐用高锰钢板生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种强韧性匹配良好的LNG储罐用高锰钢板生产方法，包括：(1)将连铸坯随炉加热至1150～1200℃，保温2～3h；(2)连铸坯经两阶段控制轧制；一阶段控制轧制的开轧温度为1050～1080℃，终轧温度为1000～1040℃；中间坯厚度为60～120mm；二阶段控制轧制的开轧温度为820～840℃，终轧温度为800～840℃；(3)将热轧钢板以16～25℃/s的冷却速率水冷至室温，返红温度≤120℃，得到成品钢板。本发明采用两阶段控制轧制，通过调整高锰钢钢板的终轧温度控制高锰钢晶界处Cr碳化物的析出量，改善了高锰钢板的强韧性能匹配，工艺简单，生产成本低。
Description
技术领域
本发明涉及高锰钢板生产技术领域，尤其涉及一种强韧性匹配良好的LNG储罐用高锰 钢板生产方法。
背景技术
随着环保意识的提高，净洁能源的需求量越来越高，天然气作为最干净的能源之一， 其开发利用也越来越受到世界各国的重视。液化天然气(Liquefied Natural Gas,简称 LNG)体积仅为气态时的1/625左右，质量与同体积水相比仅是其45％左右，便于存储和运输，且安全性能极佳。
近年来，随着LNG的需求量和供应量逐年递增，LNG储罐也成为了业内关注和研究的对象。用于LNG储罐的材料主要有铝合金、奥氏体不锈钢、9％Ni钢以及因瓦合金，这 些材料普遍强度较低且制造成本较高。在这一背景下，耐低温的高锰钢具有很高的研究价 值，它可以在极低的温度条件下保持理想的性能，组织稳定，无低温韧脆转变现象，而且 强度高于现有的LNG储罐用钢，同时可大幅降低生产成本。
韩国已研制出高锰原型钢，并在小型船用LNG储罐的建造中进行了试用。2010年11月，浦项钢铁与大宇造船海洋公司及全球五大船级社等多家单位共同开发出了LNG储罐 用高锰奥氏体钢，其母材和焊缝在室温以及低温下均表现出良好的性能；2014年浦项超 低温高锰钢完成了钢材及焊材的船级认证；2015年，浦项LNG储罐用超低温高锰钢正式 应用并量产；2017年5月，浦项超低温高锰钢被ASTM(美国材料实验协会)注册为标准 技术。
浦项开发的超低温高锰钢可承受-196℃的超低温，适合用于LNG的储存和运输，克服了镍合金钢等现有LNG储罐用钢强度较低、加工难度大、价格昂贵等缺点。通过合适的 强化机制，低成本的高锰钢在低温下可实现良好的强韧性组合。
目前，我国高锰容器钢的研发工作尚处于起步阶段，钢板的组织性能、织构控制原理 和方法尚处于摸索阶段。我国未来将新建多座LNG接收站，LNG钢的需求量预计高达60万吨。国外已经开发出新型的无镍钢替代9％Ni钢，显著提高了船用储罐质量且成本低， 但在我国尚属空白，成为LNG自主保障的潜在威胁。
我国新开发出的LNG高锰钢板存在强韧性能匹配较差、厚度规格偏薄等诸多问题。经 高终轧温度生产的高锰钢板低温冲击韧性优异，但屈服强度偏低；如降低高锰钢的终轧温 度，会在奥氏体晶界处析出Cr碳化物，严重恶化高锰钢的低温冲击韧性，经固溶处理后，高锰钢晶界处析出的Cr碳化物会重新回融至奥氏体晶粒内部，虽可显著改善其低温冲击韧性，但会严重降低其屈服强度。
东北大学刘振宇教授团队在实验室环境下成功开发出了屈服强度540～615MPa，抗拉 强度900～970MPa，断后延伸率35～52％，屈强比0.59～0.68，-196℃冲击吸收功60～103J的高锰钢中厚板，所申请的发明专利公告号为CN107177786B。而本发明则是致力于 实现屈服强度＞400MPa，抗拉强度＞800MPa，-196℃冲击吸收功＞100J的LNG储罐用高 锰钢钢板的工业化生产，并实现LNG储罐用高锰钢钢板强度和低温韧性的良好匹配。
公告号为CN108570541B的中国发明专利公开了“一种LNG储罐用高锰钢中厚板的高 温热处理方法”，高锰钢钢板热轧后需要进行固溶处理，工艺过程复杂，增加了生产成本， 延长了生产周期。此外，现阶段开发出的高锰钢钢板主要以中厚规格为主。公告号为CN108504936B的中国发明专利公开了“一种超低温韧性优异的高锰中厚板及其制备方法”，其制备的高锰钢钢板厚度为11～20mm。20mm以上厚度规格的高锰钢钢板还未见报道，随 着LNG储罐不断向大型化发展，相应地，对高锰钢钢板的厚度要求也不断提高。
发明内容
本发明提供了一种强韧性匹配良好的LNG储罐用高锰钢板生产方法，采用两阶段控制 轧制，通过调整高锰钢钢板的终轧温度控制高锰钢晶界处Cr碳化物的析出量，改善了高 锰钢板的强韧性能匹配，工艺简单，生产成本低。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种强韧性匹配良好的LNG储罐用高锰钢板生产方法，钢板的化学成分按重量百分比 计为：C 0.35％～0.55％，Si 0.10％～0.50％，Mn 22.5％～25.5％，S≤0.005％，P≤0.02％， Ni 0.20％～0.30％，Cr 2.95％～4.15％，Cu 0.30％～0.70％，余量为Fe和不可避免的杂质； 生产过程包括如下步骤：
(1)将连铸坯随炉加热至1150～1200℃，保温2～3h；
(2)连铸坯经两阶段控制轧制，得到厚度为目标厚度的热轧钢板；一阶段控制轧制单道次压下量为20～40mm，开轧温度为1050～1080℃，终轧温度为1000～1040℃；中间 坯厚度为60～120mm；二阶段控制轧制的开轧温度为820～840℃，终轧温度为800～ 840℃；
(3)将热轧钢板以16～25℃/s的冷却速率水冷至室温，返红温度≤120℃，得到成品钢板。
所述钢板的厚度为15～80mm。
所述连铸坯的厚度为145～250mm。
所述成品钢板的金相组织为等轴奥氏体。
所述成品钢板的屈服强度为409～552MPa，抗拉强度为806～915MPa，延伸率为44.05％～59.34％，-196℃冲击吸收功为102～171J。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)采用两阶段控制轧制，通过调整高锰钢钢板的终轧温度控制高锰钢晶界处Cr碳化 物的析出量，改善了高锰钢板的强韧性能匹配；
2)工艺过程简单，无需回火热处理，生产成本低；
3)易实现工业化批量生产。
附图说明
图1是本发明所述高锰钢板生产过程中钢板温度变化曲线图。
图2是本发明实施例1制得的高锰钢中厚板的金相组织照片。
图3是本发明实施例2制得的高锰钢厚板的SEM显微组织照片。
图4是本发明实施例3制得的高锰钢厚板的工程应力-应变曲线图。
具体实施方式
本发明是一种强韧性匹配良好的LNG储罐用高锰钢板生产方法，钢板的化学成分按重 量百分比计为：C 0.35％～0.55％，Si 0.10％～0.50％，Mn 22.5％～25.5％，S≤0.005％，P ≤0.02％，Ni 0.20％～0.30％，Cr 2.95％～4.15％，Cu 0.30％～0.70％，余量为Fe和不可避 免的杂质；钢板的厚度为20～60mm；生产过程包括如下步骤：
(1)将连铸坯随炉加热至1150～1200℃，保温2～3h；
(2)连铸坯经两阶段控制轧制，得到厚度为目标厚度的热轧钢板；一阶段控制轧制单道次压下量为20～40mm，开轧温度为1050～1080℃，终轧温度为1000～1040℃；中间 坯厚度为60～120mm；二阶段控制轧制的开轧温度为820～840℃，终轧温度为800～ 840℃；
(3)将热轧钢板以16～25℃/s的冷却速率水冷至室温，返红温度≤120℃，得到成品钢板。
所述钢板的厚度为15～80mm。
所述连铸坯的厚度为145～250mm。
所述成品钢板的金相组织为等轴奥氏体。
所述成品钢板的屈服强度为409～552MPa，抗拉强度为806～915MPa，延伸率为44.05％～59.34％，-196℃冲击吸收功为102～171J。
本发明采用两阶段控制轧制，在高温区轧制时，采用较大的压下量，利用再结晶细化 原奥氏体晶粒；通过控制二次控制轧制的开轧温度来调整钢板的终轧温度，终轧后的热轧 钢板水冷至室温。由于高锰钢组织中奥氏体面心立方的晶体结构特征，导致高锰钢的屈服 强度偏低，通常在200～400MPa之间，相对较低的屈服强度限制了高锰钢的工程应用。目前，采用固溶强化、细晶强化和沉淀强化等方式均可提高高锰钢的屈服强度。在面心立方晶体结构金属中，固溶原子的固溶强化效果十分有限。细晶强化可改善高锰钢的屈服强度，但即使将奥氏体晶粒细化至5～8μm时，高锰钢的屈服强度仍低于400MPa。此外， 不同于其它钢种，高锰奥氏体钢的超低温韧性随着晶粒尺寸的减小而恶化。
当终轧温度降低至850℃以下时，奥氏体晶界处开始分布有一定量的析出相，这些析 出相富含Cr和C，为Cr碳化物。晶界是一种结构缺陷，其自由能高于晶粒内部的自由能，为了降低系统总的自由能，晶界同其他缺陷(如位错、外部原子等)发生相互作用，这种 相互作用将使外部原子向晶界偏聚。晶界处的析出相可显著提高高锰钢的屈服强度，但会 恶化其韧性。当高锰钢受到冲击载荷时，裂纹沿析出相萌生并扩展，显著降低了裂纹行成 功和裂纹扩展功，从而恶化了低温冲击韧性。
本发明通过调整高锰钢中厚板的终轧温度，控制奥氏体晶界处析出相的数量和尺寸， 从而生产出强度和韧性匹配良好、厚度规格较大的高锰钢钢板，促进了高锰钢在LNG储罐 建造领域的推广应用。
以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的 操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
【实施例1】
本实施例生产厚度为20mm的LNG储罐用高锰钢中厚板，钢板的化学成分按重量百分 比计为：C 0.49％，Si 0.25％，Mn 24.5％，S 0.0025％，P 0.007％，Ni 0.30％，Cr4.15％， Cu 0.55％，余量为Fe及不可避免的杂质。
本实施例中，LNG储罐用高锰钢中厚板的制备过程如下：
将满足上述化学成分、厚度为145mm的高锰钢连铸坯料随炉加热至1150℃，保温2h，随后经两阶段控制轧制，制成20mm厚的热轧钢板；一阶段控制轧制的开轧温度为 1050℃，终轧温度为1000℃，中间坯厚度为60mm；二阶段控制轧制的开轧温度为840℃， 终轧温度为800℃，共轧制9道次，总压下率为86.21％。
将热轧钢板以25℃/s的冷却速度水冷至室温，得到成品钢板。成品钢板的显微组织 为等轴奥氏体，如图2所示。
经检测，本实施例所生产高锰钢中厚板的屈服强度为511MPa，抗拉强度为862MPa，延伸率为51.07％，-196℃冲击吸收功为113J。
【实施例2】
本实施例生产厚度为40mm的LNG储罐用高锰钢厚板，钢板的化学组成按重量百分比 为：C 0.40％，Si 0.15％，Mn 23.5％，S 0.0018％，P 0.012％，Ni 0.20％，Cr 2.95％，Cu 0.35％， 余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例中，LNG储罐用高锰钢厚板的制备过程如下：
将满足上述化学成分、厚度为190mm的连铸坯随炉加热至1180℃，保温2.5h，随后经两阶段控制轧制，制成40mm厚的热轧钢板；一阶段控制轧制的开轧温度为1080℃， 终轧温度为1040℃；中间坯厚度为90mm；二阶段控制轧制的开轧温度为840℃，终轧温 度为835℃，共轧制9道次，总压下率为78.95％。
将热轧钢板以20℃/s的冷却速度水冷至室温，得到成品钢板。成品钢板的显微组织 为等轴奥氏体，如图3所示。
经检测，本实施例所生产高锰钢厚板的屈服强度为409MPa，抗拉强度为806MPa，延伸率为58.34％，-196℃冲击吸收功为171J。
【实施例3】
本实施例生产厚度为60mm的LNG储罐用高锰钢厚板，钢板的化学成分按重量百分比 计为：C 0.45％，Si 0.20％，Mn 24.1％，S 0.0015％，P 0.011％，Ni 0.25％，Cr 3.0％，Cu 0.45％， 余量为Fe和不可避免的杂质。
本实施例中，LNG储罐用高锰钢厚板的制备过程如下：
将满足上述化学成分、厚度为250mm的连铸坯随炉加热至1200℃，保温3h，随后 经两阶段控制轧制，制成60mm厚的热轧钢板；一阶段控制轧制的开轧温度为1050℃， 终轧温度为1040℃；中间坯厚度为120mm；二阶段控制轧制的开轧温度为840℃，终轧 温度为820℃，共轧制11道次，总压下率为76.00％。
将热轧钢板以16℃/s的冷却速度水冷至室温，返红温度118℃，钢板的显微组织为等轴奥氏体。
经检测，本实施例所生产高锰钢厚板的屈服强度为451MPa，抗拉强度为842MPa，延伸率为59.34％，-196℃冲击吸收功为149J，工程应力-应变曲线如图4所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任 何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发 明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种强韧性匹配良好的LNG储罐用高锰钢板生产方法，钢板的化学成分按重量百分比计为：C 0.35％～0.55％，Si 0.10％～0.50％，Mn 22.5％～25.5％，S≤0.005％，P≤0.02％，Ni 0.20％～0.30％，Cr 2.95％～4.15％，Cu 0.30％～0.70％，余量为Fe和不可避免的杂质；其特征在于，生产过程包括如下步骤：
(1)将连铸坯随炉加热至1150～1200℃，保温2～3h；
(2)连铸坯经两阶段控制轧制，得到厚度为目标厚度的热轧钢板；一阶段控制轧制单道次压下量为20～40mm，开轧温度为1050～1080℃，终轧温度为1000～1040℃；中间坯厚度为60～120mm；二阶段控制轧制的开轧温度为820～840℃，终轧温度为800～840℃；
(3)将热轧钢板以16～25℃/s的冷却速率水冷至室温，返红温度≤120℃，得到成品钢板。
2.根据权利要求1所述的一种强韧性匹配良好的LNG储罐用高锰钢板生产方法，其特征在于，所述钢板的厚度为15～80mm。
3.根据权利要求1所述的一种强韧性匹配良好的LNG储罐用高锰钢板生产方法，其特征在于，所述连铸坯的厚度为145～250mm。
4.根据权利要求1所述的一种强韧性匹配良好的LNG储罐用高锰钢板生产方法，其特征在于，所述成品钢板的金相组织为等轴奥氏体。
5.根据权利要求1所述的一种强韧性匹配良好的LNG储罐用高锰钢板生产方法，其特征在于，所述成品钢板的屈服强度为409～552MPa，抗拉强度为806～915MPa，延伸率为44.05％～59.34％，-196℃冲击吸收功为102～171J。
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