CN114350969B

CN114350969B - 一种液氢储存装置用不锈钢棒材的制造方法

Info

Publication number: CN114350969B
Application number: CN202210042444.6A
Authority: CN
Inventors: 李阳; 张威; 莫金强; 邓帅帅
Original assignee: Shanxi Taigang Stainless Steel Co Ltd
Current assignee: Shanxi Taigang Stainless Steel Co Ltd
Priority date: 2022-01-14
Filing date: 2022-01-14
Publication date: 2023-09-05
Anticipated expiration: 2042-01-14
Also published as: CN114350969A

Abstract

本发明公开了一种不锈钢棒材的制造方法，包括：(1)对电极坯进行电渣重熔，得到钢锭；(2)将钢锭送入加热炉进行加热；(3)对加热后的钢锭进行至少3火次的热加工，得到钢棒；(4)对钢棒进行两阶段的固溶处理。采用该制造方法制备的棒材无残余铁素体，屈服强度R_p0.2≥800MPa，抗拉强度R_m≥1500MPa，断后伸长率A≥50％，冲击功≥200J，晶粒度级差不超过1级，能够广泛应用于液氢储存装置。

Description

一种液氢储存装置用不锈钢棒材的制造方法

技术领域

本发明涉及不锈钢冶炼技术领域，具体涉及一种液氢储存装置用不锈钢棒材的制造方法。

背景技术

氢的储存方式主要有高压气态储氢和低温液态储氢两种。相比于高压储运，液氢储运具有运输成本低、氢纯度高、计量方便等优势，更适合大规模输运。在液氢储存、运输和应用过程中，不锈钢发挥着极为重要的作用，其中，储运装置中会用到大量不锈钢棒件。

由于液氢储运装置在低于-253℃温度下服役，且对安全性要求极高，因此要求材料具有良好的耐低温强度和韧性、组织稳定性、加工成型性能。目前液氢储运用不锈钢材料的主要成分为0.05％-0.06％C、0.4-0.5％Si、1.1～1.3％Mn、17％～18％Cr、11％～12％Ni、2～2.5％Mo、0.7～1.2％N。但是目前国内对在液氢环境下的低温材料研究不够完善，对材料在低温状态下的相应组织、性能研究较少，且材料成分特殊，棒件制备难度较大。

传统不锈钢棒材的生产工艺流程为模铸→轧制或锻造开坯→锻造成型→固溶处理。采用该工艺生产液氢储存装置用不锈钢棒材，存在以下问题：

1)模铸凝固过程冷却慢，容易产生残余铁素体，导致组织稳定性差。

2)氮含量高，热加工过程表面易开裂。

3)产品低温力学性能不均匀、不稳定。

因此，在制造过程中必须采取特殊工艺控制措施，解决以上问题。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的液氢储存装置用不锈钢棒材的制造方法。

本发明的技术方案具体如下：

一种不锈钢棒材的制造方法，包括：

(1)对电极坯进行电渣重熔，得到钢锭；

(2)将钢锭送入加热炉进行加热；

(3)对加热后的钢锭进行至少3火次的热加工，得到钢棒；

(4)对钢棒进行两阶段的固溶处理。

可选地，在步骤(1)中，电渣炉的结晶器冷却水流量是1000～1100L/min，入口水温度是10～25℃，压力是0.3～0.4MPa。

可选地，在步骤(2)中，钢锭的入炉温度≤500℃，以不超过100℃/小时的速度升温至1290～1300℃，保温7～8小时之后将加热炉温度下调至1220～1230℃，然后保持2～3小时。

可选地，在步骤(3)中，在进行第1火次的热加工时，采用径向锻造方式生产，采用快速小压下方式变形，总变形量为20～25％，单道次变形量为5～7％，锻造频次为280～300次/分钟。

可选地，在步骤(3)中，在进行第2火次的热加工时，采用自由锻造墩粗变形方式，墩粗总压下量为30～40％，单道次压下量为15～20％，压下速度为10～15mm/s。

可选地，在步骤(3)中，在进行第3火次以及随后火次的热加工时，采用自由锻造拔长方式，总变形量不低于60％，单道次变形量为20～30％，压下速度为20～25mm/s。

可选地，在步骤(4)中，固溶处理的第一阶段是：加热至1030～1050℃，保温时间是1.5～2小时。

可选地，在步骤(4)中，固溶处理的第二阶段是：加热至1150～1170℃，保温时间是0.2～0.3小时。

一种采用上述的制造方法制备的不锈钢棒材。

可选地，所述不锈钢棒材无残余铁素体；所述不锈钢棒材的在-269℃低温力学性能：屈服强度R_p0.2≥800MPa，抗拉强度R_m≥1500MPa，同时还能保证断后伸长率A≥50％，冲击功≥200J；所述不锈钢棒材的晶粒度级差不超过1级。

相比于现有技术，本发明的液氢储存装置用不锈钢棒材的制造方法，至少具有如下有益效果：

1)采用本发明的制造方法获得的钢棒的残余铁素体含量可控制为0％。

2)采用本发明的制造方法获得的钢棒在-269℃低温力学性能是：屈服强度R_p0.2≥800MPa，抗拉强度R_m≥1500MPa，同时还能保证断后伸长率A≥50％，冲击功≥200J。

3)采用本发明的制造方法获得的钢棒组织均匀，晶粒度级差可控制在1级以内。

具体实施方式

为了充分了解本发明的目的、特征及功效，通过下述具体实施方式，对本发明作详细说明。本发明的工艺方法除下述内容外，其余均采用本领域的常规方法或装置。下述名词术语除非另有说明，否则均具有本领域技术人员通常理解的含义。

针对液氢储存装置用不锈钢棒材生产过程中存在的问题，本发明的发明人进行深入研究之后认为，不锈钢在凝固、加热、热加工全过程始终伴随着元素扩散、析出相变化、再结晶、晶粒长大等组织演化过程，组织的变化进而会影响性能和可加工性。因此，本发明的发明人认为，对现有方法进行改进的核心是要精确调控全流程加工过程的组织，实现各工序之间优良匹配，才能实现组织调控的目标，进而实现性能调控。在深入研究的基础上，本发明的发明人提出了本发明液氢储运装置用不锈钢棒材制造方法的整体思路为，如下：

1)钢锭浇铸工艺由模铸改为电渣重熔，通过冷却工艺改善凝固传热条件，降低钢锭残余铁素体含量；

2)优化热加工工艺流程，采用径锻开坯，铸坯表面采用快速小压下方式变形，防止开坯表面开裂，同时在表面形成一层细晶硬化保护层，保证后续大变形过程中也不开裂。采用墩粗+拔长大变形自由锻，保证晶粒组织均匀性；

3)优化两道次热加工前钢锭加热工艺，增加高温均热段，使Cr、Ni、Mo元素扩散均匀，消除非平衡态残余铁素体，提高组织均匀性；

4)优化固溶处理工艺，提高低温力学性能。

本发明的液氢储存装置用不锈钢棒材的制造方法的总工艺流程可概括为：电极坯→电渣重熔→钢锭加热→径锻开坯→加热→自由锻造墩粗→加热→自由锻造拔长→固溶处理→剥皮→检验。

作为一种优选的实施方式，本发明的不锈钢棒材的制造方法包括如下步骤：

(1)电渣重熔

在进行钢锭浇铸时，本发明没有采用模铸的方法，而是采用电渣重熔工艺，其中，电渣凝固过程中，结晶器冷却水流量控制在1000～1100L/min(例如，1000L/min、1010L/min、1020L/min、1030L/min、1040L/min、1050L/min、1060L/min、1070L/min、1080L/min、1090L/min或1100L/min等)，入口水温度是10～25℃(例如，10℃、11℃、12℃、13℃、14℃、15℃、16℃、17℃、18℃、19℃、20℃、21℃、22℃、23℃、24℃或25℃等)，压力0.3～0.4MPa(例如，0.30MPa、0.31MPa、0.32MPa、0.33MPa、0.34MPa、0.35MPa、0.36MPa、0.37MPa、0.38MPa、0.39MPa或0.40MPa等)。

通过采用上述的结晶器参数，能够保证足够冷却强度，改善传热条件，降低钢锭残余铁素体含量。

(2)钢锭加热

将钢锭送入加热炉进行加热。钢锭入炉温度≤500℃(例如，400℃、410℃、420℃、430℃、440℃、450℃、460℃、470℃、480℃等)，以不大于100℃/小时(例如，80℃/小时、82℃/小时、84℃/小时、86℃/小时、88℃/小时、90℃/小时、92℃/小时、94℃/小时，等)的速度升温至1290～1300℃(例如，1290℃、1291℃、1292℃、1293℃、1294℃、1295℃、1296℃、1297℃、1298℃、1299℃或1300℃等)，保温7～8小时(例如，7.0小时、7.2小时、7.4小时、7.6小时、7.8小时或8.0小时等)，之后炉温下调至1220～1230℃(1220℃、1221℃、1222℃、1223℃、1224℃、1225℃、1226℃、1227℃、1228℃、1229℃或1230℃等)后保持2～3小时(2.0小时、2.2小时、2.4小时、2.6小时、2.8小时或3.0小时等)。

通过优化钢锭加热的工艺参数，一方面，通过高温长时保温，使Cr、Ni、Mo元素扩散均匀，消除非平衡态残余铁素体，提高组织均匀性；另一方面，保证出炉前温度降低至钢锭最佳的热塑性区间，防止加工开裂。

(3)热加工

对加热后的钢锭进行热加工，得到钢棒。热加工分多火次进行：

第1火次：采用径向锻造方式生产(即径锻开坯)，采用快速小压下方式变形，总变形量为20～25％(例如，20％、21％、22％、23％、24％或25％等)，单道次变形量5～7％(5％、6％或7％等)，锻造频次为280～300次/分钟(280次/分钟、282次/分钟、284次/分钟、286次/分钟、288次/分钟、292次/分钟、292次/分钟、294次/分钟、296次/分钟、298次/分钟或300次/分钟等)，防止开坯表面开裂，同时在表面形成一层细晶硬化保护层，保证后续大变形过程中也不开裂。

第2火次：采用自由锻造墩粗变形方式，由于第1火次已在表面形成硬化层，降低了墩粗表面开裂风险，因此可以加大墩粗变形量。墩粗总压下量30～40％(30％、31％、32％、33％、34％、35％、36％、37％、38％、39％或40％等)，单道次压下量15～20％(15％、16％、17％、18％、19％或20％等)，压下速度控制在10～15mm/s(10mm/s、11mm/s、12mm/s、13mm/s、14mm/s或15mm/s等)，保证心部铸态组织充分破碎，动态再结晶充分发生。

第3～N火次(N≥3)：采用自由锻造拔长方式，根据产品规格确定总变形量，但应控制在60％以上(61％、62％、63％、64％、65％、66％、67％、68％、69％、70％、71％或更大)，单道次变形量20～30％(20％、21％、22％、23％、24％、25％、26％、27％、28％、29％或30％等)，压下速度控制在20～25mm/s(20mm/s、21mm/s、22mm/s、23mm/s、24mm/s或25mm/s等)，兼顾心部组织和表面质量，并保证晶粒组织均匀性。

(4)固溶处理

固溶处理分两阶段加热：第一阶段加热至再结晶温度以上的1030～1050℃(1030℃、1032℃、1034℃、1036℃、1038℃、1040℃、1042℃、1044℃、1046℃、1048℃或1050等)，保温时间1.5～2小时(例如，1.5小时、1.6小时、1.7小时、1.8小时、1.9小时或2.0小时等)，使再结晶过程全部完成，晶粒组织扩散均匀，但避免晶粒长大；第二阶段加热至1150～1170℃(例如，1150℃、1152℃、1154℃、1156℃、1158℃、1160℃、1162℃、1164℃、1166℃、1168℃或1170℃等)，保温时间0.2～0.3小时，使晶粒适当长大。

通过上述制造方法，能够使获得的不锈钢棒材的残余铁素体含量控制为0％，钢棒组织均匀，晶粒度级差可控制在1级以内，并且，钢棒在-269℃低温力学性能：屈服强度R_p0.2≥800MPa，抗拉强度R_m≥1500MPa，同时还能保证断后伸长率A≥50％，冲击功≥200J。

实施例

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件，或按照商品说明书选择。

实施例1：

目标棒材规格为Φ180mm。总工艺路线为：电极坯→电渣重熔→加热→径锻开坯→加热→自由锻造墩粗→加热→自由锻造拔长→固溶处理→剥皮→检验。具体如下：

1、钢锭浇铸：电渣重熔结晶器冷却水流量1050L/min，入口水温度20℃，压力0.32MPa，电渣锭直径Φ500mm。

2、钢锭加热：钢锭入炉温度400℃，90℃/小时的速度升温至1290℃，保温8小时，之后炉温下调至1220℃后保持2.5小时。

3、径锻开坯：总变形量20％，分4道次，道次变形量5～6％，锻造频次为280次/分钟。

4、自由锻造墩粗：总压下量30％，分2道次，单道次压下量15％，压下速度10mm/s。

5、自由锻造拔长：分2火次完成，总变形量63％，单道次变形量20～25％，压下速度20mm/s。

6、固溶处理：第一阶段加热至1040℃，保温时间1.5小时；第二阶段加热至1160℃，保温时间0.2小时。

实施例2：

目标棒材规格为Φ260mm。总工艺路线为：电极坯→电渣重熔→加热→径锻开坯→加热→自由锻造墩粗→加热→自由锻造拔长→固溶处理→剥皮→检验。具体如下：

1、钢锭浇铸：电渣重熔结晶器冷却水流量1100L/min，入口水温度23℃，压力0.33MPa，电渣锭直径Φ700mm。

2、钢锭加热：钢锭入炉温度450℃，80℃/小时的速度升温至1300℃，保温7小时，之后炉温下调至1230℃后保持3小时。

3、径锻开坯：总变形量25％，分5道次，道次变形量5～6％，锻造频次为300次/分钟。

4、自由锻造墩粗：总压下量35％，分2道次，单道次压下量分别为17％和18％，压下速度15mm/s。

5、自由锻造拔长：分3火次完成，总变形量70％，单道次变形量25～30％，压下速度23mm/s。

6、固溶处理：第一阶段加热至1050℃，保温时间2小时；第二阶段加热至1170℃，保温时间0.3小时。

对比例：

目标棒材规格为Φ260mm。常规生产316不锈钢棒材的方法，总工艺路线为：模铸→轧制或锻造开坯→锻造成型→固溶处理。

对实施例1、实施例2和对比例制备的棒材进行性能检测，结果见表1。

其中，各参数的检测方法如下：

残余铁素体含量：GBT 13305-2008不锈钢α-相面积含量金相测定法；

-269℃屈服强度R_p0.2(MPa)：GB/T 228.4金属材料拉伸试验第4部分：液氦试验方法；

-269℃抗拉强度R_m(MPa)：GB/T 228.4金属材料拉伸试验第4部分：液氦试验方法；

-269℃断后伸长率A(％)：GB/T 228.4金属材料拉伸试验第4部分：液氦试验方法；

-269℃冲击功(J)：GB/T 229金属材料夏比摆锤冲击实验方法；

晶粒度级差：GB 6394-2002金属平均晶粒度测定方法。

表1

项目	实施例1	实施例2	对比例(常规工艺)
				残余铁素体含量(％)	0	0	5
-269℃屈服强度R_p0.2(MPa)	830	826	750
				-269℃抗拉强度R_m(MPa)	830	826	750
-269℃断后伸长率A(％)	55	50	45
				-269℃冲击功(J)	210	223	190
晶粒度级差	0	0	3

从表1的数据可以看出，采用本发明的制造方法制备的不锈钢棒材残余铁素体含量为零，低温力学性能优异并且棒材组织均匀。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的替代、修饰、组合、改变、简化等，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种液氢储存装置用不锈钢棒材的制造方法，其特征在于，包括：

(1)对电极坯进行电渣重熔，得到钢锭；

(2)将钢锭送入加热炉进行加热；

(3)对加热后的钢锭进行至少3火次的热加工，得到钢棒；

(4)对钢棒进行两阶段的固溶处理；

其中，在步骤(1)中，电渣炉的结晶器冷却水流量是1000～1100L/min，入口水温度是10～25℃，压力是0.3～0.4MPa；

其中，在步骤(2)中，钢锭的入炉温度≤500℃，以不超过100℃/小时的速度升温至1290～1300℃，保温7～8小时之后将加热炉温度下调至1220～1230℃，然后保持2～3小时；

其中，在步骤(3)中，在进行第1火次的热加工时，采用径向锻造方式生产，采用快速小压下方式变形，总变形量为20～25％，单道次变形量为5～7％，锻造频次为280～300次/分钟；

其中，在步骤(3)中，在进行第2火次的热加工时，采用自由锻造墩粗变形方式，墩粗总压下量为30～40％，单道次压下量为15～20％，压下速度为10～15mm/s；

其中，在步骤(3)中，在进行第3火次以及随后火次的热加工时，采用自由锻造拔长方式，总变形量不低于60％，单道次变形量为20～30％，压下速度为20～25mm/s；

其中，在步骤(4)中，固溶处理的第一阶段是：加热至1030～1050℃，保温时间是1.5～2小时；

其中，在步骤(4)中，固溶处理的第二阶段是：加热至1150～1170℃，保温时间是0.2～0.3小时。

2.一种采用权利要求1所述的制造方法制备的液氢储存装置用不锈钢棒材。

3.根据权利要求2所述的液氢储存装置用不锈钢棒材，其特征在于，所述液氢储存装置用不锈钢棒材无残余铁素体；所述液氢储存装置用不锈钢棒材的在-269℃低温力学性能：屈服强度R_p0.2≥800MPa，抗拉强度R_m≥1500MPa，同时还能保证断后伸长率A≥50％，冲击功≥200J；所述液氢储存装置用不锈钢棒材的晶粒度级差不超过1级。