CN114737130A - 一种355MPa级低温钢及制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种355MPa级低温钢，其化学成分按重量百分比为：C：0.09％～0.15％，Si：0.20％～0.45％，Mn：1.4％～1.7％，Ni：0.30％～0.55％，Al：0.015％～0.030％，Nb：0.01％～0.045％，S：≤0.005％，P：≤0.008％，余量为Fe和杂质；钢制造方法，工艺流程：转炉冶炼—LF或RH精炼—连铸—钢坯加热—除磷—控制轧制—热处理。本发明通过C、Si、Mn、Nb等元素确保钢板的强度，Ni和Nb元素的添加确保钢板的低温韧性，轧制后不水冷，热处理后不水冷，确保钢板内应力不增加的同时，也无需水冷后矫直工序，优化了现有技术的生产流程，减少了钢板板型控制难度，降低了生产成本。

Description

一种355MPa级低温钢及制造方法
技术领域
本发明涉及冶金领域，特别涉及一种优流程355MPa级低温钢。
背景技术
低温用钢主要用于制作储存和运输各类液化气体的设备，包括液化石油气、液化乙烯气、液氨等，低温用钢通常要求具有足够的强度和较好的低温冲击韧性。近年来，随着我国石油、化工行业的快速发展以及全世界范围内对于清洁能源的需求的迅猛增加，尤其是丙烷脱氢制丙烯(PDH-Propane Dehydrogenation)所需的原料丙烷的极速增长，需要大量的满足-80℃KV2≥80J、屈服强度≥355MPa级低温钢。此外为了确保钢板在长期低温服役条件下的稳定性，用户通常要求Ni元素含量为0.3～0.8％、不允许添加Cr、Mo等强化元素、不允许在轧制或热处理后应用快速水冷、具有稳定组织，综上所述研制开发一种满足用户要求的、低温力学性能、组织稳定良好同时又能有效控制生产成本的低温钢及其生产工艺成为了迫切要求。
本发明申请以前，CN 107699792 A公开了一种耐低温微合金化钢及生产工艺，该发明涉及一种耐低温微合金化钢，所述微合金化钢的化学成分按重量百分比计为：C：0.075％～0.1％；Si：0.10％～0.30％；Mn：1.0％～1.40％；Cr：0.25％～0.50％；Nb：0.020％～0.030％；Ti：0.015％～0.025％；Al：≤0.015％；P：≤0.010％；S：≤0.010％；余量为Fe和不可避免的杂质。该耐低温微合金化钢添加了Cr、Nb、Ti等微合金元素，难以满足用户的要求；要求Al含量≤0.015％，但O的气体含量[O]≤30ppm，Al为钢中脱氧的主要元素，将Al含量控制在≤0.015％，大大增加了冶炼的难度；该专利生产的钢板为20mm以上，无法满足在-80℃及以下低温条件下、厚度＜20mm钢板的需求。
CN 110117705 A公开了一种正火型核电压力容器设备支承用钢板的热处理方法，所述钢的化学成分按重量百分比计为：C：0.16～0.19％、Si：0.10～0.20％、Mn：1.45～1.55％、P：0.007～0.011％、S：0.0010～0.0018％、N：0.0048～0.0055％、Cu：0.08～0.14％、V：0.060～0.070％，余量为Fe和不可避免的杂质。该正火型核电压力容器设备支承用钢板添加了Cu、V等微合金元素，增加成本；该发明所述钢板应用温度为0℃，无法满足更低温度的使用需求。
CN 107287530 A公开了一种高强高韧非调质型低温压力容器用钢及其制造方法，C：0.11-0.20％、Si：0.15-0.35％、Mn：1.30-1.60％、P≤0.010％、S≤0.003％、Cr：0.50-1.0％、Nb：0.015-0.040％、Ti：0.005-0.010％、Al：0.035-0.050％、Ni：1.10-1.60％，余量为Fe和不可避免的杂质。该发明所述的高强高韧非调质型低温压力容器用钢，为了在-50℃能够获得良好的低温韧性，添加了1％以上的昂贵的Ni元素，难以满足用户的需求，增加了成本；同时；为了实现足够的强度，在发明中钢板轧制完成后还需要采用超快冷的工艺，并且需要控制开冷和返红温度，增了钢板的内应力，增加了生产工序和生产流程，增加了钢板板型异常的可能。
CN 102409234 A公开了一种焊接裂纹敏感性指数小于0.23的355MPa级低合金钢板的制造方法，该发明所述钢板的化学成分按如下重量百分比范围控制：C：0.10～0.13、Mn：1.45～1.53、Si：0.20～0.30、Nb：0.030～0.040、V：0.060～0.070、Ti：0.005～0.015、Al：0.020～0.050、P：≤0.013、S：≤0.003％，其余为Fe和不可避免的杂质。应用该发明生产的钢板需要经严格的控轧控冷工艺轧制后，再经过880～920℃加热、保温1～1.5min/mm×板厚、淬火机控制680～720℃返红的热处理，增加了钢板的内应力，并且生产工艺流程长、生产难度大，另一方面的钢板应用于-20℃，无法满足-80℃低温条件下应用。
上诉几个专利发明一方面，难以满足-80℃及以下环境、355MPa级钢存储液态丙烷等需求；另一方面上诉几个专利发明是在C、Si、Mn等成分基础上加入一定量的Nb、V、Ti和Ni、Cr、Cu，成分体系较为复杂，而且随着合金含量的增多，增加了成本；最后，为了实现355MPa级的强度级别，在钢板轧制完成后还需要采用超快冷的工艺、并控制一定的返红温度，改变了钢板的最初原始组织，并且快速冷却使钢板的内应力增加，为-80℃及以下低温环境下的长时间服役带来了一定的不确定性。并且在实际生产中，轧制或正火后浇水快速冷却，容易产生马氏体和板条贝氏体等脆相组织，对于钢板的塑性及低温韧性有一定的影响。在实际生产中，为了满足钢板交货条件，在浇水快速冷却后需要增加矫直工序，增加了生产工序，占用了生产资源，增加了生产成本。
针对以上共性问题，本发明旨在发明一种满足用户要求的、合金体系相对简单的、Ni含量为0.3～0.85％、不添加其他强化元素、轧制或热处理后不应用快速水冷、钢板屈服强度≥355MPa、且在-80℃及以下低温条件下使用的低温钢。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种355MPa级低温钢及其制造方法，轧制后无需水冷，热处理后无需弱冷。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种355MPa级低温钢，其化学成分按重量百分比为：C：0.09％～0.15％，Si：0.20％～0.45％，Mn：1.4％～1.7％，Ni：0.30％～0.55％，Al：0.015％～0.030％，Nb：0.01％～0.045％，S：≤0.005％，P：≤0.008％，余量为Fe和杂质；
其中，若Si：0.20％～0.30％，则Nb：0.02％～0.045％。若Si：0.31％～0.45％，则Nb：0.01％～0.03％。
一种355MPa级低温钢，屈服强度ReL≥355MPa，抗拉强度Rm≥500MPa，延伸率A≥30％，-80℃KV2≥120J。
成分作用为：
为了实现该钢种在-80℃以下仍具有良好的低温韧性，需要保证钢的纯净度，防止P、S和其他杂质元素对该钢低温韧性的影响。主要的化学成分组成为C、Si、Mn、P、S、Ni和一定量的Nb元素，无需再加入Cr、Mo、Cu、V、Ti、B等其他其他强化元素。
碳：C元素对钢的屈服强度、抗拉强度、焊接性能产生显著影响，适量的C含量可以提高钢板的淬透性，是最直接、最经济的提高钢板屈服和抗拉强度的元素，但C含量过高，又会影响钢的焊接性能及低温韧性，因此控制C含量范围为C：0.09％～0.15％。
锰：Mn元素能提高钢的强度和韧性，可提高钢的淬透性能，稳定并扩大奥氏体区。Mn元素还能消除钢中S元素的热脆倾向，改变硫化物的形态和分布以提高钢质。但是锰含量过高时，会促进晶粒长大，产生回火脆性，避免本专利中钢板回火后，低温韧性降低。所以，将Mn元素含量其控制在1.4％～1.7％。
硅：Si元素在炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂，同时Si也能起到固溶强化作用，可以提高钢的强度，但Si元素含量过高时，不仅对钢的低温韧性不利，而且有可能降低钢的焊接性能，因此将Si含量控制在Si：0.20％～0.45％。
铌：加热时阻止奥氏体晶粒长大：由微量的Nb形成高度弥散的碳氮化铌，可以对奥氏体晶界其固定作用，从而阻止奥氏体晶界的迁移，阻止奥氏体晶粒长大；抑制奥氏体再结晶；细化铁素体晶粒：在轧制过程中Nb能抑制高温过程的再结晶，扩大了奥氏体未再结晶的范围。在正火空气冷却过程中，基体中固溶的Nb原子在冷却及相转变后，将在母材内析出NbC化合物，从而细化晶粒，进一步提高钢板的低温韧性和强度，因此钢中Nb元素的范围为0.01～0.045％。
本发明中，若Si元素为0.20％～0.30％，Nb：0.02％～0.045％，若Si：0.31％～0.45％，则Nb：0.01％～0.03％。目的是为了合理的匹配化学成分，控制成本，保证低温性能和焊接性能。这是因为如果Si元素和Nb元素都过高，造成成本较高且钢板强度富裕量较大，质量过剩；如果Si元素和Nb元素都过高，钢板碳当量增加，影响工程应用中焊接，给焊接增加了难度；如果Si元素和Nb元素都过较低，难以得到贝氏体组织，影响最终的屈服强度和-80℃低温韧性。
镍：Ni元素是无限扩大奥氏体区元素，能够降低钢的韧脆转变温度，并且能够改善钢的低温韧性，是本发明中钢板在-80℃以下具有良好低温韧性的基础。但是Ni元素属于贵金属，是稀缺资源，价格昂贵，加入过多的Ni元素会增加成本，因此Ni元素含量控制在Ni：0.30％～0.55％。
铝：Al是钢中的脱氧剂，钢中加入一定量的Al能够脱去钢中的[O]，而且钢中残留一定量的酸溶铝还可以控制钢的本质晶粒度，降低钢的时效敏感性，从而改善钢的质量。但是如果Al含量过高，容易形成Al-O、Ca-Al-O等夹杂物，造成探伤不合格，影响钢的低温韧性。并且，Al含量过高，在连铸完成后，钢坯边部容易发生边裂，造成轧制后的钢板边部出现裂纹因此将Al含量控制在0.015％～0.030％。
硫：S元素在钢中易形成FeS和MnS夹杂，产生热脆现象，显著降低钢的低温韧性，因此，应尽量降低钢中的S≤0.005％；
磷：P元素在钢中常偏聚于晶界，破坏基体的连续性，显著降低钢的韧性，使焊接性能变坏，易产生冷脆，因此，应尽量降低钢中的P≤0.008％。
一种优流程355MPa级低温钢制造方法，工艺流程：转炉冶炼—LF或RH精炼—连铸—钢坯加热—除磷—控制轧制—热处理；其中：
1)轧制：采用两阶段控制轧制，一阶段在再结晶区轧制，开轧温度≥1050℃，确保终轧前三个连续道次单道次压下率≥20％，碳氮化铌沿着奥氏体晶界析出，析出颗粒直径在15～25nm；二阶段在未再结晶区轧制，开轧温度≥880℃，Nb元素的添加使奥氏体再结晶温度升高，由于奥氏体未发生再结晶，位错密度高，加速了C和Nb的扩散，碳氮化铌在晶界、晶内、和亚晶界上析出，直径在5～10nm，控制铁素体的有效形核面积；终轧温度为800～840℃，确保终轧前三个连续道次单道次压下率为15～20％，轧制后空冷，在冷却过程中碳氮化铌无规则的在位错线上和基体上沉淀析出，直径在5～10nm，热轧态钢板晶粒度9级；
2)热处理：正火+回火热处理工艺
正火工艺为880～930℃保温，保温2～4min/mm，空冷；Nb元素以NbC的形式在基体中析出，细化组织晶粒，根据霍尔佩奇公式，细晶强化是即能提高强度又能提高韧性的强化方式，钢板屈服强度强度≥400MPa，为回火后强度下降提供了强度基础；
回火工艺为：580～630℃保温，保温4～7min/mm，空冷；通过回火，使钢板中的Ni元素均匀扩散，钢板的低温韧性得到提高，钢板晶粒度≤7.5级，组织为铁素体+珠光体+贝氏体，其中铁素体含量占50～60％，贝氏体含量为20～30％，珠光体含量为20～30％。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
1)主要的化学成分组成为C、Si、Mn、P、S、Ni、Nb元素，无需再加入Cr、Mo、Cu、V、Ti、B等其他其他强化元素，化学成分设计简单，满足用户的要求。
2)通过C、Si、Mn、Nb等元素确保钢板的强度，Ni和Nb元素的添加确保钢板的低温韧性，轧制后不水冷，热处理后不水冷，确保钢板内应力不增加的同时，也无需水冷后矫直工序，优化了现有技术的生产流程，减少了钢板板型控制难度，降低了生产成本。
3)通过控制钢板组织为铁素体+珠光体+贝氏体，其中铁素体含量占50～60％，贝氏体含量为20～30％，珠光体含量为20～30％，本法明所述355MPa级低温钢，屈服强度ReL≥390MPa，抗拉强度Rm≥530MPa，-80℃保温20min KV2≥120J，-80℃保温80min KV2≥120J，-100℃保温20min KV2≥0J。
4)优化了生产工序流程，既能满足用户Ni含量为0.3～0.85％、Nb和V元素含量≤0.05％、不允许添加其他强化元素、钢板屈服强度≥355MPa、不允许在轧制或热处理后应用快速水冷且在-80℃及以下低温条件下使用的技术要求，又节约了能源，降低生产过程成本，同时降低了生产过程中的资源占用。
附图说明
图1为4％硝酸酒精溶液腐蚀的按实例1方案制造的钢板光学显微镜下放大100倍的组织照片，钢板微观组织为铁素体+珠光体+贝氏体。
图2为4％硝酸酒精溶液腐蚀的按实例2方案制造的钢板在扫描电镜下放大500倍的组织照片，钢板微观组织为铁素体+珠光体+贝氏体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步说明：
一种355MPa级低温钢，其化学成分按重量百分比为：C：0.09％～0.15％，Si：0.20％～0.45％，Mn：1.4％～1.7％，Ni：0.30％～0.55％，Al：0.015％～0.030％，Nb：0.01％～0.045％，S：≤0.005％，P：≤0.008％，余量为Fe和杂质；
其中，若Si：0.20％～0.30％，则Nb：0.02％～0.045％，若Si：0.31％～0.45％，则Nb：0.01％～0.03％。
一种优流程355MPa级低温钢制造方法，工艺流程：转炉冶炼—LF或RH精炼—连铸—钢坯加热—除磷—控制轧制—热处理；其中：
1)轧制：采用两阶段控制轧制，一阶段在再结晶区轧制，开轧温度≥1050℃，确保终轧前三个连续道次单道次压下率≥20％，碳氮化铌沿着奥氏体晶界析出，析出颗粒直径在15～25nm；二阶段在未再结晶区轧制，开轧温度≥880℃，Nb元素的添加使奥氏体再结晶温度升高，由于奥氏体未发生再结晶，位错密度高，加速了C和Nb的扩散，碳氮化铌在晶界、晶内、和亚晶界上析出，直径在5～10nm，控制铁素体的有效形核面积；终轧温度为800～840℃，确保终轧前三个连续道次单道次压下率为15～20％，轧制后空冷，在冷却过程中碳氮化铌无规则的在位错线上和基体上沉淀析出，直径在5～10nm，通过上述工艺控制，热轧态钢板晶粒度9级，为后续热处理提供组织基础。
2)热处理：正火+回火热处理工艺。
正火工艺为880～930℃保温，保温2～4min/mm，空冷。Nb元素以NbC的形式在基体中析出，细化组织晶粒，根据霍尔佩奇公式，细晶强化是即能提高强度又能提高韧性的强化方式，钢板屈服强度强度≥400MPa，为回火后强度下降提供了强度基础。
回火工艺为：580～630℃保温，保温4～7min/mm，空冷。通过回火，使钢板中的Ni元素均匀扩散，钢板的低温韧性得到提高，钢板晶粒度≤7.5级，组织为铁素体+珠光体+贝氏体，其中铁素体含量占50～60％，贝氏体含量为20～30％，珠光体含量为20～30％。
实施例：
钢板成分见表1。
表1化学成分 wt％
C Si Mn P S Ni Al Nb
实施例1 0.11 0.37 1.51 0.0058 0.0025 0.45 0.016 0.020
实施例2 0.15 0.33 1.54 0.0023 0.0036 0.44 0.026 0.028
实施例3 0.09 0.30 1.62 0.0041 0.0047 0.54 0.017 0.030
实施例4 0.115 0.25 1.70 0.0063 0.0038 0.35 0.015 0.041
实施例5 0.14 0.31 1.45 0.0030 0.0019 0.30 0.018 0.025
实施例6 0.135 0.22 1.40 0.0054 0.0029 0.41 0.020 0.038
实施例7 0.10 0.45 1.58 0.0072 0.0035 0.49 0.019 0.010
实施例8 0.12 0.20 1.55 0.0068 0.0034 0.55 0.030 0.045
实施例9 0.13 0.28 1.69 0.0025 0.0018 0.33 0.025 0.035
钢板轧制及热处理工艺见表2。
表2钢板轧制及热处理工艺
Figure BDA0003623420920000071
钢板常温拉伸性能见表3。
表3力学性能
Figure BDA0003623420920000072
钢板低温冲击功见表4。
表4低温冲击功
Figure BDA0003623420920000073
钢板晶粒度级别及组织含量见表5。
表5晶粒度级别及组织含量
50～60％，贝氏体含量为20～30％，珠光体含量为20～30％
晶粒度级别 铁素体含量 珠光体含量 贝氏体含量
实施例1 7.5 50 25 25
实施例2 7.0 60 20 20
实施例3 7.5 50 30 20
实施例4 6 50 20 30
实施例5 7.0 50 20 30
实施例6 6.5 60 20 20
实施例7 7.5 60 20 20
实施例8 7.0 50 25 25
实施例9 7.0 50 30 20
本发明355MPa级低温钢-80℃及以下低温环境下具有优良低温韧性，通过简化化学成分体系、优化生产工艺流程，实现了低成本、优流程生产，为企业创造效益。
上面所述仅是本发明的基本原理，并非对本发明作任何限制，凡是依据本发明对其进行等同变化和修饰，均在本专利技术保护方案的范畴之内。

Claims (3)

1.一种355MPa级低温钢，其特征在于，其化学成分按重量百分比为：C：0.09％～0.15％，Si：0.20％～0.45％，Mn：1.4％～1.7％，Ni：0.30％～0.55％，Al：0.015％～0.030％，Nb：0.01％～0.045％，S：≤0.005％，P：≤0.008％，余量为Fe和杂质；
其中，若Si：0.20％～0.30％，则Nb：0.02％～0.045％；若Si：0.31％～0.45％，则Nb：0.01％～0.03％。
2.根据权利要求1所述的355MPa级低温钢，其特征在于，屈服强度ReL≥355MPa，抗拉强度Rm≥500MPa，延伸率A≥30％，-80℃KV2≥120J。
3.一种优流程355MPa级低温钢制造方法，工艺流程：转炉冶炼—LF或RH精炼—连铸—钢坯加热—除磷—控制轧制—热处理；其特征在于：
1)轧制：采用两阶段控制轧制，一阶段在再结晶区轧制，开轧温度≥1050℃，确保终轧前三个连续道次单道次压下率≥20％，碳氮化铌沿着奥氏体晶界析出，析出颗粒直径在15～25nm；二阶段在未再结晶区轧制，开轧温度≥880℃；终轧温度为800～840℃，确保终轧前三个连续道次单道次压下率为15～20％，轧制后空冷，在冷却过程中碳氮化铌无规则的在位错线上和基体上沉淀析出，直径在5～10nm，热轧态钢板晶粒度9级；
2)热处理：正火+回火热处理工艺
正火工艺为880～930℃保温，保温2～4min/mm，空冷；
回火工艺为：580～630℃保温，保温4～7min/mm，空冷；钢板晶粒度≤7.5级，组织为铁素体+珠光体+贝氏体，其中铁素体含量占50～60％，贝氏体含量为20～30％，珠光体含量为20～30％。
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