CN114807762B - 一种具有优良低温韧性的300MPa级低温钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有优良低温韧性的300MPa级低温钢，化学成分按重量百分比计为：C：0.10％～0.15％，Si：0.20％～0.40％，Mn：1.4％～1.7％，Ni：0.30％～0.80％，Al：0.015％～0.030％，S：≤0.005％，P：≤0.008％，余量为Fe和杂质；其中10C+Mn：2.45％～3％。300MPa级低温钢，屈服强度ReL≥300MPa，抗拉强度Rm≥500MPa，延伸率A≥30％，‑80℃KV2≥200J。本发明低温钢无需正火后回火，轧制或热处理后无需增加水冷工序，无需增加矫直工艺，降低了钢板板型不合格率。
Description
技术领域
本发明涉及低温钢，特别涉及一种具有优良低温韧性的300MPa级低温钢。
背景技术
近年来随着石油化工工业的发展，使用于低温液体和气体的反应、储存、运输的设备制造业也得到了快速发展，因此对制造此类设备所使用的低温钢有了迫切的要求。
本发明申请以前，中国专利公开号CN 107365942 A公开了一种AP1000核电项目用A36钢板的生产方法，该专利通过轧制+正火的工艺生产了一种屈服强度≥300MPa的核电项目用A36钢板，但是该专利未能明确在低温环境下钢板的低温韧性水平，无法应用到低温容器领域的建造施工。
本发明申请以前，中国专利公开号CN 110029268 A公开了一种保心部低温韧性的低温压力容器用09MnNiDR钢板及制造方法，一方面该专利通过向钢中加入Nb、Ti等微合金元素，增加了钢的成本；另一方面该专利所述钢板需要在钢板轧制之后快速水冷，并且需求控制入水和返红温度，增加了生产的难度，并且入水后，钢板板型不易控制；最后该专利需要控制Ca元素含量，大大增加了冶炼的难度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有优良低温韧性的300MPa级低温钢，确保钢板强度的同时，提高钢板的低温韧性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种具有优良低温韧性的300MPa级低温钢，化学成分按重量百分比计为：C：0.10％～0.15％，Si：0.20％～0.40％，Mn：1.4％～1.7％，Ni：0.30％～0.80％，Al：0.015％～0.030％，S：≤0.005％，P：≤0.008％，余量为Fe和杂质；其中10C+Mn：2.45％～3％。
一种具有优良低温韧性的300MPa级低温钢，屈服强度ReL≥300MPa，抗拉强度Rm≥500MPa，延伸率A≥30％，-80℃KV2≥200J。
为了实现该钢种在-80℃以下具有优良低温韧性，且不添加Nb、V、Ti微合金元素，不添加Cr、Mo强化元素，轧制以后无需快速水冷并控制入水和返红温度，需要严格控制钢的纯净度，防止P、S和其他杂质元素对该钢低温韧性的影响，控制P、S含量来确保钢板的低温韧性；需要通过添加C、Si、Mn元素来保证钢板的强度，需要添加Ni元素。成分作用为：
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0.10％～0.15％。
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％～0.40％。
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％。
C和Mn是主要提高强度的元素，本发明中C+Mn的含量应控制在10C+Mn：2.45％～3％，控制在该范围内的目的是同时兼顾热处理后钢板的强度与-80℃低温韧性，实现较合理的力学性能匹配，如果10C+Mn＞0.3％，那么钢板强度较高，同时碳当量增加，而低温韧性降低，需要加入其它的细化晶粒元素如Nb、V、Ti等元素提高钢的低温韧性，如果10C+Mn小于2.45％，那么钢板强度较低，仍需要加入其它的细化晶粒元素如Nb、V、Ti等元素提高钢的低温韧性，或者在轧制完成后水冷，或者在正火热处理后水冷，一是多添加合计元素提高了钢板生产成本，二是增加了生产工序，同样增加成本，三是水冷后钢板需要矫直，给钢板板型控制增加了难度。
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0.30％～0.80％。
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％。
一种具有优良低温韧性的300MPa级低温钢的制造方法，包括：工艺流程：转炉冶炼—LF或RH精炼—连铸—钢坯加热—除磷—轧制—热处理；其中：
1)轧制：采用两阶段控制轧制，将钢板的显微组织控制为等轴铁素体+珠光体，铁素体含量与珠光体含量之比为(9～9.6):1，钢板晶粒度为9～10级；一阶段开轧温度≥1050℃，按钢板厚度二阶段开轧温度和终轧温度为：
(1)10～40mm钢板，二阶段开轧温度890～930℃，终轧温度820～880℃；
(2)40～80mm钢板，二阶段开轧温度870～910℃，终轧温度800～860℃；
2)热处理：正火处理，钢板组织控制为多边形铁素体+珠光体，铁素体含量与珠光体含量比值为2.3～4，钢板晶粒度为8～9级。
步骤2)中正火处理为：880～940℃正火，保温速率2～4min/mm，空冷。
与现有的技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过C、Mn、Si、Ni的合金成分体系，特别是10C+Mn：2.45％～3％、Ni：0.30％～0.80％的成分设计，实现了钢板在-80℃以下仍具有优良低温韧性，且无需添加Nb、V、Ti等微合金元素，无需添加Cr、Mo、B等强化元素，成分体系简单，易于冶炼，并且降低了生产成本；
(2)对不同厚度钢板通过梯度温度控制轧制、轧制后空冷，钢板组织为等轴铁素体+珠光体，细化钢的热轧态初始组织状态晶粒，晶粒度为9～10级，铁素体含量与珠光体含量之比为9～9.6:1；
(3)正火热处理，钢板组织控制为多边形铁素体+珠光体，铁素体含量与珠光体含量比值为2.3～4，钢板晶粒度为8～9级，在确保钢板强度的同时，提高钢板的低温韧性，使钢板即使在-80℃仍然具有良好的低温韧性，并且保证了钢板性能的稳定性；
(4)本发明成分设计简单，生产工艺为控制轧制+正火处理，无需正火后回火，轧制或热处理后无需增加水冷工序，无需增加矫直工艺，降低了钢板板型不合格率，实现屈服强度ReL≥300MPa，抗拉强度Rm≥500MPa，延伸率A≥30％，-80℃KV2≥200J。
本发明的低温钢，合理的化学成分，控制冶炼、轧制及热处理工艺，在-80℃低温环境下，仍然具有优良低温韧性的低温钢，可应用于低温容器、低温储罐、低温结构等领域的工程建造。
附图说明
图1为4％硝酸酒精溶液腐蚀的按实例一方案制造的钢板光学显微镜下放大200倍的组织照片，钢板微观组织为铁素体+珠光体。
图2为4％硝酸酒精溶液腐蚀的按实例二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。
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：
一种具有优良低温韧性的300MPa级低温钢，化学成分按重量百分比计为：C：0.10％～0.15％，Si：0.20％～0.40％，Mn：1.4％～1.7％，Ni：0.30％～0.80％，Al：0.015％～0.030％，S：≤0.005％，P：≤0.008％，余量为Fe和杂质；10C+Mn：2.45％～3％。
一种具有优良低温韧性的300MPa级低温钢的制造方法，包括：工艺流程：转炉冶炼—LF或RH精炼—连铸—钢坯加热—除磷—轧制—热处理；其中：
1)轧制：采用两阶段控制轧制，将钢板的显微组织控制为等轴铁素体+珠光体，铁素体含量与珠光体含量之比为9～9.6:1，钢板晶粒度为9～10级。
一阶段开轧温度≥1050℃，按钢板厚度二阶段开轧温度和终轧温度为：
(1)10～40mm钢板，二阶段开轧温度890～930℃，终轧温度820～880℃；
(2)40～80mm钢板，二阶段开轧温度870～910℃，终轧温度800～860℃；
2)热处理：正火处理，钢板组织控制为多边形铁素体+珠光体，铁素体含量与珠光体含量比值为2.3～4，钢板晶粒度为8～9级。
步骤2)中正火处理为：880～940℃正火，保温速率2～4min/mm。
实施例
钢板成分见表1。
表1：化学成分wt％
| C | Si | Mn | P | S | Ni | Al | |
| 实施例1 | 0.10 | 0.38 | 1.60 | 0.075 | 0.0040 | 0.55 | 0.015 |
| 实施例2 | 0.13 | 0.22 | 1.70 | 0.074 | 0.0023 | 0.71 | 0.018 |
| 实施例3 | 0.11 | 0.37 | 1.35 | 0.052 | 0.0015 | 0.45 | 0.020 |
| 实施例4 | 0.15 | 0.33 | 1.50 | 0.024 | 0.0046 | 0.66 | 0.019 |
| 实施例5 | 0.14 | 0.30 | 1.65 | 0.031 | 0.0049 | 0.59 | 0.021 |
| 实施例6 | 0.115 | 0.25 | 1.55 | 0.023 | 0.0036 | 0.45 | 0.028 |
| 实施例7 | 0.145 | 0.31 | 1.45 | 0.050 | 0.0029 | 0.48 | 0.016 |
| 实施例8 | 0.135 | 0.22 | 1.40 | 0.056 | 0.0019 | 0.31 | 0.026 |
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
钢板晶粒度级别及铁素体含量与珠光体含量比值见表3。
表3钢板晶粒度级别及铁素体含量与珠光体含量之比
表4为钢板力学性能。
表4钢板力学性能
上述方法，可用于温度不低于-80℃环境下低温容器、低温储罐、低温结构等领域的工程建造。
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 (1)
1.一种具有优良低温韧性的300MPa级低温钢，其特征在于，屈服强度ReL≥300MPa，抗拉强度Rm≥500MPa，延伸率A≥30％，-80℃KV2≥200J，无需添加Nb、V、Ti微合金元素，无需添加Cr、Mo、B强化元素，化学成分按重量百分比计为：C：0.10％～0.15％，Si：0.20％～0.40％，Mn：1.4％～1.7％，Ni：0.45％～0.80％，Al：0.015％～0.030％，S：≤0.005％，P：≤0.008％，余量为Fe和杂质；其中10C+Mn：2.45％～3％，制造方法，包括：工艺流程：转炉冶炼—LF或RH精炼—连铸—钢坯加热—除磷—轧制—热处理；其中：
1)轧制：采用两阶段控制轧制，轧制后空冷，将钢板的显微组织控制为等轴铁素体+珠光体，铁素体含量与珠光体含量之比为9～9.6:1，钢板晶粒度为9～10级；一阶段开轧温度≥1050℃，按钢板厚度二阶段开轧温度和终轧温度为：
(1)10～40mm钢板，二阶段开轧温度890～930℃，终轧温度820～880℃；
(2)40～80mm钢板，二阶段开轧温度870～910℃，终轧温度800～860℃；
2)热处理：正火处理，880～940℃正火，保温速率2～4min/mm，空冷，无需水冷工序，无需矫直工艺，钢板组织控制为多边形铁素体+珠光体，铁素体含量与珠光体含量比值为2.3～4，钢板晶粒度为8～9级。
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