CN115029528B - 储氢用低铁素体热轧不锈钢中板及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种不锈钢中板的制造方法，包括：对铸坯进行第一次加热、改轧轧制和表面修磨，得到中间坯；对所述中间坯进行第二次加热和成品轧制，得到热轧态成品钢板；对所述热轧态成品钢板进行固溶处理。本发明还提供了该制造方法得到的不锈钢中板以及该不锈钢中板在制造液氢储存容器中的用途。本发明的制造方法得到的不锈钢中板铁素体含量极低并具有较高的表面质量，能够极好地满足液氢储存容器对不锈钢材料的要求。

Description

储氢用低铁素体热轧不锈钢中板及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及不锈钢技术领域，具体涉及一种储氢用低铁素体热轧不锈钢中板及其制备方法和用途。
背景技术
氢能源是一种可再生、高燃烧值、易于利用又不污染环境的新型能源燃料，近年来氢能源的开发和利用逐渐受到重视。在氢能的开发利用中，制氢、储氢和氢的运输都是制约氢能发展的重要环节，其中储氢材料的研究开发是储氢环节的关键问题，液氢低温储存是氢气物理储存法中的一种形式。
超低温储氢容器是用于在-253℃环境下储存液态氢，由于液氢具有密度小、易燃易爆和腐蚀性等特点，且随着工作环境温度的降低，不锈钢有从奥氏体向马氏体组织转变的趋势，因此制造超低温氢储存容器的不锈钢材料对性能和表面要求极为苛刻，要求不锈钢材料中铁素体含量极低(≤3.00％)，表面不能有裂纹、夹杂等影响其后续加工使用的表面缺陷存在。但是，受制备工艺的制约，现有的不锈钢材料无法很好地满足制造超低温氢储存容器的要求。
因此，提供一种不锈钢中板的制造方法以便能够生产铁素体含量低、耐蚀性能优异、表面质量好的不锈钢中板，是目前行业内急需解决的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种储氢用低铁素体热轧不锈钢中板及其制备方法和用途。
具体来说，本发明是通过如下技术方案实现的：
一种不锈钢中板的制造方法，包括：
对铸坯进行第一次加热、改轧轧制和表面修磨，得到中间坯；
对所述中间坯进行第二次加热和成品轧制，得到热轧态成品钢板；
对所述热轧态成品钢板进行固溶处理。
可选地，所述铸坯的元素组成以重量百分比计为：C 0.05％～0.08％，Si0.40％～0.70％，Mn 1.00％～1.50％，P≤0.035％，S≤0.015％，Cr 16.5％～17.00，Ni 10.90％～11.20％，Mo 2.00％～2.30％，N 0.06％～0.10％和余量铁及不可避免的杂质。
可选地，所述第一次加热的加热温度是1250～1350℃，加热时间是2.5～3.5小时。
可选地，所述改轧轧制的压下率是10％～35％，所述中间坯的厚度是120～160mm。
可选地，所述第二次加热的加热温度是1220～1280℃，加热时间是2.5～4小时。
可选地，所述成品轧制包括粗轧和精轧，所述粗轧的道次变形率是7％～15％，所述精轧的开轧温度是980～1025℃。
可选地，所述固溶处理的加热温度是1050～1150℃，保温时间是15～120分钟。
一种采用上述的制造方法得到的不锈钢中板，铁素体重量百分含量在1.00％以下。
可选地，铁素体重量百分含量在0.50％以下。
采用上述的制造方法得到的不锈钢中板在制造液氢储存容器中的用途。
由上述技术方案可知，本发明的一种储氢用低铁素体热轧不锈钢中板及其制备方法和用途，具有如下有益效果：
本发明的制造方法不需要额外投入，技术效果明显，能够实现低成本、高利润的生产。
本发明的制造方法生产的不锈钢中板的铁素体含量低，耐蚀性能优异，表面质量好，能够极好地满足液氢超低温存储容器制造要求，可实现工业化批量生产。
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。除非另有说明，否则本发明中涉及的技术术语都具有本领域技术人员通常理解的含义。
针对超低温液氢储存容器对不锈钢材料的苛刻要求，本发明的发明人从冶炼成分控制、坯料修磨、坯材轧制设计、加热工艺、轧制工艺和热处理工艺等方法着手进行深入研究，从而提出了不锈钢中板的制造方法，借助该制造方法，能够得到满足超低温液氢储存容器要求的不锈钢中板。
本发明的不锈钢中板的制造方法包括：对铸坯进行第一次加热、改轧轧制和表面修磨，得到中间坯；对所述中间坯进行第二次加热和成品轧制，得到热轧态成品钢板；对所述热轧态成品钢板进行固溶处理。
本发明的不锈钢中板的制造方法的总的生产工艺流程是：坯料冶炼→坯料连铸→坯料修磨(一次)→坯料均质化加热(一次)→坯料改轧轧制→坯料修磨(二次)→坯料加热(二次)→坯料成品轧制→不锈钢板固溶处理→不锈钢板性能检验→不锈钢板酸洗钝化→不锈钢板表面及尺寸检验→包装交付。
下面结合一种优选的实施方案对本发明的制造方法进行详细说明，如下：
(1)冶炼成分优化设计
本发明主要是对S31608不锈钢材料的冶炼成分进行了优化调整，如表1所示。
表1
通过对冶炼成分的优化，能够使最终得到的不锈钢中板的马氏体低温转变温度低于-253℃，从而能够满足超低温储氢容器在-253℃环境下储存液态氢的要求。
本发明的发明人按照马氏体低温转变温度计算公式对上述成分进行了验证，确定上述成分的不锈钢中板的马氏体低温转变温度低于-253℃，其中，马氏体低温转变温度计算公式为Ms(℃)＝{75×(14.6-Cr)+110×(8.9-Ni)+60×(1.33-Mn)+50×(0.47-Si)+3000×[0.068-(C+N)]-32}/1.8，其中的各元素分别代表该元素的重量百分含量，例如Cr含量是16.50％，则公式中的Cr为16.50。
按照上述的成分设计，进行坯料冶炼、坯料连铸、坯料修磨，得到铸坯，具体采用的方法可以参考现有技术中的相关方案，此处不做赘述。
(2)铸坯的第一次加热、改轧轧制和表面修磨。
首先，对铸坯进行第一次加热，加热温度是1250～1350℃，加热时间是2.5～3.5小时。第一次加热为均质化加热，由于不锈钢中加入的合金元素多(例如，Cr、Ni、Mo、N)、含量高(例如，Cr 16.50～17.00％、Ni 10.90～11.20％、Mo 2.00～2.30％、N 0.06～0.10％)，致使不锈钢铸坯在冷却过程中从铸坯表层到铸坯心部会产生一定程度的组织不均匀和合金元素偏析等问题，借助于第一次加热，能够有效减少、消除不锈钢铸坯中成分和组织分布不均匀、偏析等问题。
第一次加热后的铸坯进行改轧轧制，所谓改轧轧制，是指铸坯原始厚度直接轧制到成品厚度时，为避免因轧制变形抗力大而产生的板形不良问题或轧制变形后期因塑性差而产生的材料开裂问题，将铸坯厚度轧制到成品厚度以上的一个中间厚度坯料的轧制工艺，但须确保中间坯料厚度是成品厚度的3倍以上。
在本发明中，改轧轧制的压下率是10％～35％，改轧轧制后的坯料厚度为120～160mm。本发明的不锈钢材料因其合金元素含量高、加热热传导慢引起的热裂纹敏感性较强和轧制变形抗力大问题，因此在均质化热处理之后进行改轧轧制，减小了中间坯第二次成品轧制变形率，从而能够减少(或消除)不锈钢成品钢板表面裂纹质量问题和板形不良问题几率。
改轧轧制后的不锈钢铸坯进行表面修磨，从而消除铸坯表面的裂纹等缺陷，得到中间坯。
(3)中间坯的第二次加热和成品轧制。
对中间坯进行第二次加热，加热温度是1220～1280℃，加热时间是2.5～4小时。第二次加热为坯料加热，目的是使不锈钢坯料内部温度均匀以提高材料的塑性，便于后续热轧轧制。
经过第二次加热的坯料进行成品轧制，其中，粗轧的开轧温度是1025～1050℃，包括8～13个道次，每个道次的道次变形率控制在7％～15％，在此基础上须确保精轧开轧温度(即为粗轧终轧温度)在980～1025℃范围，包括5～12个道次，每个道次的道次变形率控制在5％～10％，终轧温度不低于750℃。
通过对粗轧的道次变形率和精轧的开轧温度进行设计，能够有效避免开轧温度过低、道次变形率大造成板形废品、延展性轧制裂纹和开轧温度过高、道次变形率大造成的热裂纹等问题。当粗轧开轧温度过低、道次变形率大时，会造成不锈钢材料不能整体同步进行轧制延展变形，尤其是坯料的头、尾部分或板坯低温部分，势必会造成板形不良问题，甚至是板形轧制废品，更有甚者在钢板板面会形成延展性轧制裂纹；而当开轧温度过高时由不锈钢坯料在加热炉内长时间接触较高的烟气热辐射造成，不锈钢坯料表面有过热(严重者为过烧)加热不良问题产生，坯料表面晶粒粗化、晶界被氧化破坏，晶界结合力弱化，在道次变形率大的轧制条件下，晶界直接被撕裂形成裂纹。
经过成品轧制后，得到了热轧态的成品钢板。
(4)固溶处理。
对热轧态的成品钢板进行固溶处理，加热温度是1050～1150℃，保温时间是15～120分钟。固溶处理将不锈钢材料加热至1050℃以上并保温适当时间以消除轧制应力，高温分解热轧冷却过程中析出的碳化物、金属化合物和热轧组织的回复与再结晶，并通过快速冷却(现场采用水冷冷却)将高温状态的组织结构保留至室温，获得铁素体含量极低的奥氏体组织。
固溶处理之后获得铁素体含量极低(≤0.50％)和表面质量良好的液氢储存容器用S31608热轧不锈钢板。
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
(1)采用表2所示的冶炼成分，经验证，马氏体低温转变温度Ms为-354℃。进行坯料冶炼、坯料连铸、坯料修磨，得到铸坯，厚度为180mm。
(2)对铸坯进行第一次加热，加热温度是1260～1305℃，加热时间是2.7小时。然后进行改轧轧制，改轧铸坯的厚度是150mm，压下率是16.7％。随后进行表面修磨，得到中间坯。
(3)对中间坯进行第二次加热，加热温度是1245～1273℃，加热时间是2.9小时。然后进行成品轧制，粗轧道次变形率是7.89～13.33％(粗轧共13道次，各道次变形率依次是13.33％、9.23％、9.32％、9.35％、9.28％、11.36％、10.26％、11.43％、11.29％、10.91％、12.24％、11.63％、7.89％)，精轧的开轧温度是1005℃。
(4)进行固溶处理，加热温度是1063～1075℃，保温时间是16分钟，得到厚度是6mm的不锈钢中板。
对本实施例得到的不锈钢中板的各项性能进行检测，拉伸性能(Rp0.2、Rp1.0、Rm、A)检验依照国家标准GB/T 228.1-2021《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》，-196℃冲击性能检验依照国家标准GB/T 229-2020《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，硬度检验依照国家标准GB/T 231.1-2018《金属材料布氏硬度试验第1部分：试验方法》，铁素体含量检验依照国家标准GB/T 13305-2008《不锈钢中α-相面积含量金相测定法》，结果如表3所示。
实施例2
(1)采用表2所示的冶炼成分，经验证，马氏体低温转变温度Ms为-347℃。进行坯料冶炼、坯料连铸、坯料修磨，得到铸坯，厚度为180mm。
(2)对铸坯进行第一次加热，加热温度是1253～1310℃，加热时间是3.2小时。然后进行改轧轧制，改轧铸坯的厚度是160mm，压下率是11.1％。随后进行表面修磨，得到中间坯。
(3)对中间坯进行第二次加热，加热温度是1232～1272℃，加热时间是3.8小时。然后进行成品轧制，粗轧道次变形率是7.62～13.46％(粗轧共12道次，各道次变形率依次是12.50％、10.71％、8.80％、7.89％、7.62％、10.31％、11.49％、11.69％、11.76％、13.33％、13.46％、11.11％)，精轧的开轧温度是1013℃。
(4)进行固溶处理，加热温度是1065～1080℃，保温时间是21分钟，得到厚度是8mm的不锈钢中板。
对本实施例得到的不锈钢中板的各项性能进行检测(检测方法与实施例1相同)，结果如表3所示。
实施例3
(1)采用表2所示的冶炼成分，经验证，马氏体低温转变温度Ms为-330℃。进行坯料冶炼、坯料连铸、坯料修磨，得到铸坯，厚度为180mm。
(2)对铸坯进行第一次加热，加热温度是1255～1309℃，加热时间是3.5小时。然后进行改轧轧制，改轧铸坯的厚度是130mm，压下率是27.8％。随后进行表面修磨，得到中间坯。
(3)对中间坯进行第二次加热，加热温度是1232～1270℃，加热时间是3.5小时。然后进行成品轧制，粗轧道次变形率是7.32～13.79％(粗轧共8道次，各道次变形率依次是11.54％、10.43％、10.68％、10.87％、7.32％、11.84％、13.43％、13.79％)，精轧的开轧温度是1020℃。
(4)进行固溶处理，加热温度是1065～1076℃，保温时间是60分钟，得到厚度是30mm的不锈钢中板。
对本实施例得到的不锈钢中板的各项性能进行检测(检测方法与实施例1相同)，结果如表3所示。
表2
元素 实施例1 实施例2 实施例3
C(wt％) 0.061 0.056 0.056
Si(wt％) 0.50 0.46 0.49
Mn(wt％) 1.33 1.31 1.04
P(wt％) 0.026 0.026 0.026
S(wt％) 0.001 0.001 0.001
Cr(wt％) 16.83 16.86 16.84
Ni(wt％) 11.16 11.20 11.08
Mo(wt％) 2.12 2.07 2.15
N(wt％) 0.070 0.070 0.069
Fe 余量 余量 余量
表3
从表3的数据可以看出，采用本发明的制造方法得到的不锈钢中板铁素体含量极低，性能优异并且表面质量好，能够极好地满足制造液氢储存容器的要求。
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 (6)

1.一种储液氢用低铁素体热轧不锈钢中板的制造方法，其特征在于，包括：
对铸坯进行第一次加热、改轧轧制和表面修磨，得到中间坯；
对所述中间坯进行第二次加热和成品轧制，得到热轧态成品钢板；
对所述热轧态成品钢板进行固溶处理；
其中，所述铸坯的元素组成以重量百分比计为：C 0.05%~0.08%，Si 0.40%~0.70%，Mn1.00%~1.50%，P≤0.035%，S≤0.015%，Cr 16.5%~17.00，Ni 10.90%~11.20%，Mo 2.00%~2.30%，N 0.06%~0.10%和余量铁及不可避免的杂质；
所述第一次加热的加热温度是1250~1350℃，加热时间是2.5~3.5小时；所述改轧轧制的压下率是10%~35%，所述中间坯的厚度是120~160mm；所述第二次加热的加热温度是1220~1280℃，加热时间是2.5~4小时。
2.根据权利要求1所述的不锈钢中板的制造方法，其特征在于，所述成品轧制包括粗轧和精轧，所述粗轧的道次变形率是7%~15%，所述精轧的开轧温度是980~1025℃。
3.根据权利要求1所述的不锈钢中板的制造方法，其特征在于，所述固溶处理的加热温度是1050~1150℃，保温时间是15~120分钟。
4.一种采用权利要求1~3任一项所述的制造方法得到的不锈钢中板，其特征在于，铁素体重量百分含量在1.00%以下。
5.根据权利要求4所述的不锈钢中板，其特征在于，铁素体重量百分含量在0.50%以下。
6.权利要求4或5所述的不锈钢中板在制造液氢储存容器中的用途。
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