CN116121662B - 高钒型低温储罐用高锰钢及其两段式控制冷却制备方法 - Google Patents

高钒型低温储罐用高锰钢及其两段式控制冷却制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高钒型低温储罐用高锰钢及其两段式控制冷却制备方法，属于金属材料成形技术领域，解决低温高锰钢屈服强度和低温冲击韧性无法同步优化的技术问题，解决方案为：高钒型低温储罐用高锰钢采用高钒元素含量（0.4%~0.8%）的成分设计思路，经熔炼、热锻、热轧后采用两阶段控制冷却工艺：首先水冷至600℃~800℃，然后随炉冷却至室温，制得的低温高锰钢成分简单、成本低、性能优良，屈服强度＞435MPa，抗拉强度＞870MPa，伸长率≥44%，‑196°C下的低温冲击功≥65J，其具有优异的强韧性结合。

Description

高钒型低温储罐用高锰钢及其两段式控制冷却制备方法
技术领域
本发明属于金属材料成形技术领域，具体涉及的是一种高钒型低温储罐用高锰钢及其两段式控制冷却制备方法。
背景技术
近年来，凭借成本低、易焊接（相对于镍合金钢而言）和综合性能优良等特点，高锰钢成为非常理想的LNG 储罐替代材料。尽管国内外学者开发出了多种低温高锰钢，并对低温高锰钢的拉伸性能、冲击性能和焊接性能等进行了广泛的研究，但已开发出的低温高锰钢仍存在屈服强度偏低的问题，且屈服强度和低温冲击韧性无法同步优化，这严重制约着低温高锰钢的广泛应用。
目前，为了调控低温高锰钢的屈服强度，常在该类钢中微量加入钒元素。然而，由于钒元素在奥氏体中的溶解度很高，加之低温高锰钢在热轧后通常直接采用水冷的方式进行冷却，即热轧板在600°C~800°C（含钒碳化物的析出温度区间）之间停留的时间较短，冷却后的热轧板中含钒碳化物的析出量非常少，起到的强化效果也极其有限，难以使低温高锰钢的屈服强度显著提高。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，解决低温高锰钢屈服强度和低温冲击韧性无法同步优化的技术问题，本发明提供一种高钒型低温储罐用高锰钢及其两段式控制冷却制备方法。
本发明的设计构思为：采用高钒元素含量的成分设计思路，并辅以两阶段控制冷却工艺，使高锰钢中均匀析出大量尺寸细小的含钒碳化物，从而使高锰钢的屈服强度显著提高。由于含钒碳化物的尺寸细小，对低温冲击韧性的恶化作用较弱，高锰钢在具备高屈服强度的同时也有着优异的低温冲击韧性。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种高钒型低温储罐用高锰钢，其化学组成及其质量百分比为：C：0.3%~0.5%，Si：0.3%~0.8%，Mn：22%~26%，P≤0.02%，S≤0.01%，Al：1%~3%，Cu：0.5%~1%，V：0.4%~0.8%，Ti：0.05%~0.15%，Cr：0%~4%，余量为Fe及不可避免的杂质。
进一步地，室温条件下所述高钒型低温储罐用高锰钢的金相组织为纯奥氏体，奥氏体晶粒尺寸为16μm~25μm，屈服强度为436MPa~520MPa，抗拉强度为871MPa~980MPa，伸长率为44%~65%，-196℃时的冲击功为65J~125J。
一种高钒型低温储罐用高锰钢的两段式控制冷却制备方法，包括以下步骤：
S1、按照高钒型低温储罐用高锰钢的化学组成及其质量百分比称取原料，原料经熔炼后浇铸，制得钢锭；
S2、将步骤S1制备的钢锭加热至1150℃~1250℃，均匀化处理2h~4h，然后进行热锻，热锻温度为1150℃~980℃，制得锻坯；
S3、将步骤S2制得的锻坯重新加热至1150℃~1250℃，保温1h~2h，然后进行热轧，热轧温度为1150℃~1000℃，制得厚度为12mm~30mm的热轧板；
S4、将步骤S3制得的热轧板进行两阶段控制冷却：首先水冷至600℃~800℃，然后随炉冷却至室温，制得低温储罐用高锰钢板。
进一步地，在所述步骤S3中，热轧的轧制道次为7道次，且单道次压下率为13%~30%。
进一步地，在所述步骤S4中，水冷的冷却速度为30°C/s~40 °C/s。
高锰钢中钒元素的溶解度很高，不易析出，本发明在成分设计过程中大幅增加钒元素的含量（0.4%~0.8%，常规为0.01%~0.08%），成形过程的冷却工序匹配两阶段控制冷却，二者相辅相成，进而控制含钒碳化物的析出，起到析出强化的目的。由于含钒碳化物尺寸细小，即使析出量较多也不会对低温冲击韧性产生明显影响，所以制备出的高锰钢强韧性非常优秀。
与现有技术相比本发明的有益效果为：
1、本发明提供的高锰钢中C元素含量相对较低，这有利于保证实验钢在相应的低温下具有足够高的低温韧性，同时保证实验钢具有良好的焊接性能；
2、本发明采用两阶段控制冷却技术，实现了对含钒碳化物析出的有效控制，从而进一步实现了在保证高低温冲击韧性的前提下显著提高实验钢热轧板的屈服强度，与直接水冷的热轧板相比，采用两阶段控制冷却的热轧板的屈服强度可提高10%~22%，同时屈服强度与低温冲击韧性之间的矛盾也得到缓解。
附图说明
图1为实施例1制得的高钒型低温储罐用高锰钢的金相组织照片；
图2为实施例1制得的高钒型低温储罐用高锰钢的XRD图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细描述。
实施例1
本实施例1中高钒型低温储罐用高锰钢的化学组成及其质量百分比为：C：0.3%，Si：0.5%，Mn：26%，P≤0.01%，S≤0.01%，Al：2%，Cu：0.5%，V：0.4%，Ti：0.05%，Cr：2%，余量为Fe及不可避免的杂质。
一种高钒型低温储罐用高锰钢的两段式控制冷却制备方法，包括以下步骤：
S1、按照本实施例1中高钒型低温储罐用高锰钢的化学组成及其质量百分比称取原料，原料经熔炼后浇铸，制得钢锭；
S2、将步骤S1制备的钢锭加热至1150℃，均匀化处理2h，然后进行热锻，热锻温度为：始锻温度为1150℃，终锻温度为980℃，制得锻坯；
S3、将步骤S2制得的锻坯重新加热至1150℃，保温1h，然后进行热轧，热轧的轧制道次为7道次，单道次压下率依次为20%-28.57%-30%-25%-19.05%-17.65%-14.29%；热轧温度为：初轧温度为1150℃，终轧温度为1000℃，制得厚度为12mm的热轧板；
S4、将步骤S3制得的热轧板进行两阶段控制冷却：首先水冷至650℃，水冷的冷却速度为35°C/s；然后随炉冷却至室温，制得低温储罐用高锰钢板。
本实施例1制备的低温储罐用高锰钢力学性能测试结果如表1所示。
本实施例1制备的低温储罐用高锰钢进行金相观察和XRD测试，所得金相组织照片如图1所示，奥氏体晶粒尺寸为18μm，XRD图如图2所示，结果表明，本实施例1制备的低温储罐用高锰钢为单相奥氏体组织，且奥氏体晶粒均匀细小。
实施例2
本实施例2中高钒型低温储罐用高锰钢的化学组成及其质量百分比为：C：0.4%，Si：0.6%，Mn：24%，P≤0.02%，S≤0.01%，Al：2%，Cu：0.6%，V：0.5%，Ti：0.08%，Cr：1%，余量为Fe及不可避免的杂质。
一种高钒型低温储罐用高锰钢的两段式控制冷却制备方法，包括以下步骤：
S1、按照本实施例2中高钒型低温储罐用高锰钢的化学组成及其质量百分比称取原料，原料经熔炼后浇铸，制得钢锭；
S2、将步骤S1制备的钢锭加热至1150℃，均匀化处理3h，然后进行热锻，热锻温度为：始锻温度为1150℃，终锻温度为980℃，制得锻坯；
S3、将步骤S2制得的锻坯重新加热至1150℃，保温1.5h，然后进行热轧，热轧的轧制道次为7道次，单道次压下率依次为20%-25%-23.81%-21.88%-16%-14.29%-16.67%；热轧温度为：初轧温度为1150℃，终轧温度为1000℃，制得厚度为15mm的热轧板；
S4、将步骤S3制得的热轧板进行两阶段控制冷却：首先水冷至650℃，水冷的冷却速度为36°C/s；然后随炉冷却至室温，制得低温储罐用高锰钢板。
本实施例2制备的低温储罐用高锰钢力学性能测试结果如表1所示。
实施例3
本实施例3中高钒型低温储罐用高锰钢的化学组成及其质量百分比为：C：0.5%，Si：0.8%，Mn：22%，P≤0.01%，S≤0.01%，Al：1%，Cu：0.6%，V：0.8%，Ti：0.1%，Cr：3%，余量为Fe及不可避免的杂质。
一种高钒型低温储罐用高锰钢的两段式控制冷却制备方法，包括以下步骤：
S1、按照本实施例3中高钒型低温储罐用高锰钢的化学组成及其质量百分比称取原料，原料经熔炼后浇铸，制得钢锭；
S2、将步骤S1制备的钢锭加热至1200℃，均匀化处理2h，然后进行热锻，热锻温度为：始锻温度为1150℃，终锻温度为980℃，制得锻坯；
S3、将步骤S2制得的锻坯重新加热至1200℃，保温2h，然后进行热轧，热轧的轧制道次为7道次，单道次压下率依次为20%-25%-23.81%-21.88%-16%-14.29%-16.67%；热轧温度为：初轧温度为1150℃，终轧温度为1000℃，制得厚度为15mm的热轧板；
S4、将步骤S3制得的热轧板进行两阶段控制冷却：首先水冷至700℃，水冷的冷却速度为40°C/s；然后随炉冷却至室温，制得低温储罐用高锰钢板。
本实施例3制备的低温储罐用高锰钢力学性能测试结果如表1所示。
实施例4
本实施例4中高钒型低温储罐用高锰钢的化学组成及其质量百分比为：C：0.4%，Si：0.8%，Mn：24%，P≤0.01%，S≤0.01%，Al：2%，Cu：0.8%，V：0.8%，Ti：0.1%，Cr：2%，余量为Fe及不可避免的杂质。
一种高钒型低温储罐用高锰钢的两段式控制冷却制备方法，包括以下步骤：
S1、按照本实施例4中高钒型低温储罐用高锰钢的化学组成及其质量百分比称取原料，原料经熔炼后浇铸，制得钢锭；
S2、将步骤S1制备的钢锭加热至1200℃，均匀化处理2h，然后进行热锻，热锻温度为：始锻温度为1150℃，终锻温度为980℃，制得锻坯；
S3、将步骤S2制得的锻坯重新加热至1200℃，保温1h，然后进行热轧，热轧的轧制道次为7道次，单道次压下率依次为14.29%-20%-20.83%-15.79%-15.63%-14.81%-13.04%；热轧温度为：初轧温度为1150℃，终轧温度为1000℃，制得厚度为20mm的热轧板；
S4、将步骤S3制得的热轧板进行两阶段控制冷却：首先水冷至650℃，水冷的冷却速度为34°C/s；然后随炉冷却至室温，制得低温储罐用高锰钢板。
本实施例4制备的低温储罐用高锰钢力学性能测试结果如表1所示。
对实施例1~4中制备的低温储罐用高锰钢的力学性能进行测试，其中拉伸试验按GB/T 228.1-2010（金属材料拉伸试验 第1部分：室温试验方法）进行，冲击试验按GB/T229-2020（金属材料夏比摆锤冲击试验方法）进行，得到的结果如表1所示。
由表1可以看出，本发明的制备的高锰钢，其屈服强度在436~520MPa之间，抗拉强度大于870MPa，伸长率大于46%，-196℃冲击功大于65J。由此可见，本发明的高锰钢具有优秀的强韧性结合，在低温储罐制造领域有着非常广阔的应用前景。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.高钒型低温储罐用高锰钢，其特征在于：
高钒型低温储罐用高锰钢热轧板进行两阶段控制冷却：首先水冷至600℃~800℃，水冷的冷却速度为30°C/s~40°C/s；然后随炉冷却至室温，制得低温储罐用高锰钢板；
所述高钒型低温储罐用高锰钢的化学组成及其质量百分比为：C：0.3%~0.4%，Si：0.3%~0.8%，Mn：22%~26%，P≤0.02%，S≤0.01%，Al：1%~3%，Cu：0.5%~1%，V：0.8%，Ti：0.05%~0.15%，Cr：0%~4%，余量为Fe及不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的高钒型低温储罐用高锰钢，其特征在于：室温条件下所述高钒型低温储罐用高锰钢的金相组织为纯奥氏体，奥氏体晶粒尺寸为16μm~25μm，屈服强度为436MPa~520MPa，抗拉强度为871MPa~980MPa，伸长率为44%~65%，-196℃时的冲击功为65J~125J。
3.如权利要求1所述高钒型低温储罐用高锰钢的两段式控制冷却制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、按照高钒型低温储罐用高锰钢的化学组成及其质量百分比称取原料，原料经熔炼后浇铸，制得钢锭；
S2、将步骤S1制备的钢锭加热至1150℃~1250℃，均匀化处理2h~4h，然后进行热锻，热锻温度为1150℃~980℃，制得锻坯；
S3、将步骤S2制得的锻坯重新加热至1150℃~1250℃，保温1h~2h，然后进行热轧，热轧温度为1150℃~1000℃，制得厚度为12mm~30mm的热轧板；
S4、将步骤S3制得的热轧板进行两阶段控制冷却：首先水冷至600℃~800℃，然后随炉冷却至室温，制得低温储罐用高锰钢板。
4.根据权利要求3所述的高钒型低温储罐用高锰钢的两段式控制冷却制备方法，其特征在于：在所述步骤S3中，热轧的轧制道次为7道次，且单道次压下率为13%~30%。
5.根据权利要求3所述的高钒型低温储罐用高锰钢的两段式控制冷却制备方法，其特征在于：在所述步骤S4中，水冷的冷却速度为30°C/s~40°C/s。
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