CN1840725A - 一种低温高韧性结构用钢及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种低温高韧性结构用钢，其化学成分(wt％)C 0.04～0.08、Si 0.60～0.80、Mn 1.65～2.15、Nb 0.055～0.075、Ti 0.010～0.020、AlT 0.025～0.045、P≤0.012、S≤0.003、O≤0.0015、N 0.008～0.012、其余为Fe和不可避免杂质。其制造方法包括如下步骤，转炉或电炉冶炼、真空炉精炼；铸造；钢坯再加热，加热温度：1130～1170℃；轧制，终轧前三道次总变形率≥55％，终轧道次变形率25～33％；轧后等待30－50秒后，以15～30℃/S的速度进行快速冷却，终冷温度：350～450℃；TMCP、精整。本发明无需加入Ni、Mo等贵重元素；采用TMCP+RPC工艺生产；生产工艺简单，只需进行控制轧制和轧后冷却。
Description
技术领域
本发明属于结构钢领域，特别涉及一种低温高韧性结构用钢及其制造方法。
背景技术
随着对石油气、天然气等长途运输需求不断增加，液化装置和储存设备的制造需要越来越多的耐低温高强度高韧性钢。除了较高的强度(屈服强度≥390MPa)外，还要具有良好的低温韧性。按照一般标准，设计使用温度低于-110℃，甚至达到-165℃。
表1是挪威船级社(DNV)船舶入级规范对低温及超低温韧性钢力学性能与设计工作温度的具体规定与本发明的对比(未包括NV9Ni钢，表中最后一行为本发明所设计的钢种)。
表1：DNV船级社规范对超低温钢设计温度及钢的力学性能的规定
| 钢种 | 热处理 | 最小屈服强度MPa，厚度，mm | 抗拉强度MPa | 最小延伸率％ | 夏比V型缺口冲击试验平均冲击功AKV | 最低设计温度，℃ | ||||
| ≤30 | ＞30≤40 | 厚度mm | 试验温度，℃ | 横向，JMin | 纵向，JMin | |||||
| NV1.5Ni | 正火，正火加回火或淬火加回火 | 275 | 265 | 470～640 | 22 | ≤25＞25～30＞30～35＞35～40 | -65-70-75-80 | 27 | 41 | -60 |
| NV3.5Ni | 345 | 335 | 540～690 | 22 | ≤25＞25～30＞30～35＞35～40 | -95-100-105-110 | -90 | |||
| NV5Ni | 390 | 380 | 570～710 | 21 | ≤25＞25～30＞30～35＞35～40 | -110-115-120-125 | -105 | |||
从表1分析可知，由于这些钢要求在低温下具有较好的韧性，普通的热轧C-Mn结构钢常用的生产方法是在钢中均需加入较高的Ni(较贵重的元素，约150000元/吨。作用：提高淬透性，降低马氏体转变点，增加残余奥氏体的形成倾向，并通过对化学成分的影响而增加铁素体基体解理能力而改善基体的低温韧性。此外，含镍钢的铸坯在加热时容易形成很难去除的氧化铁皮，必须采用机械加工或砂轮等对表面进行预清理，或者在钢坯加热前要进行包裹铁皮处理，以防止在加热过程中进一步产生氧化铁皮。因此，含镍钢的加热轧制工序十分复杂和繁琐)和含量不等的Cr(强的降低贝氏体转变点温度，弱的降低马氏体转变点温度，提高贝氏体淬透性和强度)或Mo(较贵重的元素，约650000元/吨。提高淬透性，固溶强化铁素体，形成稳定的碳化物，细化晶粒)等元素，或者不加入或少加入上面的Ni、Cr或Mo元素而进行多次热处理(如正火，正火+回火，或淬火+回火等，工艺繁杂，费工费时)，从而得到细化的铁素体加贝氏体组织，使得最终的产品在较低的温度下具有较好的强韧性。总之，现有的低温高韧性结构钢的成分和加工工艺复杂，成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低温高韧性结构用钢及其生产方法，该钢在超低温度下具有良好的韧性，可以用于制造液化气储罐、在低温或超低温度下工作的工程及机械结构以及液化石油气、液化天然气船体结构，替代高Ni调质钢，其生产工艺简化(仅需控轧和轧后快冷)，从而使超低温钢的生产成本得到大幅度降低，同时效率得到提高。
目前使用的超低温钢通常采用高Ni调质工艺生产，工艺复杂且成本很高。例如，最低设计工作温度为-105℃的5Ni钢(含5％Ni)，需进行正火加回火或淬火加回火处理，并且由于Ni含量高易氧化而必须对钢坯表面进行特殊处理和保护，因此工序十分复杂，钢板的制造成本约在2万元以上。本发明所设计的不含Ni高强钢，只需进行Nb和Ti微合金化。该钢在超低温度下具有良好的韧性，可以用于制造液化气储罐、在低温或超低温度下工作的工程及机械结构以及液化石油气、液化天然气船体结构，替代高Ni调质钢，其生产工艺简化(仅需控轧和轧后快冷)，从而使超低温钢的生产成本得到大幅度降低，同时效率得到提高。
为达到上述目的，本发明的技术方案是，一种低温高韧性结构用钢，
其化学成分：(wt％)
C 0.04～0.08
Si 0.60～0.80
Mn 1.65～2.15
Nb 0.055～0.075
Ti 0.010～0.020
AlT 0.025～0.045
P≤0.012
S≤0.003
O≤0.0015
N 0.008～0.012
其余为Fe和不可避免杂质。
本发明一种低温高韧性结构用钢的制造方法，其包括如下步骤，
a.冶炼、铸造，转炉或电炉冶炼、真空炉精炼；
b.钢坯再加热，加热温度：1130～1170℃，保温时间：0.8～1.2分钟×坯厚度(mm)；
c.轧制，开轧温度：1000～1050℃，钢坯1000℃以上单道次变形率≥30％，在950℃以上的累计变形量≥50％，850℃以下累计变形量≥70％，终轧前三道次总变形率≥55％，终轧道次变形率25～33％，终轧温度：750～780℃；
d.冷却，轧制结束后空冷30～50秒钟，然后按照15～30℃/S的速度进行快速冷却，终冷温度：350～450℃。
本发明的有益效果
①无需加入Ni、Mo等贵重元素；
②由于本发明钢种采用TMCP(热机械控制工艺)+RPC(弛豫析出控制相变)工艺生产，为了增加Nb的析出密度，细化其析出粒度，从而进一步细化贝氏体和铁素体组织，故将Nb和N的加入量适当提高；
③本发明钢种生产工艺简单，只需进行控制轧制和轧后冷却，为了增加Nb的析出、同时细化贝氏体组织，在入水快冷之前，要进行30～50秒的驰豫。
④通过模型的计算和试验的验证，钢的显微组织控制为多边形铁素体+贝氏体，且多边形铁素体比例为：8～15％，铁素体晶粒直径≤8微米。
本发明可以在不添加贵重的镍元素的情况下，用于制造最低温度达-120℃超低温韧性良好的高强钢(钢的焊接性优良)，由此带来以下方面的有益效果：
钢的制造成本大幅度降低。按照目前普遍使用的技术，冲击试验温度为-120℃的超低温钢需要添加约5％的镍元素，若按12万元/吨计算(镍的产品收得率按92％计算)，仅此一项即节约成本652元/吨钢；
含镍钢的铸坯必须采用机械加工或砂轮等对表面进行预清理，去除表面严重的氧化铁皮。此外，在钢坯加热前要进行包裹铁皮处理，以防止在加热过程中进一步产生氧化铁皮。因此，含镍钢的加热轧制工序十分复杂和繁琐。本发明则完全无需进行额外的清理和防护措施。
含镍钢需要进行正火、正火+回火或淬火+回火处理，工序复杂，周期较长，同时又增加了制造成本，本发明提供的技术则完全无需进行任何热处理，简化了制造工序、降低了生产成本、缩短了制造周期。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
图2为本发明试验温度-冲击功(横向)关系曲线(实施例5)。
具体实施方式
实施例见图1、表2。
本发明设计的钢种的不需要加入上面贵重的Ni、Cr或Mo等元素，只需要稍微增加很便宜的Si(极为便宜。固溶强化，降低贝氏体转变点，并使贝氏体C曲线右移，抑制过冷奥氏体分解，增加残余奥氏体体积分数并稳定奥氏体，促进贝氏体中的铁素体之间富碳奥氏体膜的形成，提高韧性)、Mn(便宜。强降低贝氏体点，弱降低马氏体点，提高淬透性和强度)和微量的Nb和Ti(Nb和Ti都是微合金化元素，可以通过析出来控制晶粒的长大，提高强度)等元素和一定的控轧控冷工艺(TMCP)，即可以满足在较低的温度下具有较好的强韧性的要求。表3为本发明与对比文献的对照表。
从表3中可以看出，以前的低温结构用钢，或者(1)在化学成分上添加较高的Ni、Cr或Mo等贵重元素，而减少后面的复杂的热处理工序，或者不添加或少添加Ni、Cr或Mo等贵重元素，在后序要采用复杂的热处理工序如正火、回火。
本发明则不需要添加贵重的Ni、Cr或Mo元素，只需在适当提高便宜的Si和Mn的情况下，添加极其微量的Nb和Ti，并在轧制和冷却中采用TMCP和RCP等较为简便的工艺，不需要后续的复杂热处理，即可以达到前面的效果。
表2
| 序号 | 化学成分(wt％) | 铸坯加热温度℃ | 轧制工艺(钢坯厚度：210mm) | 冷却参数℃/S | 机械性能 | |||||||||||
| C | Si | Mn | Al | Nb | TI | N | O | 屈服强度MPa | 抗拉强度MPa | 延伸率％ | -120℃横向V型冲击功，J均值 | |||||
| 1030～900℃：轧制厚度mm | 850-750℃轧制厚度mm | |||||||||||||||
| 1 | 0.04 | 0.60 | 2.15 | 0.025 | 0.065 | 0.015 | 0.0120 | 0.0015 | 1150 | 250-120 | 120-30 | 20 | 510 | 600 | 27 | 98 |
| 2 | 0.04 | 0.60 | 2.10 | 0.025 | 0.065 | 0.015 | 0.0120 | 0.0015 | 1150 | 250-120 | 120-30 | 20 | 490 | 590 | 29.5 | 105 |
| 3 | 0.08 | 0.80 | 1.65 | 0.036 | 0.075 | 0.020 | 0.0080 | 0.0012 | 1150 | 250-110 | 140-30 | 25 | 465 | 655 | 24 | 87 |
| 4 | 0.08 | 0.75 | 1.65 | 0.036 | 0.065 | 0.017 | 0.0080 | 0.0012 | 1150 | 250-110 | 140-30 | 25 | 450 | 650 | 25 | 91 |
| 5 | 0.06 | 0.70 | 1.65 | 0.035 | 0.055 | 0.015 | 0..0090 | 0.0015 | 1150 | 300-150 | 150-35 | 20 | 455 | 600 | 30 | 107 |
| 6 | 0.06 | 0.65 | 1.80 | 0.035 | 0.060 | 0.012 | 0.0090 | 0.0012 | 1150 | 250-120 | 120-25 | 18 | 405 | 595 | 29.5 | 102 |
| 7 | 0.08 | 0.65 | 1.90 | 0.045 | 0.070 | 0.010 | 0.0095 | 0.0014 | 1150 | 210-100 | 100-20 | 25 | 485 | 655 | 27 | 78 |
| 8 | 0.08 | 0.60 | 1.90 | 0.045 | 0.070 | 0.010 | 0.0095 | 0.0014 | 1150 | 210-100 | 100-20 | 25 | 470 | 650 | 26.5 | 75 |
表3
| 化学成分(wt％) | |||||||||||||
| C | Si | Mn | Ni | Cr | Mo | Nb | Ti | AlT | N | P | S | 其他 | |
| KR200155561A | 0.04-0.07 | 0.15-0.25 | 1.50-1.65 | 0.10-0.30 | -- | 0.10-0.30 | 0.040-0.060 | 0.010-0.020 | -- | ≤0.010 | ≤0.003 | ||
| KR9957924A | 0.19-0.20 | 0.15-0.25 | 1.35-1.45 | 0.80-0.90 | 0.17-0.20 | 0.05-0.45 | -- | 0.020-0.030 | 70-90ppm | ＜0.010 | ＜0.010 | N/Al＝0.23-0.45 | |
| JP98213043A | 0.03-0.10 | 0.01-0.50 | 0.30-2.00 | 0.30-1.50 | -- | 0.05-0.30 | 0.005-0.03 | 0.005-0.03 | 0.015 | Cu：0.70-1.50 | |||
| KR9959380A | 0.04-0.09 | ＜0.30 | 0.55-0.85 | 8.50-9.50 | -- | -- | -- | -- | -- | -- | ≤0.006 | ≤0.003 | 3次热处理：800-840℃+水冷/680-700℃+水冷/570-590℃+水冷。 |
| 船级社标准CCS、DNV、GL、LR | ≤0.12 | 0.10-0.35 | 0.30-0.90 | 4.70-5.30 | -- | -- | -- | -- | ≥0.015 | -- | ≤0.025 | ≤0.020 | 正火或正火+回火，或淬火+回火 |
| JIS G 3126：2000 SLA65，SLA 410 | ≤0.18 | ≤0.55 | 0.80-1.60 | ≤0.030 | ≤0.025 | 淬火+回火或TMCP可以添加合金元素 | |||||||
| 本发明 | 0.04-0.08 | 0.60-0.80 | 1.65-2.15 | -- | -- | -- | 0.055-0.075 | 0.010-0.020 | 0.025-0.045 | 80-120 | ≤0.012 | ≤0.003 | TMCP(控轧+AcC) |
图2为钢板(实施例5)系列温度夏比V型横向冲击曲线。可见当试验温度达到-120℃时，钢的冲击功仍然满足在此温度下的韧性要求(27焦耳以上)，完全达到相关标准的低温韧性水平。
Claims (2)
1.一种低温高韧性结构用钢，其化学成分：(wt％)
C 0.04～0.08
Si 0.60～0.80
Mn 1.65～2.15
Nb 0.055～0.075
Ti 0.010～0.020
AlT 0.025～0.045
P≤0.012
S≤0.003
O≤0.0015
N 0.008～0.012
其余为Fe和不可避免杂质。
2.一种低温高韧性结构用钢的制造方法，其包括如下步骤，
a.按上述成分冶炼、铸造；
b.钢坯再加热，加热温度：1130～1170℃，保温时间：0.8～1.2分钟×坯厚度(mm)；
c.轧制，开轧温度：1000～1050℃，钢坯1000℃以上单道次变形率≥30％，在950℃以上的累计变形量≥50％，850℃以下累计变形量≥70％，终轧前三道次总变形率≥55％，终轧道次变形率25～33％，终轧温度：750～780℃；
d.冷却，轧制结束后空冷30～50秒钟，然后按照15～30℃/S的速度进行快速冷却，终冷温度：350～450℃。
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Granted publication date: 20080604 Termination date: 20170330 |