一種低溫高韌性結構用鋼及其製造方法
2023-12-03 05:02:21 2
專利名稱：一種低溫高韌性結構用鋼及其製造方法
技術領域：
本發明屬於結構鋼領域，特別涉及一種低溫高韌性結構用鋼及其製造方法。
背景技術：
隨著對石油氣、天然氣等長途運輸需求不斷增加，液化裝置和儲存設備的製造需要越來越多的耐低溫高強度高韌性鋼。除了較高的強度(屈服強度≥390MPa)外，還要具有良好的低溫韌性。按照一般標準，設計使用溫度低於-110℃，甚至達到-165℃。
表1是挪威船級社(DNV)船舶入級規範對低溫及超低溫韌性鋼力學性能與設計工作溫度的具體規定與本發明的對比(未包括NV9Ni鋼，表中最後一行為本發明所設計的鋼種)。
表1DNV船級社規範對超低溫鋼設計溫度及鋼的力學性能的規定
從表1分析可知，由於這些鋼要求在低溫下具有較好的韌性，普通的熱軋C-Mn結構鋼常用的生產方法是在鋼中均需加入較高的Ni(較貴重的元素，約150000元/噸。作用提高淬透性，降低馬氏體轉變點，增加殘餘奧氏體的形成傾向，並通過對化學成分的影響而增加鐵素體基體解理能力而改善基體的低溫韌性。此外，含鎳鋼的鑄坯在加熱時容易形成很難去除的氧化鐵皮，必須採用機械加工或砂輪等對表面進行預清理，或者在鋼坯加熱前要進行包裹鐵皮處理，以防止在加熱過程中進一步產生氧化鐵皮。因此，含鎳鋼的加熱軋制工序十分複雜和繁瑣)和含量不等的Cr(強的降低貝氏體轉變點溫度，弱的降低馬氏體轉變點溫度，提高貝氏體淬透性和強度)或Mo(較貴重的元素，約650000元/噸。提高淬透性，固溶強化鐵素體，形成穩定的碳化物，細化晶粒)等元素，或者不加入或少加入上面的Ni、Cr或Mo元素而進行多次熱處理(如正火，正火+回火，或淬火+回火等，工藝繁雜，費工費時)，從而得到細化的鐵素體加貝氏體組織，使得最終的產品在較低的溫度下具有較好的強韌性。總之，現有的低溫高韌性結構鋼的成分和加工工藝複雜，成本高。
發明內容
本發明的目的在於提供一種低溫高韌性結構用鋼及其生產方法，該鋼在超低溫度下具有良好的韌性，可以用於製造液化氣儲罐、在低溫或超低溫度下工作的工程及機械結構以及液化石油氣、液化天然氣船體結構，替代高Ni調質鋼，其生產工藝簡化(僅需控軋和軋後快冷)，從而使超低溫鋼的生產成本得到大幅度降低，同時效率得到提高。
目前使用的超低溫鋼通常採用高Ni調質工藝生產，工藝複雜且成本很高。例如，最低設計工作溫度為-105℃的5Ni鋼(含5％Ni)，需進行正火加回火或淬火加回火處理，並且由於Ni含量高易氧化而必須對鋼坯表面進行特殊處理和保護，因此工序十分複雜，鋼板的製造成本約在2萬元以上。本發明所設計的不含Ni高強鋼，只需進行Nb和Ti微合金化。該鋼在超低溫度下具有良好的韌性，可以用於製造液化氣儲罐、在低溫或超低溫度下工作的工程及機械結構以及液化石油氣、液化天然氣船體結構，替代高Ni調質鋼，其生產工藝簡化(僅需控軋和軋後快冷)，從而使超低溫鋼的生產成本得到大幅度降低，同時效率得到提高。
為達到上述目的，本發明的技術方案是，一種低溫高韌性結構用鋼，
其化學成分(wt％)C 0.04～0.08Si 0.60～0.80Mn 1.65～2.15Nb 0.055～0.075Ti 0.010～0.020AlT 0.025～0.045P≤0.012S≤0.003O≤0.0015N 0.008～0.012其餘為Fe和不可避免雜質。
本發明一種低溫高韌性結構用鋼的製造方法，其包括如下步驟，a.冶煉、鑄造，轉爐或電爐冶煉、真空爐精煉；b.鋼坯再加熱，加熱溫度1130～1170℃，保溫時間0.8～1.2分鐘×坯厚度(mm)；c.軋制，開軋溫度1000～1050℃，鋼坯1000℃以上單道次變形率≥30％，在950℃以上的累計變形量≥50％，850℃以下累計變形量≥70％，終軋前三道次總變形率≥55％，終軋道次變形率25～33％，終軋溫度750～780℃；d.冷卻，軋制結束後空冷30～50秒鐘，然後按照15～30℃/S的速度進行快速冷卻，終冷溫度350～450℃。
本發明的有益效果①無需加入Ni、Mo等貴重元素；②由於本發明鋼種採用TMCP(熱機械控制工藝)+RPC(弛豫析出控制相變)工藝生產，為了增加Nb的析出密度，細化其析出粒度，從而進一步細化貝氏體和鐵素體組織，故將Nb和N的加入量適當提高；③本發明鋼種生產工藝簡單，只需進行控制軋制和軋後冷卻，為了增加Nb的析出、同時細化貝氏體組織，在入水快冷之前，要進行30～50秒的馳豫。
④通過模型的計算和試驗的驗證，鋼的顯微組織控制為多邊形鐵素體+貝氏體，且多邊形鐵素體比例為8～15％，鐵素體晶粒直徑≤8微米。
本發明可以在不添加貴重的鎳元素的情況下，用於製造最低溫度達-120℃超低溫韌性良好的高強鋼(鋼的焊接性優良)，由此帶來以下方面的有益效果鋼的製造成本大幅度降低。按照目前普遍使用的技術，衝擊試驗溫度為-120℃的超低溫鋼需要添加約5％的鎳元素，若按12萬元/噸計算(鎳的產品收得率按92％計算)，僅此一項即節約成本652元/噸鋼；含鎳鋼的鑄坯必須採用機械加工或砂輪等對表面進行預清理，去除表面嚴重的氧化鐵皮。此外，在鋼坯加熱前要進行包裹鐵皮處理，以防止在加熱過程中進一步產生氧化鐵皮。因此，含鎳鋼的加熱軋制工序十分複雜和繁瑣。本發明則完全無需進行額外的清理和防護措施。
含鎳鋼需要進行正火、正火+回火或淬火+回火處理，工序複雜，周期較長，同時又增加了製造成本，本發明提供的技術則完全無需進行任何熱處理，簡化了製造工序、降低了生產成本、縮短了製造周期。
圖1為本發明的工藝流程圖。
圖2為本發明試驗溫度-衝擊功(橫向)關係曲線(實施例5)。
具體實施例方式
實施例見圖1、表2。
本發明設計的鋼種的不需要加入上面貴重的Ni、Cr或Mo等元素，只需要稍微增加很便宜的Si(極為便宜。固溶強化，降低貝氏體轉變點，並使貝氏體C曲線右移，抑制過冷奧氏體分解，增加殘餘奧氏體體積分數並穩定奧氏體，促進貝氏體中的鐵素體之間富碳奧氏體膜的形成，提高韌性)、Mn(便宜。強降低貝氏體點，弱降低馬氏體點，提高淬透性和強度)和微量的Nb和Ti(Nb和Ti都是微合金化元素，可以通過析出來控制晶粒的長大，提高強度)等元素和一定的控軋控冷工藝(TMCP)，即可以滿足在較低的溫度下具有較好的強韌性的要求。表3為本發明與對比文獻的對照表。
從表3中可以看出，以前的低溫結構用鋼，或者(1)在化學成分上添加較高的Ni、Cr或Mo等貴重元素，而減少後面的複雜的熱處理工序，或者不添加或少添加Ni、Cr或Mo等貴重元素，在後序要採用複雜的熱處理工序如正火、回火。
本發明則不需要添加貴重的Ni、Cr或Mo元素，只需在適當提高便宜的Si和Mn的情況下，添加極其微量的Nb和Ti，並在軋制和冷卻中採用TMCP和RCP等較為簡便的工藝，不需要後續的複雜熱處理，即可以達到前面的效果。
表2
表3
圖2為鋼板(實施例5)系列溫度夏比V型橫向衝擊曲線。可見當試驗溫度達到-120℃時，鋼的衝擊功仍然滿足在此溫度下的韌性要求(27焦耳以上)，完全達到相關標準的低溫韌性水平。
權利要求
1.一種低溫高韌性結構用鋼，其化學成分(wt％)C 0.04～0.08Si 0.60～0.80Mn 1.65～2.15Nb 0.055～0.075Ti 0.010～0.020AlT0.025～0.045P≤0.012S≤0.003O≤0.0015N 0.008～0.012其餘為Fe和不可避免雜質。
2.一種低溫高韌性結構用鋼的製造方法，其包括如下步驟，a.按上述成分冶煉、鑄造；b.鋼坯再加熱，加熱溫度1130～1170℃，保溫時間0.8～1.2分鐘×坯厚度(mm)；c.軋制，開軋溫度1000～1050℃，鋼坯1000℃以上單道次變形率≥30％，在950℃以上的累計變形量≥50％，850℃以下累計變形量≥70％，終軋前三道次總變形率≥55％，終軋道次變形率25～33％，終軋溫度750～780℃；d.冷卻，軋制結束後空冷30～50秒鐘，然後按照15～30℃/S的速度進行快速冷卻，終冷溫度350～450℃。
全文摘要
一種低溫高韌性結構用鋼，其化學成分(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、Al
文檔編號C21D7/00GK1840725SQ20051002477
公開日2006年10月4日 申請日期2005年3月30日 優先權日2005年3月30日
發明者王巍 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司