一種高強耐低溫鋼及其熱處理工藝的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于低溫用鋼的技術領域，涉及一種高強耐低溫鋼及其熱處理工藝，具體 涉及一種高強度低Ni系鐵素體型耐低溫鋼及其熱處理工藝。
【背景技術】
[0002] 在能源日趨緊張的情況下，全球液化天然氣（LNG)的生產和貿易日趨活躍。液化 天然氣（liquefied natural gas，簡稱為LNG)是天然氣經壓縮、冷卻至其沸點（-161. 5°C) 溫度后變成液體，通常液化天然氣儲存在-161. 5°C、0.1 MPa左右的低溫儲存罐內。與氣態(tài) 天然氣相比，液化后的天然氣只有原體積的1/625,非常便于存儲和運輸，并且單位重量的 液化天然氣地面運輸費用僅是管道運輸費用的1/6~1/7。
[0003] 目前，LNG船是國際公認的高技術、高難度、高附加值的"三高"產品，LNG船是在零 下162°C低溫下運輸液化氣的專用船舶，由于液化天然氣儲運溫度在_162°C以下，這就要 求用于儲運液化天然氣的材料在超低溫下具有良好的沖擊韌性，足夠的抗脆性開裂和止裂 能力。同時，韓國現(xiàn)代鋼鐵公司已開始著手低溫韌性中厚板和H型鋼的開發(fā)，目前的主要研 宄方向是高強度耐極低溫H型鋼，即屈服強度在460MPa以上，保證-20°C沖擊韌性的鋼材， 主要用于集裝箱船的最上層甲板，有利于北極航道的開發(fā)。
[0004] 富Ni鐵素體型低溫鋼合金化程度較低，價格低廉、低溫性能良好，逐漸發(fā)展成為 最具有實用性的低溫結構材料，廣泛應用于制造儲存和運輸?shù)蜏匾后w的大型容器。其中， 9Ni鋼的低溫性能更為優(yōu)異，是唯一在深冷下使用的富Ni鐵素體型鋼，除能在-162°C級儲 存液化天然氣外，還可以用于儲存液態(tài)氧（_183°C )，液態(tài)氮（_196°C )的結構材料，也能運 用到H型鋼和中厚板的開發(fā)中。但是，眾所周知，良好的低溫缺口韌性也是低溫鋼最重要的 技術要求，而Ni元素對低溫鋼的低溫韌性影響很大，含量越高影響越大。因此，有必要對高 強耐低溫鋼進一步研宄與探討。

【發(fā)明內容】

[0005] 鑒于以上所述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種高強耐低溫鋼及其熱 處理工藝，用于解決現(xiàn)有技術中缺乏具有良好的低溫強韌性組合且能夠用于低溫環(huán)境下使 用的結構鋼材及其制備方法的問題。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的及其他相關目的，本發(fā)明第一方面提供一種高強耐低溫鋼，由以 下質量百分比的元素組成：
[0007] Ni (鎳）：2· 0-7. 05 % ;C(碳）：0· 02-0. 1 % ;Si (硅）：0· 02-0. 1 % ;Mn (錳）： 0· 60-8. 00 % ;Cr (鉻）：0· 3-0. 5 % ;Mo (鉬）：0· 05-0. 6 % ;Cu (銅）：0· 02-0. 3 % ;A1 (鋁）： 0.03-2.0% ;P(磷）：彡 0.010% ;S(硫）：彡 0.002% ;N(氮）：0.004-0.010% ;0(氧）： 0· 0005-0. 002 % ;Ca (鈣）：0· 0005-0. 005 % ;余量為 Fe (鐵）。
[0008] 優(yōu)選地，所述一種高強耐低溫鋼，元素組成任選以下其一：
[0009] 1) 一種高強耐低溫鋼A，由以下質量百分比的元素組成：
[0010] Ni ：6. 85-7. 05 % ；C ：0. 045-0. 060 % ；Si ：0. 05-0. 08 % ；Mn ：0. 69-5. 00 % ；Cr ： 0. 3-0. 4 % ；Mo ：0. 05-0. 4 % ；Cu ：0. 02-0. 3 % ；A1 ：0. 036-0. 040 % ；P ： ^ 0. 009 % ；S ： 彡 0· 002% ;N :0· 004-0. 005% ;0:0· 0005-0. 002% ;Ca :0· 0005-0. 005% ;余量為 Fe ;
[0011] 2) -種高強耐低溫鋼B，由以下質量百分比的元素組成：
[0012] Ni ：2, 0-5. 75 % ；C ：0. 02-0. 1 % ；Si ：0. 02 % -〇. I % ；Mn ：4. 75-8. 00 % ；Cr ： 0. 3-0. 4 % ；Mo ：0. 15-0. 60 % ；Cu ：0. 02-0. 3 % ；A1 ：0. 044-0. 048 % ；P ： ^ 0. 009 % ；S ： 彡 0· 002% ;N :0· 004-0. 005% ;0:0· 0005-0. 002% ;Ca :0· 0005-0. 005% ;余量為 Fe ;
[0013] 3) -種高強耐低溫鋼C，由以下質量百分比的元素組成：
[0014] Ni ：5, 75-6. 85 % ；C ：0. 02-0. 1 % ；Si ：0. 02-0.1 % ；Mn ：0. 60-1. 00 % ；Cr ： 0. 3-0. 4 % ；Mo ：0. 05-0. 60 % ；Cu ：0. 02-0. 3 % ；A1 ：0. 036-0. 048 % ；P ： ^ 0. 009 % ；S ： 彡 0· 002% ;N :0· 004-0. 005% ;0:0· 0005-0. 002% ;Ca :0· 0005-0. 005% ;余量為 Fe。
[0015] 更優(yōu)選地，所述一種高強耐低溫鋼，由以下質量百分比的元素組成：
[0016] Ni ：2, 0-5. 75 % ；C ：0. 03-0. 08 % ；Si ：0. 04 % -〇. 08 % ；Mn ：4. 75-7. 00 % ；Cr ： 0. 3-0. 4 % ；Mo ：0. 2-0. 40 % ；Cu ：0. 02-0.1 % ；A1 ：0. 044-0. 048 % ；P ： ^ 0. 009 % ；S ： 彡 0· 002% ;N :0· 004-0. 005% ;0:0· 0005-0. 002% ;Ca :0· 0005-0. 001% ;余量為 Fe。
[0017] 本發(fā)明中高強耐低溫鋼的元素組成，其中，鎳是低溫鋼最基本最重要的合金元素。 鎳是非碳化物形成元素，它與碳作用不形成碳化物。隨著鎳含量的提高，冷卻時As點降低， 奧氏體的穩(wěn)定性增大，當鎳含量足夠高時，甚至在_196°C的液氮溫度下也不發(fā)生轉變，從而 得到單相奧氏體組織，因此鎳是形成和穩(wěn)定奧氏體的元素，加入鋼中的鎳與基體形成固溶 體，能顯著提高鐵素體的韌性，從而提高低溫鋼的低溫韌性。隨著鋼中鎳含量的增加，低溫 韌性提高，韌性一脆性轉變溫度降低，因此鎳又是提高鋼的低溫韌性、降低韌性-脆性轉變 溫度最有效的元素。低溫鋼中添加鎳量的多少要根據(jù)使用溫度和對低溫韌性的要求確定， 鎳含量過高，不但不經濟，而且也會損害焊接等工藝性能，同時還會降低材料的屈服強度。
[0018] 碳能顯著提高低溫鋼的強度，但低溫鋼通常都是低碳鋼，在保證強度的前提下，應 盡量降低鋼中的碳含量，以提高鋼的低溫韌性，降低轉變溫度，改善焊接性。錳在低溫鋼中 的作用與鎳類似，它對降低韌性-脆性轉變溫度也是有效的，通過提高低溫鋼中的Mn/c比， 可顯著提高鋼的韌性，另外，用適量的錳代替部分鎳，還可降低成本，提高經濟性。此外，在 低溫鋼中加入適量的鋁等元素，能夠細化鋼的晶粒，特別是在采用控制軋制和控制冷卻的 條件下，可大幅度改善低溫鋼的低溫韌性。
[0019] 同時，對于鎳系低溫鋼，在冶煉過程中最重要的是控制S、P、N和O等雜質元素的含 量，這是提高低溫鋼低溫韌性的重要手段。而加入適量的Cu元素可以提高強塑積，Cu富集 在奧氏體中使得更多的奧氏體保留下來，并且由于Cu的析出物的強化作用，強度提高又不 降低初性。
[0020] 本發(fā)明第二方面提供一種高強耐低溫鋼的熱處理工藝，包括以下步驟：
[0021] 1)將鋼材料中各元素組分按配比混合后冶煉，再板坯連鑄成鑄錠；
[0022] 所述冶煉為常規(guī)的鋼鐵冶煉技術。
[0023] 優(yōu)選地，所述板坯連鑄技術為：采用180t鐵水預處理站脫硫后，采用轉爐工藝脫P 技術吹煉扒渣后，在LF鋼包精煉爐深脫硫，同時調整合金成分；將Si-Ca線打入鋼液后，在 RH爐真空循環(huán)脫氣后，進行板壞連鑄后，緩冷后修磨。
[0024] 2)將步驟1)中獲得的鑄錠進行多步熱軋后空冷；
[0025] 優(yōu)選地，所述多步熱軋包括以下步驟：
[0026] 第一步：熱軋溫度：1045-1055°C，保溫時間：165-175分鐘；
[0027] 第二步：熱軋溫度：975-985°C，保溫時間：115-125分鐘；
[0028] 第三步：熱軋溫度：845-855°C，保溫時間：85-95分鐘；
[0029] 第四步：熱軋溫度：825-835°C，保溫時間：65-75分鐘；
[0030] 第五步：熱軋溫度：805-815°C，保溫時間：45-55分鐘；
[0031] 第六步：熱軋溫度：775-785°C，保溫時間：35-45分鐘；
[0032] 第七步：熱軋溫度：765-775°C，保溫時間：27-37分鐘；
[0033] 第八步：終軋溫度：745-755 °C，保溫時間：20-30分鐘。
[0034] 更優(yōu)選地，所述多步熱軋包括以下步驟：
[0035] 第一步：熱軋溫度：1050°C，保溫時間：170分鐘；
[0036] 第二步：熱軋溫度：980°C，保溫時間：120分鐘；
[0037] 第三步：熱軋溫度：850°C，保溫時間：90分鐘；
[0038] 第四步：熱軋溫度：830°C，保溫時間：70分鐘；
[0039] 第五步：熱軋溫度：810°C，保溫時間：50分鐘；
[0040] 第六步：熱軋溫度：780°C，保溫時間：40分鐘；
[0041] 第七步：熱軋溫度：770°C，保溫時間：32分鐘；
[0042] 第八步：終軋溫度：750 °C，保溫時間：25分鐘。
[0043] 優(yōu)選地，所述多步熱軋的每道次壓下率保持在20-30%。
[0044] 所述壓下率是指軋制和鍛壓時常用表示相對變形的壓下率表示變形程度，當多步 軋制壓下率盡量維持在一個穩(wěn)定范圍內時，乳制效果較好。
[0045] 3)將步驟2)中空冷后的鑄錠進行QLT熱處理，即得高強耐低溫鋼材料。
[0046] 優(yōu)選地，所述QLT熱處理包括以下步驟：
[0047] a)將空冷