專利名稱：：一種低溫用鋼及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及低溫用鋼板，特別屬于可承受大線能量焊接的鋼板及其制造工藝，主要用于LPG低溫儲罐和冰海區(qū)域海洋平臺的制造用材。
背景技術(shù)：
：眾所周知，低碳(高強度)低合金鋼是最重要工程結(jié)構(gòu)材料之一，廣泛應(yīng)用于石油天然氣管線、海洋平臺、船舶制造、橋梁結(jié)構(gòu)、鍋爐壓力容器、建筑結(jié)構(gòu)、汽車工業(yè)、鐵路運輸及機械制造之中。低碳(高強度)低合金鋼性能取決于其化學(xué)成分、制造過程的工藝制度，其中強度、韌性和焊接性是低碳(高強度)低合金鋼最重要的性能，它最終決定于成品鋼材的顯微組織狀態(tài)。隨著科技不斷地向前發(fā)展，人們對鋼的強韌性、焊接性提出更高的要求，即在維持較低制造成本的同時大幅度地提高鋼板的綜合機械性能和使用性能，以減少鋼材的用量而節(jié)約成本，減輕鋼構(gòu)件自身重量、穩(wěn)定性和安全性。目前世界范圍內(nèi)掀起了發(fā)展新一代高性能鋼鐵材料的研究高潮，通過合金組合設(shè)計、革新控軋/TMCP技術(shù)及熱處理工藝獲得更好的顯微組織匹配，從而使鋼板得到更高的強度韌性匹配、抗HIC及SCC性能、更優(yōu)良的焊接性。現(xiàn)有制造一8(TC的低溫橫向沖擊韌性(單個值)>120J的厚鋼板時，一般要在鋼中添加一定量的貴重合金元素Ni，以確保母材鋼板具有優(yōu)異的低溫韌性；但是采用大線能量焊接時，焊接熱影響區(qū)(HAZ)低溫韌性發(fā)生比較嚴重的劣化，熱影響區(qū)(HAZ)的低溫韌脆轉(zhuǎn)變溫度一般比較難以達到-8(TCEP0288054A2、USPatent4851052、EP0839921A1;大量專利文獻只是說明如何實現(xiàn)母材鋼板的低溫韌性，對于如何在焊接條件下，獲得優(yōu)良的熱影響區(qū)(HAZ)低溫韌性說明得較少，尤其采用大線能量焊接時如何保證熱影響區(qū)(HAZ)的低溫韌性少之又少昭63—93845、昭63—79921、昭60—258410、特平開4—285119、特平開4一308035、平3—264614、平2—250917、平4—143246、USPatent4855106、USPatent5183198、USPatent4137104。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種低溫用鋼及其制造方法。它能夠獲得極高的超低溫韌性，優(yōu)良的抗HIC/SCC及焊接性，而且鋼板可承受大線能量焊接。本發(fā)明構(gòu)思是低溫鋼板是厚板產(chǎn)品中難度最大的品種之一，其原因是該類鋼板不僅要求具有極高的超低溫韌性、優(yōu)良的焊接性、抗HIC及SCC性能，而且還要具有優(yōu)良的抗焊接再熱裂紋性能及可經(jīng)受大線能量焊接性能；因此在關(guān)鍵技術(shù)路線和成分工藝設(shè)計上，綜合了影響鋼板超低溫韌性、抗HIC/SCC、抗焊接再熱裂紋敏感性及可大線能量焊接性的因素，創(chuàng)造性地采用低C一中Mn—低N—微Nb合金化一超微Ti處理低合金鋼的成分體系作為基礎(chǔ)，適當(dāng)提高鋼中酸溶Als含量并控制其范圍、控制無因次Ni當(dāng)量>0.50及(Mn當(dāng)量)/C^15、少量的(Cu+Ni+Cr)合金化、Ca處理且Ca/S比控制在1.03.0之間及(。/。Ca)X(%S)°28《1.0X10—3，優(yōu)化控軋及后續(xù)熱處理工藝，獲得極高的超低溫韌性，優(yōu)良的抗HIC/SCC及焊接性，而且鋼板可承受大線能量焊接。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種低溫用鋼，其化學(xué)成分的重量百分配比為C:0.060%0.090%，Si:《0.20%，Mn:1.10%1.50%，P:《0.015%，S:《0.003%，Als:0.040%0.070%，Cu:0.05%0,45%，Ni:0.050.35%，Cr:0.05%0.30%，Ti:0.007%0.011%，Nb:0.007%0.020%,N:《0.0040%，Ca:0.001%0.005%，其余為Fe和不可避免的夾雜，且(Mn當(dāng)量)/C^15，以保證鋼板晶粒均勻細小且在一8(TC下夏比沖擊試樣斷口纖維率至少高于50%;其中Mn當(dāng)量=(%Mn)+0.915(%Ni)+0.283(%Cu)+0.374(%Cr)—O.785(%Si);無因次Ni當(dāng)量>0.50，以降低在超低溫下鐵素體位錯1/2<111>(110)運動的P—N阻力，確保一8(TC下鐵素體1/2〈111〉(110)位錯具有較高的可動性，改善鋼板的超低溫韌性，根據(jù)試驗研究并結(jié)合第一原理分析得出無因次Ni當(dāng)量=(%Ni)+[%Cu—2.112(%Cu)2]+[%Cr—2.834(%Cr)2]+[1.574(%Mn)—(%Mn)2]—1.017(%Si);Ti/N在2.04.0之間、Als》10[(%Nt。tal)—0.292(%Ti)]，以確保鋼板可承受大線能量焊接，HAZ低溫韌性優(yōu)良；Ni/Cu》1.0及Ca/S在1.03.0之間且(。/。Ca)X(%S)°28《1.OXl(T3，以保證鋼板具有優(yōu)良的抗HIC和SCC性能。碳0.06%0.09%:從改善鋼板的低溫沖擊韌性及焊接性角度，希望鋼中C含量比較低為宜；但從鋼板的強度，更重要的從熱軋過程和正火過程的顯微組織控制角度，C含量不宜過低，過低C含量導(dǎo)致奧氏體晶界遷移率高，這給熱軋和正火的均勻細化組織帶來較大問題，易形成混晶組織，同時過低C含量還造成晶界結(jié)合力降低，導(dǎo)致鋼板低溫沖擊韌性低下、焊接熱影響區(qū)低溫沖擊韌性劣化。硅《0.20%:Si促進鋼水脫氧并能夠提高鋼板強度，但是采用A1脫氧的鋼水，Si的脫氧作用不大，Si雖然能夠提高鋼板的強度，但是Si嚴重損害鋼板的低溫韌性和焊接性，尤其在大線能量焊接條件下，Si不僅促進M—A島形成，而且形成的M—A島尺寸大、分布不均勻，嚴重損害焊接熱影響區(qū)(HAZ)的低溫韌性和抗疲勞性能，因此鋼中的Si含量應(yīng)盡可能控制得低，考慮到煉鋼過程的經(jīng)濟性和可操作性。錳1.10%1.50%:Mn作為合金元素在鋼板中除提高強度和改善韌性外，還具有擴大奧氏體相區(qū)，降低Ad、Ac3、An、Ars點溫度，細化鐵素體晶粒之作用；加入過多Mn會增加鋼板內(nèi)部偏析程度，降低鋼板力學(xué)性能的均勻性和低溫韌性；并且提高鋼板的淬硬性，影響鋼板大線能量焊接性。而小線能量焊接時，焊接熱影響區(qū)易形成脆硬組織如馬氏體、上貝氏體。磷《0.015%:P作為鋼中有害夾雜對鋼板的低溫沖擊韌性和焊接性具有巨大的損害作用；理論上要求越低越好，考慮到煉鋼條件、煉鋼成本和煉鋼廠的物流順暢原則，要求P控制此含量。硫《0.003%:S作為鋼中有害夾雜對鋼板的低溫韌性(尤其橫向低溫韌性)損害作用很大，更重要的是S在鋼中與Mn結(jié)合，形成MnS夾雜物，在熱軋過程中，MnS的可塑性使MnS沿軋向延伸，形成沿軋向MnS夾雜物帶，嚴重損害鋼板的橫向低溫沖擊韌性、Z向性能和焊接性，同時S還是熱軋過程中產(chǎn)生熱脆性的主要元素；理論上要求越低越好，但考慮到煉鋼條件、煉鋼成本和煉鋼廠的物流順暢原則，要求S控制此含量。銅0.05%0.45%:作為奧氏體穩(wěn)定化元素，加入少量的Cu可以同時提高鋼板強度和低酸度環(huán)境下抗HIC性，改善低溫韌性而不損害其焊接性；但加入過多的Cu(^0.45。/。)時，在熱軋和正火處理過程中，將發(fā)生細小彌散的s-Cu沉淀(Cu在鐵素體中固溶度約0.45。/。左右)，損害鋼板的低溫韌性，同時還可能造成銅脆；但如果加入Cu含量過少(〈0.05。/。)，對提高強度、韌性及低酸度下抗HIC無效。鉻0.05%0.30%:作為鐵素體穩(wěn)定化元素，加入少量的Cr(《0.30。/。)可以在不損害鋼板的低溫韌性和焊接性條件下，提高其強度；可采用Cr替代部分C，降低鋼板的C含量，在不降低強度條件下，改善鋼板的低溫韌性和焊接性；因此低溫用鋼Cr合金化不可缺。但如果加入Cr含量過少(<0.05%)，對提高強度無效。鎳0.050.35%:Ni是鋼板獲得優(yōu)良超低溫韌性不可缺少的合金元素；同時鋼中加Ni還可以降低銅脆發(fā)生，減輕熱軋過程的開裂。因此從理論上講，鋼中Ni含量在一定范圍內(nèi)越高越好，但是Ni是一種很貴的合金元素，從低成本批量生產(chǎn)角度，適宜的加入量為0.05%0.35%，遠低于傳統(tǒng)的低溫用鋼的Ni含量，且較低的Ni含量有助于提高鋼板抗SCC和回火脆化，這也是本發(fā)明采用低Ni含量生產(chǎn)低溫用鋼的技術(shù)特色。氮《0.0040%:N的控制范圍與Ti的控制范圍相對應(yīng)，對于大線能量焊接鋼板，Ti/N在2.04.0之間最佳。N含量過低，生成TiN粒子數(shù)量少、尺寸大，不能起到改善鋼的焊接性的作用，反而對焊接性有害；但是N含量過高時，鋼中自由[N]增加，尤其大線能量焊接條件下熱影響區(qū)(HAZ)自由[N]含量急劇增加，嚴重損害HAZ低溫韌性，惡化鋼的焊接性。鈦0.007%0.011%:鋼中加入微量的Ti目的是與鋼中N結(jié)合，生成穩(wěn)定性很高的TiN粒子，抑制焊接HAZ區(qū)奧氏體晶粒長大和改變二次相變產(chǎn)物，改善大線能量焊接HAZ的低溫韌性。鋼中添加的Ti含量要與鋼中的N含量匹配，匹配的原則是TiN不能在液態(tài)鋼水中析出而必須在固相中析出；因此TiN的析出溫度必須確保低于1400°C，根據(jù)log[Ti][N]=—16192/T+4.72可以確定Ti的加入量。當(dāng)加入Ti含量過少(<0.007%)，形成TiN粒子數(shù)量不足，不足以抑制HAZ的奧氏體晶粒長大和改變二次相變產(chǎn)物而改善大線能量焊接HAZ的低溫韌性；加入Ti含量過多(>0.012%)時，TiN析出溫度超過1400。C，部分TiN顆粒在鋼液凝固過程中析出大尺寸的TiN粒子，這種大尺寸TiN粒子不但不能抑制HAZ的奧氏體晶粒長大，反而成為裂紋萌生的起始點；因此Ti含量的最佳控制范圍為0.007%0.011%。酸溶鋁(Als)0.040%0.070%:鋼板中的Als能夠固定鋼中的自由[N]，降低焊接熱影響區(qū)(HAZ)自由[N]，促進鐵素體在焊接冷卻循環(huán)中析出(先期析出的A1N可作為鐵素體的形核位置，細化HAZ的顯微組織)，改善大線能量焊接HAZ的低溫沖擊韌性作用；但鋼中加入過量的Als不但會在鋼中形成大量彌散的針狀A(yù)l203夾雜物，損害鋼板低溫沖擊韌性和焊接性，根據(jù)鋼板成分體系分析，最佳Als含量控制在0.040%0.070%之間。鈮0.007%0.020%:鋼中添加微量的Nb元素目的是進行未再結(jié)晶控制軋制，當(dāng)恥添加量低于0.007%時，不能有效發(fā)揮的未再結(jié)晶控軋作用；當(dāng)Nb添加量超過0.020%時，大線能量焊接條件下誘發(fā)上貝氏體(Bu)形成和Nb(C，N)二次析出脆化作用，嚴重損害大線能量焊接熱影響區(qū)(HAZ)的低溫韌性，因此Nb含量控制在0.007%0.020%之間，獲得最佳的控軋效果及均勻細小的顯微組織的同時，又不損害大線能量焊接HAZ的韌性。轉(zhuǎn)0.001%0.005%:對鋼進行Ca處理，一方面可以純凈鋼液，另一方面對鋼中硫化物進行變性處理，使之變成不可變形的、穩(wěn)定細小的球狀硫化物，抑制S的熱脆性、提高鋼板沖擊韌性和Z向性能、改善鋼板沖擊韌性的各向異性。Ca加入量的多少，取決于鋼中S含量的高低，Ca加入量過低，處理效果不大；Ca加入量過高，形成Ca(0，S)尺寸過大，脆性也增大，可成為斷裂裂紋起始點，降低鋼的低溫韌性，同時還降低鋼質(zhì)純凈度、污染鋼液。一般控制Ca含量按ACR=(wt%Ca)[1-1.24(wt%0)]/1.25(wt%S)，其中ACR為硫化物夾雜形狀控制指數(shù)，取值范圍1.03.0之間為宜。一種低溫用鋼的制造方法，其包含以下步驟(1)按照上述的化學(xué)成份重量百分配比，C:0.060%0.090%，Si:《0.20%，Mn:1.10%1.50%，P:《0.015°/。，S:《0.003%，Als:0.040%0,070%，Cu:0.05%0.45%,Ni:0,050.35%，Cr:0.05%0.300/0，Ti:0.007%0.011%,Nb:0.007%0.020%，N:《0.0040%，Ca:0.001%0.005%,其余為Fe和不可避免的夾雜，且(Mn當(dāng)量)/015，其中，Mn當(dāng)量=(%Mn)+0.915(%Ni)+0.283(%Cu)+0.374(%Cr)—O.785(%Si);無因次Ni當(dāng)量》0.50，其中，無因次Ni當(dāng)量=(%Ni)+[%Cu—2.112(o/oCu)2]+[%Cr—2.834(%Cr)2]+[1.574(%Mn)—(%Mn)2]—1.017(。/。Si);Ti/N為2.04.0;Als>10[(%Nt。tal)—0.292(%Ti)];Ni/Cu》1.0;Ca/S為1.03.0，_a(%Ca)X(%S)°28《1.0Xl(T3。(2)鐵水深度脫硫，轉(zhuǎn)爐冶煉，喂Si—Ca絲，連鑄輕壓下后成板坯，連鑄的中間包澆鑄溫度為1535°C1555°C;(3)板坯下線精整，板坯定尺火切；(4)板坯加熱，溫度為1050°C1150°C;板坯出爐后高壓水除鱗；(5)第一階段軋制，板坯粗軋采用8%20%的道次壓下率進行連續(xù)軋制，確保形變金屬發(fā)生動態(tài)/靜態(tài)再結(jié)晶，細化奧氏體晶粒，上述技術(shù)為常規(guī)技術(shù)，在此不再詳述；(6)第二階段軋制，熱機軋制采用未再結(jié)晶控制軋制，開軋溫度780820°C，軋制道次壓下率》8%，未再結(jié)晶區(qū)累計壓下率》60%，終軋溫度760800。C;(7)鋼板堆緩冷或坑緩冷；(8)探傷；(9)鋼板切邊、切頭尾；粗拋丸去鋼板表面氧化皮；(10)正火熱處理，正火溫度88092(TC，正火后自然空冷到室溫；所述的步驟(2)連鑄輕壓下率控制范圍為3%7%。所述的步驟(10)正火時間取1.02.0min/mmX鋼板厚度t。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是由于采用的化學(xué)成分配比和采取的工藝，綜合了影響鋼板超低溫韌性、抗HIC及SCC、抗焊接再熱裂紋敏感性及可大線能量焊接性的因素。采用了低C一中Mn—低N—微Nb合金化一超微Ti處理低合金鋼的成分體系，提高了鋼中酸溶Als含量并控制其范圍、控制無因次Ni當(dāng)量》0.50及(Mn當(dāng)量)/C》15、少量(Cu+Ni+Cr)合金化、Ca處理且Ca/S比在1.03.0之間及(。/。Ca)X(%S)°28《1.OXl(T3，優(yōu)化控軋及后續(xù)熱處理工藝，獲得極高的超低溫韌性(一8(TC及以下)，優(yōu)良的抗HIC、SCC及焊接性，而且鋼板可承受大線能量焊接，特別適宜于用作制造LPG低溫儲罐和冰海區(qū)域海洋平臺，并且能夠?qū)崿F(xiàn)低成本穩(wěn)定批量工業(yè)化生產(chǎn)。采用低Ni含量生產(chǎn)低溫用鋼，降低貴重資源消耗，降低制造成本，縮短了制造周期。同時還消除了大量含Ni的廢鋼回收的困難，實現(xiàn)制造過程的綠色環(huán)保,并且低Ni含量有助于提高鋼板抗SCC和回火脆化。圖1是本發(fā)明C的鋼板顯微組織(X800)示意圖。具體實施例方式以下用表l、2、3三個表格的形式，說明6個實施例A-F的鋼板化學(xué)成分的重量配比、工藝參數(shù)及鋼板機械性能。表1化學(xué)成分<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>上述實施例A-F鋼板通過合理化學(xué)成分配比，未再結(jié)晶控軋、熱處理工藝相結(jié)合，鋼板即可獲得極其優(yōu)異的超低溫沖擊韌性(一8(TC及以下)的鋼板組織是均勻細小的等軸鐵素體+少量彌散分布的珠光體。如圖1所示，為鋼板c的顯微組織，而且鋼板可以承受大線能量焊接。權(quán)利要求1.一種低溫用鋼，其特征在于化學(xué)成分的重量百分配比為C0.060％～0.090％，Si≤0.20％，Mn1.10％～1.50％，P≤0.015％，S≤0.003％，Als0.040％～0.070％，Cu0.05％～0.45％，Ni0.05～0.35％，Cr0.05％～0.30％，Ti0.007％～0.011％，Nb0.007％～0.020％，N≤0.0040％，Ca0.001％～0.005％，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)，且(Mn當(dāng)量)/C≥15，其中，Mn當(dāng)量＝(％Mn)+0.915(％Ni)+0.283(％Cu)+0.374(％Cr)—0.785(％Si)；無因次Ni當(dāng)量≥0.50，其中，無因次Ni當(dāng)量＝(％Ni)+[％Cu—2.112(％Cu)2]+[％Cr—2.834(％Cr)2]+[1.574(％Mn)—(％Mn)2]—1.017(％Si)；Ti/N為2.0～4.0；Als≥10[(％Ntotal)—0.292(％Ti)]；Ni/Cu≥1.0；Ca/S為1.0～3.0，且(％Ca)×(％S)0.28≤1.0×10-3。2.—種低溫用鋼的制造方法，其特征在于包含以下步驟(1)按照上述的化學(xué)成份重量百分配比，C:0.060%0.090%，Si:《0.20%，Mn:1.10%1.50%，P:《0.015%，S:《0.003%，Als:0.040%0.070%，Cu:0.05%0.45%，Ni:0.050.35%，Cr:0.05%0.30%,Ti:0,0070/o0.011%，Nb:0.007%0.020%，N:《0.0040%，Ca:0.001%0.005%，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)；且(Mn當(dāng)量)/C》15,其中，Mn當(dāng)量=(%Mn)+0.915(%Ni)+0.283(%Cu)+0.374(%Cr)—0.785(%Si);無因次Ni當(dāng)量》0.50，其中，無因次Ni當(dāng)量=(%Ni)+[%Cu—2.112(o/。Cu)2]+[%Cr—2.834(%Cr)2]+[1.574(%Mn)—(%Mn)2]—1.017(%Si);Ti/N為2.04.0;Als》10[(%Nt。tal)—0.292(%Ti)];Ni/Cu>1.0;Ca/S為1.03.0，i(%Ca)X(%S)028《1.OX10_3;(2)鐵水深度脫硫，轉(zhuǎn)爐冶煉，喂Si—Ca絲，連鑄輕壓下后成板坯，連鑄的中間包澆鑄溫度為1535°C1555°C;(3)板坯下線精整，板坯定尺火切；(4)板坯加熱，溫度為1050°C1150°C，板坯出爐后高壓水除鱗；(5)第一階段軋制，板坯粗軋采用8%20%的道次壓下率進行連續(xù)軋制，確保形變金屬發(fā)生動態(tài)/靜態(tài)再結(jié)晶，細化奧氏體晶粒；(6)第二階段軋制，熱機軋制采用未再結(jié)晶控制軋制，開軋溫度780820°C，軋制道次壓下率》8%，未再結(jié)晶區(qū)累計壓下率>60%，終軋溫度760800。C;(7)鋼板堆緩冷或坑緩冷；(8)探傷；(9)鋼板切邊、切頭尾；粗拋丸去鋼板表面氧化皮；(10)正火熱處理，正火溫度88092(TC，正火后自然空冷到室溫。3.如權(quán)利要求2所述的低溫用鋼的制造方法，其特征在于所述的步驟(2)連鑄輕壓下率控制范圍為3%7%。4.如權(quán)利要求2所述的低溫用鋼的制造方法，其特征在于所述的步驟(10)正火時間取1.02.0min/腿X鋼板厚度t。全文摘要本發(fā)明公開了一種低溫用鋼及其制造方法，其化學(xué)成分的重量百分配比為C0.060％～0.090％，Si≤0.20％，Mn1.10％～1.50％，P≤0.015％，S≤0.003％，Als0.040％～0.070％，Cu0.05％～0.45％，Ni0.05～0.35％，Cr0.05％～0.30％，Ti0.007％～0.011％，Nb0.007％～0.020％，N≤0.0040％，Ca0.001％～0.005％，其余為Fe和不可避免的夾雜。并提供了制造工藝步驟使鋼板能夠獲得優(yōu)異的低溫韌性，而且鋼板可以承受大線能量焊接。本發(fā)明能夠廣泛用于石油天然氣管線、低溫儲氣罐體LPG、LNG的低溫鋼板。文檔編號B21B1/26GK101545077SQ200810035029公開日2009年9月30日申請日期2008年3月24日優(yōu)先權(quán)日2008年3月24日發(fā)明者劉自成申請人:寶山鋼鐵股份有限公司