一种细化晶粒强化的低温用高韧性低碳合金钢及其制备方法与流程

本发明涉及合金制品，具体涉及一种细化晶粒强化的低温用高韧性低碳合金钢及其制备方法。

背景技术：

1、低温用低碳合金钢是lng储罐、极地船舶和深冷压力容器此类低温装备的关键结构材料，要求在极低温度下同时具备高强度和高韧性，以防止脆性断裂事故的发生。现有的低温钢采用高镍合金设计，通过提高镍含量来降低韧脆转变温度，但镍含量增加导致成本大幅上升且焊接性能恶化；而常规tmcp工艺制备的低碳微合金钢虽具有良好焊接性和较低成本，但在-100℃以下的极低温区冲击韧性急剧下降，难以满足深冷工况对母材及焊接热影响区韧性的严苛要求。

2、现有低温低碳合金钢的强化思路主要依赖晶粒细化，通过控轧控冷工艺获得超细晶粒组织来提升低温韧性，但晶粒细化到一定程度后对韧脆转变温度的改善趋于饱和，且传统析出相在极低温下与基体的共格应力场会成为解理裂纹的优先形核点，反而损害低温韧性。因此，亟需开发一种从晶界结构设计层面实现晶粒细化与低温韧性协同优化的新型低温用高韧性低碳合金钢及其制备方法，以满足深冷装备对高强度、超高韧性和优良焊接性的综合需求。

3、针对上述问题，本发明提供一种解决方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：提供一种细化晶粒强化的低温用高韧性低碳合金钢及其制备方法，其在保持钢板高强度的同时，实现极低温服役条件下超高韧性，满足低温装备对母材及焊接热影响区低温韧性的严苛要求；

2、为实现上述目的本发明采用如下技术方案：一种细化晶粒强化的低温用高韧性低碳合金钢，由以下质量百分比成分组成：c：0.02-0.06%；mn：1.5-2.5%；si：0.2-0.4%；al：0.02-0.06%；nb：0.04-0.08%；ti：0.055-0.09%；ce：0.01-0.03%；b：0.001-0.0025%；n：0.008-0.015%；余量为fe和不可避免的杂质元素；

3、进一步的，所述的不可避免的杂质元素质控质量百分比含量≤0.012%，其中杂质元素的成分及质量百分比含量分别为：p≤0.005%、s≤0.003%、o≤0.003%、h≤0.0003%，偶然杂质元素≤0.01%；

4、进一步的，一种细化晶粒强化的低温用高韧性低碳合金钢的制备方法包括以下步骤：

5、s1：将废钢、锰铁、硅铁、铝粒、铌铁、钛铁、硼铁和铈铁合金装入真空感应熔炼炉，抽真空至≤10pa后送电熔化，熔清后充入氩气至0.05-0.06mpa进行气氛保护，将钢水温度控制在1580-1620℃，保温10-15min后启动电磁搅拌并持续5-10min，搅拌功率为80-120kw/t，搅拌完成后取样检测c、mn、si、al、nb、ti、b、ce和n各元素含量，同时采用氧氮分析仪检测o和n的精确含量；

6、s2：实测碳含量低于0.02%时补加石墨粉，补加量按钢水重量×(0.04%-实测碳含量)/0.75计算，实测锰含量低于1.5%时补加锰铁，补加量按钢水重量×(2%-实测锰含量)/0.85计算，实测硅含量低于0.2%时补加硅铁，补加量按钢水重量×(0.3%-实测硅含量)/0.85计算，实测铝含量低于0.02%时补加铝粒，补加量按钢水重量×(0.04%-实测铝含量)/0.9计算，实测铌含量低于0.04%时补加铌铁，补加量按钢水重量×(0.06%-实测铌含量)/0.85计算，实测钛含量低于0.055%时补加钛铁，补加量按钢水重量×(0.073%-实测钛含量)/0.8计算，实测硼含量低于0.0010%时补加硼铁，补加量按钢水重量×(0.0018%-实测硼含量)/0.9计算，实测铈含量低于0.01%时补加铈铁合金，补加量按钢水重量×(0.03%-实测铈含量)/0.95计算，实测氮含量低于0.008%时充入氮气增氮，增氮量按钢水重量×(0.012%-实测氮含量)的目标值控制，实测氮含量高于0.015%时提升钢水温度至1650-1680℃进行真空脱气处理，脱气时间5-10min后重新检测，补加完成后电磁搅拌8-12min再次取样检测，所有元素含量均在目标范围内后得到合格钢水；

7、s3：将合格钢水浇注成钢锭，浇注温度1530-1560℃，钢锭模预热温度80-120℃，浇注前钢锭模内壁涂刷可剥离型氧化镁-硅溶胶涂料，涂料层厚度0.5-1mm，浇注采用下注法，浇注速度0.3-0.5m/min，浇注完成后在锭模内静置4-6h，铸锭表面温度降至600-700℃时红送脱模，脱模后钢锭立即转入均热炉进行均热，均热温度1200-1250℃，均热时间按钢锭截面厚度×1.2min/mm计算，均热结束后出炉进行初轧开坯，初轧前采用火焰清理及高压水除鳞联合去除钢锭表面残留涂料和氧化皮，除鳞水压力≥22mpa，开轧温度1150-1200℃，道次数为6-8道，单道次压下率10-15%，终轧温度≥1050℃，累积压下率≥70%，轧至厚度60-80mm的中间坯尺寸，轧后空冷至600-650℃后堆垛缓冷24h以上，得到中间坯；

8、s4：将中间坯进行表面修磨处理，去除表面氧化铁皮和裂纹缺陷，修磨深度为0.5-1.5mm，修磨处理至表面粗糙度ra≤25um，修磨后重新加热至1080-1120℃，加热炉采用步进式连续加热炉，炉内通入还原性保护气，保温时间按坯料截面厚度×0.9min/mm计算，出炉后进行奥氏体再结晶区轧制，开轧温度1050-1080℃，采用多道次大压下轧制，单道次压下率≥15%，道次数为4-6道，累积压下率≥60%，终轧温度≥980℃，轧制过程中道次之间采用高压水除鳞，除鳞水压力18-22mpa，轧后得到再结晶区轧制坯；

9、s5：将再结晶区轧制坯在辊道上待温，辊道上方设置保温罩，待温目标温度为920-960℃，待温过程中采用红外测温仪和在线高温计双重监测坯料表面温度，温度均匀性控制在±10℃以内，到达目标温度后进行奥氏体非再结晶区轧制，开轧温度为920-960℃，采用多道次累积压下轧制，单道次压下率为10-15%，道次数为5-7道，累积压下率≥50%，终轧温度800-830℃，轧后得到非再结晶区轧制钢板；

10、s6：将非再结晶区轧制钢板立即进行电脉冲辅助分级控冷处理，第一级冷却将钢板送入层流冷却段，以≥30℃/s的冷却速率快冷至520-580℃，冷却过程中控制钢板表面和芯部温差≤30℃，第二级将钢板转入设有上下对置电极板的保温炉，电极板材质为铜钨合金，电极板与钢板表面间距10-15mm，电极板尺寸大于钢板幅面以保证电流均匀覆盖，在520-580℃保温10-20min，保温全程对钢板施加脉冲电流，脉冲电流参数为电流密度1-3a/mm2，脉冲宽度0.1-0.5ms，脉冲间隔1-2ms，电源采用高频脉冲电源，频率范围400-1000hz，第三级保温结束后钢板再次进入层流冷却段，以≥20℃/s的冷却速率快冷至室温，钢板冷却至室温后控制表面温度≤80℃，得到分级控冷钢板；

11、s7：将分级控冷钢板送入台车式回火炉进行亚温回火处理，回火温度为500-580℃，保温时间按钢板厚度×3min/mm计算，回火加热速率≤150℃/h，回火保温结束后钢板出炉空冷至室温，空冷过程中避免强制吹风，得到初级成品钢；

12、s8：将初级成品钢进行定尺剪切，剪切长度为6000-12000mm，剪切完成后检验尺寸公差、超声探伤和力学性能，-100℃夏比冲击功≥200j，屈服强度≥500mpa，超声探伤按gb/t 2970标准ⅰ级合格，检验合格后涂防锈油，单张缠绕防水纸，捆扎木箱打包得到细化晶粒强化的低温用高韧性低碳合金钢成品钢板；

13、进一步的，步骤s3中所述的可剥离型氧化镁-硅溶胶涂料由氧化镁和硅溶胶组成，密度为1.3g/cm3，其中氧化镁和硅溶胶的质量比为2：1；步骤s4中所述的还原性保护气为氮气和氢气混合保护气，其中氢气体积分数为5%，余量为氮气；

14、进一步的，一种步骤s5和s6的备选方案，适用于不具备在线控冷设备的产线，具体步骤为：

15、s5'：将再结晶区轧制坯自然冷却至室温后，离线重新加热至920-960℃，进行奥氏体非再结晶区轧制，开轧温度920-960℃，采用多道次累积压下轧制，单道次压下率10-15%，道次数5-7道，累积压下率≥50%，终轧温度控制在800-830℃，轧后空冷至室温，得到非再结晶区轧制钢板；

16、s6'：将非再结晶区轧制钢板离线加热至880-920℃重新奥氏体化，加热炉采用辊底式连续热处理炉，保温时间按钢板厚度×1.2min/mm计算，出炉后立即进行电脉冲辅助分级控冷处理，第一级以≥30℃/s的冷却速率通过强制气雾冷却快冷至520-580℃，第二级将钢板转入设有上下对置电极板的保温炉，在520-580℃保温10-20min，保温全程对钢板施加脉冲电流，脉冲电流参数为电流密度1-3a/mm2，脉冲宽度0.1-0.5ms，脉冲间隔1-2ms，电源采用高频脉冲电源，频率范围400-1000hz，第三级保温结束后以≥20℃/s的冷却速率快冷至室温，冷却方式为强制气雾冷却，钢板冷却至室温后表面温度≤80℃，得到分级控冷钢板；

17、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果为，

18、1：本发明通过ti-nb复合微合金化配合ce微合金化的成分设计，在均热阶段利用未溶tin实现高温奥氏体晶粒钉扎，在非再结晶区轧制阶段利用应变诱导析出的nb(c,n)实现中温晶界稳定化，辅以ce的晶界溶质拖曳效应，三重机制协同作用，系统性地解决了传统低碳合金钢在极低温服役条件下晶粒粗化导致的韧性不足问题，实现了钢板高强度与极低温超高韧性的协同提升；

19、2：本发明以分级控冷阶段的电脉冲处理作为组织调控的核心手段，在保温阶段施加高频窄脉冲电流，利用电致迁移效应加速微合金碳氮化物向晶界和位错的均匀偏聚与析出，同时利用电子风力促进碳原子及置换型溶质原子的短程扩散，在相变过程中主动构建非共格析出相钉扎的锯齿状晶界构型，实现了电脉冲物理场在细化组织与强化晶界两个功能上的双重作用；

20、3：本发明通过电脉冲辅助分级控冷与离线重新奥氏体化备选工艺的灵活配置，在具备在线控冷设备的产线上可直接对非再结晶区轧制钢板实施电脉冲辅助分级控冷，在不具备在线控冷设备的产线上可通过离线重新奥氏体化后执行相同处理，两套工艺路线均可在不额外添加合金元素、不依赖高al含量的前提下，仅通过工艺调控即可在钢板内部原位构建非共格析出相钉扎的锯齿状晶界结构，为低温用低碳合金钢提供了一种低成本、高适应性和无需外加增强相的全新强韧化解决方案。