一种-100℃低温韧性的碳锰低温钢及其制备方法与流程

本发明属于低温钢，涉及一种-100℃低温韧性的碳锰低温钢及其制备方法。

背景技术：

1、随着能源结构的转型和清洁能源需求的增长，液化天然气lng和液化石油气lpg的储运装备需求急剧增加。lng的储存温度约为-162℃，lpg的储存温度约为-42～-50℃，这对低温钢材料的低温冲击韧性提出了极高的要求。此外，随着极地开发的推进，极地工程装备也需要在-60℃甚至更低温度下服役，对低温钢的性能要求更加苛刻。

2、目前，用于超低温环境的钢种主要包括镍系低温钢如9ni钢、5.5ni钢等和碳锰低温钢两大类。镍系低温钢具有优异的低温韧性，但镍元素成本高昂，且焊接工艺复杂。碳锰低温钢成本低廉，焊接性能良好，但其低温韧性通常难以达到-80℃以下的服役要求。如何在不添加或少添加镍元素的情况下，将碳锰低温钢的低温冲击韧性提升至-100℃水平，是本领域技术人员亟待解决的技术难题。

3、现有技术中，cn106756527a公开了一种液化气体船用碳锰低温钢，其韧脆转变温度低于-80℃，通过两阶段控制轧制和控制冷却获得细小铁素体+珠光体组织。但该专利未涉及成分元素之间的比例关系控制，其低温性能仍难以满足-100℃的服役要求。cn115519217a公开了一种vlgc船用碳锰低温钢，其使用温度为-60℃，侧重于焊接工艺的研究，同样未涉及成分比例关系的优化。其他现有技术多采用添加微量ni、cu、cr等元素来改善低温韧性，增加了材料成本。

4、研究发现，碳锰低温钢的低温冲击韧性不仅与各元素的含量有关，更与元素之间的相对比例密切相关。特别是mn/c比、si/c比、mn/si比等关键参数，对钢的组织细化、夹杂物形态控制、析出物分布等具有重要影响，进而决定了钢的低温韧性水平。同时，轧制工艺参数与成分比例的协同匹配，可以进一步优化钢的组织和性能。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种-100℃低温韧性的碳锰低温钢及其制备方法，通过严格控制mn/c、si/c、mn/si等成分相对关系，并结合特定的轧制工艺参数，实现-100℃低温冲击韧性达到47j以上。

2、本发明的技术方案：

3、一种-100℃低温韧性的碳锰低温钢，所述碳锰低温钢的化学成分质量百分比为c＝0.04～0.08%、si＝0.15～0.35%、mn＝1.20～1.60%、p≤0.010%、s≤0.003%、als＝0.020～0.050%、nb＝0.015～0.040%、ti＝0.008～0.020%，余量为fe及不可避免的杂质；所述钢中mn/c质量比为25～30，si/c质量比为3.5～4.5，mn/si质量比为5.5～7.0；所述碳锰低温钢的显微组织为铁素体+珠光体+少量贝氏体，晶粒度≥10级，-100℃夏比v型缺口冲击功≥47j。

4、进一步的，所述碳锰低温钢的化学成分质量百分比还包括ni＝0.10～0.30%。

5、进一步的，所述碳锰低温钢的氧含量≤25ppm，氮含量≤60ppm，氢含量≤1.5ppm。

6、一种-100℃低温韧性的碳锰低温钢的制备方法，其特征在于包括以下工艺步骤：

7、1）冶炼：采用铁水脱硫预处理+转炉冶炼+lf精炼+rh真空脱气的工艺路线，控制钢水洁净度；

8、2）连铸：采用直弧形连铸机进行浇铸，过热度控制在15～30℃，拉速控制在0.8～1.2m/min，采用电磁搅拌和轻压下技术；

9、3）轧制：采用两阶段控制轧制工艺，第一阶段为再结晶区轧制，终轧温度为1000～1050℃，第二阶段为未再结晶区轧制，终轧温度为750～820℃；

10、4）冷却：轧后采用快速冷却工艺，冷却速度为10～25℃/s，终冷温度为350～450℃。

11、进一步的，所述步骤3）轧制：第二阶段的未再结晶区轧制累计压下率为55～75%，且终轧温度t2与mn/c质量比r1满足以下关系式：t2=820-5×(r1-20)，其中t2的单位为℃，r1为mn/c质量比。

12、进一步的，所述步骤4）冷却：冷却速度v与si/c质量比r2满足以下关系式：v=15+2×(r2-3.5)，其中v的单位为℃/s，r2为si/c质量比。

13、进一步的，所述步骤4）冷却：终冷温度t3与mn/si质量比r3满足以下关系式：t3=400-5×(r3-5.5)，其中t3的单位为℃，r3为mn/si质量比。

14、进一步的，所述步骤3）轧制工序之前还包括加热工序，加热温度为1180～1220℃，保温时间为2～4小时，均热温度为1150～1180℃。

15、进一步的，所述步骤2）连铸：轻压下量为4～8mm，轻压下位置在凝固末端固相分数为0.3～0.7的区间。

16、进一步的，所述制备方法还包括回火工序，回火温度为550～650℃，保温时间为1～3小时。

17、发明原理说明：

18、本发明创新性地提出了mn/c质量比、si/c质量比、mn/si质量比的控制范围。研究发现，mn/c质量比过低时，锰的固溶强化和晶粒细化作用不足；mn/c质量比过高时，会导致钢中锰偏析，反而降低低温韧性。si/c质量比对钢的脱氧效果和夹杂物形态有重要影响，合适的si/c比可以形成细小弥散的氧化物夹杂，有利于钉扎晶界，细化晶粒。mn/si质量比反映了锰和硅的相对含量关系，合适的mn/si比可以保证锰的固溶强化效果，同时避免硅对低温韧性的不利影响。

19、本发明创新性地建立了终轧温度与mn/c质量比的定量关系。研究发现，mn/c比越高，钢中锰的固溶强化效果越强，奥氏体的再结晶温度越低，因此需要相应降低终轧温度才能保证奥氏体处于未再结晶区。该关系式实现了轧制温度与成分比例的精准协同控制。

20、本发明创新性地建立了终冷温度与mn/si质量比的定量关系。研究发现，mn/si比反映了锰和硅对相变温度的综合影响，mn/si比较高时，锰的固溶作用增强，相变温度下降，因此需要适当降低终冷温度以保证相变充分进行。该关系式实现了终冷温度与成分比例的精准协同控制。

21、本发明通过建立终冷温度与mn/si比的协同控制关系，优化了最在本技术的一些优选实施方案中，所述轧制工序之前还包括加热工序，加热温度为1180～1220℃，保温时间为2～4小时，均热温度为1150～1180℃。加热工序的目的是使连铸坯温度均匀，使微合金元素充分固溶，为后续轧制创造良好条件。

22、在具体实施过程中，本发明制得的碳锰低温钢具有细小的铁素体+珠光体+少量贝氏体组织，晶粒度达到10级以上，组织均匀细小，有利于提高低温韧性。细小的晶粒可以有效阻碍裂纹扩展，提高冲击韧性。适量的贝氏体可以提高强度，同时不显著降低韧性。

23、采用上述技术方案，本发明制得的碳锰低温钢在-100℃下的夏比v型缺口冲击功达到47j以上，远超现有碳锰低温钢的低温性能水平。上述碳锰低温钢可用于制造液化天然气储罐、液化石油气运输船液货舱、极地工程装备、低温压力容器。

24、本发明的创新点及其有益效果：（1）通过控制mn/c、si/c、mn/si成分相对关系来优化碳锰低温钢低温韧性的技术方案，创新性地建立了成分比例与低温性能之间的定量关系，为碳锰低温钢的成分设计提供了新的技术思路。（2）建立了轧制工艺参数与成分比例的协同控制关系，通过终轧温度与mn/c比、冷却速度与si/c比、终冷温度与mn/si比的定量匹配，实现了工艺参数与成分设计。（3）制得的碳锰低温钢在-100℃下的夏比v型缺口冲击功达到47j以上，远超现有碳锰低温钢的低温性能水平，可以满足lng储运装备、极地工程装备等超低温服。（4）碳锰低温钢成分简单，成本低廉，无需添加大量的镍元素即可获得优异的低温韧性，具有显著的经济效益。