CN105177459A

CN105177459A - 一种低温用螺纹钢及其控碳工艺

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Publication number: CN105177459A
Application number: CN201510630232.XA
Authority: CN
Inventors: 宋金平; 李林; 朱守欣; 杨利委; 李凯; 赵张发
Original assignee: Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Nanjing Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2015-09-29
Filing date: 2015-09-29
Publication date: 2015-12-23

Abstract

本发明是一种低温用螺纹钢，其重量百分比化学成分为：C：0.05～0.10%，Si：0.20～0.35%，Mn：1.45～1.60%，S≤0.015%，P≤0.008%，Cr≤0.20%，Ni：0.90～1.50%，Cu≤0.20%，Mo≤0.10%，N≤0.0120%，Al：0.030～0.045%，余量为Fe及不可避免的杂质。本发明可以使螺纹钢在低温下仍具有高强度、高韧性、可焊性及低成本的特点；提高螺纹钢低温韧性的同时，还可以抑制氯离子对钢材的腐蚀，更可以改善铜在钢中引起的热脆性。

Description

一种低温用螺纹钢及其控碳工艺

技术领域

本发明涉及一种螺纹钢及其生产工艺，具体来说是一种低温用螺纹钢及其控碳工艺。

背景技术

众所周知，低碳低合金的结构钢广泛应用于原材料开采、能源开发、交通运输等经济建设领域，已成为最为重要的结构的材料。这些结构件承受的是复杂多变的周期载荷，某些情况下需要适应极端寒冷的气候环境，从而对结构钢屈服强度和低温冲击韧性等基本指标提出了更高的要求，一般是通过成分、轧制、热处理工艺的改进和创新，精确控制组织，从而获得更高的强韧性，兼顾其他性能要求。

据申请人了解，液化天然气(LNG)是将天然气净化处理之后，经压缩升温，在混合制冷剂的作用下除去其中的N₂、CO₂、H₂O以及硫化物、固体杂质等，最终得到-162℃液态形式的天然气；LNG通常储存在-162℃、压力为0.1MPa左右的低温储罐内，该罐体由一个主容器和一个次容器组成，主容器(即内罐)为自立式钢制罐，用于盛放LNG液体，LNG的蒸汽盛装在主、次容器之间的空间或穹顶空间，次容器(即外罐)为钢制或预应力混凝土结构，当发生泄漏时,它既能收集液体泄漏物,也能收集气体泄漏物，LNG能够被外罐可靠保存。因此外罐材料的混凝土用螺纹钢需具有内罐钢质的低温性能，即需要该螺纹钢在≤-165℃时具备足够的强度和充分的韧性，具有良好的工艺性能。

据申请人检索，中国专利201210578819.7公开了一种低温用钢及生产方式，该产品同时添加了Nb、Ni、Ti、Cr等贵重金属，工艺复杂，成本高，但是该低温钢只能适用于-50℃；中国专利200810035029.8公开了一种低温用钢及制造方式，但是该产品成分较多，同时添加了Nb、Ti、Ni等贵重金属，成本较高，且使用温度在-80℃左右；中国专利200910075654.X公开了一种低温用铁素体钢，该产品虽然可使用在-196℃的低温环境下，但是该产品添加的Ni为6.5～12.5%，成本很高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：

⑴如何克服现有技术的缺点，可以使螺纹钢在低温下仍具有高强度、高韧性、可焊性及低成本的特点；

⑵由于本发明的钢种添加的合金较多，且为低碳钢，对碳范围要求窄，如何通过适宜的控碳工艺，控制碳含量稳定，从而可获得性能稳定的低温用螺纹钢；

⑶如何提高螺纹钢低温韧性的同时，还可以抑制氯离子对钢材的腐蚀，更可以改善铜在钢中引起的热脆性；

为了解决以上技术问题，本发明提出一种低温用螺纹钢及其控碳工艺，本发明解决以上技术问题的技术方案是：

一种低温用螺纹钢，其重量百分比化学成分为：C：0.05～0.10%，Si：0.20～0.35%，Mn：1.45～1.60%，S≤0.015%，P≤0.008%，Cr≤0.20%，Ni：0.90～1.50%，Cu≤0.20%，Mo≤0.10%，N≤0.0120%，Al：0.030～0.045%，余量为Fe及不可避免的杂质。

上述低温用螺纹钢的控碳工艺，包括：电炉冶炼工序中，配入铁水及废钢，其中铁水占炉料总量的45-60%，使用集束氧枪供氧脱碳和造渣脱磷，熔清成分按C≤0.05%、P≤0.008%控制，真空炉脱气工序中采用无碳覆盖剂；

连铸浇注工序，采用镁质碱性工作层中间包，浇注过程采用全保护浇注，钢包到中间包采用长水口氩封保护浇注，中间包到结晶器采用浸入式水口保护浇注，中包中钢水使用无碳覆盖剂，结晶器内钢水用保护渣；连铸浇注工序的过程控制包括控制冷却强度、结晶器振动及电磁搅拌参数、铸坯凝固末端所采用的电磁搅拌器搅拌线圈的参数、控制连铸坯拉速和中间包钢水过热度；其中，控制冷却强度采用二次冷却段气雾冷却，二冷比水量随连铸拉速为0.8-1.0L/kg；结晶器振动及电磁搅拌参数为：电流*频率250～300A*3.5Hz；铸坯凝固末端所采用的电磁搅拌器搅拌线圈的参数为：电流*频率150～250A*8Hz；连铸坯拉速为1.9～2.2m/min；中间包钢水过热度为15～35℃。

本发明提出一种使用上述低温用螺纹钢制成的储存液化天然气的低温储罐的外罐。

由于钢的化学成分是影响连铸坯内部质量与低温下螺纹钢的强度和韧性性能的关键因素之一，本发明为了使所述钢获得优异的综合性能，对所述钢的化学成分进行了限制，原因在于：

C：碳是影响超高强度钢力学性能的主要元素，当碳含量低于0.05则强度低，含量高于0.20%时，则存在韧性和可焊性变差的缺点；为了减轻冶炼压力，避开包晶区间，最适宜的含量为0.05～0.10%。

Si：硅是炼钢脱氧的必要元素，也具有一定的固溶强化作用，在本发明中将硅限定在0.20～0.35%。

Mn：锰在所述钢中具有推迟奥氏体向铁素体的转变的作用，对细化组织，提高强度和韧性有利；当锰的含量较低，上述作用不显著，钢板强度和韧性偏低等，故本发明中锰含量控制在1.45～1.60%。

Cr：铬是提高钢淬透性的元素，能够抑制多边形铁素体和珠光体的形成，促进低温组织贝氏体或马氏体的转变，提高钢的强度；但Cr含量过高将影响钢的韧性，并引起回火脆性，本发明中铬含量控制在≤0.20%。

Cu：铜是不降低韧性提高强度的有效元素，同时改善钢的耐候性能，但是铜会在钢中引起热脆性，因此本发明中铜含量控制在≤0.20%。

Mo：与Cr同样地使硬化能增加，大量添加时会增加成本，并降低韧性和可焊性，限制在0.70%以下；回火时，形成碳化物颗粒，从而有利于析出强化，因此本发明中钼含量控制在≤0.10%的范围内。

Al：铝是脱氧元素，同时可以细化晶粒，若铝含量小于0.030%，效果不显著，若铝含量大于0.045%，易形成氧化物杂物，恶化钢的低温冲击韧性，因此本发明中铝含量控制在0.030～0.045%。

Ni：镍是贵重金属大量添加会急剧增加成本，且影响焊接性能，本发明将镍含量控制在0.90～1.50%，从而可以提高钢的低温韧性，另外，申请人通过控制镍含量，并配合C、Si、Mn、Cr、Cu、Mo和Al的含量，还可以抑制氯离子对钢材的腐蚀，更可以改善铜在钢中引起的热脆性，起到了意想不到的技术效果。

钢中的杂质元素，如S、P、N等，会严重损害钢的低温韧性和延展性，属于有害杂质；因此，硫、磷、氮的含量应分别控制在≤0.015%、≤0.008%和≤0.0120%。

本发明进一步限定的技术方案是：

前述的低温用螺纹钢，其重量百分比化学成分为：C：0.05%，Si：0.35%，Mn：1.60%，S：0.015%，P：0.008%，Cr：0.20%，Ni：0.90%，Cu：0.20%，Mo：0.05%，N：0.005%，Al：0.030%，余量为Fe及不可避免的杂质。

前述的低温用螺纹钢，其重量百分比化学成分为：C：0.10%，Si：0.20%，Mn：1.45%，S：0.010%，P：0.005%，Cr：0.15%，Ni：1.10%，Cu：0.10%，Mo：0.10%,N：0.01%，Al：0.035%，余量为Fe及不可避免的杂质。

前述的低温用螺纹钢，其重量百分比化学成分为：C：0.08%，Si：0.25%，Mn：1.50%，S：0.005%，P：0.003%，Cr：0.05%，Ni：1.50%，Cu：0.05%，Mo：0.06%，N：0.0120%，Al：0.045%，余量为Fe及不可避免的杂质。

前述的低温用螺纹钢的控碳工艺，真空炉脱气工序和连铸浇注工序中加入的无碳覆盖剂的成分重量百分比为:CaO＋MgO：50.5～60.5％，SiO₂：26.1～32.1％，Al₂O₃：9～14%，TFe：0～1.5%，H₂O：0～0.8%，T（c）：0～3%，余量为灰分，其中（CaO+MgO）/SiO2≥1.5；无碳覆盖剂的体积密度为：0.8-1.0g/cm³；无碳覆盖剂的加入量为1-2kg/t。

前述的低温用螺纹钢的控碳工艺，其中连铸浇注工序中镁质碱性工作层的理化指标为：MgO的重量比≥85%，SiO₂重量比≤8%，体积密度≤2.3g/cm³，抗折强度（200℃×3h）≥0.8Mpa，耐压强度（200℃×3h）≥5Mpa。

本发明的有益效果是：本发明考虑到低温下螺纹钢的高强度、高韧性、可焊性及低成本，提出一种低温用螺纹钢及其生产工艺，因为该钢种添加的合金较多，且低碳钢，对碳范围要求窄，通过适宜的控碳工艺，控制碳含量稳定，从而可获得性能稳定的低温用螺纹钢。本发明成分设计科学合理，生产工艺、操作过程易于控制；钢水脱氧好，纯净度高，成品碳含量稳定，连铸浇注顺利，铸坯表面质量较好；成品螺纹钢质量好，性能达到低温使用要求；对于LNG外罐材料的混凝土用低温钢筋等,目前国内研究甚少，该螺纹钢的控碳工艺，经济可行，可实现该钢种的试生产及推广应用，可填补国内液化气储罐混凝土结构用低温螺纹钢的生产空白。

具体实施方式

实施例1

本实施例是一种低温用螺纹钢，其重量百分比化学成分为：C：0.05%，Si：0.35%，Mn：1.60%，S：0.015%，P：0.008%，Cr：0.20%，Ni：0.90%，Cu：0.20%，Mo：0.05%，N：0.005%，Al：0.030%，余量为Fe及不可避免的杂质。

本实施例的低温用螺纹钢的控碳工艺，包括：电炉冶炼工序中，配入铁水及废钢，其中铁水占炉料总量的45-60%，使用集束氧枪供氧脱碳和造渣脱磷，熔清成分按C≤0.05%、P≤0.008%控制，真空炉脱气工序中采用无碳覆盖剂；

连铸浇注工序，采用镁质碱性工作层中间包，浇注过程采用全保护浇注，钢包到中间包采用长水口氩封保护浇注，中间包到结晶器采用浸入式水口保护浇注，中包中钢水使用无碳覆盖剂，结晶器内钢水用保护渣；连铸浇注工序的过程控制包括控制冷却强度、结晶器振动及电磁搅拌参数、铸坯凝固末端所采用的电磁搅拌器搅拌线圈的参数、控制连铸坯拉速和中间包钢水过热度；其中，控制冷却强度采用二次冷却段气雾冷却，二冷比水量随连铸拉速为0.8L/kg；结晶器振动及电磁搅拌参数为：电流*频率250A*3.5Hz；铸坯凝固末端所采用的电磁搅拌器搅拌线圈的参数为：电流*频率150A*8Hz；连铸坯拉速为1.9m/min；中间包钢水过热度为15℃。

真空炉脱气工序和连铸浇注工序中加入的无碳覆盖剂的成分重量百分比为:CaO＋MgO：50.5～51.5％，SiO₂：26.1～27.1％，Al₂O₃：9～9.5%，TFe：0.1～0.5%，H₂O：0.1～0.5%，T（c）：0.1～0.5%，余量为灰分，其中（CaO+MgO）/SiO2≥1.5；无碳覆盖剂的体积密度为：0.8g/cm³；无碳覆盖剂的加入量为1kg/t。本实施例的无碳覆盖剂能够抑制多边形铁素体和珠光体的形成，促进低温组织贝氏体或马氏体的转变，提高钢的强度。

其中连铸浇注工序中镁质碱性工作层的理化指标为：MgO的重量比≥85%，SiO₂重量比≤8%，体积密度≤2.3g/cm³，抗折强度（200℃×3h）≥0.8Mpa，耐压强度（200℃×3h）≥5Mpa。

实施例2

本实施例是一种低温用螺纹钢，其重量百分比化学成分为：C：0.10%，Si：0.20%，Mn：1.45%，S：0.010%，P：0.005%，Cr：0.15%，Ni：1.10%，Cu：0.10%，Mo：0.10%,N：0.01%，Al：0.035%，余量为Fe及不可避免的杂质。

连铸浇注工序，采用镁质碱性工作层中间包，浇注过程采用全保护浇注，钢包到中间包采用长水口氩封保护浇注，中间包到结晶器采用浸入式水口保护浇注，中包中钢水使用无碳覆盖剂，结晶器内钢水用保护渣；连铸浇注工序的过程控制包括控制冷却强度、结晶器振动及电磁搅拌参数、铸坯凝固末端所采用的电磁搅拌器搅拌线圈的参数、控制连铸坯拉速和中间包钢水过热度；其中，控制冷却强度采用二次冷却段气雾冷却，二冷比水量随连铸拉速在0.8-1.0L/kg范围内调节；结晶器振动及电磁搅拌参数为：电流*频率250～300A*3.5Hz；铸坯凝固末端所采用的电磁搅拌器搅拌线圈的参数为：电流*频率150～250A*8Hz；连铸坯拉速为1.9～2.2m/min；中间包钢水过热度为15～35℃。

真空炉脱气工序和连铸浇注工序中加入的无碳覆盖剂的成分重量百分比为:CaO＋MgO：59.5～60.5％，SiO₂：31.1～32.1％，Al₂O₃：13.5～14%，TFe：1.4～1.5%，H₂O：0.7～0.8%，T（c）：2.7～3%，余量为灰分，其中（CaO+MgO）/SiO2≥1.5；无碳覆盖剂的体积密度为：1.0g/cm³；无碳覆盖剂的加入量为2kg/t。本实施例的无碳覆盖剂能够抑制多边形铁素体和珠光体的形成，促进低温组织贝氏体或马氏体的转变，提高钢的强度。

实施例3

本实施例是一种低温用螺纹钢，其重量百分比化学成分为：C：0.08%，Si：0.25%，Mn：1.50%，S：0.005%，P：0.003%，Cr：0.05%，Ni：1.50%，Cu：0.05%，Mo：0.06%，N：0.0120%，Al：0.045%，余量为Fe及不可避免的杂质。

真空炉脱气工序和连铸浇注工序中加入的无碳覆盖剂的成分重量百分比为:CaO＋MgO：55.5～56.5％，SiO₂：28.1～29.1％，Al₂O₃：12.5～12.8%，TFe：1.1～1.2%，H₂O：0.5～0.6%，T（c）：1.5～1.7%，余量为灰分，其中（CaO+MgO）/SiO2≥1.5；无碳覆盖剂的体积密度为：0.9g/cm³；无碳覆盖剂的加入量为1.5kg/t。本实施例的无碳覆盖剂能够抑制多边形铁素体和珠光体的形成，促进低温组织贝氏体或马氏体的转变，提高钢的强度。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims

1.一种低温用螺纹钢，其特征在于：其重量百分比化学成分为：C：0.05～0.10%，Si：0.20～0.35%，Mn：1.45～1.60%，S≤0.015%，P≤0.008%，Cr≤0.20%，Ni：0.90～1.50%，Cu≤0.20%，Mo≤0.10%，N≤0.0120%，Al：0.030～0.045%，余量为Fe及不可避免的杂质。

2.如权利要求1所述的低温用螺纹钢，其特征在于：其重量百分比化学成分为：C：0.05%，Si：0.35%，Mn：1.60%，S：0.015%，P：0.008%，Cr：0.20%，Ni：0.90%，Cu：0.20%，Mo：0.05%，N：0.005%，Al：0.030%，余量为Fe及不可避免的杂质。

3.如权利要求1所述的低温用螺纹钢，其特征在于：其重量百分比化学成分为：C：0.10%，Si：0.20%，Mn：1.45%，S：0.010%，P：0.005%，Cr：0.15%，Ni：1.10%，Cu：0.10%，Mo：0.10%,N：0.01%，Al：0.035%，余量为Fe及不可避免的杂质。

4.如权利要求1所述的低温用螺纹钢，其特征在于：其重量百分比化学成分为：C：0.08%，Si：0.25%，Mn：1.50%，S：0.005%，P：0.003%，Cr：0.05%，Ni：1.50%，Cu：0.05%，Mo：0.06%，N：0.0120%，Al：0.045%，余量为Fe及不可避免的杂质。

5.如权利要求1-5中任一权利要求所述低温用螺纹钢的控碳工艺，其特征在于：

电炉冶炼工序中，配入铁水及废钢，其中铁水占炉料总量的45-60%，使用集束氧枪供氧脱碳和造渣脱磷，熔清成分按C≤0.05%、P≤0.008%控制，真空炉脱气工序中采用无碳覆盖剂；

连铸浇注工序，采用镁质碱性工作层中间包，浇注过程采用全保护浇注，钢包到中间包采用长水口氩封保护浇注，中间包到结晶器采用浸入式水口保护浇注，中包中钢水使用无碳覆盖剂，结晶器内钢水用保护渣；连铸浇注工序的过程控制包括控制冷却强度、结晶器振动及电磁搅拌参数、铸坯凝固末端所采用的电磁搅拌器搅拌线圈的参数、控制连铸坯拉速和中间包钢水过热度；其中，所述控制冷却强度采用二次冷却段气雾冷却，二冷比水量随连铸拉速为0.8-1.0L/kg；所述结晶器振动及电磁搅拌参数为：电流*频率250～300A*3.5Hz；所述铸坯凝固末端所采用的电磁搅拌器搅拌线圈的参数为：电流*频率150～250A*8Hz；所述连铸坯拉速为1.9～2.2m/min；所述中间包钢水过热度为15～35℃。

6.如权利要求5所述的低温用螺纹钢的控碳工艺，其特征在于：所述真空炉脱气工序和连铸浇注工序中加入的无碳覆盖剂的成分重量百分比为:CaO＋MgO：50.5～60.5％，SiO₂：26.1～32.1％，Al₂O₃：9～14%，TFe：0～1.5%，H₂O：0～0.8%，T（c）：0～3%，余量为灰分，其中（CaO+MgO）/SiO2≥1.5；所述无碳覆盖剂的体积密度为：0.8-1.0g/cm³；所述无碳覆盖剂的加入量为1-2kg/t。

7.如权利要求5所述的低温用螺纹钢的控碳工艺，其特征在于：连铸浇注工序中镁质碱性工作层的理化指标为：MgO的重量比≥85%，SiO₂重量比≤8%，体积密度≤2.3g/cm³，抗折强度（200℃×3h）≥0.8Mpa，耐压强度（200℃×3h）≥5Mpa。

8.一种使用权利要求1所述低温用螺纹钢制成的储存液化天然气的低温储罐的外罐。