CN115074615A - 一种环境友好型超低温高锰钢、钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种环境友好型超低温高锰钢，其含有Fe和不可避免的杂质元素，此外还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：C：0.22～0.51％，Si：0.10～0.13％，Mn：13～17％，Ni：2.5～4.5％，Cu：0.45～0.75％，V：0.02～0.05％，N：0.05～0.10％，Nb：0.01％～0.03％。相应地，本发明还公开了一种钢板，其采用上述的环境友好型超低温高锰钢制得，该钢板的制造方法包括以下步骤：(1)冶炼和铸造；(2)加热；(3)轧制：控制开轧温度为1050℃～1100℃，终轧温度为930℃～980℃，每道次压下率≥13％，累计压下率≥78％，高温形变后钢板立即水冷至室温，控制冷却速率为30～50℃/s；(4)固溶处理：固溶温度为800～1080℃，固溶时间为0.45～2h，固溶后立即水淬至室温。

Description

一种环境友好型超低温高锰钢、钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种金属材料及其制造方法，尤其涉及一种钢板及其制造方法。
背景技术
近年来，随着全球工业化的发展和世界能源格局的变化，液化天然气(LiquefiedNatural Gas，简称LNG)在能源结构中的地位也变的越来越重要，其已在各个国家被推广使用。随着液化天然气工业的发展，配套的液化天然气的储存(储罐或储槽)及接收站也需要大量的建造，目前我国已建成LNG接收站有21座，预计未来建造200余座陆基储罐，60余艘运输船，2艘30万吨级FPSO，预计超低温用钢需求量60万余吨。
在现有技术中，部分钢种能够在-196℃以下环境使用，其被称为深冷钢或超低温钢，超低温钢主要应具有如下的性能：(1)韧性-脆性转变温度低于使用温度；(2)满足设计要求的强度；(3)在使用温度下组织结构稳定；(4)良好的焊接性和加工成型性；(5)某些特殊用途还要求极低的磁导率、冷收缩率等。
通常情况下我们认为珠光体、马氏体和铁素体钢，在不同低温下均有脆化倾向，而一些具有面心立方晶格的金属，例如镍、铜、铝和奥氏体钢，它们没有低温脆性，在低温下具有良好的韧性。由于我国镍的资源不多，而铜、氮又不能在钢中大量使用，因此，为了节约镍，发展以锰为主的奥氏体钢，以用于制造深冷环境下储罐等压力容器已经成为必然趋势。
但需要注意的是，钢中锰的含量不宜过高，锰含量过高会影响钢板表面质量。此外，锰的沸点、熔化热和汽化热均比较低，当钢中锰的含量过高时，其在炼钢温度下极易蒸发，从而形成污染环境的烟尘(主要为锰的氧化物)，增加锰中毒的风险。
目前，现有技术中开发的超低温用高锰钢板，因锰含量超过24％，在炼钢生产过程中烟尘较大，其常常需要增加烟尘收集处理等环保装置，经济成本较高。此外，钢中锰含量较高还会影响成品钢板的表面质量，从而导致后工序生产成本增加。
公开号为CN109518098A，公开日为2019年3月26日，名称为“一种奥氏体低温钢及其制备方法”的中国专利文献公开了一种奥氏体低温钢及其制备方法，其化学成分及质量分数为：Mn：14～20％，Ni：0.3～1.3％，Cr：2～5％，C：50C+Mn+1.8Ni+1.3Cr≥50％且C≤0.7％，Nb：0.02～0.1％，0＜Si≤0.6％，0＜Al≤0.3％，0＜N≤0.12％，余量为Fe和不可避免的杂质元素。获得的低温钢奥氏体组织体积分数≥97％，平均晶粒直径≤80μm，-196℃夏比冲击试验冲击功≥80J。该专利文献主要通过高锰、低镍、微铌合金化思路获得超低温下具有优异冲击韧性的低温钢，其主要针对低温韧性的改善，而对于低温钢的强度、塑性方面没有阐述和保证。
公开号为CN108728728A，公开日为2018年11月02日，名称为“一种具有极低屈强比的高锰钢及其制造方法”的中国专利文献公开了一种具有极低屈强比的高锰钢及其制造方法，其化学组分组成为：C：0.010％～0.090％、Si：0.15％～0.60％、Mn：10.0％～16.0％、Nb：0.020％～0.040％、Ti：0.005％～0.03％、Ni：1.0％～4.0％、Al：0.020％～0.060％、P≤0.020％、S≤0.010％、N≤0.0080％，其余为Fe和不可避免的杂质。连铸后堆垛缓冷＞72h，清理时板坯温度为100～200℃；加热温度1150～1250℃；第一阶段开轧温度1150～1030℃，终轧温度1040～980℃；第二阶段开轧温度950～850℃，终轧温度900～750℃，轧后空冷；轧后还可进行正火、淬火、回火或淬火+回火中的一种热处理。生产的高锰钢板屈强比为0.12～0.39，具有优良的强韧性和低温韧性。但该专利文献所公开的钢板的工序流程较长，其主要关注钢材的屈强比，且无法满足-196℃超低温环境的使用要求。
公开号为CN107523748A，公开日为2017年12月29日，名称为“一种超低温环境用高锰钢板及其生产方法”的中国专利文献公开了一种超低温环境用高锰钢板及其生产方法，其化学组分组成为：C：0.30～0.90％，Si：0.22～0.60％，Mn：22～28％，P≤0.010％，S≤0.005％，Cu：0.2～1.2％，Al：0.02～0.07％，余量为Fe和不可避免的杂质。所述生产方法包括冶炼、加热、轧制工序，轧制工序采用两阶段控轧工艺，终轧后钢板以≥10℃/s的冷却速度水淬至室温。该专利文献合金种类添加少，工艺简单，但是没有考虑到较高的锰含量在冶炼生产过程中带来的环境问题和对成品钢板表面质量的影响。
基于此，为了解决现有技术中高锰钢存在的问题，本发明期望获得一种环境友好型超低温高锰钢，该高锰钢具有优良的强韧性匹配、较好的焊接性和机加工性，其成材率高且生产成本较低，能够同时兼顾经济成本和环境污染等问题，可有效适用于超低温环境下，且不会造成环境污染，具有良好的推广前景和应用价值。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种环境友好型超低温高锰钢，该高锰钢具有优良的强韧性匹配、较好的焊接性和机加工性，其成材率高且生产成本较低，能够同时兼顾经济成本和环境污染等问题，可有效适用于超低温环境下，且不会造成环境污染，具有良好的推广前景和应用价值。
为了实现上述目的，本发明提供了一种环境友好型超低温高锰钢，其含有Fe和不可避免的杂质元素，此外还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：
C：0.22～0.51％，Si：0.10～0.13％，Mn：13～17％，Ni：2.5～4.5％，Cu：0.45～0.75％，V：0.02～0.05％，N：0.05～0.10％，Nb：0.01％～0.03％。
进一步地，在本发明所述的环境友好型超低温高锰钢中，其各化学元素质量百分含量为：
C：0.22～0.51％，Si：0.10～0.13％，Mn：13～17％，Ni：2.5～4.5％，Cu：0.45～0.75％，V：0.02～0.05％，N：0.05～0.10％，Nb：0.01％～0.03％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。
在本发明所述的技术方案中，本发明在普通低合金钢成分设计基础上，添加适量的Mn、Ni、Cu和N等奥氏体形成元素，以确保奥氏体在低温下的稳定性；同时本发明还结合了VN合金强化原理，以实现奥氏体固溶强化。
在本发明所述的环境友好型超低温高锰钢中，各化学元素的设计原理如下所述：
C：在本发明所述的环境友好型超低温高锰钢中，C一方面可以促使形成单相奥氏体组织，另一方面可以起到固溶强化的作用，从而保证钢材获得较高的力学性能。随着钢中C元素含量的增加，钢材的冲击韧性不受明显影响，碳的固溶强化作用也在提升，奥氏体高锰钢的强度、硬度逐步提高。但需要注意的是，钢中C元素含量不宜过高，当钢中C元素含量过高时，会导致钢的焊接难度增加，碳化物数量增多，在超低温使用环境下不利于组织的稳定性。因此，考虑到C元素对钢材性能的影响，在本发明所述的环境友好型超低温高锰钢中，将C元素的质量百分含量控制在0.22～0.51％之间。
Si：在本发明所述的环境友好型超低温高锰钢中，Si元素主要作为脱氧剂，Si同时还具有固溶强化、改变碳在奥氏体中的溶解度，延迟碳化物析出的作用。但需要注意的是，钢中Si元素含量不宜过高，钢中Si元素含量过高会在晶界偏聚弱化晶界，从而降低钢的低温韧性和塑性。因此，在本发明所述的环境友好型超低温高锰钢中，将Si元素的质量百分含量控制在0.10～0.13％之间。
Mn：在本发明所述的环境友好型超低温高锰钢中，Mn元素属于活泼金属，其容易被氧化，与氧和硫的化合能力较强，常作为炼钢工序中的脱硫剂和脱氧剂。同时，Mn和Ni一样可以增加奥氏体在低温下的稳定性，扩大γ相区，增加晶间结合力。此外，Mn还能够以固溶强化方式提高奥氏体的强度，在碳含量一定情况下，随着钢中Mn元素含量的增加，钢的强度和冲击韧性均能提高，可作为高锰钢中主要合金元素。但需要注意的是，钢中Mn元素含量不宜过高，Mn元素含量过高容易在晶界偏聚并弱化晶界，从而降低钢的低温冲击韧性、焊接性能和耐腐蚀性能，且会提高加工硬化能力，最为重要的是，Mn的熔点只有1260℃，沸点是2077℃，Mn的熔化热和汽化热也比较低，在炼钢温度下，Mn极易蒸发，从而形成污染环境的烟尘(主要为锰的氧化物)并增加锰中毒的风险。因此，在本发明所述的环境友好型超低温高锰钢中，保证钢材在超低温环境下具有良好的强韧性和应用性能条件下，将Mn元素的质量百分含量控制在13～17％之间。
Ni：在本发明所述的环境友好型超低温高锰钢中，Ni元素能够显著提高奥氏体稳定性，具有同时提高强度、延伸率和低温韧性的功能。此外，Ni元素不容易形成有害碳化物或是以偏聚形式弱化晶界，其还可以改善焊接接头力学性能从而降低材料使用难度，是提高超低温钢综合性能的重要合金元素。但需要注意的是，钢中Ni元素含量不宜过高，过高的Ni元素含量会硬化焊接热影响区，对钢的焊接性不利。同时Ni也是一种贵重金属，在考虑生产成本的前提下，需要尽量减少Ni含量的使用。基于此，在本发明所述的环境友好型超低温高锰钢中，将Ni元素的质量百分含量控制在2.5～4.5％之间。
Cu：在本发明所述的环境友好型超低温高锰钢中，Cu元素的与Ni元素的作用相似，Cu有抑制ε相提高低温韧性的作用。Cu元素在γ-Fe中的溶解度比在a-Fe中高，其可以有效提高钢的屈服强度。少量的Cu加入钢种，可以提高钢的抗大气腐蚀性能，但过多的Cu元素会导致锰奥氏体钢的热加工性急剧变差。因此，考虑到Cu对钢性能的影响，在本发明所述的环境友好型超低温高锰钢中，将Cu元素的质量百分含量控制在0.45～0.75％之间。
V：在本发明所述的环境友好型超低温高锰钢中，V元素与钢中的C元素和N元素结合会形成V(C,N)、V N、V C和V 4C3，其可以作为高锰钢凝固时的结晶核心，以在形核时有效阻止晶粒长大，抑制高锰钢柱状晶生长，细化晶粒，进而提高钢的强度和韧性。但需要注意的是，钢中V元素含量不宜过高，V的加入会使高锰钢的冷脆转变温度升高，降低其低温冲击韧性。因此，在本发明所述的环境友好型超低温高锰钢中，将V元素的质量百分含量控制在0.02～0.05％之间。
N：在本发明所述的环境友好型超低温高锰钢中，通常一定量的Mn、N同时加入钢中，可在低温下保持稳定的奥氏体，N的间隙固溶强化和稳定奥氏体组织的作用比C要大得多，低温下N的晶粒尺寸强化更显著，其可以改善钢的抗腐蚀能力。适量的N能够提高钢材的强度而不明显损害奥氏体组织的低温韧性，尤其提高奥氏体钢超低温下的屈服强度，但添加过量N容易形成粗大的高熔点氮化物并损害力学性能。因此，在本发明所述的环境友好型超低温高锰钢中，将N元素的质量百分含量控制在0.05～0.10％之间。
Nb：在本发明所述的环境友好型超低温高锰钢中，Nb是碳化物形成元素，Nb元素可以与C元素和N元素结合形成Nb、Nb(C,N)等第二相质点，以阻碍奥氏体晶粒的长大，并细化晶粒。钢中Nb元素含量不宜过高，Nb的价格昂贵，过量添加会大大提高生产成本，此外钢中Nb元素含量过高还易产生晶间裂纹。因此，在本发明所述的环境友好型超低温高锰钢中，将Nb元素的质量百分含量控制在0.01％～0.03％之间。
需要说明的是，在本发明中，V元素和Nb元素在元素周期表中属于VB族，其性质与Nb源也比较相近，少量的V元素可以使高锰钢的晶粒细化，韧性增加，同时改善钢的焊接性能。同样的，钢中V元素含量不宜过高，这是由于钒碳化合物在晶内的弥散析出将会导致奥氏体稳定性降低，使钢材的加工硬化能力升高。
进一步地，在本发明所述的环境友好型超低温高锰钢中，在不可避免的杂质元素中，P≤0.005％，并且/或者S≤0.002％。
在上述技术方案中，P、S均是本发明所述的环境友好型超低温高锰钢中的杂质元素，在技术条件允许情况下，为了获得性能更好且质量更优的钢材，应尽可能降低环境友好型超低温高锰钢中杂质元素的含量。
在本发明中，P、S是高锰钢中有害元素，会恶化高锰钢的力学性能、加工性能。其中，P元素在奥氏体中溶解度很小，易于偏聚晶界和枝晶间；相应地，由于高锰钢中含有大量的Mn元素，Mn元素和S元素的亲和能力大于Fe元素，因而夺取FeS中的S元素，形成不溶于钢液、高熔点的MnS，最后残留在钢中以非金属夹杂形式存在。因此，在本发明所述环境友好型超低温高锰钢中，应严格控制钢中P、S杂质元素的含量，可以控制P元素含量为P≤0.005％，控制S元素含量为S≤0.002％。
进一步地，在本发明所述的环境友好型超低温高锰钢中，其微观组织为等轴奥氏体晶粒。
进一步地，在本发明所述的环境友好型超低温高锰钢中，所述等轴奥氏体晶粒的晶界平直，等轴奥氏体晶粒上分布着取向各异的孪晶界。
进一步地，在本发明所述的环境友好型超低温高锰钢中，等轴奥氏体晶粒度为7级。
进一步地，在本发明所述的环境友好型超低温高锰钢中，其性能满足下列各项的至少其中一项：屈服强度为415～465MPa，抗拉强度为795～890MPa，伸长率≥22％，断面收缩率≥55％，至少-196℃下的低温冲击韧性≥100J。
相应地，本发明的另一目的在于提供一种钢板，该钢板具有良好的强韧性匹配、焊接性和机加工性，其成材率高且生产成本较低，能够同时兼顾经济成本和环境污染等问题，适用于超低温环境下储罐、接收站等压力容器的建造。
为了实现上述目的，本发明提出了一种钢板，其采用本发明上述的环境友好型超低温高锰钢制得。
进一步地，在本发明所述的钢板中，其厚度为8-30mm。
此外，本发明还提出了上述钢板的制造方法，该制造方法工艺简单，工艺流程较短，且成本较低，其工艺参数易于控制，适宜规模生产。采用该制造方法所获得的钢板在超低温环境下具有良好的强韧性匹配、焊接性和机加工性，具有良好的推广前景和应用价值。
在本发明所述的钢板的制造方法中，其包括步骤：
(1)冶炼和铸造；
(2)加热；
(3)轧制：控制开轧温度为1050℃～1100℃，终轧温度为930℃～980℃，每道次压下率≥13％，累计压下率≥78％，高温形变后钢板立即水冷至室温，控制冷却速率为30～50℃/s；
(4)固溶处理：固溶温度为800～1080℃，固溶时间为0.45～2h，固溶后立即水淬至室温。
在本发明所述的技术方案中，本发明所述的制造方法采用了热连轧产线进行TMCP(Thermo Mechanical Control Process)+DQ(Direct Quenching)控轧控冷工艺，以实现高温形变热处理与固溶处理效果的结合。在本发明中，TMCP+DQ工艺可以将形变的奥氏体直接冷却到室温，使轧制过程中产生的变形带和高密度位错保留了下来，在随后的热处理过程中，可作为相变时的形核点，有利于细化晶粒。同时TMCP+DQ工艺还省去了重新奥氏体化过程，缩短了工艺流程，提高了生产效率。
采用本发明所述的制造方法，最终可以得到厚度在8～30mm之间，室温屈服强度在415～465MPa之间，抗拉强度在795～890MPa之间、伸长率为22％以上，断面收缩率为55％以上，-196℃低温冲击韧性达到100J以上的奥氏体超低温钢用钢板，该钢板具有优良的焊接性、机加工性、良好的超低温强韧性匹配，十分适合大生产操作。
在本发明上述步骤(1)中，冶炼和铸造的流程可以为：高炉铁水→铁水脱硫→转炉冶炼→氩站→LF炉→真空处理→连铸。
在步骤(1)的冶炼步骤中，可以控制来料高炉铁水的温度大于1370℃，而后对铁水进行脱硫预处理，以使铁水中的S≤0.002％。在后续的转炉冶炼过程中，转炉采用超低硫模式，在转炉出钢过程中可以加入小粒白灰、精品萤石进行出钢预精炼，随后加入铝镁锰复合脱氧剂脱除钢水中多余的氧。当精炼脱氧脱硫完成且精炼变成黄白渣后，可以开始进行合金化，锰合金可以先添加一部分，再送电升温熔化合金，待锰合金熔化完全后，再次加入锰合金，再送电升温熔化，以这种方式陆续加入锰合金达到成分要求。而后再在氩站加入磷铁零料，以进行微调。钢液进入LF炉后底吹氩气搅拌，可加速熔化，并保持炉内还原性气氛，提高金属和合金收得率，从而达到钢水成分精确、温度均匀、夹杂物充分上浮和净化钢水的目的。
相应地，在后续的真空处理步骤中，可以控制真空处理时间≥15min，并同时补加脱硫剂脱硫，以确保较低硫含量控制。
在上述冶炼工艺操作中，冶炼工艺主要采用超低硫模式，并严格控制S含量。冶炼过程中的精炼可以使钢水在短时间内达到脱氧、脱硫、合金化、升温等综合精炼效果，以实现钢水成分精确、温度均匀、夹杂物充分上浮、净化钢水的目的。在冶炼过程中，当炼钢温度<1500℃时，铁的蒸发己达到了可察觉的程度，而锰的沸点仅为2150℃，纯锰的蒸气压比铁高得多，因此，在这种炼钢温度下，锰的蒸发量大于铁。
此外，在本发明中，冶炼过程中可以采用多次少量逐步添加锰铁的方式，以减少锰的蒸发。由于高锰钢热导率较低，连铸后采用堆垛缓冷方式，可有效去除钢坯中的氢含量和铸造内应力，避免裂纹的产生。
在本发明上述步骤(3)中，轧制过程中控制开轧温度为1050℃～1100℃，终轧温度为930℃～980℃，每道次压下率≥13％，累计压下率≥78％，确保在奥氏体再结晶区域内控制轧制，每道次变形量超过发生再结晶的临界变形量。若每道次压下率过小，则会应变诱发奥氏体晶界的迁移，在奥氏体中生成局部粗大晶粒。再结晶区轧制时，轧后停留时间不能过长，防止再结晶晶粒长大，形成粗大的奥氏体晶粒。
相应地，在高温形变后钢板立即进行水冷，能够抑制再结晶后的晶粒长大，从而实现高温形变热处理的效果，得到细化的奥氏体晶粒，且能有效抑制晶界上有害碳化物的大量析出从而显著提高低温冲击韧性。进一步地，需要控制冷却速率为30～50℃/s，合适的冷却速率能够确保碳化物析出量控制在较低水平，防止恶化钢板的强韧性。
此外，在本发明上述步骤(4)中，采用了固溶处理，固溶处理的目的是保留高温组织，抑制奥氏体的共析转变以及碳化物和中间相的生成，其加热温度应考虑碳化物的充分溶解、奥氏体适宜的晶粒度、钢中化学成分尽可能均匀、得到最佳的力学性能、防止过热组织的出现。在本发明中，由于高锰钢含有钒等合金碳化物，其在奥氏体组织中溶解度较低，需要固溶温度适当提高，而固溶时间又与钢板厚度、固溶温度、化学成分等因素有关，结合考虑到高锰钢的导热性低且热膨胀系数高，本发明适宜采用缓慢加热的方式进行固溶处理。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(2)中，加热温度控制在1180℃～1210℃，加热速率为9～12min/cm，保温时间为130～200min。
在上述技术方案中，可以将加热温度控制在1180℃～1210℃之间，当加热温度不足时，则不能完全实现组织的奥氏体化；当加热温度过高时会使晶粒粗大，使钢中偏析与夹杂富集在晶界处发生氧化，轧制时产生裂纹。因此，在本发明中，结合高锰钢导热性较差的现象，本发明在加热过程中，采用了缓慢加热和较长保温时间的加热制度，以确保奥氏体组织的均匀化。
进一步地，在本发明所述的制造方法中，在步骤(1)中，控制连铸的拉速为0.9～1.5m/min，连铸采用电磁搅拌，铸坯矫直温度不低于960℃，连铸后堆垛缓冷72h以上。
在上述技术方案中，在步骤(1)的连铸过程中，本发明可以采用全程保护浇注的方式，并控制钢水温度为1550～1580℃，控制连铸的拉速为0.9～1.5m/min，连铸采用电磁搅拌，以减少元素偏析。在连铸过程中，可以控制铸坯矫直温度不低于960℃，以减少铸坯裂纹的出现，改善连铸坯的表面质量，最终可以得到厚度为230-250mm的铸坯。
相应地，在本发明中，由于高锰钢热导率较低，连铸后采用堆垛缓冷方式，并控制堆垛缓冷72h以上，以去除钢坯中的氢含量和铸造内应力，避免裂纹的产生。
本发明所述的环境友好型超低温高锰钢、钢板及其制造方法相较于现有技术具有如下所述的优点以及有益效果：
在本发明中，本发明通过添加少量Mn、Ni、Cu、N等奥氏体形成元素，同时结合VN合金强化原理，既能确保高锰奥氏体在超低温环境下的稳定性，又能减少高锰钢冶炼带来的环境污染和减少成品钢板表面质量问题。相应地，本发明在制造方法中还利用了超低硫纯净钢冶炼技术，并结合TMCP+DQ控轧控冷工艺和固溶处理，以缩短生产流程，提高生产效率，其环境效益和经济效益显著，能够保证钢板具有良好的强韧性匹配、焊接性和机加工性，其工艺参数易于控制且适宜规模生产。
本发明所述的环境友好型超低温高锰钢能够同时兼顾经济成本和环境污染等问题，其屈服强度为415～465MPa，抗拉强度为795～890MPa，伸长率≥22％，断面收缩率≥55％，至少-196℃下的低温冲击韧性≥100J。相应地，采用该环境友好型超低温高锰钢所制得的钢板同样具有上述优点以及有益效果，其可以有效适用于超低温环境下储罐、接收站等压力容器的建造。
附图说明
图1为实施例5的环境友好型超低温高锰钢在-196℃时的金相组织图。
具体实施方式
下面将结合具体的实施例和说明书附图对本发明所述的环境友好型超低温高锰钢、钢板及其制造方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。
实施例1-6和对比例1-2
本发明所述实施例1-6的采用环境友好型超低温高锰钢制得的钢板和对比例1-2的对比钢板均采用以下步骤制得：
(1)按照表1所示的化学成分进行冶炼和铸造：控制来料高炉铁水温度＞1370℃，对铁水进行脱硫，而后进行转炉冶炼转炉采用超低硫模式，在转炉出钢过程中加入小粒白灰、精品萤石进行出钢预精炼，随后加入铝镁锰复合脱氧剂脱除钢水中多余的氧；当精炼脱氧脱硫完成且精炼变成黄白渣后，开始进行合金化，锰合金采用先添加一部分，再送电升温熔化合金，待锰合金熔化完全后，再次加入锰合金，再送电升温熔化，以这种方式陆续加入锰合金达到成分要求；氩站加入磷铁零料，实现微调；而后控制钢液进入LF炉后底吹氩气搅拌；对钢液进行真空处理，控制真空处理时间≥15min，同时补加脱硫剂脱硫，确保较低硫含量控制；处理完成后进行铸造浇铸，全程采用保护浇铸，控制钢水温度1550～1580℃，控制连铸的拉速为0.9～1.5m/min，连铸采用电磁搅拌，控制铸坯矫直温度不低于960℃，得到厚度为230-250mm的铸坯，连铸后堆垛缓冷72h以上。
(2)加热：控制加热温度为1180℃～1210℃，加热速率为9～12min/cm，保温时间为130～200min。
(3)轧制：控制开轧温度为1050℃～1100℃，终轧温度为930℃～980℃，每道次压下率≥13％，累计压下率≥78％，高温形变后钢板立即水冷至室温，控制冷却速率为30～50℃/s。
(4)固溶处理：固溶温度为800～1080℃，固溶时间为0.45～2h，固溶后立即水淬至室温。
需要说明的是，实施例1-6的采用环境友好型超低温高锰钢制得的钢板的化学成分设计以及相关工艺均满足本发明设计规范要求。而对比例1-2的对比钢板的工艺步骤虽然与实施例1-6相同，但其化学成分设计以及相关工艺中均存在不满足本发明设计要求的参数。
表1列出了实施例1-6的采用环境友好型超低温高锰钢制得的钢板和对比例1-2的对比钢板的各化学元素的质量百分配比。
表1-1.(wt％，余量为Fe和除P、S以外其他不可避免的杂质)
Figure BDA0002978161920000111
表2-1和表2-2列出了实施例1-6中采用环境友好型超低温高锰钢制得的钢板和对比例1-2对比钢板的具体工艺参数。
表2-1.
Figure BDA0002978161920000112
Figure BDA0002978161920000121
表2-2.
Figure BDA0002978161920000122
将通过上述工艺步骤得到的成品实施例1-6中采用环境友好型超低温高锰钢制得的钢板和对比例1-2对比钢板分别取样，并进行力学性能检测，将所得的力学性能检测结果列于表3中。
相关性能检测手段如下所述：
(1)拉伸性能测试：在室温条件下，对钢板厚度1/4处取横向试样，根据GB/T228.1《金属材料.拉伸试验.第1部分：室温试验方法》测得钢板的屈服强度ReL、抗拉强度Rm、伸长率A均和断面收缩率Z；
(2)低温冲击韧性测试：在环境温度-196℃条件下，对钢板厚度1/4处取横向试样，根据GB/T 229《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行检测试验，得到-196℃下标准试样的KV2冲击平均值。
表3列出了实施例1-6中采用环境友好型超低温高锰钢制得的钢板和对比例1-2对比钢板的力学性能检测结果。
表3.
Figure BDA0002978161920000123
Figure BDA0002978161920000131
结合表3可以看出，相较于对比例1-2的对比钢板，实施例1-6的采用环境友好型超低温高锰钢制得的钢板的综合性能明显更优，其具有良好的超低温强韧性匹配，且力学性能明显优于对比例1-2的对比钢板。
在本发明中，实施例1-6的采用环境友好型超低温高锰钢制得的钢板的屈服强度ReL均在415～465MPa之间，抗拉强度Rm均在795～890MPa之间，伸长率A均≥22.5％，断面收缩率Z均≥55％，至少-196℃下的低温冲击韧性KV2均≥145J，其具有良好的超低温强韧性匹配性能。
相应地，在本发明中，实施例1-6对应的环境友好型超低温高锰钢也同样具有其所对应制得的钢板的优异性能。
图1为实施例5的环境友好型超低温高锰钢在-196℃时的金相组织图。
如图1所示，在本实施方式中，实施例5的环境友好型超低温高锰钢的金相组织由完全的等轴奥氏体晶粒组成，等轴奥氏体晶界比较平直，其上分布着取向各异的孪晶界，且等轴奥氏体晶粒度为7级。
综上所述可以看出，本发明所述的环境友好型超低温高锰钢性能优异，其具有良好的强韧性匹配、焊接性和机加工性，应用前景十分广阔，可以有效适用于超低温环境下储罐、接收站等压力容器的建造。
需要说明的是，本案中各技术特征的组合方式并不限本案权利要求中所记载的组合方式或是具体实施例所记载的组合方式，本案记载的所有技术特征可以以任何方式进行自由组合或结合，除非相互之间产生矛盾。
还需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种环境友好型超低温高锰钢，其含有Fe和不可避免的杂质元素，其特征在于，此外还含有质量百分含量如下的下述各化学元素：
C：0.22～0.51％，Si：0.10～0.13％，Mn：13～17％，Ni：2.5～4.5％，Cu：0.45～0.75％，V：0.02～0.05％，N：0.05～0.10％，Nb：0.01％～0.03％。
2.如权利要求1所述的环境友好型超低温高锰钢，其特征在于，其各化学元素质量百分含量为：
C：0.22～0.51％，Si：0.10～0.13％，Mn：13～17％，Ni：2.5～4.5％，Cu：0.45～0.75％，V：0.02～0.05％，N：0.05～0.10％，Nb：0.01％～0.03％；余量为Fe和不可避免的杂质元素。
3.如权利要求1或2所述的环境友好型超低温高锰钢，其特征在于，在不可避免的杂质元素中，P≤0.005％，并且/或者S≤0.002％。
4.如权利要求1或2所述的环境友好型超低温高锰钢，其特征在于，其微观组织为等轴奥氏体晶粒。
5.如权利要求4所述的环境友好型超低温高锰钢，其特征在于，所述等轴奥氏体晶粒的晶界平直，等轴奥氏体晶粒上分布着取向各异的孪晶界。
6.如权利要求4所述的环境友好型超低温高锰钢，其特征在于，等轴奥氏体晶粒度为7级。
7.如权利要求1或2所述的环境友好型超低温高锰钢，其特征在于，其性能满足下列各项的至少其中一项：屈服强度为415～465MPa，抗拉强度为795～890MPa，伸长率≥22％，断面收缩率≥55％，至少-196℃下的低温冲击韧性≥100J。
8.一种钢板，其采用如权利要求1-7中任意一项所述的环境友好型超低温高锰钢制得。
9.如权利要求8所述的钢板，其特征在于，其厚度为8-30mm。
10.如权利要求8或9所述的钢板的制造方法，其特征在于，其包括步骤：
(1)冶炼和铸造；
(2)加热；
(3)轧制：控制开轧温度为1050℃～1100℃，终轧温度为930℃～980℃，每道次压下率≥13％，累计压下率≥78％，高温形变后钢板立即水冷至室温，控制冷却速率为30～50℃/s；
(4)固溶处理：固溶温度为800～1080℃，固溶时间为0.45～2h，固溶后立即水淬至室温。
11.如权利要求10所述的制造方法，其特征在于，在步骤(2)中，加热温度控制在1180℃～1210℃，加热速率为9～12min/cm，保温时间为130～200min。
12.如权利要求10所述的制造方法，其特征在于，在步骤(1)中，控制连铸的拉速为0.9～1.5m/min，连铸采用电磁搅拌，铸坯矫直温度不低于960℃，连铸后堆垛缓冷72h以上。
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