一种综合性能优异的超低温环境用5Ni特厚钢板制造方法与流程

本发明属于超低温环境用ni系钢板生产，具体涉及一种综合性能优异的超低温环境用5ni特厚钢板制造方法。

背景技术：

1、液化石油气(lpg)、液化乙烷(lec)和液化乙烯(leg)作为清洁能源和化工原料，需求量逐年增加，其中乙烯产量占全球石化产品的75％以上，乙烯产量已被作为衡量一个国家石化行业发展水平的重要标志之一。乙烯液化温度为-104℃，要求储运材料具有良好的低温韧性。ni系低温钢是目前国内外通用的低温用钢，服役环境温度-40～-196℃，其中5ni钢的服役温度在-100℃～-130℃范围内，目前正广泛应用于lpg的储存和运输。截至2022年底，我国乙烯产能已超过4850万吨/年。至2023年8月底，乙烯产能约为5200万吨，年内新增还有宝丰三期mto装置。据公开资料显示，2024年计划投放新增乙烯产能接近400万吨/年，另有部分装置投产时间尚不确定，保守估计2024年产能将接近5700万吨。

2、中国专利cn 104388838 a提供了超低温压力容器用5ni钢板及其生产方法，钢板主要合金元素为c：0.07～0.10％，si：0.15～0.30％，mn：0.70～0.80％，ni 4.90～5.25％，热处理工艺为淬火+两相区淬火+回火，钢板厚度为8～50mm。

3、中国专利cn 105331890 a提供了一种在线淬火生产高韧性5ni钢中厚板的方法，钢板主要合金元素为c：0.03～0.08％，si：0.10～0.20％，mn：0.60～1.0％，ni：4.7～5.3％，热处理工艺为在线淬火+回火(水冷)，钢板的-130℃冲击功≥130j。

4、中国专利cn 104195428 a提供了一种含v低碳高强5ni钢中厚板极其制造方法，钢板主要合金元素除c：0.045～0.075％，si：0.15～0.25％，mn：0.50～0.80％，ni：4.75～5.25％外，还添加了v：0.03～0.05％，热处理工艺为淬火+回火，钢板的-130℃冲击功≥130j，钢板的最大厚度为50mm。

5、中国专利cn 111440990 a提供了一种低剩磁、表面质量优异的船用5ni钢板的制造方法，钢板主要合金元素除c：0.07～0.10％，si：0.05～0.20％，mn：0.60～0.80％，ni：4.90～5.25％外，还添加了v：0.010～0.015％，nb：0.010～0.020％，ca：0.0005～0.0030％，热处理工艺为淬火+两相区淬火+回火，钢板的厚度为6～50mm。

6、中国专利cn 114686649 a提供了一种5％ni低温钢及其制造方法，钢板主要合金元素除c：0.07～0.15％，si：0.20～0.40％，mn：0.30～1.0％，ni：4.5～5.5％外，还添加了mo：0.15～0.40％；热处理工艺为在线淬火+两相区淬火+回火，钢板韧脆温度可达到-140℃。

7、中国专利cn 114737111 a提供了一种5ni用钢及其生产方法，钢板主要合金元素除c：0.04～0.07％，si：010～0.30％，mn：0.60～0.90％，ni：4.50～5.50％外，还添加了cr：0.05～0.15％，mo：0.05～0.10％，cu≤0.050％，mg：0.0008～0.0020％等，热处理工艺为淬火+回火，钢板的-110℃冲击功＞272j。

8、综上所述，1)5ni钢板化学成分除c、si、mn、ni外，为获得理想性能还单独或组合添加了mo、v、cu、cr、nb等合金元素；2)热处理工艺包含在线淬火+两相区淬火+回火、在线淬火+回火(水冷)、离线淬火+回火，最终目的基本上都是为获得回火马氏体或回火贝氏体+逆转变奥氏体；3)钢板的厚度范围可覆盖6～50mm；4)钢板的低温韧性保证能力可达到-110℃～-130℃。随着清洁能源和化工原料行业的蓬勃发展，储运设备建造向大型化和巨型化发展，需要制备出综合性能更加优异的厚规格钢板，保证在低温环境服役时的安全性。解决的路径主要包含以下几方面：1)保证钢板强度的同时，进一步降低材料的韧脆转变温度；2)开发出强度和低温韧性等满足发展要求的更厚的钢板。

技术实现思路

1、基于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种综合性能优异的超低温环境用5ni特厚钢板制造方法，采用低碳、低硅、低锰、mo-v-ti-re复合强化成分体系设计，通过在线控轧+在线两阶段淬火+离线回火热处理，制备的钢板最大厚度达到65mm，韧脆转变温度低于-155℃，综合性能优异，可完全满足大厚度低温乙烯、乙烷等能源储罐的建造。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种综合性能优异的超低温环境用5ni特厚钢板制造方法，包括以下步骤：(1)冶炼及连铸；(2)铸坯缓冷及修磨；(3)加热及轧制；(4)钢板冷却；(5)钢板热处理；

3、所述钢板化学成分组成及其质量百分含量为：c 0.03～0.05％，si 0.10～0.25％，mn0.30～0.50％，p≤0.005％，s≤0.001％，ni 4.5～5.5％，mo 0.10～0.25％，v0.015～0.030％，ti0.015～0.030％，re 0.010～0.030％，alt 0.020～0.040％，[o]≤15ppm，[n]≤25ppm，[h]≤1ppm，余量为fe和不可避免的杂质。所述re为la和ce的复合物，其中la与ce的质量比为1∶1.0～1.4。

4、本发明5ni钢中各元素的设计思路如下：

5、c：显著提高强度，增加钢的淬透性，特别是对中厚板生产更为有益，但是c含量过多不利于-130℃以下母材及焊接钢板的冲击性能和应变时效性能，同时c含量越高，中心偏析越严重，钢板越厚偏析也越严重，所以本发明将c含量控制在0.03～0.05％。

6、si：主要用于脱o，对去除5ni钢中有害元素o有利，同时可以提高强度，但对韧性明显不利，且si含量超过0.30％以上易在氧化铁皮中形成硅铝尖晶石，不易去除，ni系钢对表面质量要求极高，所以本发明将si含量控制在0.10～0.25％。

7、mn：提高淬透性，提升强度，当钢中mn含量过低时，无法充分发挥提升强度的作用，但mn含量过高降低焊接性能，且mn是极易产生中心偏析的元素，显著降低钢板中心位置的冲击韧性，所以本发明将mn含量控制为0.30～0.50％。

8、p：严重损害低温韧性并影响钢板的可焊性，所以本发明将p控制在0.0050％以下。

9、s：易形成中心偏析，易形成mns夹杂物，对热轧性能不利，所以本发明将s控制在0.001％以下。

10、ni：提高钢板的淬透性并可以显著改善其低温韧性的元素，在充分考虑了各船级社规范与国际通用标准的前提下，本发明将ni含量控制在4.5～5.5％。

11、mo：强烈提高钢板的淬透性元素，细化晶粒，提高钢的强度和韧性，特别是对于厚规格钢板，保证淬透性才能获得理想的马氏体组织，同时适量的mo可改善奥氏体树枝晶生长，抑制碳化物析出和珠光体的形成，减少网状碳化物，获得良好的力学性能；mo是昂贵的合金元素，含量过高作用过甚且增加了生产成本，所以本发明将mo含量控制在0.10～0.25％。

12、v：易在钢中形成vc、v(cn)等第二相质点，可细化晶粒，提高钢材的强度和低温韧性，弥补本发明低c和低mn造成的强度损失，但v含量过高会降低钢的焊接性，所以本发明将v含量控制在0.015～0.030％。

13、ti：固n作用，同时可弥补弥补本发明低c和低mn造成的强度损失，但含量过高易形成大尺寸tin颗粒，影响塑韧性，所以本发明将ti含量控制在0.015～0.030％。

14、re：细化变质夹杂、深度净化钢水、强烈微合金化等作用，从而能提高钢板韧塑性，含量过高易形成尺寸较大的夹杂物，损害低温性能，所以本发明将re含量控制在0.010～0.030％；

15、al：固氮和脱氧作用，aln可以有效地细化晶粒，但含量过高对韧性不利，尖锐的al2o3也对韧性不利，所以本发明将alt含量控制在0.020～0.040％。

16、o、n：有害气体元素，易形成夹杂物，对钢板塑性、韧性、焊接、弯曲性能均不利，本发明将o含量控制在0.0015％以下，n含量控制在0.0025％以下。

17、h：有害气体元素，h含量高易产生白点，降低钢板塑性、韧性，严重危害钢板使用性能，所以本发明将h含量控制在0.00010％以内。

18、进一步地，所述步骤(1)中冶炼采用lf+rh双精炼，连铸坯在线剪切后尽快送入缓冷坑，入坑温度≥550℃，出坑温度≤200℃，每小时平均温降速率＜3℃，出坑后继续堆垛，避免处于风口位置。

19、进一步地，所述步骤(2)中铸坯厚度为200～300mm。

20、进一步地，所述步骤(3)中轧制精轧开轧温度880～960℃，精轧道次数≤7，采用快速轧制，保证终轧温度≥840℃。

21、进一步地，所述步骤(4)钢板冷却为两阶段冷却：

22、1)第一阶段：轧后立即入水，超快冷至ar1相变点以下20～30℃，在线等待钢板返温至ar1以上，必要时可采用保温罩，至少保温10min以上；

23、2)第二阶段：保温结束后再次进行淬火冷却，终冷温度100℃以下，返温后温度不高于180℃。

24、进一步地，所述步骤(5)钢板热处理温度随厚度增加而降低，50mm以上钢板的回火温度520～560℃，50mm以下钢板回火温度560～620℃，加热系数为2.5～3.5mm/min。

25、进一步地，所述钢板的最大厚度为65mm；屈服强度≥450mpa，抗拉强度≥570mpa，断后伸长率a≥28％；-155℃的冲击功≥150j、侧膨胀值≥1.8mm、纤维断面率≥60％，韧脆转变温度低于-155℃；-130℃的ndt无断裂，-130℃的ctod特征值≥0.8mm；钢板焊接后的抗拉强度≥550mpa，焊缝各位置-155℃的冲击功≥100j。

26、本发明具有以下有益效果：

27、1)化学成分设计革新，采用低碳、低硅、低锰、mo-v-ti-re复合强化成分体系，降低甚至避免了c、mn等合金元素的中心偏析，添加mo-v-ti-re弥补了降低c和mn带来的强度损失，同时添加的re可改善夹杂物形态，提升钢水洁净度，适合于制备综合性能优异的厚规格钢板。

28、2)热处理工艺革新，发明在线控轧+在线两阶段淬火+离线回火热处理工艺，通过两次在线淬火+一次热处理即可制备出综合性能优异的大厚度规格钢板，缩短了工艺生产流程。

29、3)厚度规格突破，目前公布的专利中钢板最大厚度为50mm，gb/t 713.4中已将5ni钢的厚度规定至80mm，本发明首次将5ni钢板的厚度拓展至65mm，综合性能优异，完全满足船级社和相关标准的要求。

30、4)目前广泛使用的参照en10028-4标准制造的x12ni5(5％ni)低温钢，最大厚度为50mm，其屈服强度≥380mpa，抗拉强度530-710mpa，延伸率≥20％，-120℃冲击功≥27j；采用本发明所述方法制造的5％ni低温钢，其屈服强度≥450mpa，抗拉强度≥570mpa，断后伸长率a≥28％；-155℃的冲击功≥150j、侧膨胀值≥1.8mm、纤维断面率≥60％，韧脆转变温度低于-155℃；-130℃的ndt无断裂，-130℃的ctod特征值≥0.8mm；钢板焊接后的抗拉强度≥550mpa，焊缝各位置-155℃的冲击功≥100j；该产品可完全满足大厚度低温乙烯、乙烷等能源储罐的建造。