[发明专利]一种不含镍的超低温环境用钢板及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于钢板制造领域，具体涉及一种超低温环境下使用的不含镍钢板及其制造方法。

背景技术

目前低温钢以镍钢为主，正火或正火+回火或调质态交货，如3.5Ni、5Ni、9Ni钢等，镍为钢中主要合金元素，采用正火或正火+回火或调质态交货。镍钢在生产制造的过程中需要大量宝贵的镍资源进行合金化，同时，在热处理过程中需要消耗大量的热能，故其生产周期长，能耗高，资源消耗压力大，相应的生产成本居高不下，环境污染严重。因此，急需开发一种新型的超低温环境用钢板材料，连铸生产，且该钢板应该具有良好的低温韧性，减少镍含量用量，避免苛刻的热处理工艺，从而有效降低生产成本。

Mn和Ni元素在某些方面具有相似的特性，如：两者都易固熔于铁素体和奥氏体中，扩大奥氏体区；两者均使临界温度A3点降低，(α+γ)区下移。

中国Mn资源丰富，价格低廉，通过与其它合金共同作用，使钢板在室温下体现奥氏体组织特征，以面心立方晶格为主，避免或减轻钢板低温转脆现象，故该钢种能在极低温度范围内使用。

由于奥氏体钢在加热过程中不存在相变现象，故不能通过热处理工艺较大幅度的改变钢板力学性能，因此，需要设计合理的成分，采用连铸工艺，依靠轧制过程中合理的工艺保证钢板的成材率及性能，同时避免苛刻的热处理过程对能源的消耗。

基于此，如何设计合理的成分，制定完善的连铸工艺和热轧工艺，保证钢板奥氏体组织特性，同时满足钢板的成材率、力学性能及工艺性能是本领域技术人员需要思考的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种不含镍的超低温环境用钢板材料，该钢板可用于-196℃条件下的结构件、容器板、管道等，克服常规低温钢板大量消耗镍资源的缺点。

本发明的另一目的是提供上述不含镍钢板的连铸生产方法，该钢种连铸工艺的关键难点在于保护渣的设计，由于钢中需要[Al]元素抑制γ→ε马氏体相变，同时，需要22.5%以上Mn元素扩大奥氏体区，而Mn合金化的结果是钢种液相线温度降低大约100℃，因此，连铸保护渣存在以下难点：1）钢种液相线温度低，保护渣的熔化温度应该相应的降低；2）该钢种钢中含2%左右Al，Al易与保护渣中SiO₂反应，导致保护渣变性，4[Al]+3SiO₂=3[Si]+2(Al₂O₃)，最终达到反应平衡时渣中（Al₂O₃）含量30%左右，存在浇注困难的问题；3）保护渣需要一定的碱度，及一定的促结晶物质，以利用熔渣凝固过程中析出晶体，控制铸坯向结晶器传热，防止传热过快形成铸坯裂纹。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为，一种不含镍的超低温环境用钢板，该钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.16～0.22%，Si：0.20～0.35%，Mn：22.5～28.0%，Al：1.50～2.50%，V：0.04～0.10%，P：≤0.025%，S：≤0.010%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素。

不含镍的超低温环境用钢板材料的有效化学成分设计的依据及限定含量范围的理由如下：

C是钢中最重要的元素之一，C溶解在γ铁中形成的一种间隙固溶体，呈面心立方结构，稳定奥氏体组织，但同时，C对钢板的塑性有不利的影响，考虑到钢板的低温冲击性能，C含量严格控制在0.16～0.22%为宜。

Mn在此钢铁材料中是最重要的合金元素。作为一种有效的扩大奥氏体元素，锰将奥氏体临界转变温度降至室温以下，使钢在室温下保持奥氏体组织。本发明Mn含量的范围确定为22.5～28.0%。

Al元素强烈抑制Fe-Mn中γ→ε马氏体相变，稳定奥氏体，同时Al的加入也可降低Fe-Mn合金的加工硬化能力，可改善切削性能和冷加工性能，本发明超低温环境下使用的钢板中铝含量在1.5～2.5%之间。

V是碳化物和氮化物的形成元素，V的作用是通过形成V（C，N）影响钢的组织和性能，主要在奥氏体晶界的铁素体中沉淀析出，在轧制过程中能抑制奥氏体的再结晶并阻止晶粒长大，从而起到细化铁素体晶粒、提高钢的强度和韧性的作用，本发明中V的含量控制在0.04～0.10%为宜。

本发明另一目的是提供上述不含镍的超低温环境用钢板的制备方法，采用连铸工艺，显著提高成材率及生产效率，工艺步骤如下：