Системы хранения и подачи топлива в виде сжиженного природного газа (спг-топлива) для транспортных средств, работающих на природном газе

Системы хранения и подачи топлива в виде сжиженного природного газа (спг-топлива) для транспортных средств, работающих на природном газе

Реферат

 

Изобретение относится к системам хранения сжиженного природного газа под давлением (СПГД-топлива) от примерно 1035 до примерно 7590 кПа и при температуре от примерно -123 до примерно -62^oС и подачи испаряющегося СПГД-топлива для сгорания в двигателе. Системы подачи и хранения топлива имеют резервуары для хранения топлива, которые выполнены из сверхвысокопрочной низколегированной стали, содержащей менее 9 вес.% никеля и имеющей предел прочности при растяжении, превышающий 830 МПа, и температуру перехода от пластичного разрушения к хрупкому ниже, чем примерно -73^oС. Изобретение особенно применимо для транспортных средств с двигателями, предназначенными для работы за счет сгорания природного газа. Использование изобретение позволит создать экономичную систему хранения и подачи топлива для сгорания в двигателе автомобиля. 6 с. и 9 з.п. ф-лы, 3 табл., 4 ил.

Это изобретение относится к системам хранения и подачи топлива для его хранения в виде находящегося под давлением сжиженного природного газа (СПГД-топлива) и подачи испаряющегося СПГД-топлива при использовании для сгорания в двигателе. Более конкретно, данное изобретение относится к таким системам хранения и подачи, имеющим резервуары для хранения топлива, которые выполнены из сверхвысокопрочных низколегированных сталей, содержащих меньше 9 вес.% никеля, и которые имеют подходящие предел прочности и вязкость разрушения при криогенных температурах для содержания СПГД-топлива. Хотя данное изобретение и не ограничивается нижеследующими применениями, оно в особенности применяется для легковых автомобилей, автобусов, грузовых автомобилей и других транспортных средств с двигателями, предназначенными для работы за счет сгорания природного газа.

В нижеследующем описании даны определения различных терминов. Для удобства непосредственно перед формулой изобретения приведен Словарь терминов.

Такие законы, как Закон о контроле над загрязнением воздуха (1990) и Закон об энергетической политике (1992), которые регулируют закупку транспортных средств, работающих на альтернативном топливе (ТСРАТ), стимулировали выдвижение нескольких серьезных предпринимательских инициатив, направленных на разработку транспортных средств, работающих на природном газе (ТСРПГ). Хотя эти законы были обоснованы вопросами качества воздуха, они создали экономические мотивы, которые стимулировали практическую деятельность по внедрению ТСРПГ. В настоящее время ТСРПГ считают наиболее конкурентоспособной возможной альтернативой транспортным средствам, работающим на бензине, ввиду присущих природному газу характеристик полноты сгорания.

Тремя конкурентоспособными технологиями для внедрения ТСРАТ типа ТСРПГ являются: технология сжатого природного газа (СжатПГ-технология), технология сжиженного природного газа (СПГ-технология) и технология сжиженного нефтяного газа (СНГ-технология). При СжатПАГ-технологии газообразное топливо (природный газ) хранится при очень высоких давлениях примерно от 20684 кПа до 24132 кПа. У СжатПГ-технологии есть, по меньшей мере, четыре основных недостатка, которые ограничили ее успешное применение: малая дальность пробега транспортного средства (ввиду малого запаса энергии в пересчете на объем резервуара для хранения топлива); вопросы безопасности, связанные с высокими давлениями хранения; масса и высокая стоимость бортовых (и обычно неудобных) резервуаров для хранения топлива и высокая стоимость станций дозаправки топливом, которые должны включать компрессорные установки с высокой степенью сжатия. СПГ-технология не имеет ограничения, связанного с низкой плотностью энергии, присущее СжатПГ, за счет того, что можно запасать больше энергии в пересчете на единицу объема. Другие преимущества СПГ над СжатПГ включают меньший вес топливной системы транспортного средства и увеличенную общую вместимость резервуара для хранения топлива. Например, вес типичной бортовой системы хранения топлива, заполненной СжатПГ, в 2,5 раза превышает вес типичной СПГ-системы. Однако исключительно низкая температура хранения, -162^oС, необходимая для СПГ-системы, приводит к большим затратам на резервуары для хранения топлива, которые обычно изготовлены из дорогих специальных сплавов, таких как промышленные никельсодержащие стали (например, содержащие 9 вес.% никеля) или сплавы алюминия (например, Аl-5083). Кроме того, необходимость подавать находящийся под давлением природный газ к топливным инжекторам двигателя повышает сложность и стоимость системы подачи топлива. Недавние настойчивые предложения Национальной лаборатории Министерства энергетики в Брукхейвене по разработке СПГ-технологии для ТСРПГ подчеркивают потребность в системе подачи СПГ для топливных инжекторов среднего давления. Альтернативой СПГ с аналогичными характеристиками полноты сгорания является сжиженный нефтяной газ (СНГ). СНГ не имеет ограничений, присущих как СжатПГ, так и СПГ, поскольку обеспечивает больший запас энергии в пересчете на объем резервуара, чем любой из СжатПГ и СПГ, а также работает при относительно низких давлениях (примерно 827 кПа) по сравнению со СжатПГ и при температурах окружающей среды. Однако поставки СНГ ограничены и СНГ гораздо дороже, чем СПГ.

В пяти одновременно рассматриваемых заявках на патент США (заявках на патенты по находящемуся под давлением сжиженному природному газу (СПГД)), каждая из которых имеет название "Усовершенствованная система для обработки, хранения и транспортировки сжиженного природного газа", описаны резервуары и танкеры для хранения и морских перевозок находящегося под давлением сжиженного природного газа (СПГД) при давлении в широком диапазоне от примерно 1035 кПа до примерно 7590 кПа и при температуре в широком диапазоне от примерно -123^oС до примерно -62^oС. Самая последняя из указанных заявок на патенты по СПГД имеет приоритет от 14 мая 1998 г. и зарегистрирована Заявителем под 97006Р4, а Ведомством по патентам и товарным знакам США (ВПТЗ США) - под 60/085467. Первая из указанных заявок на патенты по СПГД имеет приоритет от 20 июня 1997 г. и зарегистрирована ВПТЗ США под 60/050280. Вторая из указанных заявок на патенты по СПГД имеет приоритет от 28 июля 1997 г. и зарегистрирована ВПТЗ США под 60/053966. Третья из указанных заявок на патенты по СПГД имеет приоритет от 19 декабря 1997 г. и зарегистрирована ВПТЗ США под 60/068226. Четвертая из указанных заявок на патенты по СПГД имеет приоритет от 30 марта 1998 г. и зарегистрирована ВПТЗ США под 60/079904. Кроме того, во всех заявках на патенты по СПГД описаны системы и резервуары для обработки, хранения и транспортировки СПГД.

СПГД представляет собой альтернативный, экономически эффективный источник топлива для транспортных средств, который обеспечивает преимущества полноты сгорания СжатПГ, СПГ и СНГ. Кроме того, СПГД дает больший запас энергии в пересчете на объем резервуара для хранения топлива, чем СжатПГ, дешевле в обработке, чем СПГ, и исключает недостаток, связанный с ограниченностью поставок и характерный для СНГ. Однако по сведениям авторов изобретения в настоящее время нет систем хранения и подачи топлива, пригодных для экономичного хранения и подачи испаренного СПГД-топлива при использовании для сгорания в двигателе транспортного средства. Если бы такие системы хранения и подачи топлива существовали, то СПГД явился бы источником топлива для транспортных средств, который исключил бы принципиальные недостатки СжатПГ, СПГ и СНГ. Существует необходимость в создании системы хранения и подачи топлива для экономичного хранения СПГД-топлива и подачи испаренного СПГД-топлива при использовании для сгорания в двигателе.

Следовательно, основная задача данного изобретения состоит в создании системы хранения и подачи топлива для хранения СПГД-топлива и подачи испаряющегося СПГД-топлива при использовании для сгорания в двигателе.

В соответствии с задачами данного изобретения созданы системы хранения и подачи топлива в виде находящегося под давлением сжиженного природного газа (СПГД-топлива) при давлении от примерно 1035 кПа до примерно 7590 кПа и при температуре от примерно -123^oС до примерно -62^oС и подачи испаренного СПГД-топлива при использовании для сгорания в двигателе. СПГД-топливо предпочтительно хранится при давлении от примерно 1725 кПа до примерно 7590 кПа и при температуре от примерно -112^oС до примерно -62^oС. Более предпочтительно СПГД-топливо хранится при давлении от примерно 2415 кПа до примерно 4830 кПа и при температуре в диапазоне от примерно -101^oС до примерно -79^oС. Еще более предпочтительно нижние границы диапазонов давления и температуры для СПГД-топлива составляют примерно 2760 кПа и -96^oС. Системы хранения и подачи топлива согласно данному изобретению имеют резервуары для хранения топлива и другие составные части системы, которые выполнены из материалов, содержащих сверхвысокопрочную низколегированную сталь, содержащую меньше 9 вес.% никеля и имеющую необходимые предел прочности и вязкость разрушения для содержания находящегося под давлением сжиженного природного газа. Эта сталь имеет сверхвысокий предел прочности, например предел прочности при растяжении (см. определение ниже), превышающий 830 МПа, и температуру перехода от пластичного разрушения к хрупкому (ТППРХ, см. нижеследующее определение) ниже, чем примерно -73^oС.

Преимущества данного изобретения станут более понятными из нижеследующего подробного описания и прилагаемых чертежей, на которых фиг.1 представляет условное изображение системы хранения и подачи топлива согласно данному изобретению, соединенную с двигателем; фиг. 2 представляет условное изображение микропроцессора (центрального процессора, ЦП), используемого для управления топливом в системе хранения и подачи топлива согласно данному изобретению; фиг.3 представляет подробное изображение резервуара для хранения топлива и соответствующего топливного баллона, используемых в системе хранения и подачи топлива согласно данному изобретению, фиг. 4А изображает график критической глубины трещины для заданной длины трещины в зависимости от вязкости разрушения при раскрытии в вершине трещины (РВТ) и остаточного напряжения, фиг.4В изображает геометрию (длину и глубину) трещины.

Несмотря на то, что изобретение будет описано в связи с предпочтительными конкретными вариантами его осуществления, очевидно, что оно ими не ограничивается. Наоборот, следует считать изобретение охватывающим все варианты, модификации и эквиваленты, которые могут быть заключены в рамках объема притязаний изобретения, определяемого прилагаемой формулой изобретения.

Данное изобретение относится к системам хранения и подачи топлива и их отдельным составным частям, предназначенным для хранения СПГД-топлива и подачи испаряющегося СПГД-топлива при использовании для сгорания в двигателе транспортного средства. Созданы системы хранения и подачи топлива, предназначенные для хранения топлива в виде находящегося под давлением сжиженного природного газа (СПГД-топлива) при давлении от примерно 1035 кПа до примерно 7590 кПа и при температуре от примерно -123^oС до примерно -62^oС и подачи испаряющегося СПГД-топлива при использовании для сгорания в двигателе, причем системы хранения и подачи топлива включают резервуары для хранения топлива и другие составные части, которые выполнены из материалов, содержащих сверхвысокопрочную низколегированную сталь, содержащую меньше 9 вес.% никеля и имеющую предел прочности при растяжении, превышающий 830 МПа, и ТППРХ ниже, чем примерно -73^oС. Кроме того, созданы системы хранения и подачи топлива, предназначенные для хранения СПГД-топлива при давлении от примерно 1725 кПа до примерно 4830 кПа и при температуре в диапазоне от примерно -112^oС до примерно -79^oС и подачи испаряющегося СПГД-топлива при использовании для сгорания в двигателе транспортного средства, причем системы хранения и подачи топлива включают резервуары для хранения топлива и другие составные части, которые (i) выполнены из материалов, содержащих сверхвысокопрочную низколегированную сталь, содержащую меньше 9 вес.% никеля, и (ii) имеют необходимые предел прочности и вязкость разрушения для содержания находящегося под давлением сжиженного природного газа. Кроме того, созданы системы хранения и подачи топлива, предназначенные для хранения СПГД-топлива и подачи испаряющегося СПГД-топлива при использовании для сгорания в двигателе транспортного средства, причем системы хранения и подачи топлива включают резервуары для хранения топлива и другие составные части, которые выполнены из материалов, содержащих сверхвысокопрочную низколегированную сталь, содержащую меньше 9 вес. % никеля и имеющую предел прочности при растяжении, превышающий 830 МПа, и ТППРХ ниже, чем примерно -73^oС. Созданы также системы хранения и подачи топлива, предназначенные для хранения СПГД-топлива и подачи испаряющегося СПГД-топлива при использовании для сгорания в двигателе транспортного средства, причем системы хранения и подачи топлива имеют резервуары для хранения топлива и другие составные части, которые (i) выполнены из материалов, содержащих сверхвысокопрочную низколегированную сталь, содержащую меньше 9 вес.% никеля, и (ii) имеют необходимые предел прочности и вязкость разрушения для содержания находящегося под давлением сжиженного природного газа.

Сталь для сооружения резервуаров и других составных частей систем хранения и подачи топлива Любую сверхвысокопрочную низколегированную сталь, содержащую меньше 9 вес. % никеля и имеющую необходимую вязкость для содержания текучих сред при криогенных температурах, например - СПГД, в рабочих условиях, в соответствии с описанными здесь известными принципами механики разрушения можно использовать для выполнения резервуаров и других составных частей системы хранения и подачи топлива согласно данному изобретению. Одной сталью, пригодной для использования в данном изобретении, без ограничения изобретения, является свариваемая сверхвысокопрочная низколегированная сталь, содержащая меньше 9 вес.% никеля и имеющая предел прочности при растяжении, превышающий 830 МПа, и необходимую вязкость для предотвращения возникновения разрушения, т.е. явления разрушения, в рабочих условиях криогенных температур. Другой сталью, пригодной для использования в данном изобретении без ограничения изобретения, является свариваемая сверхвысокопрочная низколегированная сталь, содержащая меньше, чем примерно 3 вес.% никеля, и имеющая предел прочности при растяжении, по меньшей мере, 1000 МПа и необходимую вязкость для предотвращения возникновения разрушения, т.е. явления разрушения, в рабочих условиях криогенных температур. Такие стали в этих примерах предпочтительно имеют ТППРХ ниже, чем примерно -73^oС.

Недавние достижения в технологии производства стали обеспечили возможность изготовления новых сверхвысокопрочных низколегированных сталей с превосходной вязкостью при криогенных температурах. Например, в трех патентах США 5531842, 5545269 и 5545270, выданных Ку (Коо) и др., описаны новые стали и способы обработки этих сталей для получения стальных листов с пределами прочности при растяжении примерно 830 МПа, 965 МПа и выше. Стали и способы обработки, описанные в этих патентах, были улучшены и модифицированы для получения химических составов стали и условий обработки, необходимых для изготовления сверхвысокопрочных низколегированных сталей с превосходной вязкостью при криогенных температурах как в основной стали, так и в зоне термического влияния (ЗТП) при сварке. Эти сверхвысокопрочные низколегированные стали также имеют повышенную вязкость по сравнению со стандартными промышленно изготавливаемыми сверхвысокопрочными низколегированными сталями. Эти улучшенные стали описаны в одновременно рассматриваемой заявке на патент США с названием "Сверхвысокопрочные стали с превосходной вязкостью при криогенных температурах", которая имеет дату приоритета 19 декабря 1997 г. и зарегистрирована Ведомством по патентам и товарным знакам США (ВПТЗ США) под 60/068194, в одновременно рассматриваемой заявке на патент США с названием "Сверхвысокопрочные аустенитно-стареющие стали с превосходной вязкостью при криогенных температурах", которая имеет дату приоритета 19 декабря 1997 г. и зарегистрирована ВПТЗ США под 60/068252, и в одновременно рассматриваемой заявке на патент США с названием "Сверхвысокопрочные двухфазные стали с превосходной вязкостью при криогенных температурах", которая имеет дату приоритета 19 декабря 1997 г. и зарегистрирована Ведомством по патентам и товарным знакам США (ВПТЗ США) под 60/068816 (эти заявки называются ниже "заявками на патенты по сталям").

Новые стали, описанные в заявках на патенты по сталям, а также описанные в нижеследующих вариантах, особенно подходят для изготовления резервуаров и других составных частей системы хранения и подачи топлива согласно данному изобретению, так как эти стали имеют следующие характеристики предпочтительно для толщин стальных листов примерно 2,5 см и более: (i) ТППРХ ниже, чем примерно -73^oС, предпочтительно ТППРХ ниже, чем примерно -107^oС, в основной стали и в ЗТВ сварки; (ii) предел прочности при растяжении, превышающий 830 МПа, предпочтительно превышающий примерно 860 МПа, а более предпочтительно превышающий примерно 900 МПа; (iii) превосходную свариваемость; (iv) по существу, однородные по всей толщине микроструктуру и свойства; и (v) повышенную вязкость по сравнению со стандартными промышленно изготавливаемыми сверхвысокопрочными низколегированными сталями. Еще более предпочтительно эти стали имеют предел прочности при растяжении, превышающий примерно 930 МПа, или превышающий примерно 965 МПа, или превышающий примерно 1000 МПа.

Первый вариант стали Как упоминалось выше, в одновременно рассматриваемой заявке на патент США, имеющей дату приоритета 19 декабря 1997 г., под названием "Сверхвысокопрочные стали с превосходной вязкостью при криогенных температурах" и зарегистрированной ВПТЗ США под 60/068194, приведено описание сталей, пригодных для использования в данном изобретении. Предложен способ получения листа сверхвысокопрочной стали, имеющего микроструктуру, включающую в качестве основных компонентов мелкозернистый реечный мартенсит отпуска, мелкозернистый нижний бейнит отпуска или их смеси, причем способ включает следующие этапы: (а) нагревают стальной сляб до температуры повторного нагрева, достаточно высокой для того, чтобы (i) по существу, гомогенизировать стальной сляб, (ii) растворить, по существу, все карбиды и карбонитриды ниобия и ванадия в стальном слябе, и (iii) обеспечить мелкие исходные аустенитные зерна в стальном слябе, (б) обжимают стальной сляб для формирования стального листа за один или несколько проходов горячей прокатки в первом диапазоне температур, в котором рекристаллизуется аустенит, (в) дополнительно обжимают стальной лист за один или несколько проходов горячей прокатки во втором диапазоне температур ниже примерно температуры Т_нр и выше примерно температуры Аr₃ фазового превращения, (г) проводят закалку стального листа со скоростью охлаждения от примерно 10^oС в секунду до примерно 40^oС в секунду до температуры прекращения закалки ниже примерно температуры М_н фазового превращения плюс 200^oС, (д) прекращают закалку и (е) проводят отпуск стального листа при температуре отпуска от примерно 400^oС до примерно температуры Aс₁ фазового превращения, предпочтительно, но не включая, до температуры Aс₁ фазового превращения, в течение периода времени, достаточного для того, чтобы вызвать осаждение упрочняющих частиц, например частиц одного или нескольких из таких материалов, как -медь, Мo₂С или карбиды и карбонитриды ниобия и ванадия. Период времени, достаточный для того, чтобы вызвать осаждение упрочняющих частиц, зависит, в первую очередь, от толщины стального листа, химического состава стального листа и температуры отпуска и может быть определен специалистом в данной области техники. (Определения терминов "в качестве доминирующих компонентов", "упрочняющие частицы", "температура Т_нр", температуры Аr₃, М_н и Aс₁ фазового превращения" и "Мо₂С" - см. Словарь).

Чтобы обеспечить надлежащую вязкость при температурах окружающей среды и криогенных температурах, стали согласно первому варианту стали предпочтительно имеют микроструктуру, включающую в качестве основных компонентов мелкозернистый нижний бейнит отпуска, мелкозернистый реечный мартенсит отпуска или их смеси. Предпочтительно в значительной степени уменьшать образование охрупчивающих компонентов, например верхнего бейнита, двойникового мартенсита и мартенсита-аустенита (МА). В том смысле, в каком он употребляется в первом варианте стали и в формуле изобретения, термин "в качестве доминирующих компонентов" означает, по меньшей мере, примерно 50 объемных процентов. Более предпочтительно микроструктура включает, по меньшей мере, от примерно 60 объемных процентов до примерно 80 объемных процентов мелкозернистого нижнего бейнита отпуска, мелкозернистого реечного мартенсита отпуска или их смесей. Еще более предпочтительно, микроструктура включает, по меньшей мере, 90 объемных процентов мелкозернистого нижнего бейнита отпуска, мелкозернистого реечного мартенсита отпуска или их смесей. Наиболее предпочтительно микроструктура содержит, по существу, 100% мелкозернистого реечного мартенсита отпуска.

Стальной сляб, обработанный в соответствии с первым вариантом стали, изготовлен обычным способом и в одном конкретном примере осуществления содержит железо и следующие легирующие элементы, предпочтительные диапазоны по весу которых указаны в таблице 1.

Иногда в сталь добавляют ванадий (V) предпочтительно в количестве до примерно 0,10 вес.%, а более предпочтительно от примерно 0,02 вес.% до примерно 0,5 вес.%.

Иногда в сталь добавляют хром (Сr) предпочтительно в количестве до примерно 1,0 вес. %, а более предпочтительно от примерно 0,2 вес.% до примерно 0,6 вес.%.

Иногда в сталь добавляют кремний (Si) предпочтительно в количестве до примерно 0,5 вес.%, более предпочтительно от примерно 0,01 вес.% до примерно 0,5 вес. %, а еще более предпочтительно от примерно 0,05 вес.% до примерно 0,1 вес.%.

Иногда в сталь добавляют бор (В) предпочтительно в количестве до примерно 0,0020 вес.%, а более предпочтительно от примерно 0,0006 вес.% до примерно 0,0010 вес.%.

Сталь предпочтительно содержит, по меньшей мере, примерно 1 вес.% никеля. Содержание никеля в стали можно увеличить до значения более примерно 3 вес. %, если это требуется для улучшения качества после сварки. По оценкам добавление каждого 1 вес.% никеля снижает ТППРХ стали примерно на 10^oС. Содержание никеля предпочтительно меньше 9 вес.%, более предпочтительно меньше примерно 6 вес.%. Содержание никеля предпочтительно уменьшают для того, чтобы снизить соответственно стоимость стали. Если содержание никеля увеличивается до значения более примерно 3 вес.%, то содержимое марганца можно уменьшить до значения меньше примерно 0,5 вес.% и вплоть до 0,0 вес.%. Поэтому, в широком смысле, предпочтительно иметь содержание марганца до примерно 2,5 вес.%.

Кроме того, в стали предпочтительно уменьшают остаточные примеси в значительной степени. Содержание фосфора (Р) предпочтительно меньше примерно 0,01 вес.%. Содержание серы (S) предпочтительно меньше примерно 0,004 вес.%. Содержание кислорода (О) предпочтительно меньше примерно 0,002 вес.%.

Более подробно, сталь согласно первому варианту стали получают следующим образом: формуют сляб необходимого состава, нагревают сляб до температуры от примерно 955^oС до примерно 1065^oС, проводят горячую прокатку сляба для формирования стального листа за один или несколько проходов с обеспечением от примерно 30-процентного до примерно 70-процентного обжатия в первом диапазоне температур, в котором рекристаллизуется аустенит, т.е. выше примерно температуры Т_нр, и проводят дополнительную горячую прокатку стального листа за один или несколько проходов с обеспечением от примерно 40-процентного до примерно 80-процентного обжатия во втором диапазоне температур ниже примерно температуры Т_нр и выше примерно температуры Аr₃ фазового превращения. Затем проводят закалку горячекатанного стального листа со скоростью охлаждения от примерно 10^oС в секунду до примерно 40^oС в секунду до необходимой температуры прекращения закалки (ТПЗ, см. определение в Словаре) ниже примерно температуры _н фазового превращения плюс 200^oС, и в этот момент прекращают закалку. В одном конкретном примере этого варианта стали стальной лист затем охлаждают на воздухе до температуры окружающей среды. Эту обработку используют для получения микроструктуры, предпочтительно содержащей в качестве доминирующих компонентов мелкозернистый реечный мартенсит, мелкозернистый нижний бейнит или их смеси, или более предпочтительно содержащей, по существу, 100% мелкозернистого реечного мартенсита.

Полученный таким образом мартенсит прямой закалки в сталях согласно первому варианту стали имеет высокий предел прочности, но его вязкость можно повысить путем отпуска при необходимой температуре от значения выше примерно 400^oС до примерно температуры Aс₁ фазового превращения. Отпуск стали в этом диапазоне температур также приводит к уменьшению напряжений отпуска, что, в свою очередь, приводит к повышенной вязкости. Поскольку отпуск может повысить вязкость стали, он обычно приводит к значительной потере прочности. В данном изобретении обычные потери прочности в результате отпуска устраняются путем упрочнения дисперсными частицами осадка (выпавшей фазы). Упрочнение частицами мелкодисперсных осадков меди и смешанными карбидами и/или карбонитридами используют для увеличения прочности и вязкости во время отпуска структуры мартенсита. Особый химический состав сталей согласно первому варианту стали обеспечивает проведение отпуска в широком диапазоне от примерно 400^oС до примерно 650^oС без сколько-нибудь значительных потерь прочности из-за отпуска. Отпуск стального листа предпочтительно проводят при температуре отпуска от примерно 400^oС до температуры Aс₁ фазового превращения в течение периода времени, достаточного для того, чтобы вызвать осаждение упрочняющих частиц (см. определение ниже). Эта обработка облегчает превращение микроструктуры стального листа в ту, которая в качестве основных компонентов содержит мелкозернистый реечный мартенсит отпуска, мелкозернистый нижний бейнит отпуска или их смеси. Период времени, достаточный для того, чтобы вызвать осаждение упрочняющих частиц, снова зависит, в первую очередь, от толщины стального листа, химического состава стального листа и температуры отпуска и может быть определен специалистом в данной области техники.

Второй вариант стали Как упоминалось выше, в одновременно рассматриваемой заявке на патент США, имеющей дату приоритета 19 декабря 1997 г., с названием "Сверхвысокопрочные аустенитно-стареющие стали с превосходной вязкостью при криогенных температурах" и зарегистрированной ВПТЗ США под 60/068252, приведено описание других сталей, пригодных для использования в данном изобретении. Предложен способ получения листа сверхвысокопрочной стали, имеющего микрослоистую микроструктуру, содержащую от примерно 2 об.% до примерно 10 об. % слоев пленок аустенита и от примерно 90 об.% до примерно 98 об.% реек, содержащих в качестве доминирующих компонентов мелкозернистый мартенсит и мелкозернистый нижний бейнит, причем способ включает следующие этапы: (а) нагревают стальной сляб до температуры повторного нагрева, достаточно высокой для того, чтобы (i) по существу, гомогенизировать стальной сляб, (ii) растворить, по существу, все карбиды и карбонитриды ниобия и ванадия в стальном слябе, и (iii) обеспечить мелкие исходные аустенитные зерна в стальном слябе, (б) обжимают стальной сляб для формирования стального листа за один или несколько проходов горячей прокатки в первом диапазоне температур, в котором рекристаллизуется аустенит, (в) дополнительно обжимают стальной лист за один или несколько проходов горячей прокатки во втором диапазоне температур ниже примерно температуры Т_нр и выше примерно температуры Аr₃ фазового превращения, (г) проводят закалку стального листа со скоростью охлаждения от примерно 10^oС в секунду до примерно 40^oС в секунду до температуры прекращения закалки (ТПЗ) ниже примерно температуры М_н фазового превращения плюс 100^oС и выше примерно температуры М_н фазового превращения, и (д) прекращают закалку. В одном конкретном примере осуществления способ согласно второму варианту стали дополнительно включает этап, на котором подвергают стальной лист охлаждению на воздухе от ТПЗ до температуры окружающей среды. В другом конкретном примере осуществления способ согласно второму варианту стали дополнительно включает этап, на котором поддерживают стальной лист, по существу, изотермически при ТПЗ в течение примерно 5 минут перед тем, как подвергают стальной лист охлаждению на воздухе до температуры окружающей среды. В еще одном конкретном примере осуществления способ согласно второму варианту стали дополнительно включает этап, на котором медленно охлаждают стальной лист от ТПЗ со скоростью меньшей, чем примерно 1,0^oС в секунду в течение времени до примерно 5 минут перед тем, как подвергают стальной лист охлаждению на воздухе до температуры окружающей среды. И в еще одном конкретном примере осуществления способ согласно изобретению дополнительно включает этап, на котором медленно охлаждают стальной лист от ТПЗ со скоростью меньшей, чем примерно 1,0^oС в секунду в течение времени до примерно 5 минут перед тем, как подвергают стальной лист охлаждению на воздухе до температуры окружающей среды. Эта обработка обеспечивает превращение микроструктуры стального листа в микроструктуру, включающую от примерно 2 об.% до примерно 10 об.% слоев пленок аустенита и от примерно 90 об.% до примерно 98 об.% реек, включающих в качестве основных компонентов мелкозернистый мартенсит и мелкозернистый нижний бейнит. (Определения терминов "температура Т_нр" и "температуры Аr₃ и М_н фазового превращения" - см. Словарь).

Чтобы обеспечить надлежащую вязкость при температурах окружающей среды и криогенных температурах, рейки в микрослоистой микроструктуре предпочтительно включают в качестве основных компонентов нижний бейнит или мартенсит. Предпочтительно в значительной степени уменьшать образование охрупчивающих компонентов, например верхнего бейнита, двойникованного мартенсита и МА. В том смысле, в каком он употребляется во втором варианте стали и в формуле изобретения, термин "в качестве доминирующих компонентов" означает, по меньшей мере, примерно 50 объемных процентов. Остальная часть микроструктуры может включать дополнительный мелкозернистый нижний бейнит, дополнительный мелкозернистый реечный мартенсит или феррит. Более предпочтительно, микроструктура включает, по меньшей мере, от примерно 60 объемных процентов до примерно 80 объемных процентов нижнего бейнита или реечного мартенсита. Еще более предпочтительно, микроструктура включает, по меньшей мере, примерно 90 объемных процентов нижнего бейнита или реечного мартенсита.

Стальной сляб, обработанный согласно второму варианту стали, изготовлен обычным способом и в одном конкретном примере осуществления содержит железо и следующие легирующие элементы, предпочтительные диапазоны по весу которых указаны в таблице 2.

Иногда в сталь добавляют хром (Сr) предпочтительно в количестве до примерно 1,0 вес. %, а более предпочтительно от примерно 0,2 вес.% до примерно 0,6 вес.%.

Иногда в сталь добавляют кремний (Si) предпочтительно в количестве до примерно 0,5 вес.%, более предпочтительно от примерно 0,01 вес.% до примерно 0,5 вес. %, а еще более предпочтительно от примерно 0,05 вес.% до примерно 0,1 вес.%.

Иногда в сталь добавляют бор (В) предпочтительно в количестве до примерно 0,0020 вес.%, а более предпочтительно от примерно 0,0006 вес.% до примерно 0,0010 вес.%.

Сталь предпочтительно содержит, по меньшей мере, примерно 1 вес.% никеля. Содержание никеля в стали можно увеличить до значения более примерно 3 вес. %, если это требуется для улучшения качества после сварки. По оценкам добавление каждого 1 вес.% никеля снижает ТППРХ стали примерно на 10^oС. Содержание никеля предпочтительно меньше 9 вес.%, более предпочтительно меньше примерно 6 вес.%. Содержание никеля предпочтительно уменьшают для того, чтобы снизить соответственно стоимость стали. Если содержание никеля увеличивается до значения более примерно 3 вес.%, то содержимое марганца можно уменьшить до значения меньше примерно 0,5 вес.% и вплоть до 0,0 вес.%. Поэтому, в широком смысле, предпочтительно иметь содержание марганца до примерно 2,5 вес.%.

Кроме того, в стали предпочтительно уменьшают, по существу, остаточные примеси. Содержание фосфора (Р) предпочтительно меньше примерно 0,01 вес.%. Содержание серы (S) предпочтительно меньше примерно 0,004 вес.%. Содержание кислорода (О) предпочтительно меньше примерно 0,002 вес.%.

Более подробно, сталь согласно второму варианту стали получают следующим образом: формуют сляб необходимого состава, нагревают сляб до температуры от примерно 955^oС до примерно 1065^oС, проводят горячую прокатку сляба для формирования стального листа за один или несколько проходов с обеспечением от примерно 30-процентного до примерно 70-процентного обжатия в первом диапазоне температур, в котором рекристаллизуется аустенит, т.е. выше примерно температуры Т_нр, и проводят дополнительную горячую прокатку стального листа за один или несколько проходов с обеспечением от примерно 40-процентного до примерно 80-процентного обжатия во втором диапазоне температур ниже примерно температуры Т_нр и выше примерно температуры Аr₃ фазового превращения. Затем проводят закалку горячекатанного стального листа со скоростью охлаждения от примерно 10^oС в секунду до примерно 40^oС в секунду до необходимой ТПЗ ниже примерно температуры М_н фазового превращения плюс 100^oС, и в этот момент прекращают закалку. В одном конкретном примере второго варианта стали после окончания закалки стальной лист подвергают охлаждению на воздухе от ТПЗ до температуры окружающей среды. В другом конкретном примере второго варианта стали после окончания закалки стальной лист поддерживают, по существу, изотермически при ТПЗ в течение периода времени до примерно 5 минут, а затем охлаждают на воздухе до температуры окружающей среды. В еще одном конкретном примере осуществления медленно охлаждают стальной лист со скоростью меньшей, чем при охлаждении на воздухе, т.е. со скоростью меньшей, чем примерно 1,0^oС в секунду, предпочтительно в течение времени до примерно 5 минут. И в еще одном конкретном примере осуществления медленно охлаждают стальной лист от ТПЗ со скоростью меньшей, чем при охлаждении на воздухе, т.е. со скоростью меньшей, чем примерно 1,0^oС в секунду, предпочтительно в течение времени до примерно 5 минут. По меньшей мере, в одном конкретном примере второго варианта стали температура М_н фазового превращения составляет примерно 350^oС, поэтому температура М_н фазового превращения плюс 100^oС составляет примерно 450^oС.

Сталь можно поддерживать, по существу, изотермически при ТПЗ с помощью любых подходящих средств, которые известны специалистам в данной области техники, например посредством размещения теплозащитного покрытия поверх стального листа. Стальной лист можно медленно охлаждать после окончания закалки с помощью любых подходящих средств, которые известны специалистам в данной области техники, например посредством размещения изоляционного защитного покрытия поверх стального листа.

Третий вариант стали Как упоминалось выше, в одновременно рассматриваемой заявке на патент США, имеющей дату приоритета 19 декабря 1997 г., с названием "Сверхвысокопрочные двухфазные стали с превосходной вязкостью при криогенных температурах" и за