TECHNOLOGIES FOR PRODUCING CRYOGENIC STEEL: FROM MELTING TO HEAT TREATMENT

Authors

  • G. E. KURDYUMOV Cherepovets State University, Russia, Cherepovets Author
  • A. M. GLADKIKH Cherepovets State University, Russia, Cherepovets Author
  • A. M. PAN'KOV Cherepovets State University, Russia, Cherepovets Author

DOI:

https://doi.org/10.32339/0135-5910-2026-8-14-21

Keywords:

cryogenic steel, steel, heat treatment, melting, ultra-low temperatures

Abstract

The article presents a systematic review of modern technological processes for the production of cryogenic steels – specialized metallic materials that retain high impact toughness and ductility at ultra-low temperatures down to –269 °C. These alloys are critically important for the construction of storage tanks, transportation pipelines, and transshipment systems for liquefied natural gas (LNG), nitrogen, hydrogen, and other process media. The classification of cryogenic steels by operating temperature is considered: ferritic nickel steels (3.5 % Ni, 5 % Ni, 9 % Ni), austenitic chromium–nickel alloys (type 18–10 and more highly alloyed grades), and cost-effective nitrogen-containing chromium–manganese analogues that partially or completely replace expensive nickel. Particular attention is paid to metallurgical cleanliness: the sulfur and phosphorus content is strictly regulated (less than 0.005–0.010 %), and deep deoxidation with aluminum and calcium, along with synthetic slag treatment, is employed to remove non-metallic inclusions that act as stress concentrators at low temperatures. The stages of hot deformation (rolling in a controlled temperature range) and their effect on the initial grain are described in detail. The analysis of heat treatment as the key technological stage for developing low-temperature toughness occupies a central place in the review. The modes of single quenching and tempering, which lead to undesirable precipitation of carbides along grain boundaries and intergranular fracture, are compared with the advanced technology of double quenching (high-temperature and intercritical), which produces a fine duplex structure consisting of tempered martensite and stable retained austenite (~4 %) and ensures ductile fracture at cryogenic temperatures. Deep cryogenic treatment (DCT) at –196 °C is discussed for the complete transformation of retained austenite and the precipitation of ultrafine carbides. Technological aspects of welding are addressed: the problem of hot cracking in austenitic welds, the requirement to avoid δ-ferrite (brittle at low temperatures), and the potential of laser welding. The directions of technology development are outlined: the development of new high-manganese alloys, optimization of multi-stage heat treatment with computer modeling, import substitution, and digital materials science for predicting the ductile-to-brittle transition.

Author Biographies

  • G. E. KURDYUMOV, Cherepovets State University, Russia, Cherepovets

    Director of the Advanced Engineering School

  • A. M. GLADKIKH, Cherepovets State University, Russia, Cherepovets

    Junior Researcher of the Advanced Engineering School

  • A. M. PAN'KOV, Cherepovets State University, Russia, Cherepovets

    Engineer of the Advanced Engineering School

References

Полецков П. П., Денисов С. В., Никитенко О. А. и др. Исследование влияния многостадийной термической обработки на особенности формирования микроструктуры криогенной конструкционной стали // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г. И. Носова. 2018. Т. 16, № 2. С. 29–40. DOI: 10.18503/1995-2732-2018-16-2-29-40. EDN: ZATRIL.

Капуткина Л. М., Свяжин А. Г., Смарыгина И. В. и др. Легированная азотом высокопрочная коррозионно-стойкая криогенная сталь // Металлург. 2016. № 8. С. 42–48. EDN: WWYWQD.

Вознесенская Н. М., Тонышева О. А., Елисеев Э. А. Современные конструкционные стали криогенного назначения и влияние некоторых легирующих элементов на их свойства (обзор) // Труды ВИАМ. 2020. № 1 (85). С. 3–14. DOI: 10.18577/2307-6046-2020-0-1-3-14.

Пересторонин А. В., Мисюров А. И. Лазерная сварка криогенных сталей. — URL: https://studvesna.qform3d.ru/db_files/articles/1023/thesis.pdf. (дата обращения: 25.05.2025).

Рамос Ф. Д., Москосо М. Ф. К., Регули А. и др. Азотирование стали AISI D2 после глубокой криогенной обработки // Металловедение и термическая обработка металлов. 2023. № 5 (815). С. 24–30. DOI: 10.30906/mitom.2023.5.24-30. EDN: CYTCBO.

Криогенные сплавы. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D1%80%D0%B8%D0%BE%

D0%B3%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D1%81%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%B2%D1%8B (дата обращения: 25.05.2025).

DISCLOSURE.RU — Система раскрытия информации на рынке ценных бумаг. — URL: http://gkh.disclosure.ru/ press-release-bd.shtml?id=1836 (дата обращения: 03.06.2025).

Измайлов В. В., Сахаров К. А., Новоселова М. В., Афанасьева Л. Е. Влияние лазерной резки и криогенной обработки на фрикционные характеристики быстрорежущей стали // Черные металлы. 2026. № 3. С. 77–84. DOI: 10.17580/chm.2026.03.12. EDN: LPADNW.

Феклистов С. И., Потапов Н. Н. Свойства аустенитной стали 03Х16Н9М2 и ее сварных соединений при нормальной и криогенной температурах // Сварочное производство. 2021. № 12. С. 3–8. EDN: SPTCLF.

Майсурадзе М. В., Рыжков М. А., Куклина А. А. и др. Влияние криогенной обработки на микроструктуру и свойства высокопрочной стали D6AC // Сталь. 2023. № 9. С. 45–50. EDN: YGAVVW.

Наркевич Н. А., Власов И. В., Гоморова Ю. Ф. и др. Характер разрушения нержавеющей Cr–Mn–N-стали с наноструктурированными поверхностными слоями при криогенной температуре // Журнал технической фи-зики. 2024. Т. 94, № 1. С. 90–98. DOI: 10.61011/JTF.2024.01.56906.96-23. EDN: PBSIHA.

Яковлева Е. А., Орлов В. В., Якушев Е. В. Анализ состояния зарубежных и отечественных разработок в области создания криогенной стали для элементов и конструкций СПГ. Часть 1 // Тяжелое машиностроение. 2023. № 1–2. С. 25–36. EDN: GNKIEC.

Яковлева Е. А., Орлов В. В., Якушев Е. В. Анализ состояния зарубежных и отечественных разработок в области создания криогенной стали для элементов и конструкций СПГ. Часть 2 // Тяжелое машиностроение. 2023. № 3. С. 2–8. EDN: LSFCHH.

Денисов С. В., Брайчев Е. В., Стеканов П. А. и др. Разработка режимов термической обработки толсто-листового проката из криогенной низкоуглеродистой никелевой стали // Заготовительные производства в ма-шиностроении. 2019. Т. 17, № 6. С. 271–278. EDN: GPXRZC.

Пересторонин А. В., Мисюров А. И., Смирнова Н. А. Сравнительный анализ структуры металла при ду-говой и лазерной сварке криогенной стали // Известия РАН. Серия физическая. 2016. Т. 80, № 12. С. 1700–1703. DOI: 10.7868/S0367676516080330. EDN: XGWGCZ.

Кайа Э., Киличаи К., Улутан М. Микроструктура и трибологические свойства инструментальной стали AISI O2 после глубокой криогенной термической обработки // Металловедение и термическая обработка ме-таллов. 2020. № 6 (780). С. 44–50. EDN: NPNZIF.

Григорьянц А. Г., Мисюров А. И., Шиганов И. Н., Пересторонин А. В. Свойства лазерных сварных со-единений криогенной аустенитной азотосодержащей стали // Сварочное производство. 2020. № 7. С. 22–27. EDN: BLEGEU.

Кривцов Ю. С., Горобченко С. Л. Построение плана эксперимента для повышения свойств литой стали криогенной арматуры // Трубопроводная арматура и оборудование. 2020. № 6 (111). С. 58, 59. EDN: MFQYNL.

Елагина О. Ю., Волков И. В., Нечаева А. В. Исследование влияния термического цикла сварки на струк-туру и свойства экономно-легированной криогенной стали // Труды Российского государственного универси-тета нефти и газа имени И. М. Губкина. 2021. № 3 (304). С. 89–100. DOI: 10.33285/2073-9028-2021-3(304)-89-100.

Published

2026-10-14

Issue

Section

Сталеплавильное производство

How to Cite

TECHNOLOGIES FOR PRODUCING CRYOGENIC STEEL: FROM MELTING TO HEAT TREATMENT. (2026). Ferrous Metallurgy. Bulletin of Scientific , Technical and Economic Information, 82(8), 14-21. https://doi.org/10.32339/0135-5910-2026-8-14-21