CN102002630A - 抗hic压力容器用钢q345r-z35特厚板及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抗HIC压力容器用钢Q345R-Z35特厚板及其生产方法，其主要特征是该抗HIC压力容器用钢Q345R-Z35特厚板包含如下质量百分比的化学成分(单位，wt％)：C：≤0.20、Si：≤0.55、Mn：1.20～1.60、P：≤0.025、S：≤0.005、微合金化元素：≤0.10、A1s：≥0.015，其它为Fe和残留元素。其采取的生产方法包括以下步骤：铁水KR脱硫、转炉冶炼、LF精练、VD真空脱气、模铸浇注、钢锭加热、轧制、ACC冷却、矫直、钢板堆冷、正火热处理等工艺；本发明通过进行合理的成分设计、工艺路线设计，开发出了特厚压力容器用钢板，检测结果表明，一级探伤合格率、性能初验合格率均达到100％，此外抗层状撕裂性能达到Z35级别，抗氢致裂纹检测结果优异。

Description

抗HIC压力容器用钢Q345R-Z35特厚板及其生产方法

技术领域

本发明涉及到钢材，具体涉及到一种抗HIC压力容器用钢Q345R-Z35特厚板及其生产方法。

背景技术

随着容器、管线用钢强度等级的提高，钢板厚度的增加，使用时间的增长，氢致裂纹(HIC)的问题便不断出现，氢致裂纹导致钢构件承载能力下降，引发灾难。抗层状撕裂性能钢又称Z向钢，它主要采用钢板厚度方向拉伸试验的断面收缩率ψZ来评价抗层状撕裂能力，为保证钢构件的安全性，在制造中通常也考虑要钢板的抗层状撕裂性能。对于即抗氢致裂纹又抗层状撕裂的压力容器钢板，国内外很少有研究和报道。

发明内容

针对上述问题，发明人经过摸索，获得了一种抗氢致裂纹又抗层状撕裂的抗HIC压力容器用钢Q345R-Z35特厚板及其生产方法，从而完成了本发明。

因此，本发明的目的在于提供一种抗氢致裂纹又抗层状撕裂的抗HIC压力容器用钢Q345R-Z35特厚板。

本发明的另一目的在于提供该钢板的生产方法。

为达到上述第一个目的，本发明采取的技术方案是该抗HIC压力容器用钢Q345R-Z35特厚板包含如下质量百分比的化学成分(单位，wt％)：

C：≤0.20、Si：≤0.55、Mn：1.20～1.60、P：≤0.025、S：≤0.005、微合金化元素(V+Nb+Ti)：≤0.10、A1s：≥0.015，其它为Fe和残留元素。

上述化学元素的作用分析如下：

C：是钢中最基础的强化元素，提高强度，但C影响钢的焊接性能和影响韧性。综合考虑，碳的含量尽量控制的低一些。

Si：是固溶强化元素，对提高钢板的强度有利。

Mn：是固溶强化元素，对提高钢板的强度和韧性均有利。

P：对焊接不利，且具有一定的冷脆性，在本钢种中属于有害元素，应控制的尽量低。

S：易形成MnS类夹杂物，具有一定的热脆性，在本钢种中属于有害元素，应控制的尽量低。

Nb、Ti、V：在钢中能够与C、N结合，形成微细碳化物或碳氮化物，能起细化晶粒和弥散强化作用，从而达到有效提高钢材的强韧性的综合效果。

Al：可以起到强脱氧作用和细化晶粒强化作用。

为达到上述目的，本发明采取的生产方法包括以下步骤：铁水KR脱硫、转炉冶炼、LF精练、VD真空脱气、模铸浇注、钢锭加热、3800轧机轧制、ACC冷却、矫直、钢板堆冷、正火热处理等工艺；其中，在所述轧制步骤中，粗轧阶段采取高温低速大压下工艺，二阶段采取＞2.0H的晾钢厚度轧制，ACC采用合适的辊速和3～10℃/S的冷速；在所述热处理步骤中，正火温度选择在Ar3+(20～60℃)区间，采用(1.8～2.0)min/mm+30min的保温时间，加热温度为1250～1280℃，保温时间为10～12h，冷却采用风冷到400±30℃后再空冷；在所述转炉冶炼步骤中，出钢碳≥0.05％，出钢P≤0.015％，S≤0.012％；点吹次数小于2次；在所述控轧控冷步骤中，采用II阶段控制轧制，在第一阶段的轧制中，使道次压下率大于静态再结晶的临界压下率且总变形量大于50％，二阶段开轧温度小于880℃，同时总变形量50％～80％，第一阶段开轧温度控制在1050～1150℃之间，采用高温低速大压下轧制，道次压下量30～50mm；当温度不低于960℃时，停轧晾钢，晾钢厚度为成品厚度的2.0倍以上；当轧件温度为880℃时，开始第二阶段轧制，道次压下量控制在15～30mm，最后三道次压下率≥13％，逐道递增；终轧温度控制在800～860℃；轧制完毕后采用ACC控冷，终冷温度控制在650～720℃之间。

本发明采用模铸浇注、3800mm轧机轧制、正火热处理工艺开发并批量生产了82mm厚Q345R-Z35锅炉压力容器用钢板，钢板超声波探伤全部符合JB/T 4730-2008一级标准，钢板屈服强度平均为350MPa，比标准相富余45MPa；抗拉强度平均为520MPa，比标准富余30MPa，伸长率平均值为28％，比标准富余8％；平均冲击功为144J，抗层状撕裂厚度拉伸性能全部合格，抗氢致开裂性(HIC)试验检测结果表明，裂纹敏感率CSR(％)、裂纹长度率CLR(％)、裂纹宽度率CTR(％)均为0。通过进行合理的成分设计、工艺路线设计，开发出了特厚压力容器用钢板Q345R-Z35，检测结果表明，一级探伤合格率、性能初验合格率均达到100％，此外抗层状撕裂性能达到Z35级别，抗氢致裂纹检测结果优异。

附图说明

下面结合附图，对本发明做进一步阐述。

图1是本发明Q345R-Z35TMCP组织图。

图2是本发明Q345R-Z35正火后组织图。

具体实施方式

本发明所述抗HIC压力容器用钢Q345R-Z35特厚板包含如下质量百分比的化学成分(单位，wt％)：

C：≤0.20、Si：≤0.55、Mn：1.20～1.60、P：≤0.025、S：≤0.005、微合金化元素(V+Nb+Ti)：≤0.10、Als：≥0.015，其它为Fe和残留元素。

上述化学元素的作用分析如下：

C：是钢中最基础的强化元素，提高强度，但C影响钢的焊接性能和影响韧性。综合考虑，碳的含量尽量控制的低一些。

Si：是固溶强化元素，对提高钢板的强度有利。

Mn：是固溶强化元素，对提高钢板的强度和韧性均有利。

P：对焊接不利，且具有一定的冷脆性，在本钢种中属于有害元素，应控制的尽量低。

S：易形成MnS类夹杂物，具有一定的热脆性，在本钢种中属于有害元素，应控制的尽量低。

Nb、Ti、V：在钢中能够与C、N结合，形成微细碳化物或碳氮化物，能起细化晶粒和弥散强化作用，从而达到有效提高钢材的强韧性的综合效果。

Al：可以起到强脱氧和细化晶粒强化作用。

本发明采取的生产方法包括以下步骤：铁水KR脱硫、转炉冶炼、LF精练、VD真空脱气、模铸浇注、钢锭加热、3800轧机轧制、ACC冷却、矫直、钢板堆冷、正火热处理等工艺；其中，在所述轧制步骤中，粗轧阶段采取高温低速大压下工艺，二阶段采取＞2.0H的晾钢厚度轧制，ACC采用合适的辊速和3～10℃/S的冷速；在所述热处理步骤中，正火温度选择在Ar3+(20～60℃)区间，采用(1.8～2.0)min/mm+30min的保温时间，加热温度为1250～1280℃，保温时间为10～12h，冷却采用风冷到400±30℃后再空冷；在所述转炉冶炼步骤中，出钢碳≥0.05％，出钢P≤0.015％，S≤0.012％；点吹次数小于2次；在所述控轧控冷步骤中，采用II阶段控制轧制，在第一阶段的轧制中，使道次压下率大于静态再结晶的临界压下率且总变形量大于50％，二阶段开轧温度小于880℃，同时总变形量50％～80％，第一阶段开轧温度控制在1050～1150℃之间，采用高温低速大压下轧制，道次压下量30～50mm；当温度不低于960℃时，停轧晾钢，晾钢厚度为成品厚度的2.0倍以上；当轧件温度为880℃时，开始第二阶段轧制，道次压下量控制在15～30mm，最后三道次压下率≥13％，逐道递增；终轧温度控制在800～860℃；轧制完毕后采用ACC控冷，终冷温度控制在650～720℃之间。

抗氢致裂纹性能指标是本次试验开发的难点之一。抗氢致裂纹由于钢吸收由腐蚀而产生的氢所引起的，当材料中存在硫化夹杂物时，氢致开裂敏感性增大。为了提高材料的抗氢致开裂性能，应控制其含量与形态。可通过以下措施来提高钢板的抗HIC能力，即：提高钢水的洁净度；提高成分和组织的均匀性，在降低硫含量的同时，进行钙处理，限制带状组织；细化晶粒；尽量降低控制C、Mn含量，添加Re，Cu等合金元素。

抗层状撕裂性能指标是本次试验开发的另一难点。Z35是抗层状撕裂性能的最高级别，再加上客户需求的特厚板，假若采用300mm厚的连铸坯进行轧制，压缩比仅仅为3.6，因此必须采取模铸浇注与轧制，确保钢板的压缩比大于6。此外，抗层状撕裂与钢材的含硫量有很大关系，几乎所有层状撕裂事故都发生在含硫量≥0.020％的钢材上，钢板夹杂物含量、铸坯的凝固质量(诸如中心偏析、中间裂纹)及钢材的氢含量等都与抗层状撕裂有较大关联。

本发明成分采取低碳、低锰，低S、P，适量添加微合金元素V、Nb Ti。

采取洁净钢工艺控制，确保五大有害元素(S、P、N、H、O)控制在150ppm以下；适当延长精炼时间，确保夹杂物级别；加入适量的硅钙线，对硫化物进行改性处理、钢板进行正火热处理，确保组织均匀，晶粒细化。

机械力学性能标准参考GB 713-2008，厚度方向性能钢板-执行标准：GB5313-85

具体要求见表1。

表1Q345R-Z35机械力学性能要求

压力容器钢对强度、焊接性和高温性能要求较高，对于特厚压力容器板来说，成分设计尤为关键。合理选用微合金化元素V、Nb、Ti，充分发挥析出强化与细晶强化双重效果，在确保塑韧性的前提下，使压力容器板的各项性能指标达到GB 713-2008和GB 5313-85的要求。钢板要求保二级探伤，同时对性能指标要求严格，结合以往实践经验，压缩比至少≥6，结合公司的钢锭特点，选择48T锭型，该钢锭小头厚960mm，大头厚1100mm，平均厚度1000mm，平均压缩比大于10，完全达到要求。为获得较好的内部质量，确保抗氢致裂纹、二级探伤和Z35的厚度收缩率的要求，洁净钢的冶炼是基础，主要从两个方面来确保，一是钢水中非金属夹杂物(A、B、C、D四大类)的总级别控制在2.5级以内，二是严控钢水中五大有害元素的含量，特别是硫的含量必须≤0.005％。严格按照洁净钢生产工艺路线，确保S、P、N、H、0五大有害元素控制在150ppm以内。采用合适的烧钢温度和保温时间，确保微合金化元素在奥氏体中的充分固溶。粗轧阶段采取高温低速大压下工艺，二阶段采取＞2.0H的晾钢厚度轧制，ACC采用合适的辊速和3～10℃/S的冷速，以保证控制轧制细化晶粒的效果。为进一步均匀组织，消除带状组织，细化晶粒，改善钢板综合力学性能，对轧后钢板采用正火热处理工艺，正火温度选择在Ar3+(20～60℃)区间，采用(1.8～2.0)min/mm+30min的保温时间，冷却采用风冷到400±30℃后再空冷。

炼钢部分，成分设计

表2特厚Q345R-Z35成分设计

成分

C(％)

Si(％)

Mn(％)

P(％)

S(％)

微合金化元素

Als(％)

GB/T713-2008

≤0.20

≤0.55

1.20-1.60

≤0.025

≤0.015

V+Nb+Ti＜0.10％

≥0.015

d＝82mm

0.12-0.16

0.25-0.45

1.20-1.40

≤0.015

≤0.005

V+Nb+Ti＜0.065％

0.015-0.040

转炉冶炼，按洁净钢冶炼工艺标准进行控制，出钢碳≥0.05％，出钢P≤0.015％，S≤0.012％；点吹次数不得大于2次，避免出钢过程下渣。LF精炼，采取大渣量进行造渣，确何白渣保持时间控制在15min以上；杜绝渣稀现象；严格按照吹氩标准执行吹氩操作，禁止暴吹。真空精炼，在≤67Pa下的保压时间按≥17min进行控制；破真空后立即进行Ca处理，对夹杂物进行改性，软吹大于3min后吊钢。模铸浇注，严格按设定的Q345R-Z35厚板钢锭浇注工艺控制，坚持“高温慢注，低温快注”原则。具体浇注工艺要求见表3。

表3模铸浇铸工艺

注：T₁₁代表液相线温度，动车、脱帽和脱锭时间从注完开始计算。

轧制及热处理部分，不同的加热制度影响奥氏体原始晶粒度，而奥氏体原始晶粒度又影响再结晶后的晶粒大小。Q345R-Z35钢中含有较高的V、Nb和Ti，此类钢温度达到900℃以上铌的碳氮化合物才开始分解固溶，使奥氏体晶粒开始形核长大，至1270℃晶粒大小比较均匀，温度提高到1300℃时晶粒将进一步长大，即所谓二次再结晶发生^[5]。因此，加热温度设定为1250～1280℃，保温时间为10～12h。控轧控冷，采用II阶段控制轧制。在第一阶段的轧制中，尽量使道次压下率大于静态再结晶的临界压下率(同时总变形量大于50％)^[6]，二阶段开轧温度小于880℃，同时给以较大的累计压下率(总变形量50％～80％)，使奥氏体充分变形，形成比较多的变形带，增加变形核，达到细化铁素体和珠光体晶粒的目的。

执行工艺如下：第一阶段开轧温度控制在1050～1150℃之间，采用高温低速大压下轧制，道次压下量约30～50mm；当温度不低于960℃时，停轧晾钢，晾钢厚度为成品厚度的2.0倍以上；当轧件温度为880℃时，开始第二阶段轧制，道次压下量控制在15～30mm，最后三道次压下率≥13％，逐道递增；终轧温度控制在800～860℃；轧制完毕后采用ACC控冷，终冷温度控制在650～720℃之间。堆冷，采用高温堆冷工艺可有效避免因快速冷却产生的残余应力，同时可大大降低钢板中氢的含量，改善钢板探伤缺陷。钢板堆垛缓冷前的温度应高于400℃，堆垛缓冷时间依据钢板中氢的含量、钢板初始温度及钢板厚度等而定。热处理，执行工艺为保温温度：900±15℃；加热时间：1.8～2.0min/mm；冷却方式：风冷到400±30℃后再空冷。

Q345R-Z35实际成分控制见表3，整体成分控制比较稳定，符合原设计思想，满足Q345R-Z35成分设计要求。

表3Q345R-Z35压力容器实际成分控制

本次共生产82mm厚Q345R-Z35共冶炼4炉轧制12批，其中：屈服强度控制在340～370MPa，平均达到了350MPa，比标准富裕45MPa；抗拉强度控制在495～520MPa，平均达到了520MPa，比标准富裕30MPa；伸长率控制在25％-35％，平均达到28％，比标准富裕8％；冲击功控制在122～167J，平均达到了144J，比标准富裕110J；Z向断面收缩率控制在37％-61％，平均达到了44％，比标准富裕9％，性能指标满足了Q345R-Z35的开发要求，表4为Q345R-Z35性能实物水平。

表4Q345R-Z35钢板实物水平检测

在钢板上取试样委托国家权威检测中心进行抗氢致裂纹检测。试样尺寸为100mm×20mm×29.8mm的长条试样，压力为常压、密闭隔氧，温度为24-26℃，试验溶液为检测中心按GB8550-88标准执行的NACE TM0284A溶液，H₂S气体(2799mg/L)通入至饱和，初始pH＝2.73，试验结束时pH＝3.0，试验时间为96h，试验结束后取出试样观察氢鼓泡现象，其结果如表5所示。结果显示，裂纹敏感率CSR(％)、裂纹长度率CLR(％)、裂纹宽度率CTR(％)均为0，充分说明该次研制的特厚Q345R-Z35压力容器板具有优异的抗HIC性能。

酸性油气田材料腐蚀检测评价中心

检测报告

表5钢板试样抗HIC检测结果

对所研制的Q345R-Z35钢板进行了1/4处取样高倍检测分析，结果表明正火后(图2)的钢板与TMCP后(图1)的钢板相比，组织相对比较均匀，带状组织轻微，晶粒比较细小。

Claims (4)

1.一种抗HIC压力容器用钢Q345R-Z35特厚板，其特征在于该抗HIC压力容器用钢Q345R-Z35特厚板包含如下质量百分比的化学成分(单位，wt％)：

C：≤0.20、Si：≤0.55、Mn：1.20～1.60、P：≤0.025、S：≤0.005、微合金化元素(V+Nb+Ti)：≤0.10、Als：≥0.015，其它为Fe和残留元素。

2.一种如权利要求1所述抗HIC压力容器用钢Q345R-Z35特厚板的生产方法，该生产方法包括以下步骤：铁水KR脱硫、转炉冶炼、LF精练、VD真空脱气、模铸浇注、钢锭加热、3800轧机轧制、ACC冷却、矫直、钢板堆冷、正火热处理等工艺；其特征在于在所述轧制步骤中，粗轧阶段采取高温低速大压下工艺，二阶段采取＞2.0H的晾钢厚度轧制，ACC采用合适的辊速和3～10℃/S的冷速。

3.根据权利要求2所述抗HIC压力容器用钢Q345R-Z35特厚板的生产方法，其特征在于在所述热处理步骤中，正火温度选择在Ar3+(20～60℃)区间，采用(1.8～2.0)min/mm+30min的保温时间，加热温度为1250～1280℃，保温时间为10～12h，冷却采用风冷到400±30℃后再空冷；在所述转炉冶炼步骤中，出钢碳≥0.05％，出钢P≤0.015％，S≤0.012％；点吹次数小于2次。

4.根据权利要求2或3所述抗HIC压力容器用钢Q345R-Z35特厚板的生产方法，其特征在于在所述控轧控冷步骤中，采用II阶段控制轧制，在第一阶段轧制中，使道次压下率大于静态再结晶的临界压下率且总变形量大于50％，二阶段开轧温度小于880℃，同时总变形量50％～80％，第一阶段开轧温度控制在1050～1150℃之间，采用高温低速大压下轧制，道次压下量30～50mm；当温度不低于960℃时，停轧晾钢，晾钢厚度为成品厚度的2.0倍；当轧件温度为880℃时，开始第二阶段轧制，道次压下量控制在15～30mm，最后三道次压下率≥13％，逐道递增；终轧温度控制在800～860℃；轧制完毕后采用ACC控冷，终冷温度控制在650～720℃之间。

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