CN102094150A - 一种特厚耐高温压力容器钢及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特厚耐高温压力容器钢及其制备方法。经炼钢、精炼后进行连铸、热轧、正火、回火；控制的钢的化学成分及其质量百分比含量为：C为0.08％-0.15％，Si为0.15％-0.40％，Mn为0.40％-0.70％，Cr为0.90％-1.20％，V为0.15％-0.30％，Mo为0.25％-0.35％，P≤0.025％，S≤0.010％，其余含量为Fe和不可避免的夹杂物。本发明的制备方法包括冶炼、加热、粗轧、精轧、正火、回火工序；本发明具有化学成分设计配比得当，制造工艺简单、厚度规格大(80mm)、热强性好、产品性能稳定等特点。

Description

一种特厚耐高温压力容器钢及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种特厚耐高温压力容器钢及其制备方法，属于低合金压力容器制造领域。

背景技术

压力容器钢用途极广，被广泛用于石油、化工、电站、锅炉等行业，一般用于制作反应器、热换器、分离器、导气管、锅炉气包等。压力容器由于承受一定压力，处于不同温度，接触不同介质，使用条件苛刻，故对钢的要求较严，对钢的内在质量要求较高，除检验强度、冲击、冷弯、伸长率等常规性能外，尚需检验时效冲击并对钢板全部进行探伤，且要求良好表面。用于耐高温容器的钢种，需检验中高温强度，乃至高温持久强度和蠕变性能。

耐高温压力容器钢生产方式，大多数钢铁企业多是采用微合金化辅以控制轧制及正火+回火工艺进行薄规格压力容器钢的生产，从而满足各国家标准和用户的使用要求，而特厚规格尤其80mm生产较鲜。由于耐高温压力容器钢的各种性能指标要求严格尤其是特厚耐高温压力容器钢，这就对化学成分的设计和生产工艺的制定带来了相当大的难度，需要经过多次试制才能确定出合理的生产方案，这也对对钢铁企业产品结构调整及产品系列升级带来了极大的困难。特厚耐高温压力容器钢的生产因其厚度尺寸大，宽度较大，生产中很容易产生一些缺陷，诸如轧制变形不均匀，组织不均匀，尤其在厚度方向上组织均匀性控制难度更大，这就造成钢板表面和心部性能不一致、强度和韧性不理想。特厚耐高温压力容器钢在生产过程中由于连铸坯规格大，在轧制过程中产生的缺陷就严重影响钢的强度和韧性，从而造成产品质量标准波动大、成材率低，对企业经济效益形成不良影响。故对于特厚耐高温压力容器钢合理的化学成分设计，弹性轧制工艺控制窗口，高精度合理的热处理工艺，工艺执行简单，一流的技术装备是解决特厚耐高温压力容器钢生产难题的方法之一。

宝山钢铁股份有限公司的专利申请CN 101899622A公开了高压容器用合金钢，其成分重量百分比为：C0.27～0.33％、Mn0.60～1.00％、Si1.40～1.70％、S≤0.003％、P≤0.006％、Cr0.80～1.20％、Mo0.30～0.50％、V0.10～0.15％，余Fe及不可避免杂质，杂质元素及气体含量S+P+H+O+N≤100ppm。本发明冶炼工艺由“真空感应炉+真空自耗炉”取代“电炉或电炉+电渣重熔”，解决原钢种纯净度不够所导致的韧性特别是断裂韧性低的问题；加工工艺由“快锻+径锻，加工比大于10”取代“快锻或汽锤，加工比大于5”，解决原钢种由于锻造不均匀所造成的晶粒度、组织不均匀的问题；调质处理由“淬火+低温回火”取代“淬火+高温回火”，以马氏体组织取代原钢种索氏体组织解决强度不足的问题，但该容器钢板由于成分设计碳含量高及合金含量高，从而致使碳当量高，材料在使用过程中焊接性能差。

日本住友金属工业株式会社的CN 1697891公开了高压氢气环境下具有优秀的机械性质和耐腐蚀性且具有优良的耐应力腐蚀裂纹性的高强度不锈钢以及用该不锈钢制造的高压氢气用容器及其它器具。以质量％计，该不锈钢中含有C：0.02％以下、Si：1.0％以下、Mn：3～30％、Cr：超22％至30％、Ni：17～30％、V：0.001～1.0％、N：0.10～0.50％以及Al：0.10％以下，剩余部分由Fe和杂质组成，杂质中的P为0.030％以下，S为0.005％以下，Ti、Zr和Hf分别为0.01％以下，而且Cr、Mn以及N的含量满足下述的(1)式，5Cr+3.4Mn≤500N…(1)该不锈钢中还可以含有Mo、W、Nb、Ta、B、Cu、Co、Mg、Ca、Ce、Y、Sm、Pr和Nd中的一种以上。该发明成分设计添加了含量较高的贵重金属镍元素，这样就大大增加了生产成本。

日本住友金属工业株式会社的CN101821417A公开了一种高压氢气环境用低合金钢，其含有以质量％计的如下成分：C：0.15～0.60％、Si：0.05～0.5％、Mn：0.05～3.0％、P：0.025％以下、S：0.010％以下、Al：0.005～0.10％、Mo：0.5～3.0％、V：0.05～0.30％、O(氧)：0.01％以下以及N：0.03％以下，剩余部分为Fe和杂质，且拉伸强度为900MPa以上。该低合金钢优选含有0.0003～0.003％的B，但此时N限制于0.010％以下。此外，优选含有Cr、Nb、Ti、Zr和Ca中的1种以上。Mo和V的含量优选满足下述(1)式。[Mo(％)]·[V(％)]0.2≥0.32(1)。但该发明由于成分设计碳含量及合金含量高，从而致使碳当量高，材料在使用过程中焊接性能差。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种特厚耐高温压力容器钢及其制备方法。本发明产品化学成份配比设计合理，生产工艺控制简单、轧制工艺窗口大，生产效率高，产品热强性好、性能稳定。

本发明的技术方案如下：

一种特厚耐高温压力容器钢，其中钢的化学成分质量百分比含量为：C为0.08％-0.15％，Si为0.15％-0.40％，Mn为0.40％-0.70％，Cr为0.90％-1.20％，V为0.15％-0.30％，Mo为0.25％-0.35％，P≤0.015％，S≤0.080％，其余含量为Fe和不可避免的夹杂物。

钢种成分的确定：首先保证厚度规格大的强度要求，再次是焊接性能的要求，即碳当量不能高，然后是对冲击韧性的要求。基于强度与焊接性能的要求，控制C0.08％-0.12％，Mn0.45％-0.65％，强度的损失通过添加V微合金化以及C，N含量的合理控制析出V[C，N]来弥补，同时有助于提高奥氏体再结晶温度和细化晶粒，控制V0.15％-0.30％；该钢中添加的合金元素Mo对铁素体具有固溶强化作用，也能提高碳化物的稳定性，因此对钢的强度产生有利的作用，同时Cr对钢的强度也有一定贡献。另外为保证钢水的洁净度，本发明还对S、P等元素也提出了控制要求：S≤0.015％、P≤0.015％。

钢的合金元素质量百分比含量配比之间遵循：C/Mn比不大于6，Cr/Mo比不大于3.3；所述的化学元素还满足Cr+Mo+V≤1.7％。

优选的，一种特厚耐高温压力容器钢，其中钢的化学成分质量百分比含量为：C为0.08％-0.14％，Si为0.18％-0.35％，Mn为0.45％-0.65％，Cr为0.90％-1.20％，V为0.15％-0.30％，Mo为0.25％-0.35％，P≤0.025％，S≤0.010％，其余含量为Fe和不可避免的夹杂物。

本发明更优选的技术方案是，钢的化学成分质量百分比含量为：C 0.11％，Si 0.25％，Mn 0.60％，Cr 0.95％，V 0.25％，Mo 0.30％，P 0.011％，S 0.005％，其余含量为Fe和不可避免的夹杂物。

一种特厚耐高温压力容器钢及其制备方法，包括冶炼、加热、粗轧、精轧、正火、回火工序，其特征在于，控制钢的化学成分质量百分比含量为：C为0.08％-0.14％，Si为0.18％-0.35％，Mn为0.45％-0.65％，Cr为0.90％-1.20％，V为0.15％-0.30％，Mo为0.25％-0.35％，P≤0.025％，S≤0.010％，其余含量为Fe和不可避免的夹杂物，其中，

(1)所述冶炼工序中，精炼炉渣碱度R控制在2.5-5.5之间，Ar封加全保护浇注，中间包过热度控制15～25℃；

(2)所述加热工序中，加热炉内加热温度为1160℃-1220℃，加热时间为3.5-5小时；

(3)所述粗轧工序中，开轧温度1120-1180℃，进行3-7道次轧制，累计压下率在40％-70％之间，中间坯厚度在1.5H～4.0H之间，轧后待温，所述的H为成品厚度；

(4)所述精轧工序中，包括：

开轧温度为1100-1150℃，进行3-5道次轧制，成品厚度80mm，终轧温度1070-1140℃，轧后空冷；或

开轧温度为840-880℃，进行3-7道次轧制，成品厚度80mm，终轧温度820-860℃，轧后空冷；

(5)所述正火工序中，正火温度为Ac3+30～50℃即880℃～950℃，在炉时间按1.2～1.8min/mm厚度计算，正火处理后空冷；所述厚度为步骤(4)所述的成品厚度；

(6)所述回火工序中，回火温度不低于680℃，在炉时间按2.1～2.5min/mm厚度计算，回火处理后空冷；所述厚度为步骤(4)所述的成品厚度。

本发明未详述的工序，均可采用现有技术。

本发明的创新点在于设计了合理的不同成分之间的配比，攻克了厚度为80mm的特厚耐高温压力容器钢的力学性能不稳定及厚度方向组织不均匀等技术难题。本发明的制备方法优点在于轧制工艺窗口大，生产节奏快，产品性能稳定。

对本发明制备的特厚耐高温压力容器钢沿头部1/4厚度处取横向试样，在实验室金相试验机上沿轧制方向面预磨、抛光，用硝酸进行侵蚀制成金相试样，在光学显微镜下观察和测定晶粒度，钢板基体组织均匀，晶粒度在7级左右，弥散分布的V[C、N]化物控制理想；沿钢板头部1/4厚度处取横向试样加工成标准要求板状试样，在100吨拉伸试验机上进行拉伸试验，钢板拉伸性能(见表1)稳定；在450J试验机上，对按照国标要求加工的冲击试样进行试验，冲击韧性值稳定且控制理想(见表1)。而且本发明产品化学成份设计合理，生产工艺控制简单，生产效率高，热强性好、产品性能稳定。

附图说明

图1是实施例1的特厚耐高温压力容器钢厚度方向1/4处金相组织图

图2是实施例2的特厚耐高温压力容器钢厚度方向1/4处金相组织图

图3是实施例3的特厚耐高温压力容器钢厚度方向1/4处金相组织图

图4是实施例4的特厚耐高温压力容器钢厚度方向1/4处金相组织图

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

对以下实施例制备的特厚耐高温压力容器钢沿头部1/4厚度处取横向试样，在实验室金相试验机上沿轧制方向面预磨、抛光，用硝酸进行侵蚀制成金相试样，在光学显微镜下观察和测定晶粒度，钢板基体组织均匀，晶粒度在7级左右，弥散分布的V[C、N]化物控制理想；沿钢板头部1/4厚度处取横向试样加工成标准要求板状试样，在100吨拉伸试验机上进行拉伸试验，钢板拉伸性能(见表1)稳定；在450J试验机上，对按照GB713-2008要求加工的冲击试样进行试验，冲击韧性值稳定且控制理想、热强性好(见表1)。

实施例1

一种特厚耐高温压力容器钢，其中钢的化学成分质量百分比含量为：C 0.10％，Si 0.25％，Mn 0.60％，Cr 0.95％，V 0.25％，Mo 0.30％，P 0.011％，S 0.005％，其余含量为Fe和不可避免的夹杂物。

上述特厚耐高温压力容器钢的制备方法如下：包括冶炼、加热、粗轧、精轧、正火、回火工序，其中精炼炉渣碱度控制在3.0，钢包浇注用长水口加Ar封保护、中间包浸入式水口加Ar封的全保护浇注，中间包过热度控制在21℃；将钢坯放入加热炉加热，加热温度为1200℃，加热时间4.5小时。钢坯出炉，经预除鳞机除鳞后进入粗轧机进行轧制，开轧温度1171℃，进行了6道次轧制，每道次压下率分别为：9.28％，8.01％，6.97％，13.66％，12.97％，12.36％，总的压下率为49.0％，中间坯厚度为153mm。粗轧结束后，经过待温，送入精轧机，精轧开轧温度为1141℃，共进行了3道次轧制，每道次压下率分别为：18.49％，20.23％，18.89％，总的压下率为47.3％，成品厚度80mm，终轧温度1130℃；轧制结束后，钢板上冷床进行空冷，继而进行后续热处理。正火温度为890℃，在炉时间112min；回火温度为710℃，在炉时间168min，最后即得到所述特厚耐高温压力容器钢。

实施例2

钢种成分同实施例1。所述特厚耐高温压力容器钢的制备方法如下：包括冶炼、加热、粗轧、精轧、正火、回火工序，其中精炼炉渣碱度控制在3.5，钢包浇注用长水口加Ar封保护、中间包浸入式水口加Ar封的全保护浇注，中间包过热度控制在21℃；将钢坯放入加热炉加热，加热温度为1200℃，加热时间4.5小时。钢坯出炉，经预除鳞机除鳞后进入粗轧机进行轧制，开轧温度1171℃，进行了6道次轧制，每道次压下率分别为：9.47％，7.93％，6.84％，13.64％，13.27％，11.73％，总的压下率为48.7％，中间坯厚度为153mm。粗轧结束后，经过待温，送入精轧机，精轧开轧温度为1138℃，共进行了3道次轧制，每道次压下率分别为：18.45％，20.52％，19.16％，总的压下率为48.1％，成品厚度80mm，终轧温度1120℃；轧制结束后，钢板上冷床进行空冷，继而进行后续热处理。正火温度为900℃，在炉时间120min；回火温度为700℃，在炉时间176min，最后即得到所述特厚耐高温压力容器钢。

实施例3

一种特厚耐高温压力容器钢，其中钢的化学成分质量百分比含量为：C 0.09％，Si 0.30％，Mn 0.55％，Cr 1.00％，V 0.0.20％，Mo 0.27％，P 0.008％，S 0.002％，其余含量为Fe和不可避免的夹杂物。

上述特厚耐高温压力容器钢的制备方法如下：包括冶炼、加热、粗轧、精轧、正火、回火工序，其中精炼炉渣碱度控制在4.5，钢包浇注用长水口加Ar封保护、中间包浸入式水口加Ar封的全保护浇注，中间包过热度控制在21℃；将钢坯放入加热炉加热，加热温度为1200℃，加热时间4.5小时。钢坯出炉，经预除鳞机除鳞后进入粗轧机进行轧制，开轧温度1171℃，进行了5道次轧制，每道次压下率分别为：8.51％，7.94％，14.50％，17.60％，21.54％，总的压下率为53.3％，中间坯厚度为140mm。粗轧结束后，经过待温，送入精轧机，精轧开轧温度为865℃，共进行了4道次轧制，每道次压下率分别为：16.04％，12.80％，11.57％，10.50％，总的压下率为42.9％，成品厚度80mm，终轧温度850℃；轧制结束后，钢板上冷床进行空冷，继而进行后续热处理。正火温度为910℃，在炉时间128min；回火温度为690℃，在炉时间184min，最后即得到所述特厚耐高温压力容器钢。

实施例4

钢种成分同实施例3。所述特厚耐高温压力容器钢的制备方法如下：包括冶炼、加热、粗轧、精轧、正火、回火工序，其中精炼炉渣碱度控制在5.0，钢包浇注用长水口加Ar封保护、中间包浸入式水口加Ar封的全保护浇注，中间包过热度控制在21℃；将钢坯放入加热炉加热，加热温度为1200℃，加热时间4.5小时。钢坯出炉，经预除鳞机除鳞后进入粗轧机进行轧制，开轧温度1172℃，进行了5道次轧制，每道次压下率分别为：8.66％，7.88％，14.42％，18.00％，20.97％，总的压下率为53.3％，中间坯厚度为140mm。粗轧结束后，经过待温，送入精轧机，精轧开轧温度为868℃，共进行了4道次轧制，每道次压下率分别为：14.65％，13.00％，12.29％，11.25％，总的压下率为42.9％，成品厚度80mm，终轧温度855℃；轧制结束后，钢板上冷床进行空冷，继而进行后续热处理。正火温度为920℃，在炉时间136min；回火温度为680℃，在炉时间192min，最后即得到所述特厚耐高温压力容器钢。

本发明还可以有其他实施方式，凡采用同等替换或等效变换成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

            表1：本发明实施例制备的特厚耐高温压力容器钢的组织性能

由上表可以看出，本发明制备的特厚高温压力容器钢性能稳定，高温热强性优良，厚度方向组织性能均匀。

Claims (4)

1.一种特厚耐高温压力容器钢，其中钢的化学成分质量百分比含量为：C为0.08％-0.15％，Si为0.15％-0.40％，Mn为0.40％-0.70％，Cr为0.90％-1.20％，V为0.15％-0.30％，Mo为0.25％-0.35％，P≤0.015％，S≤0.080％，其余含量为Fe和不可避免的夹杂物。

2.如权利要求1所述的一种特厚耐高温压力容器钢，其中钢的化学成分质量百分比含量为：C为0.08％-0.14％，Si为0.18％-0.35％，Mn为0.45％-0.65％，Cr为0.90％-1.20％，V为0.15％-0.30％，Mo为0.25％-0.35％，P≤0.025％，S≤0.010％，其余含量为Fe和不可避免的夹杂物。

3.如权利要求1所述的一种特厚耐高温压力容器钢，其中钢的合金元素质量百分比含量配比之间遵循：C/Mn比不大于6，Cr/Mo比不大于3.3；所述的化学元素还满足Cr+Mo+V≤1.7％；

4.一种特厚耐高温压力容器钢及其制备方法，包括冶炼、加热、粗轧、精轧、正火、回火工序，其特征在于，控制钢的化学成分质量百分比含量为：C为0.08％-0.14％，Si为0.18％-0.35％，Mn为0.45％-0.65％，Cr为0.90％-1.20％，V为0.15％-0.30％，Mo为0.25％-0.35％，P≤0.025％，S≤0.010％，其余含量为Fe和不可避免的夹杂物，其中，

(1)所述冶炼工序中，精炼炉渣碱度R控制在2.5-5.5之间，Ar封加全保护浇注，中间包过热度控制15～25℃；

(2)所述加热工序中，加热炉内加热温度为1160℃-1220℃，加热时间为3.5-5小时；

(3)所述粗轧工序中，开轧温度1120-1180℃，进行3-7道次轧制，累计压下率在40％-70％之间，中间坯厚度在1.5H-4.0H之间，轧后待温，所述的H为成品厚度；

(4)所述精轧工序中，包括：

开轧温度为1100-1150℃，进行3-5道次轧制，成品厚度80mm，终轧温度1070-1140℃，轧后空冷；或

开轧温度为840-880℃，进行3-7道次轧制，成品厚度80mm，终轧温度820-860℃，轧后空冷；

(5)所述正火工序中，正火温度为880℃～950℃，在炉时间按1.2～1.8min/mm厚度计算，正火处理后空冷；所述厚度为步骤(4)所述的成品厚度；

(6)所述回火工序中，回火温度不低于680℃，在炉时间按2.1～2.5min/mm厚度计算，回火处理后空冷；所述厚度为步骤(4)所述的成品厚度。

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