CN102409260A

CN102409260A - 一种具有良好低温韧性的压力容器用厚板及其生产方法

Info

Publication number: CN102409260A
Application number: CN2010102915312A
Authority: CN
Inventors: 胡昕明; 高强; 梁福鸿; 王储
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2010-09-21
Filing date: 2010-09-21
Publication date: 2012-04-11

Abstract

本发明公开了抗拉强度≥690MPa、具有良好低温韧性(-40℃)的压力容器厚板及其生产方法。钢的化学成分按重量百分比为：C0.06％～0.09％、Si 0.15％～0.40％、Mn 1.20％～2.00％、P≤0.015％、S≤0.005％、Ni 0.10％～0.40％、Cr 0.10％～0.30％、Mo 0.10％～0.30％、Cu0.10％～0.30％、V 0.03％～0.06％、Nb 0.02％～0.04％、Ti 0.015％～0.025％、Als 0.015％～0.040％、Ca 0.001％～0.005％、Zr 0.001％～0.030％，余量为Fe及不可避免的杂质，同时满足：P_cm＝C+Si/30+Ni/60+(Mn+Cr+Cu)/20+Mo/15+V/10+5B≤0.26％，P_sr＝Cr+Cu+2Mo+10V+7Nb+5Ti-2≤0，其中P_cm为焊接裂纹敏感性系数，P_sr为再热接裂纹敏感性指数。

Description

一种具有良好低温韧性的压力容器用厚板及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种抗拉强度≥690MPa级别、具有良好低温韧性(-40℃)的压力容器用厚板及其生产方法，属低合金钢制造领域。

背景技术

从20世纪80年代初期，我国开始建设10万m³的大型浮顶石油储罐，迄今已建成80余台10万m³以上的超大型浮顶石油储罐。但是，这些储罐所需的高强度钢板几乎全部依赖进口。

为了改变上述状况，我国技术人员经过多年的技术攻关，研发出抗拉强度不低于610MPa级别低焊接裂纹敏感性钢板，并成功应用于10万m³石油储罐的制造方面，实现了此类钢板的国产化。到目前为止，我国较成熟的610MPa级别压力容器用钢板按其生产工艺，主要分为离线调质的12MnNiVR(-20℃)、07MnCrMoVR(-20℃)、07MnNiMoVDR(-40℃)和在线TMCP+离线回火的08MnNiVR(-20℃)，且最大允许厚度为50mm，而避免焊后整体热处理的壁厚则不大于38mm。

经检索，国内相关涉及压力容器用钢专利共有3篇。“一种低温压力容器用钢板及其生产方法”(公开号CN 101144138A)公开了一种低温压力容器用钢板及其生产方法，C：0.12～0.19％，Si：0.15～0.45％，Mn：1.2～1.6％，Nb：0.015～0.050％，Ti：0.01～0.03％，Ni：0.10～0.35％，Al：0.015～0.050％，P：0～0.015％；S：0～0.01％，其余为Fe及不可避免的杂质；主要针对的是-40℃钢板的冲击韧性，热处理方法为正火处理，其抗拉强度为500MPa左右；“一种低碳610MPa级高强压力容器用钢板及其生产方法”(公开号CN101358319A)公开了一种低碳610MPa级高强压力容器用钢板及其生产方法，其抗拉强度为610MPa级别；C：0.05～0.09％，Si：0.25～0.45％，Mn：1.20～1.40％，Nb：0.035～0.045％，Ti：0.010～0.020％，Cu：0.20～0.30％，Cr：0.25～0.55％，Ni：0.25～0.30％，余量为Fe，“一种压力容器用厚钢板及其制造方法及应用”(公开号CN101514434A)公开了一种压力容器用厚钢板及其制造方法及应用，主要应用于核电用钢，其热处理方法为淬火+回火处理，另外其化学元素含量均相对较高，同时其抗拉强度为620MPa级别。C：0.08～0.20wt％、Si：0.10～0.40wt％、Mn；1.0～1.6wt％、S≤0.01wt％、P≤0.012wt％、Al：0.015～0.05wt％、Mo：0.40～0.60wt％、Cu≤0.10wt％、Ni：0.40～0.80wt％、V≤0.05wt％、N≤0.008wt％，余量为Fe和不可避免的杂质。

考虑到随着压力容器用钢板强度的增加，有利于压力容器壁厚相对减薄，压力容器容积增加的特性以及低温地区对钢板低温韧性要求较高的情况，满足我国压力容器用向大型化、低温化、高参数发展的要求，需要开发研制更高强度级别(即690MPa级别)，低温韧性良好(-40℃)压力容器用钢板，以适应未来容积≥20万m³的超大型原油储罐建设需求，用于建造10000m³以上天然气球罐和1000m³以上氧气、氮气、氩气球罐，以及制造抽水蓄能电站用压力钢管、水电机组蜗壳，实现其国产化，同时使该钢板的技术指标达到国际先进水平。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本法明的目的在于提供一种抗拉强度≥690MPa、具有良好低温韧性(-40℃)的压力容器厚板及其生产方法。钢板具有低焊接裂纹敏感性、良好低温韧性和抗高温回火特性。设计化学成分简单且生产工艺简便，适合批量生产。

本发明的主要内容如下：

为了达到上述目的，本发明设计了一种具有良好低温韧性的高强度压力容器用厚板，其特征在于钢的化学成分(按重量百分比)为：C0.06％～0.09％、Si 0.15％～0.40％、Mn 1.20％～2.00％、P≤0.015％、S≤0.005％、Ni 0.10％～0.40％、Cr 0.10％～0.30％、Mo 0.10％～0.30％、Cu0.10％～0.30％、V 0.03％～0.06％、Nb 0.02％～0.04％、Ti 0.015％～0.025％、Als 0.015％～0.040％、Ca 0.001％～0.005％、Zr 0.001％～0.030％，余量为Fe及不可避免的杂质，同时满足：

P_cm＝C+Si/30+Ni/60+(Mn+Cr+Cu)/20+Mo/15+V/10+5B≤0.26％，

P_sr＝Cr+Cu+2Mo+10V+7Nb+5Ti-2≤0，

其中P_cm为焊接裂纹敏感性系数，P_sr为再热接裂纹敏感性指数。

钢板的金相组织为准多边形铁素体+粒状贝氏体+板条贝氏体的混合组织。

钢板的厚度范围为12～50mm。

本发明中合金元素C、Si、Mn、P、S、Ni、Cr、Mo、Cu、V、Nb、Ti、Al、Ca、Zr限定量的理由详述如下：

C：确保强度所必须的元素，需要添加0.06％以上，但如果添加量过大，有可能导致低温韧性的下降，因此将其上限值规定为0.09％。

Si：作为脱氧剂，此外对于通过固溶强化来增加钢强度是有效元素，但在含量低于0.15％时上述效果小，如果超过0.40％，则使得HAZ韧性劣化。因此，将Si限定在0.15～0.40％。

Mn：微合金化钢相变强化和固溶强化机制中起主要作用的合金元素，从确保淬火性的观点出发，需要在1.20％以上。但是，如果添加超过2.00％的Mn，则韧性劣化。因此，将Mn限定在1.20～2.00％。

P、S：在本钢种中都是杂质元素。限制在P≤0.020％；S≤0.006％。

Ni：在微合金化钢相变强化和固溶强化机制中起重要作用。降低钢表面活性，提高钢的抗腐蚀性能，提高母材和焊接接头的低温韧性。其含量控制在0.10％～0.40％。

Cr：在钢中作用与Ni类似。加入量过多导致Cr的碳化物形成影响钢的韧性，故其含量为0.10～0.30％。

Mo：固溶于铁素体中，强化铁素体基体。可以推迟在轧后冷却过程中铁素体和珠光体的析出，促使微合金化钢在轧后冷却过程中在很宽的温度范围内发生贝氏体转变，导致贝氏体分数增加。因此其含量控制在0.10％～0.30％。

Cu：Cu对提高母材强度有效，Cu 0.10％～0.30％。

V：加入微量V可以形成复合的C-Nb-Ti-V-N化物，在母材中起沉淀强化作用，提高母材和焊接接头强度。其含量控制在0.03～0.06％。

Nb：微量Nb的加入使母材再结晶停止温度升高到950℃以上，扩大再结晶轧制温度区间。在冷却过程中，由于Nb原子在晶界的偏聚，使先共析铁素体生成区明显右移，保证了母材在很宽的冷却范围内得到均匀的贝氏体组织。基体中固溶的Nb原子在冷却及相转变后，将在母材内析出Nb(CN)化合物，进一步强化母材。其含量控制在0.02～0.04％。

Ti：根据钢中的N含量，适当添加Ti，形成TiN细粒状弥散分布的粒子以减轻大线能量焊接热影响区脆化的效果最好，利用TiN的沉淀物可以抑制焊接时奥氏体的晶粒粗大，增加针状铁素体的沉淀核。3.42为钢中Ti、N原子的理想化学配比。当钢中的Ti/N值接近于理想化学配比时，TiN粒子更加细小且分布弥散，对高温奥氏体晶粒的细化作用最强，Ti/N值过大或过小都将消弱这一作用。Ti的含量为0.015～0.025％。

Al：提高粗晶区韧性的机制是减少M-A组元的量及其尺寸，减少了固溶N量。AlN的溶解温度在1100℃附近，它在焊接热循环中很容易溶解，不能有效地阻止HAZ的晶粒长大。在焊接热循环中AlN质点会溶解，使HAZ中自由N的含量增高。AlN的析出十分缓慢，AlN很难在焊接过程中重新形核析出。一般情况下Al的含量为≥0.015％，加入Al的上限为0.040％。

Ca：对钢进行Ca处理，一方面可以进一步纯洁钢液，另一方面对钢中硫化物进行变性处理，使之变成不可变形的、稳定细小的球状硫化物、抑制S的热脆性、提高钢的低温韧性。Ca加入量的多少，取决于钢中S含量的高低，Ca加入量过低，处理效果不大；Ca加入量过高，形成Ca(O，S)尺寸过大，脆性也增加，可称为断裂裂纹起始点，降低钢的低温韧性，同时还降低钢质纯净度、污染钢液。因此，Ca含量的合适范围为0.001％～0.005％。

Zr：微量Zr与N结合生成高温稳定的细小ZrN析出相，起到细化晶粒的目的，同时它还能提高钢的低温韧性。为了达到析出细小ZrN晶粒的目的，需要加入0.001％以上的Zr，但当Zr含量超过0.03％时，钢水将生成粗大的ZrN析出相和Zr的氧化物，对母材和热影响区的韧性产生负面作用。

而且还能提高钢的低温韧性。

压力容器用厚板生产方法，钢水经连铸、加热炉加热、热轧和热处理，具体为：

本发明的铸造工艺采用连铸工艺，连铸工艺重点控制浇铸温度，中间包钢水浇铸温度≤1540℃，低温浇铸较好，以细化原始铸态组织。为控制连铸坯中心Mn偏析，采用电磁搅拌或连铸坯轻压下工艺，轻压下量控制在3～10％之间。

加热炉加热温度，必须选择在1050～1250℃之间。在低于1050℃加热时，凝固中所生成的对韧性有不良影响的粗大夹杂物有可能以不熔化状态残留；而高于1250℃加热，则有可能使连铸过程中通过控制冷却速度而产生的析出物再熔化。

钢在加热后的轧制工艺采用奥氏体完全再结晶区+奥氏体未再结晶区两个阶段控制轧制工艺。粗轧开轧温度为1000～1100℃，终轧温度保证950℃以上；精轧开轧温度为900℃，终轧温度保证800℃以上；中间坯厚度为成品钢板厚度的2～2.5倍。在完全再结晶温度范围内，大轧制道次压下率进行快速连续轧制，确保变形金属发生动态/静态再结晶，细化奥氏体晶粒，为此轧制道次压下率≥10％，再结晶区总压下率≥55％；在未在结晶区进行控制轧制，为保证晶粒细化的效果从而达到提高钢的屈服强度和韧性的目的，应使轧制道次压下率≥10％，未再结晶区总压下率≥55％。

在完全再结晶区轧制完成后，中间坯停留不低于5秒时间后用中间水冷装置(或控冷装置)进行不低于1℃/秒进行喷水冷却，其后停留时间不低于5秒后以保证钢板温度的均匀性，再进行第二阶段轧制。其主要原因是采用控制的中间冷却可以促进Nb在轧前以固溶态存在，从而抑制再结晶作用，可以促进变形奥氏体的应变累积效果。同时减少中间坯待温的等候时间，提高了现场生产效率。

热轧结束后，将温度在Ar3＝780℃以上的钢板进行层流冷却，强制冷却时应使水均匀地施加在钢板上。钢板的入水温度为800～750℃，终冷温度控制在300～400℃，冷却速度控制在20～30℃/s之间。

回火温度在600～680℃之间，保温时间为3～4min/mm，从而消除应力并获得良好的强韧性匹配。

本发明的有益效果是：

(1)在钢种成分设计上，取消了提高钢板淬透性元素B，降低其在冶炼、轧制及冷却方面的操作难度。同时添加了提高低温韧性的元素Zr，确保在获得高强度的同时也具备良好的低温韧性。

(2)在轧制工艺上，通过增加中间坯冷却工艺，不仅促进了完全再结晶轧制阶段变形奥氏体的应变累积效果。同时还减少中间坯待温的等候时间，提高了现场生产效率。

(3)钢板通过在线TMCP+离线回火热处理，缩短了工艺流程、降低了能源消耗、节约了生产成本。

(4)钢板还具有较好的抗高温回火作用，在680℃回火时，金相组织并未粗化且强度保持适中。

具体实施方式

下面结合具体实施例进行说明：

本发明实施例所用钢的实际化学成分见表1。

表1化学成分(wt％)

本实施例的生产工艺是：采用转炉将铁水经炼钢后进行精炼，用Fe-Ti合金进行脱氧，根据板坯化学成分及其含量，脱氧后加入Zr和Ca，再用Al线进行最终脱氧；然后将钢水温度调整到出钢温度进行连铸，铸坯的板厚为250mm，最后进行热轧。

本实施例的热轧工艺是：铸坯加热至1050～1250℃，均热1.5～2.5小时；轧制采用二阶段控轧工艺(再结晶区轧制+未再结晶区轧制)，第一阶段轧制累积压下率保持在55～70％，保温10秒左右，然后以1～3℃/s冷却中间坯至910℃，保持10s后进行第二阶段轧制，累积压下率保持在55～70％。完成轧制后进行在线加速冷却，冷却速度控制在25～35℃/S区间。具体轧制工艺见表2。冷却后钢板进行热矫直后下线进行回火处理，钢板回火在辊底式热处理炉进行。回火温度控制在620～680℃区间。钢板回火态性能见表3。

表2TMCP工艺制度

表3力学性能检验结果

Claims

1.一种具有良好低温韧性的压力容器用厚板，其特征在于钢的化学成分按重量百分比为：C 0.06％～0.09％、Si 0.15％～0.40％、Mn1.20％～2.00％、P≤0.015％、S≤0.005％、Ni 0.10％～0.40％、Cr0.10％～0.30％、Mo 0.10％～0.30％、Cu 0.10％～0.30％、V 0.03％～0.06％、Nb0.02％～0.04％、Ti0.015％～0.025％、Als0.015％～0.040％、Ca0.001％～0.005％、Zr 0.001％～0.030％，余量为Fe及不可避免的杂质，同时满足：

P_cm＝C+Si/30+Ni/60+(Mn+Cr+Cu)/20+Mo/15+V/10+5B≤0.26％，

P_sr＝Cr+Cu+2Mo+10V+7Nb+5Ti-2≤0，

2.一种根据利要求1所述的具有良好低温韧性的压力容器用厚板生产方法，包括转炉炼钢、精炼、连铸、加热炉加热、热轧和热处理，其特征在于：加热炉加热温度在1050～1250℃之间；采用奥氏体完全再结晶区+奥氏体未再结晶区两个阶段控制轧制工艺，各阶段总压下率≥55％；在完全再结晶区轧制后，中间坯停留不低于5秒时间后进行不低于1℃/秒进行喷水冷却，其后停留不低于5秒后，再进行第二阶段轧制；热轧结束后，将温度在Ar3＝780℃以上的钢板进行层流冷却，钢板的入水温度为800～850℃，终冷温度控制在300～400℃，冷却速度控制在20～30℃/s之间；回火温度在600～680℃之间，保温时间为3～4min/mm。