CN102418036A - 一种低温压力容器用15MnNiDR低合金钢板及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温压力容器用15MnNiDR低合金钢板，是由Fe、C、Si、Mn、Ni、V、Nb、Ti和Als共9种合金元素冶炼轧制而成，并通过KR铁水预处理、转炉冶炼、LF炉精炼、真空脱气处理、连铸、加热、轧制、ACC层流冷却和正火等合理而严格的生产工艺控制，实现了低温压力容器用中厚钢板的规模化工业生产，各项性能均达到了JB/T47030标准，满足了我国低温压力容器行业发展对低合金钢板材的需要。

Description

一种低温压力容器用15MnNiDR低合金钢板及其生产方法

 

技术领域

本发明属于本发明涉及到钢材制造技术领域，具体涉及一种低温压力容器用15MnNiDR低合金钢板及其生产方法。

背景技术

低合金高强度宽厚钢板是钢铁产业发展政策中明确提出要鼓励生产的产品。它属资源节约型钢材，同时也是比较典型的高技术含量、高附加值产品，广泛用于能源、交通、建筑、工程机械等国民经济各个重要领域，具有很大的市场潜力。随着钢材需求行业的技术升级，对钢材的性能也不断提出新的更高的要求。宽厚钢板是钢铁产品类别中归属于中厚板的一类主导产品，一般泛指采用宽厚板轧机生产的宽度在3000 mm以上，厚度在4 mm以上的钢板。由于宽厚钢板的平面尺寸及厚度都比较大，宽厚板的产品适用性强，在制作大型容器、设备和钢结构时比其它产品利用率高，更经济合理，因此被许多行业用户广泛选用。低合金高强度宽厚钢板主要用于焊接结构，因此不仅要求钢材具有高的强度及塑韧性，还必须有良好的焊接性和工艺加工性。高纯净度、高强度、高韧性并具有良好厚度方向性能的宽厚钢板是总的发展方向。15MnNiDR钢属于低温压力容器用钢，不仅要求具有较高的强度，更需要具有良好的低温韧性和焊接性能，它广泛用于各种低温压力容器设备的制造，如液体烯烷用储存容器和输送管道、天然气液化装置等。但是，由于15MnNiDR钢板合金设计和冶金工艺难度大，目前国内生产远远不能满足市场需求，大部分依赖进口钢板，给我国经济带来较大的影响。

发明内容

本发明目的是提供一种能够有效改变我国低温压力容器用中厚钢板依赖进口的局面，可靠地保证各项性能符合国家标准，适合大生产操作的低温压力容器用15MnNiDR低合金钢板及其生产方法。

实现本发明的目的所采取的技术方案是：一种低温压力容器用15MnNiDR低合金钢板包括如下质量百分比的化学成分：C：0.06～0.14 wt%、Si：0.17～0.30 wt%、Mn：1.15～1.45 wt%、P：≤0.015 wt%、S：≤0.005 wt%、Ni：0.25～0.50 wt%、V或/和Nb或/和Ti：≤0.12 wt%、Als：0.015～0.050 wt%、其余为Fe。

一种生产所述低温压力容器用15MnNiDR低合金钢板的工艺方法，包括以下步骤：优质铁水熔炼、KR铁水预处理、转炉冶炼、LF炉精炼、真空脱气处理、连铸、加热、轧制、ACC层流冷却和正火； 

所述KR铁水预处理步骤中，到站铁水必须扒前渣与扒后渣，保证液面渣层厚度≤20mm，铁水经KR搅拌脱硫，脱硫周期≤21min、脱硫温降≤20℃，达到铁水中按质量百分比含S≤0.005 wt%；

所述转炉冶炼步骤中，采用100/120吨顶底复吹转炉，入炉铁水中按质量百分比含S≤0.005 wt%、含P≤0.080 wt%，铁水温度≥1270℃，铁水装入量误差控制在±1t，过程枪位按前期1.0-1.3m、中期1.2-1.6m、后期1.0-1.1m控制，造渣碱度R控制在2.5-4.0范围内，出钢铁水中按质量百分比含碳≥0.05wt%，含P≤0.015wt%，含S≤0.012 wt%，出钢过程中向钢包内加硅铝钡钙、锰铁合金、硅铁合金和石灰、萤石，出钢前用挡渣塞挡前渣出钢，出钢结束前采用挡渣锥挡渣，渣层厚度≤30mm，转炉出钢过程中全程吹氩，氩站一次性加入铝线，在氩站强吹氩3min，流量200-500NL/min，钢液面裸眼直径控制在300～500mm，离氩站温度不得低于1570℃；

   所述LF炉精炼步骤中，精炼过程中全程吹氩，加入精炼渣料的碱度为4.0～6.0，加热时间按两次控制，第一次加热7～12min，第二次加热6～10 min，粘渣次数≥6次，加硅钙线前必须关闭氩气，不采用真空脱气上钢温度为为1610±15℃；

所述真空脱气处理步骤中，VD真空度≤67Pa，保压时间≥15min，破真空后软吹2～5min或不吹，软吹过程中钢水不得裸露，在线包抽真空1.7min，关闭氩气，加覆盖剂，保证铺满钢液面，上钢温度1565±15℃；

所述连铸步骤中，中间包预热的过热度控制在15±10℃，拉矫机拉速控制在0.7m/min，比水量为0.80L/㎏，电磁搅拌中电磁系统控制参数为：900A、5Hz、30s-3-30s，连铸浇钢全程保护浇铸，大包开浇后1min内套保护管，浇钢过程中进行塞棒吹氩，铸坯下线后堆冷温度≥200℃，堆冷时间≥12h；

所述加热步骤中，加热温度及加热时间如下：预热段温度900～1000℃，加热段温度1220～1280℃，加热速度10～13min/cm，保温段温度1200～1260℃；

所述轧制步骤中，分2个阶段轧制，开轧温度控制在1050℃～1150℃，一阶段终轧温度在900℃～1000℃，待温厚度为成品厚度的2.2～3.5倍，二阶段开轧温度控制在940℃，二阶段保证单道次压下率≥15%，累计压下率≥60%，终轧温度：a：厚度≥16～40mm的终轧温度控制在800～880℃之间，b：厚度≥40～60mm的终轧温度控制在780～880℃之间；

所述ACC层流冷却步骤中，通过调整冷却集管组数，冷却速度控制在5～30℃/S，返红温度控制在600～700℃之间，层流冷却后送往矫直机矫直，钢板矫直下线后堆垛缓冷，堆垛缓冷温度≥350℃，堆冷时间≥24小时；

所述正火步骤中，中火温度控制在900±20℃，保温时间为2.0-2.5min/mm厚。

本发明的低温压力容器用15MnNiDR低合金钢板，其制造技术的核心是合金设计和冶金工艺，本发明合理调整15MnNiDR低合金钢中C、Si 、Mn、Ni 、Nb、V、Ti、Mo合金元素的含量和比例，严格控制P、S含量，配合本发明的生产工艺，使其既能保证中厚钢板的高强度、高韧性和良好的焊接性能等要求，又能降低生产能耗，适合大生产操作。在上述设计方案中，各化学元素的作用是：

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，碳的含量需控制的低一些。

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。

Ni：能促进奥氏体的形成，改善钢的轻度、可塑性、可焊接和韧性。

V、Nb、Ti：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。

Mo:适量的加入起到固溶强化的作用，能有效降低γ→α相变速率，抑制多边形铁素体和珠光体形核，促进高密度位错亚结构的针状铁素体或微细结构超低碳贝氏体形核，保证钢板高强度高韧性。

Al：可以起到细化晶粒强化作用。

B：与钢中Nb形成Nb（B）类析出物，在热变形后，在奥氏体中通过应变诱导在位错线上析出，阻碍再结晶，提高再结晶温度，B原子在晶界偏聚会极大地阻碍新相在晶界处形核，使得先共析铁素体生成区明显右移。

本发明的低温压力容器用15MnNiDR低合金钢板，通过合理的化学成分设计及生产工艺控制，实现了低温压力容器用中厚钢板的规模化工业生产，其屈服强度控制在335～390MPa，抗拉强度控制在500～600 MPa；伸长率控制在22%-24%；-45℃V型冲击功控制在100～200J，外检正品率100%；按JB/T 47030进行探伤，合一级率为80%，合三级率为100%，各项性能均达到了JB/T 47030标准，从而满足了我国低温压力容器行业发展对低合金钢板材的需要。

具体实施方式

本发明的低温压力容器用15MnNiDR低合金钢板，是由发明人在总结长期实践经验的基础上，通过大量的试验研究，通过适当调整C、Mn、Nb、V、Ti、Mo合金元素的含量和比例，洁净钢冶炼，严格控制P、S含量，获得了既保证钢板的低碳当量及焊接性，又保障强韧性匹配的良好效果。

所述低温压力容器用15MnNiDR低合金钢板是由如下质量百分比的化学成分冶炼轧制而成：C：0.06～0.14 wt%、Si：0.17～0.30 wt%、Mn：1.15～1.45 wt%、P：≤0.015 wt%、S：≤0.005 wt%、Ni：0.25～0.50 wt%、V或/和Nb或/和Ti：≤0.12 wt%、Als：0.015～0.050 wt%、其余为Fe。

所述低温压力容器用15MnNiDR低合金钢板的生产工艺采用转炉冶炼、连铸浇注，3800m宽厚板轧机轧制的方法生产Q550D（E）高强韧性结构钢板。其工艺流程为：优质铁水熔炼、KR铁水预处理、转炉冶炼、LF炉精炼、真空脱气处理、连铸、加热、轧制、ACC层流冷却和正火。下面结合实施例对该低合金钢板的生产方法做进一步说明。

实施例1

所述低温压力容器用15MnNiDR低合金钢板制造宽度3800mm、厚度16mm，采用下述质量百分比的化学成分制造：C：0.06 wt%、Si：0.17wt%、Mn：1.15 wt%、P： 0.015 wt%、S： 0.005 wt%、Ni：0.25wt%、V或/和Nb或/和Ti： 0.12 wt%、Als：0.015 wt%、其余为Fe。其生产方法按下述步骤进行：  

1）将平炉熔炼的优质铁水进行KR预处理：当铁水到站时必须进行扒前渣和扒后渣，铁水液面渣层厚度为20mm，并进行KR搅拌脱硫，脱硫周期为21min、脱硫温降20℃，脱硫后的铁水按质量百分比含S量为0.005 wt%。

 2） 转炉冶炼：将预处理后的铁水导入100/120吨顶底复吹转炉，入炉铁水中按质量百分比含S量为0.005 wt%、含P量为0.080 wt%，铁水温度为1270℃，铁水装入量误差控制在±1t，废钢严格采用优质边角料，过程枪位按前期1.0m、中期1.2m、后期1.0m控制，造渣碱度R为2.5，出钢铁水中按质量百分比含碳量为0.05wt%，含P量为0.015wt%，含S量为0.012 wt%，出钢过程中向钢包内加硅铝钡钙、锰铁合金、硅铁合金和石灰、萤石，出钢前用挡渣塞挡前渣出钢，出钢结束前采用挡渣锥挡渣，渣层厚度为30mm，转炉出钢过程中全程吹氩，氩站一次性加入铝线，在氩站强吹氩3min，流量200NL/min，钢液面裸眼直径控制在300mm，离氩站温度为1570℃。

3） LF炉精炼：将转炉冶炼的铁水倒入LF精炼炉内，精炼过程中须进行全程吹氩，吹氩强度根据不同环节需要进行调节。加入精炼渣料的碱度按4.0控制；精炼脱氧剂以电石、铝粒、硅铁粉为主，加入量根据钢水中氧含量及造白渣情况适量加入；精炼加热过程根据节奏富余和温度情况选择适当电流进行加热，加热时间按两次控制，第一次加热7min，第二次加热6min，第二次加热过程中要求根据造渣情况补加脱氧剂；粘渣次数6次，离站前加入硅钙线，加硅钙线前必须关闭氩气；上钢温温度为1610±15℃。

4）真空脱气处理： VD真空度为67Pa，保压时间为15min，同时包底吹氩搅拌，破真空后软吹2min，软吹过程中钢水不得裸露。正常在线包抽真空时间（抽真空前钢水温度—目标离站温度）控制在1.7min；然后加覆盖剂，保证铺满钢液面，加覆盖剂前必须关闭氩气，上钢温度控制为1565±15℃。

5）连铸：浇钢前保证铸机设备状况良好，将精炼好的钢水通过大包注入中间包，中间包预热的过热度控制在15±10℃，拉矫机的控制拉速为0.7m/min，比水量控制在0.80L/㎏，电磁搅拌中电磁控制参数为：900A、5Hz、30s-3-30s；连铸浇钢要求全程氩气保护浇铸，大包开浇后1min内必须套保护管，中间包浇注过程中保证钢液面不见红；浇钢过程中合理控制塞棒吹氩量，保证结晶器液面波动轻微；铸坯下线后堆冷12h。

6）加热: 将铸坯送入推钢式加热炉内进行加热，分段加热：预热段温度为900℃，加热段温度为1220℃，加热速度控制在10min/cm，保温段温度为1200℃；

7）轧制：将加热的铸坯送至3800mm轧机上进行轧制，在轧制过程中，为防止混晶和晶粒粗大，要严格坚持“高温、低速、大压下”的轧制要求，开轧温度为1050℃℃，一阶段终轧温度为900℃℃，待温厚度为成品厚度的2.2倍，为精轧阶段累计变形量及细化晶粒、位错强化奠定基础；二阶段开轧温度为940℃，二阶段单道次压下率为15%，累计压下率为60%，为了确保变形渗透使奥氏体内部晶粒被压扁拉长，增大晶界有效面积并有效形成大量变形带，为奥氏体相变提供更多的形核点，达到了细化奥氏体晶粒的目的，终轧温度为880℃；

8）ACC层流冷却：由于轧后缓冷易使晶粒长大，并且组织中的C、Mn等合金固溶量有限，因此要控制适当的冷却速度。为了获得优良的综合力学性能，根据板厚的不同，轧后采用不同的层流冷却，通过调整冷却集管组数，确保返红温度为700℃，层流冷却后送往矫直机矫直，钢板矫直下线后堆垛缓冷，堆垛缓冷温度为350℃，堆冷时间为24小时，通过缓冷，以避免内部应力来不及释放产生内裂，同时进一步促使钢板内部有害气体溢出。

9）正火:正火温度控制在900±20℃，根据钢板厚度每mm厚度保温时间控制在2.0-2.5min。

实施例2

所述低温压力容器用15MnNiDR低合金钢板制造宽度3800mm、厚度40mm，采用下述质量百分比的化学成分制造：C：0.10wt%、Si：0.24 wt%、Mn：1.30 wt%、P：≤0.012 wt%、S：≤0.004wt%、Ni：0.37 wt%、V或/和Nb或/和Ti： 0.10 wt%、Als：0.030 wt%、其余为Fe。

其生产方法与实施例1基本相同，其区别仅在于：步骤1）中，铁水液面渣层厚度为15mm，脱硫周期为18min、脱硫温降为18℃，脱硫后的铁水按质量百分比含S量为0.004 wt%；步骤2）中，入炉铁水中按质量百分比含S量为0.004 wt%、含P量为0.070 wt%，铁水温度为1300℃，过程枪位按前期1.15m、中期1.4m、后期1.05m控制，造渣碱度R控制在3.2，出钢铁水中按质量百分比含碳量为0.06wt%，含P量为0.010wt%，含S量为0.010 wt%，出钢结束前渣层厚度为20mm，在氩站吹氩流量为350NL/min，钢液面裸眼直径控制在400mm，离氩站温度为1600℃；步骤3）中，加入精炼渣料的碱度为5.0；第一次加热时间为9min，第二次加热为8min，粘渣次数为7次；步骤4）中，VD真空度为64Pa，保压时间为18min，破真空后软吹5min；步骤5中，铸坯下线后堆冷18h；步骤6中，预热段温度950℃，加热段温度1250℃，加热速度12min/cm，保温段温度1240℃；步骤7中，开轧温度为1100℃，一阶段终轧温度为950℃，待温厚度为成品厚度的2.8倍，二阶段开轧温度为900℃，二阶段单道次压下率为16%，累计压下率为65%，终轧温度为800℃；步骤8中，冷却速度为20℃/S，返红温度为650℃；步骤9中，堆冷温度为400℃，堆冷时间为27h。

实施例3

所述低温压力容器用15MnNiDR低合金钢板制造宽度3800mm、厚度60mm，采用下述质量百分比的化学成分制造：C：0.14 wt%、Si：0.30 wt%、Mn：1.45 wt%、P：0.008 wt%、S：0.003 wt%、Ni：0.50 wt%、V或/和Nb或/和Ti：0.08 wt%、Als：0.050 wt%、其余为Fe。

其生产方法与实施例1基本相同，其区别仅在于：步骤1）中，铁水液面渣层厚度为12mm，脱硫周期为16min、脱硫温降为14℃，脱硫后的铁水按质量百分比含S量为0.002 wt%；步骤2）中，采用100/120吨顶底复吹转炉，入炉铁水中按质量百分比含S量为0.003 wt%、含P量为0.060 wt%，铁水温度为1350℃，铁水装入量误差控制在±1t，过程枪位按前期1.3m、中期1.6m、后期1.1m控制，造渣碱度R控制在4.0范围内，出钢铁水中按质量百分比含碳量为0.07wt%，含P量为0.008wt%，含S量为0.008 wt%，出钢过程中向钢包内加硅铝钡钙、锰铁合金、硅铁合金和石灰、萤石，出钢前用挡渣塞挡前渣出钢，出钢结束前采用挡渣锥挡渣，渣层厚度为15mm，转炉出钢过程中全程吹氩，氩站一次性加入铝线，在氩站吹氩流量500NL/min，钢液面裸眼直径控制在500mm，离氩站温度为1650℃；步骤3）中，加入精炼渣料的碱度为6.0；第一次加热12min，第二次加热10min，第二次加热过程中要求根据造渣情况补加脱氧剂；粘渣次数8次；步骤4中，VD真空度为60Pa，保压时间为20min，破真空后不吹氩气；步骤5中，铸坯下线后堆冷24h；步骤6中，预热段温度1000℃，加热段温度1280℃，加热速度13min/cm，保温段温度1260℃；步骤7中，开轧温度为1150℃，一阶段终轧温度为1000℃，待温厚度控制在成品厚度的3.5倍，二阶段开轧温度控制在940℃，二阶段单道次压下率为18%，累计压下率为70%，终轧终轧温度为780℃；

步骤8中，冷却速度控制在30℃/S，返红温度为600℃；钢板下线后堆垛缓冷温度为450℃，堆冷时间30小时。

 

发明人分别对16mm、40mm、60mm厚度的低温压力容器用15MnNiDR低合金钢板试验生产各20余批次，通过合理的化学成分设计及生产工艺控制，成功地研制出低温压力容器用15MnNiDR钢板。其屈服强度控制在335～390MPa，抗拉强度控制在500～600 MPa，；伸长率控制在22%-24%；-45℃V型冲击功控制在100～200J。  所研制的钢板外检，正品率100%；按JB/T 47030进行探伤，合一级率为80%，合三级率为100%，达到了预期效果。机械性能具体见下表。

                    15MnNiDR钢板机械力学性能

Claims (2)

1.一种低温压力容器用15MnNiDR低合金钢板，其特征在于：它是由下列质量百分比的化学成分冶炼轧制而成：C：0.06～0.14 wt%、Si：0.17～0.30 wt%、Mn：1.15～1.45 wt%、P：≤0.015 wt%、S：≤0.005 wt%、Ni：0.25～0.50 wt%、V或/和Nb或/和Ti：≤0.12 wt%、Als：0.015～0.050 wt%、其余为Fe。

2.一种生产权利要求1所述低温压力容器用15MnNiDR低合金钢板的工艺方法，包括以下步骤：优质铁水熔炼、KR铁水预处理、转炉冶炼、LF炉精炼、真空脱气处理、连铸、加热、轧制、ACC层流冷却和正火；其特征在于： 

所述KR铁水预处理步骤中，到站铁水必须扒前渣与扒后渣，保证液面渣层厚度≤20mm，铁水经KR搅拌脱硫，脱硫周期≤21min、脱硫温降≤20℃，达到铁水中按质量百分比含S≤0.005 wt%；

所述转炉冶炼步骤中，采用100/120吨顶底复吹转炉，入炉铁水中按质量百分比含S≤0.005 wt%、含P≤0.080 wt%，铁水温度≥1270℃，铁水装入量误差控制在±1t，过程枪位按前期1.0-1.3m、中期1.2-1.6m、后期1.0-1.1m控制，造渣碱度R控制在2.5-4.0范围内，出钢铁水中按质量百分比含碳≥0.05wt%，含P≤0.015wt%，含S≤0.012 wt%，出钢过程中向钢包内加硅铝钡钙、锰铁合金、硅铁合金和石灰、萤石，出钢前用挡渣塞挡前渣出钢，出钢结束前采用挡渣锥挡渣，渣层厚度≤30mm，转炉出钢过程中全程吹氩，氩站一次性加入铝线，在氩站强吹氩3min，流量200-500NL/min，钢液面裸眼直径控制在300～500mm，离氩站温度不得低于1570℃；

   所述LF炉精炼步骤中，精炼过程中全程吹氩，加入精炼渣料的碱度为4.0～6.0，加热时间按两次控制，第一次加热7～12min，第二次加热6～10 min，粘渣次数≥6次，加硅钙线前必须关闭氩气，不采用真空脱气上钢温度为为1610±15℃；

所述真空脱气处理步骤中，VD真空度≤67Pa，保压时间≥15min，破真空后软吹2～5min或不吹，软吹过程中钢水不得裸露，在线包抽真空1.7min，关闭氩气，加覆盖剂，保证铺满钢液面，上钢温度1565±15℃；

所述连铸步骤中，中间包预热的过热度控制在15±10℃，拉矫机拉速控制在0.7m/min，比水量为0.80L/㎏，电磁搅拌中电磁系统控制参数为：900A、5Hz、30s-3-30s，连铸浇钢全程保护浇铸，大包开浇后1min内套保护管，浇钢过程中进行塞棒吹氩，铸坯下线后堆冷温度≥200℃，堆冷时间≥12h；

所述加热步骤中，加热温度及加热时间如下：预热段温度900～1000℃，加热段温度1220～1280℃，加热速度10～13min/cm，保温段温度1200～1260℃；

所述轧制步骤中，分2个阶段轧制，开轧温度控制在1050℃～1150℃，一阶段终轧温度在900℃～1000℃，待温厚度为成品厚度的2.2～3.5倍，二阶段开轧温度控制在940℃，二阶段保证单道次压下率≥15%，累计压下率≥60%，终轧温度：a：厚度≥16～40mm的终轧温度控制在800～880℃之间，b：厚度≥40～60mm的终轧温度控制在780～880℃之间；

所述ACC层流冷却步骤中，通过调整冷却集管组数，冷却速度控制在5～30℃/S，返红温度控制在600～700℃之间，层流冷却后送往矫直机矫直，钢板矫直下线后堆垛缓冷，堆垛缓冷温度≥350℃，堆冷时间≥24小时；

所述正火步骤中，中火温度控制在900±20℃，保温时间为2.0-2.5min/mm厚。