CN104561818A - 一种150mm以上锅炉汽包用特厚钢板及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种150mm以上锅炉汽包用特厚钢板及其生产方法，该锅炉汽包用特厚钢板包含如下质量百分比的化学成分：C：0.11～0.13、Si：0.15～0.35、Mn：1.30～1.40、P≤0.012、S≤0.003、Nb：0.015～0.020、Cr：0.20～0.30、Mo：0.25～0.35、Ni:0.80～0.90，其它为Fe和残留元素。其工艺流程为：优质铁水、KR铁水预处理、100/120吨顶底复吹转炉、LF炉精炼、真空脱气处理、钢锭堆冷24—60小时、钢锭加热开坯加热-轧制-堆冷、中间坯加热-轧制-堆冷、淬火+回火、精整、外检、探伤、入库；所研制的钢板经外检，正品率100%，最终钢板探伤达到JB/T 5000.15-1998《重型机械通用技术条件锻钢件无损探伤》的 级探伤要求，实现了水电站座环用高强度调质特厚钢的以轧代锻达到了预期效果。

Description

一种150mm以上锅炉汽包用特厚钢板及其生产方法

技术领域

本发明属于宽厚板生产领域，具体涉及到一种150mm以上锅炉汽包用特厚钢板BHW35(13MnNiMo5-4)及其生产方法。

背景技术

高压汽包板BHW35(13MnNiMo5-4)是低碳低合金高强度细晶粒钢，具有良好的高温强度、塑性与韧性、焊接性能，适用于冷、热成形和焊接构件，特别适用于制造金属温度不超过400℃的压力容器和锅炉汽包，目前是世界上普遍用于制造锅炉汽包低合金钢板材料之一。

发明内容

针对上述问题，本发明人经过反复理论计算、并不断试验摸索，获得了一种150mm以上锅炉汽包用特厚钢板BHW35(13MnNiMo5～4)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150mm以上锅炉汽包用特厚钢板及其生产方法。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：该锅炉汽包用特厚钢板BHW35(13MnNiMo5-4)包含如下质量百分比的化学成分(单位，wt%)：C：0.11～0.13、Si：0.15～0.35、Mn：1.30～1.40、P≤0.012、S≤0.003 、Nb：0.015～0.020、Cr：0.20～0.30、Mo：0.25～0.35、Ni:0.80～0.90，其它为Fe和残留元素；

上述方法中，所生产的钢板厚度为150mm以上厚度规格。

为得到本发明所述产品，本发明采用转炉冶炼、模铸浇注，3800m宽厚板轧机轧制的方法生产锅炉汽包用特厚钢板BHW35(13MnNiMo5-4)，其工艺流程为：优质铁水、KR铁水预处理、100/120吨顶底复吹转炉、LF炉精炼、真空脱气处理、钢锭堆冷24～60小时、钢锭加热开坯加热-轧制-堆冷、中间坯加热-轧制-堆冷、淬火+回火、精整、外检、探伤、入库；

转炉冶炼：转炉冶炼过程转炉废钢采用洁净的边角料，出钢碳控制在0.04～0.08%之间，出钢P≤0.010%。点吹次数不得大于2次，强化挡渣，避免出钢过程下渣。LF精炼：采用大渣量造渣工艺，精炼一加热结束炉渣变白或黄白，白渣保持时间≥30min，合金在精炼二加热过程中加入。要求精炼结束的终渣为流动性良好、粘度合适的泡沫白渣，精炼总时间要求控制在60～80min。VD真空脱气：VD保压时间按照≥22min执行，要求在67Pa的真空度下，保压过程钢水翻腾效果良好。模铸浇注：温度按照1550～1555℃进行控制，钢水到站后必须执行软吹氩工艺，吹氩时间控制在5～10min，吹氩结束后要求镇静5min后开浇，浇注结束后必须确保帽口保温效果；

钢锭加热：为保证钢锭充分奥氏体化，以及原始晶粒不会充分长大，在定制加热工艺方面，最高加热工艺定制1250℃。装炉后，需焖钢，焖钢时间4～5小时；焖钢结束后，升温至700～750℃，并保温2～3小时；700～750℃保温结束后，升温至900～950℃，并保温2～3小时；900～950℃保温结束后，升温至1240℃，保温时间13～15小时。升温速度要求：900℃以前升温速度≤70℃/h，900℃以上升温速度≤100℃/h。保证钢锭均匀烧透，为保证铁皮易除，要求在出钢前30分钟内适当降温10～20℃。中间坯加热：采用Ⅲ组钢加热工艺进行加热，二加热温度按照1220～1240℃，均热段按照1210～1230℃，加热温度严禁超过1250℃，加热时间按照11～13min/cm进行控制。

钢锭轧制：开轧温度控制在1020～1120℃之间，采用高温低速大压下工艺，道次压下量控制在60～70mm，确保轧制渗透，轧制厚度为400mm厚中间坯。中间坯轧制：采用二阶段控制轧制，一阶段轧制过程依然采用“高温低速大压下”轧制方法，道次压下量按60mm控制，道次压下率≥15%，为避免奥氏体部分在结晶区温度轧制，一阶段终轧温度小于900℃，晾钢厚度220mm。二阶段轧制道次压下量控制在20mm～30mm,精轧后三道次压下率≥10%，且逐道次第增，终轧温度控制在800℃～840℃。钢锭轧制的中间坯以及由中间坯轧制的钢板，均采用ACC装置多道次冷却，返红温度控制在660℃～700℃。中间坯及钢板轧制下线后进行堆垛缓冷，有利于钢中H含量的扩散，提高钢板的塑性和内部质量，堆冷温度≥450℃，堆冷时间不小于96h,使得钢种的残余应力得到充分释放。

正火工艺:正火工艺包括正火保温时间、正火保温温度和冷却方式。正火保温温度：930±10℃,正火保温时间：1.8～2.5min/mm,冷却方式：钢板出炉水冷150s后放凉钢平台进行空冷。回火工艺:回火保温温度：660±10℃,回火保温时间：3.0～4.5min/mm,冷却方式：钢板出炉后放凉钢平台空冷。

在本发明中，碳是钢中最重要的元素，对强度及韧～脆转变温度起着举足轻重的作用。由于当碳含量增加时，钢的脆性转变温度急剧上升，而且冲击韧性全面下降，故多把其含碳量控制在0.15％以下。P和S的含量即使很小，也使脆性转变温度升高，这是由于P聚集于晶界，降低晶界表面能，产生沿晶脆性断裂，同时降低脆断应力，影响交叉滑移所致。而S增加夹杂物颗粒，减小夹杂物颗粒间距，这都使材料韧性下降镍是提高钢的低温韧性、降低脆性转变温度最有效的元素。因此P、S均应控制在较低的范围内。镍使钢的等温转变曲线移向右下方，且随镍含量增加孕育期加长，相变速度减小，从而降低临界淬火速度，提高淬透性，考虑到特厚BHW35(13MnNiMo5-4)板厚效应及热处理时的正火+水冷工艺，Ni含量尽量在标准范围的上限区域。铌是常用的细化晶粒元素，铌在轧制过程中会产生显著的晶粒细化和中等的沉淀强化，因轧制钢板为150mm厚，为获得细小的晶粒，Nb含量的控制，尽量在标准范围的上限区域。加入铬，可以显著提高钢的高温性能，当利用Cr-Mo复合强化时，由于Cr对不同类型碳化物组成及分布的复杂影响，须使Cr、Mo含量维持在彼此相互作用的最佳值时，才能收到最佳的强化效果。Mo元素能强烈抑制珠光体转变，使钢极易获得贝氏体组织，因而提高了Cr-Mo钢的综合力学性能。此外Mo还能改善钢的回火稳定性，减弱和消除含Cr钢的回火脆化。

为确保钢板内部质量良好，以获得良好的组织性能，并通过超声波探伤检验，钢水在冶炼时必须严格控制钢水中的P、S以及非金属夹杂物含量。钢水在冶炼时采用洁净钢冶炼技术，高炉铁水经脱硫站进行KR脱硫处理，确保进转炉铁水S含量控制在0.005%以下。为防止钢水过氧化，需控制转炉冶炼终点C%含量，同时，挡渣出钢以提高钢水洁净度。LF精炼过程中，通过向钢水中加入适量铝线，去除钢水中的氧，降低氧含量，并采用大渣量，造高碱度、低氧化性还原性精炼渣，充分脱除钢水中的硫元素，以及充分吸附钢水中夹杂物，提高钢水纯净度。钢水经LF精炼后，需经VD炉真空脱气处理。通过洁净钢冶炼技术，确保钢水中S、P、N、H、O五大有害元素控制在180PPm以内。

此特厚BHW35(13MnNiMo5-4)钢板中Ni元素含量较高，在加热时，容易产生较厚的氧化铁皮，因此在加热时应注意炉内保持微正压烧钢且加热温度不宜过高，否则产生大量氧化铁皮给高压水除磷和后续轧制造成压力，而且难以保证轧制钢板的表面质量。另外，若加热温度太高，促使钢锭原始奥氏体晶粒长大，使轧后钢材晶粒难以细化，组织及钢板性能难以保证。因此，钢锭的实际加热温度应不高于1250℃。由于BHW35(13MnNiMo5-4)钢Ni元素含量较高，钢锭经过加热后会产生很厚的氧化铁皮覆盖在钢锭表面，因此必须保证高压水压力≥21MPa，同时在钢锭上撒盐，以去除钢锭表面氧化铁皮。另外，由于BHW35(13MnNiMo5-4)钢种合金含量较高，在轧制成型过程中，钢锭表面冷却速度快，钢锭表层变硬，氧化铁皮再生，对高温低速大压下工艺的执行不利，而且氧化铁皮压入也会造成钢板表面缺陷。因此，对于采用钢锭轧制特厚的BHW35(13MnNiMo5-4)，选用开坯轧制，即先将钢锭轧制到400mm厚，此过程采用高温低速大压下工艺，道次压下量控制在60～70mm，确保轧制渗透。轧制后的400mm钢坯缓冷96小时，充分扩H，以减轻H含量对坯料内部质量的影响。轧制后的400mm钢坯拆垛后切除帽口，然后扒皮处理，去除表面氧化铁皮，以便于二次加热及二次轧制时表面质量控制。中间坯轧制过程采用二阶段控制轧制，一阶段轧制过程依然采用“高温低速大压下”轧制方法，道次压下量按60mm控制，道次压下率≥15%，以增大应力应变向钢板内部的渗透率，变形程度越大，形核区密度与驱动力增大，充分破损中间坯中的枝晶，反复结晶后晶粒就越细小。为避免奥氏体部分在结晶区温度轧制，一阶段终轧温度小于900℃，晾钢厚度220mm。二阶段轧制道次压下量控制在20mm～30mm,精轧后三道次压下率≥10%，且逐道次第增，终轧温度控制在800℃～840℃。钢板轧后进入ACC冷却装置，主要目的在于充分细化组织，阻止或延迟碳化物在冷却过程中过早析出，使其在铁素体中弥散析出，提高强度，改善钢材包括塑性、韧性等在内的综合力学性能。轧制后钢板及时下线缓冷扩H，缓冷时间应该主要看200～600℃之间的冷却时间。钢板越厚，钢板所需的缓冷时间应该越长。

为摸索特厚BHW35(13MnNiMo5-4)热处理工艺，对南阳汉冶特钢有限责任公司轧制的BHW35(13MnNiMo5-4)材质进行了相变点的测定和CCT曲线的测定，并以测定的结果为依据，在H×2800mm×7500mm尺寸的BHW35(13MnNiMo5～4)钢板上，取尺寸为H（厚）×130mm（钢板长度方向）×300mm（钢板宽度方向）的热处理毛坯实验样。毛坯试样分成数组，并在箱式电阻炉内采用不同的热处理工艺进行热处理，然后对毛坯试样进行性能检测，以初步确定此特厚BHW35(13MnNiMo5～4)钢板的热处理工艺。

附图说明

图1是本发明所述钢板的头部显微组织（100×）。

图2是本发明所述钢板的头部显微组织（200×）。

图3是本发明所述钢板的尾部显微组织（100×）。

图4是本发明所述钢板的尾部显微组织（200×）。

具体实施方式

本发明所述锅炉汽包用特厚钢板BHW35(13MnNiMo5-4)包含如下质量百分比的化学成分(单位，wt%)：C：0.11～0.13、Si：0.15～0.35、Mn：1.30～1.40、P≤0.012、S≤0.003 、Nb：0.015～0.020、Cr：0.20～0.30、Mo：0.25～0.35、Ni:0.80～0.90，其它为Fe和残留元素；

上述方法中，所生产的钢板厚度为150mm以上厚度规格。本发明采用转炉冶炼、模铸浇注，3800m宽厚板轧机轧制的方法生产锅炉汽包用特厚钢板BHW35(13MnNiMo5-4)，其工艺流程为：优质铁水、KR铁水预处理、100/120吨顶底复吹转炉、LF炉精炼、真空脱气处理、钢锭堆冷24—60小时、钢锭加热开坯加热-轧制-堆冷、中间坯加热-轧制-堆冷、淬火+回火、精整、外检、探伤、入库。

实施方式如下：

成分设计：该锅炉汽包用特厚钢板BHW35(13MnNiMo5-4)包含如下质量百分比的化学成分(单位，wt%)：C：0.11～0.13、Si：0.15～0.35、Mn：1.30～1.40、P≤0.012、S≤0.003 、Nb：0.015～0.020、Cr：0.20～0.30、Mo：0.25～0.35、Ni:0.80～0.90，其它为Fe和残留元素；

转炉冶炼：转炉冶炼过程转炉废钢采用洁净的边角料，出钢碳控制在0.04～0.08%之间，出钢P≤0.010%。点吹次数不得大于2次，强化挡渣，避免出钢过程下渣。LF精炼：采用大渣量造渣工艺，精炼一加热结束炉渣变白或黄白，白渣保持时间≥30min，合金在精炼二加热过程中加入。要求精炼结束的终渣为流动性良好、粘度合适的泡沫白渣，精炼总时间要求控制在60～80min。VD真空脱气：VD保压时间按照≥22min执行，要求在67Pa的真空度下，保压过程钢水翻腾效果良好。模铸浇注：温度按照1550～1555℃进行控制，钢水到站后必须执行软吹氩工艺，吹氩时间控制在5～10min，吹氩结束后要求镇静5min后开浇，浇注结束后必须确保帽口保温效果

钢锭加热：为保证钢锭充分奥氏体化，以及原始晶粒不会充分长大，在定制加热工艺方面，最高加热工艺定制1250℃。装炉后，需焖钢，焖钢时间4～5小时；焖钢结束后，升温至700～750℃，并保温2～3小时；700～750℃保温结束后，升温至900～950℃，并保温2～3小时；900～950℃保温结束后，升温至1240℃，保温时间13～15小时。升温速度要求：900℃以前升温速度≤70℃/h，900℃以上升温速度≤100℃/h。保证钢锭均匀烧透，为保证铁皮易除，要求在出钢前30分钟内适当降温10～20℃。中间坯加热：采用Ⅲ组钢加热工艺进行加热，二加热温度按照1220～1240℃，均热段按照1210～1230℃，加热温度严禁超过1250℃，加热时间按照11～13min/cm进行控制。

钢锭轧制：开轧温度控制在1020～1120℃之间，采用高温低速大压下工艺，道次压下量控制在60～70mm，确保轧制渗透，轧制厚度为400mm厚中间坯。中间坯轧制：采用二阶段控制轧制，一阶段轧制过程依然采用“高温低速大压下”轧制方法，道次压下量按60mm控制，道次压下率≥15%，为避免奥氏体部分在结晶区温度轧制，一阶段终轧温度小于900℃，晾钢厚度220mm。二阶段轧制道次压下量控制在20mm～30mm,精轧后三道次压下率≥10%，且逐道次第增，终轧温度控制在800℃～840℃。钢锭轧制的中间坯以及由中间坯轧制的钢板，均采用ACC装置多道次冷却，返红温度控制在660℃～700℃。中间坯及钢板轧制下线后进行堆垛缓冷，有利于钢中H含量的扩散，提高钢板的塑性和内部质量，堆冷温度≥450℃，堆冷时间不小于96h,使得钢种的残余应力得到充分释放。

正火工艺:正火工艺包括正火保温时间、正火保温温度和冷却方式。正火保温温度：930±10℃,正火保温时间：1.8～2.5min/mm,冷却方式：钢板出炉水冷150s后放凉钢平台进行空冷。回火工艺:回火保温温度：660±10℃,回火保温时间：3.0～4.5min/mm,冷却方式：钢板出炉后放凉钢平台空冷。

钢板质量检测分析:

对此特厚BHW35(13MnNiMo5-4)钢板的头部、尾部宽度1/4处分别取样进行光谱成分分析,钢锭轧制的钢板头部、尾部化学成分较均匀;按照现行国家标准 GB10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定：所示标准评级图显微检测法》的要求，对钢板头部、尾部宽度1/4处取样，按GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》A法检验，进行夹杂物评级，结果为2.0级以下,钢中显微夹杂含量较低，体现了较高的冶炼、浇注和轧制水平;在热处理后钢板头部和尾部的宽度和厚度方向的 1/4处，各取 3件工作段直径为 10mm 的圆柱形横向试样，按GB/T228-2002《金属材料 室温拉伸试验方法》，在万能试验机（型号：CMT5305，新三思）上进行拉伸试验，钢板的室温横向拉伸性能均符合Dillinger material specification DH-E24-D的要求。钢板头部、尾部分别取三组试样进行检测，屈服强度性能差异在10MPa以内，抗拉强度性能差异基本在15MPa以内，说明钢板热处理充分，组织均匀;钢板的系列冲击性能:在钢板宽度和厚度方向的 1/4 处，各取横向冲击试样一组按GB/T 229-2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》，采用长度为55mm（试样长度中间有深度为 2mm 的V 型缺口），横截面为 10mm×10mm 的标准冲击试样，在摆锤冲击试验机（型号：ZBC2302N-3，新三思）进行冲击试验，所检测的系列温度冲击性能结果:0℃冲击系吸收功满足GB713-2008的要求，且冲击吸收功的富余量在200J以上，0℃的脆性断面率为0，-20℃的脆性断面率在30%以下。通过系列温度冲击功试验，检测BHW35(13MnNiMo5-4)钢板头部的韧脆转变温度为-41.4℃，尾部的韧脆转变温度为-42.9℃。整体来看，头部、尾部冲击吸收功性能差异小，说明钢板组织均匀;钢板的高温拉伸性能:在热处理后的钢板头部、尾部宽度和厚度方向的 1/4处取样，并加工成直径为10mm的圆柱形横向试样，按 GB/T4338-2006《金属材料 高温拉伸试验方法》，在GW～900高温拉伸试验机上进行试验，检测结果:钢板头部、尾部取样进行系列高温拉伸试验，短时高温屈服强度符合DH-E24-D的最低要求，且短时高温屈服强度富余量在100MPa以上。

在热处理后的钢板头部、尾部宽度和厚度方向的 1/4处取样，按 GB/T 13298-1991《金属显微组织检验方法》，在Imager A1m金相显微镜系统进行观查，钢板的显微组织结果如图1、图2、图3、图4所示。

金相检测结果显示此特厚BHW35(13MnNiMo5-4)采用930℃正火+快冷+660℃回火工艺热处理后，组织为铁素体+回火贝氏体。钢板晶粒度为7.0～7.5级，对于此特厚的钢板来说，晶粒度较小，说明钢板在轧制过程中，采用高温低速大压下工艺，对于钢锭中原始奥氏体晶粒的破碎细化起到了一定的作用。另外钢板经过正火+回火热处理工艺，组织进一步均匀化，获得良好的综合性能。

外检及探伤：所研制的钢板外检，正品率100%，最终钢板探伤达到JB/T 5000.15-1998《重型机械通用技术条件 锻钢件无损探伤》的 级探伤要求，实现了水电站座环用高强度调质特厚钢的以轧代锻达到了预期效果。

Claims (2)

1.一种150mm以上锅炉汽包用特厚钢板，该锅炉汽包用特厚钢板包含如下质量百分比的化学成分：C：0.11～0.13、Si：0.15～0.35、Mn：1.30～1.40、P≤0.012、S≤0.003 、Nb：0.015～0.020、Cr：0.20～0.30、Mo：0.25～0.35、Ni:0.80～0.90，其它为Fe和残留元素。

2.一种如权利要求1所述150mm以上锅炉汽包用特厚钢板的生产方法，其工艺流程为：优质铁水、KR铁水预处理、100/120吨顶底复吹转炉、LF炉精炼、真空脱气处理、钢锭堆冷24—60小时、钢锭加热开坯加热-轧制-堆冷、中间坯加热-轧制-堆冷、淬火+回火、精整、外检、探伤、入库；其特征在于：

转炉冶炼：转炉冶炼过程转炉废钢采用洁净的边角料，出钢碳控制在0.04～0.08%之间，出钢P≤0.010%；点吹次数不得大于2次，强化挡渣，避免出钢过程下渣；LF精炼：采用大渣量造渣工艺，精炼一加热结束炉渣变白或黄白，白渣保持时间≥30min，合金在精炼二加热过程中加入；要求精炼结束的终渣为流动性良好、粘度合适的泡沫白渣，精炼总时间要求控制在60～80min；VD真空脱气：VD保压时间按照≥22min执行，要求在67Pa的真空度下，保压过程钢水翻腾效果良好；模铸浇注：温度按照1550～1555℃进行控制，钢水到站后必须执行软吹氩工艺，吹氩时间控制在5～10min，吹氩结束后要求镇静5min后开浇，浇注结束后必须确保帽口保温效果；

钢锭加热：为保证钢锭充分奥氏体化，以及原始晶粒不会充分长大，在定制加热工艺方面，最高加热工艺定制1250℃；装炉后，需焖钢，焖钢时间4～5小时；焖钢结束后，升温至700～750℃，并保温2～3小时；700～750℃保温结束后，升温至900～950℃，并保温2～3小时；900～950℃保温结束后，升温至1240℃，保温时间13～15小时；升温速度要求：900℃以前升温速度≤70℃/h，900℃以上升温速度≤100℃/h；保证钢锭均匀烧透，为保证铁皮易除，要求在出钢前30分钟内适当降温10～20℃；中间坯加热：采用Ⅲ组钢加热工艺进行加热，二加热温度按照1220～1240℃，均热段按照1210～1230℃，加热温度严禁超过1250℃，加热时间按照11～13min/cm进行控制；

钢锭轧制：开轧温度控制在1020～1120℃之间，采用高温低速大压下工艺，道次压下量控制在60～70mm，确保轧制渗透，轧制厚度为400mm厚中间坯；中间坯轧制：采用二阶段控制轧制，一阶段轧制过程依然采用“高温低速大压下”轧制方法，道次压下量按60mm控制，道次压下率≥15%，为避免奥氏体部分在结晶区温度轧制，一阶段终轧温度小于900℃，晾钢厚度220mm；二阶段轧制道次压下量控制在20mm～30mm，精轧后三道次压下率≥10%，且逐道次第增，终轧温度控制在800℃～840℃；钢锭轧制的中间坯以及由中间坯轧制的钢板，均采用ACC装置多道次冷却，返红温度控制在660℃～700℃；中间坯及钢板轧制下线后进行堆垛缓冷，有利于钢中H含量的扩散，提高钢板的塑性和内部质量，堆冷温度≥450℃，堆冷时间不小于96h，使得钢种的残余应力得到充分释放；

正火工艺:正火工艺包括正火保温时间、正火保温温度和冷却方式；正火保温温度：930±10℃,正火保温时间：1.8～2.5min/mm,冷却方式：钢板出炉水冷150s后放凉钢平台进行空冷；回火工艺:回火保温温度：660±10℃,回火保温时间：3.0～4.5min/mm，冷却方式：钢板出炉后放凉钢平台空冷。