CN104862616A

CN104862616A - 一种大厚度高韧性容器钢板及其制造方法

Info

Publication number: CN104862616A
Application number: CN201510205619.0A
Authority: CN
Inventors: 李经涛; 张建; 李国忠; 孟宪震; 刘海宽; 潘贵明; 赵琳; 张军
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2015-04-28
Filing date: 2015-04-28
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2035-04-28
Also published as: CN104862616B

Abstract

本发明公开了大厚度高韧性容器钢板，其化学成分按质量百分比计为C：0.05～0.17%，Si：≤0.10%，Mn：0.40～0.60%，P：≤0.006%，S：≤0.003%，Ni：≤0.20%，Cr：1.50～2.50%，Cu：≤0.20%，Mo：0.90～1.10%，Sb：≤0.003%，Sn：≤0.010%，As：≤0.012%，H：≤0.0002%，余量为Fe及不可避免的杂质元素；所述钢板的厚度为120～150mm，J系数≤50。心部性能优异，尤其是Z向性能提高显著，超过了标准对钢板Z向性能35%的最高要求，表明该钢材的致密性非常高，满足了对大厚度钢材心部性能的苛刻要求。

Description

一种大厚度高韧性容器钢板及其制造方法

技术领域

本发明属于钢板制造领域，具体涉及一种厚度为120～150mm的特厚容器钢板及其制造方法。

背景技术

随着环保要求的提高，燃油行业对汽柴油的洁净度和燃烧效率的要求也更为苛刻，石化行业围绕汽柴油油品的升级换代，重点开发大型石化用加氢反应器等装备。由于加氢反应器不仅要在高温高压和含氢条件下服役，而且要保证在寒冷地带的使用安全，因此要求钢材除了要具有良好的常温、高温性能外，还必须具有较高的低温冲击性能和抗回火脆化能力。加氢设备在加工阶段需要经过焊接和焊后热处理，因此要求材料还需具备良好的焊接性能以及优良的焊后热处理综合性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种厚度为120～150mm的容器钢板，能够应用于石化行业加氢反应器的制备，具有较高的低温冲击韧性、Z向性能，尤其具有较好的抗回火脆化能力以及满足模拟焊后热处理的低温冲击韧性不明显减弱的要求。

本发明所要解决的另一技术问题是针对上述现有技术现状提供一种制造上述厚容器钢板的制造方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为，一种大厚度高韧性容器钢板，该钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.05～0.17%，Si：≤0.10%，Mn：0.40～0.60%，P：≤0.006%，S：≤0.003%，Ni：≤0.20%，Cr：1.50～2.50%，Cu：≤0.20%，Mo：0.90～1.10%，Sb：≤0.003%，Sn：≤0.010%，As：≤0.012%，H：≤ 0.0002%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素；所述钢板的厚度为120～150mm，J系数≤50，J系数=（Si+Mn）*（P+Sn）*10⁴，式中元素为相应元素的质量百分比。

进一步讲，本发明的大厚度高韧性容器钢板，其心部-30℃横向夏比冲击功≥200J，Z向性能≥70%。

本发明大厚度高韧性容器钢板的化学成分是这样确定的:

钢板成分中，C能够显著提高钢板的强度和硬度，但是对塑性和韧性有不利影响，同时C能够增加淬透性；Si主要作为炼钢时的还原剂和脱氧剂使用，有一定的固溶强化作用，但如超过0.80%会导致钢的低温韧性降低，所以Si控制在0.10%以下；Mn通过固溶强化提高钢的强度，对韧性也有利；Ni能够提高钢的韧性和塑性，同时也增加强度，本发明的Ni控制在0.20%以下；Cr能大幅提高的淬透性，提高钢的强度和硬度，提高回火稳定性，但同时降低钢的韧性和塑性；Cu与Ni形成析出相Ni3Cu对钢的高温蠕变性能有利；Mo存在于固溶体和碳化物中，可提高淬透性和强度，提高回火稳定性；P、S是有害元素，P增加钢的脆性，降低钢的焊接性能，降低塑性和冷加工性能，S降低钢的延展性和韧性，在热加工过程中造成裂纹，故尽量减少P、S含量； Sb、Sn、As是有害元素，容易在晶界偏析，降低钢的抗回火脆化性能，应尽量减少；H增加钢的氢脆倾向，应尽量降低其含量。

本发明解决另一技术问题的技术方案是提供一种上述大厚度高韧性容器钢板的制造方法，具体如下：

冶炼原料依次经KR铁水预处理，转炉冶炼：转炉出钢P≤0.008%，转炉出炉温度为1610～1650℃，扒渣处理；LF 精炼：白渣保持时间不小于25min，总精炼时间不小于45min，钢水S≤0.003%时扒渣；RH 真空脱气精炼：真空度≤0.5mbar，真空保持时间在25min以上时破空；连铸，制造出满足化学成分要求、厚度为450mm或以上的连铸坯，对连铸坯加罩缓冷72小时以上，加罩是为了进一步降低钢坯的H含量，缓冷结束后对连铸坯表面带温清理，确保连铸坯表面无裂纹等影响钢板表面质量的缺陷存在，清理温度保持在100℃以上；随后再加热连铸坯，采用分段加热方式：总加热时间为10～12min/cm，预热段温度为650～900℃，预热段保温3～3.5min/cm，第一加热段温度为1000～1180℃，第一加热段保温3～3.5min/cm，第二加热段温度为1200～1260℃，第二加热段保温2～3min/cm，均热段温度为1170～1260℃，均热段保温2～3min/cm，出钢温度1100～1600℃；出炉后对钢坯进行轧制：开轧温度为1020～1100℃，前3至5道次的单道次压下量40mm～65mm，轧制的总压缩比为3～5，终轧温度800～900℃；轧制完成后，钢板在表面温度400～500℃时下线，加罩堆缓冷，缓冷72小时以上，缓冷至室温，钢板轧后缓冷的目的是充分降低钢板中残留的H含量，减弱H的危害；最后对钢坯依次进行正火、淬火和回火热处理，其中，正火加热温度为910～940℃，正火保温时间为1.8～2.5min/cm，出炉后空冷；淬火加热温度为910～940℃，淬火保温时间为1.8～2.5min/cm，出炉后用水快速冷却至200℃以下；回火加热温度为710～750℃，回火保温时间为2.5～4.0min/cm，出炉后在空气中冷却，即获得钢板成品。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

本发明是为了获得高韧性的钢板，使之适于作为压力容器如加氢反应器用钢板，具有高韧性的同时还要满足具备较好抗回火脆化能力，钢板性能不仅要满足淬火+回火交货状态的性能要求，还要求钢板在经过最大模拟焊后和最小模拟焊后热处理以后的性能仍能达到交货状态的性能要求，尤其是低温冲击韧性不能出现明显波动。

为了实现上述目的，本发明采用优化的组分，尽量减小功能性金属元素添加物，简化钢材的组成元素，确保元素在连铸、轧制或热处理过程中不发生偏析而导致晶界强度下降。本发明将钢板的J系数控制在50以下，控制回火过程中元素的偏析，增强钢板的抗回火脆化能力。

在钢水冶炼阶段，通过RH生产，使氢含量下降至1ppm以下，确保钢板具有较高的抗氢致开裂能力，尽量降低氢脆对钢板低温韧性的影响。转炉冶炼生产的连铸坯内部质量如中心偏析、中心疏松等缺陷得到遏制，有助于钢板获得优异的心部性能。

钢板轧制前对钢板再加热，且采用阶段加热方式，对于大厚度的连铸钢坯来讲，表面和心部的温差较大，温度随厚度呈梯度式变化，这也导致钢材的晶相组织在厚度上存在差异，难以保证钢材表里性能的均一，尤其是心部性能难以控制。采用多级加热方式，根据钢材的成分设计设置相应各阶段的加热温度和保温时间，尽量消除钢材表面和心部之间的温差，使钢坯中的合金元素充分固溶，保证最终产品的成分均匀、组织均匀和性能均匀。

另外，上述阶段加热方式的再加热是随之进行的高温大压下轧制的前提，都是为了消除表里差异、获得组织均匀的轧钢，高温大压下充分保证轧制力能够渗透到坯料心部，确保厚钢板心部组织的细化，提高心部性能，为获得较好的抗回火脆化能力打下基础。

本发明钢板的热处理工艺采用正火+淬火+回火的独特工艺，通过正火先细化晶粒、均匀成分，为后续的淬火获得均匀细小组织打下基础，淬火后获得均匀无夹杂的均匀贝氏体组织，然后通过合理的回火处理使钢材在全厚度方向可以得到均匀的贝氏体回火组织和细小的碳化物，在先进行的正火和淬火工艺能够尽可能地减小回火过程中元素的偏析现象即异相组织形成，使最后的晶相均匀单一，从而确保钢板的心部低温冲击、室温拉伸及Z向性能优良，同时亦提高了钢材的抗回火催化能力。

本发明制造的高韧性钢板厚度可达120～150mm，心部性能优异，尤其是Z向性能提高显著，超过了标准对钢板Z向性能35%的最高要求，表明该钢材的致密性非常高，满足了对大厚度钢材心部性能的苛刻要求；此外，心部-30℃夏比冲击功≥200J，热处理后钢材的晶粒度达到了7.0级及以上，组织均匀，钢板具有较好的抗回火脆化能力，经过模拟焊后热处理后，组织仍保持均匀，心部拉伸和心部冲击性能无明显波动，仍满足钢材性能要求。此外，相应的制备方法具有成本低、生产周期短的优点，便于推广应用。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1

本实施例的大厚度高韧性容器钢板的厚度为150mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.13%，Si：0.04%，Mn：0.53%，P：0.004%，S：0.0009%，Ni：0.15%，Cr：2.40%，Cu：0.01%，Mo：0.98%，Sb：0.001%，Sn：0.001%，As：0.001%，H：0.00006%，O：0.0015%，N：0.0035%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素；J系数为28.5。

该钢板的制造工艺为，按上述钢板成品的化学组分配置冶炼原料，依次经KR铁水预处理，转炉冶炼：转炉出钢P≤0.008%，转炉出炉温度为1620℃；LF 精炼：白渣保持时间不小于25min，总精炼时间不小于45min，钢水S≤0.003%时扒渣；RH 真空脱气精炼：真空度≤0.5mbar，真空保持时间在25min以上时破空；连铸，采用150吨转炉进行连续浇铸，制造出满足化学成分要求、厚度为450mm或以上的连铸坯，对连铸坯加罩缓冷72小时以上，加罩是为了进一步降低钢坯的H含量，缓冷结束后对连铸坯表面带温清理，确保连铸坯表面无裂纹等影响钢板表面质量的缺陷存在，清理温度保持在100℃以上；随后在步进炉中再加热连铸坯，采用分段加热方式：加热速率为11min/cm，预热段温度为700℃，预热段保温3.5min/cm，第一加热段温度为1120℃，第一加热段保温3.5min/cm，第二加热段温度为1260℃，第二加热段保温2min/cm，均热段温度为1260℃，均热段保温2min/cm，出钢温度1200℃；出炉后对钢坯进行轧制：开轧温度为1100℃，前3至5道次的单道次压下量40mm～65mm，轧制的总压缩比为3.16，终轧温度900℃；轧制完成后，钢板在表面温度400～500℃时下线，加罩堆缓冷，缓冷72小时以上，缓冷至室温，钢板轧后缓冷的目的是充分降低钢板中残留的H含量，减弱H的危害；最后对钢坯依次进行正火、淬火和回火热处理，将钢板置于辊底式连续炉中正火，正火加热温度为930℃，正火保温时间为2min/cm，出炉后空冷；将钢板置于辊底式连续炉中淬火，淬火加热温度为930℃，淬火保温时间为2min/cm，出炉后用水快速冷却至200℃以下；回火加热温度为740℃，回火保温时间为3.5min/cm，出炉后在空气中冷却，即获得钢板成品。

经由上述制造工艺制得的150mm厚的高韧性容器钢板具有非常高的低温冲击功且数值波动较小，具有较好的抗回火脆化能力，钢板整板力学性能均匀，综合性能优异，其机械性能详见表1。

实施例2

本实施例的大厚度高韧性容器钢板的厚度为150mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.08%，Si：0.04%，Mn：0.53%，P：0.004%，S：0.0009%，Ni：0.10%，Cr：1.60%，Cu：0.01%，Mo：1.05%，Sb：0.001%，Sn：0.001%，As：0.001%，H：0.00006%，O：0.0015%，N：0.0035%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素；J系数为28.5。

该钢板的制造工艺为，按上述钢板成品的化学组分配置冶炼原料，依次经KR铁水预处理，转炉冶炼：转炉出钢P≤0.008%，转炉出炉温度为1650℃；LF 精炼：白渣保持时间不小于25min，总精炼时间不小于45min，钢水S≤0.003%时扒渣；RH 真空脱气精炼：真空度≤0.5mbar，真空保持时间在25min以上时破空；连铸，采用150吨转炉进行连续浇铸，制造出满足化学成分要求、厚度为450mm或以上的连铸坯，对连铸坯加罩缓冷72小时以上，加罩是为了进一步降低钢坯的H含量，缓冷结束后对连铸坯表面带温清理，确保连铸坯表面无裂纹等影响钢板表面质量的缺陷存在，清理温度保持在100℃以上；随后在步进炉中再加热连铸坯，采用分段加热方式：加热速率为11min/cm，预热段温度为700℃，预热段保温3.5min/cm，第一加热段温度为1120℃，第一加热段保温3min/cm，第二加热段温度为1260℃，第二加热段保温3min/cm，均热段温度为1260℃，均热段保温2min/cm，出钢温度1200℃；出炉后对钢坯进行轧制：开轧温度为1080℃，前3至5道次的单道次压下量40mm～65mm，轧制的总压缩比为3.16，终轧温度800℃；轧制完成后，钢板在表面温度400～500℃时下线，加罩堆缓冷，缓冷72小时以上，缓冷至室温，钢板轧后缓冷的目的是充分降低钢板中残留的H含量，减弱H的危害；最后对钢坯依次进行正火、淬火和回火热处理，将钢板置于辊底式连续炉中正火，正火加热温度为940℃，正火保温时间为2min/cm，出炉后空冷；将钢板置于辊底式连续炉中淬火，淬火加热温度为940℃，淬火保温时间为2min/cm，出炉后用水快速冷却至200℃以下；回火加热温度为710℃，回火保温时间为3.5min/cm，出炉后在空气中冷却，即获得钢板成品。

实施例3

本实施例的大厚度高韧性容器钢板的厚度为150mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.17%，Si：0.04%，Mn：0.53%，P：0.004%，S：0.0008%，Ni：0.10%，Cr：1.9%，Cu：0.02%，Mo：1.10%，Sb：0.001%，Sn：0.001%，As：0.001%，H：0.00006%，O：0.0015%，N：0.002%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素；J系数为28.5。

该钢板的制造工艺为，按上述钢板成品的化学组分配置冶炼原料，依次经KR铁水预处理，转炉冶炼：转炉出钢P≤0.008%，转炉出炉温度为1650℃；LF 精炼：白渣保持时间不小于25min，总精炼时间不小于45min，钢水S≤0.003%时扒渣；RH 真空脱气精炼：真空度≤0.5mbar，真空保持时间在25min以上时破空；连铸，采用150吨转炉进行连续浇铸，制造出满足化学成分要求、厚度为450mm或以上的连铸坯，对连铸坯加罩缓冷72小时以上，加罩是为了进一步降低钢坯的H含量，缓冷结束后对连铸坯表面带温清理，确保连铸坯表面无裂纹等影响钢板表面质量的缺陷存在，清理温度保持在100℃以上；随后在步进炉中再加热连铸坯，采用分段加热方式：加热速率为11min/cm，预热段温度为700℃，预热段保温3min/cm，第一加热段温度为1120℃，第一加热段保温3.5min/cm，第二加热段温度为1260℃，第二加热段保温2min/cm，均热段温度为1260℃，均热段保温2min/cm，出钢温度1200℃；出炉后对钢坯进行轧制：开轧温度为1020℃，前3至5道次的单道次压下量40mm～65mm，轧制的总压缩比为3.16，终轧温度800℃；轧制完成后，钢板在表面温度400～500℃时下线，加罩堆缓冷，缓冷72小时以上，缓冷至室温，钢板轧后缓冷的目的是充分降低钢板中残留的H含量，减弱H的危害；最后对钢坯依次进行正火、淬火和回火热处理，将钢板置于辊底式连续炉中正火，正火加热温度为920℃，正火保温时间为2min/cm，出炉后空冷；将钢板置于辊底式连续炉中淬火，淬火加热温度为920℃，淬火保温时间为2min/cm，出炉后用水快速冷却至200℃以下；回火加热温度为740℃，回火保温时间为3.5min/cm，出炉后在空气中冷却，即获得钢板成品。

为了模拟钢板焊接后消应力处理过程，样坯从钢板上取下来后首先再小炉子中按照700℃保温8小时，即最小模拟焊后热处理，然后再进行力学性能检验。

经由上述制造工艺制得的150mm厚的高韧性容器钢板，综合性能优异，其机械性能详见表1。

表1 各实施例所生产的钢板的机械性能

大厚度高韧性容器钢板力学性能中-30℃低温冲击韧性是最难以满足的性能要求，纵向冲击相对容易满足，但是钢板心部（即1/2板厚处）横向冲击性能却难以达到。本发明淬火+回火状态钢板的横向冲击韧性在290J以上。作为压力容器用钢板，通常要求钢板性能不仅能能满足淬火+回火交货状态的性能，还要求试样经过最大模拟焊后和最小模拟焊后热处理以后的性能也能达到交货状态的性能要求，而模拟焊后热处理会不同程度地降低低温冲击韧性。本发明的钢板在试样经最大模拟焊后和最小模拟焊后热处理后，低温冲击韧性平均值依然在250J以上而且没有出现大的波动。

本发明生产的大厚度高韧性容器钢板还具有优良的Z向性能。该性能除了反应钢板的抗层状撕裂能力外也反应了他的它的致密性。本发明生产的大厚度高韧性容器钢板的Z向性能超过了常规标准对钢板Z向性能35%的最高要求。表明本发明中连铸坯生产的大厚度高韧性容器钢板不仅具有高的抗抗层状撕裂能力而且具有高的致密度，从而保证了钢板对心部性能的苛刻要求。

Claims

1.一种大厚度高韧性容器钢板，其特征在于：该钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.05～0.17%，Si：≤0.10%，Mn：0.40～0.60%，P：≤0.006%，S：≤0.003%，Ni：≤0.20%，Cr：1.50～2.50%，Cu：≤0.20%，Mo：0.90～1.10%，Sb：≤0.003%，Sn：≤0.010%，As：≤0.012%，H：≤ 0.0002%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素；所述钢板的厚度为120～150mm，J系数≤50，J系数=（Si+Mn）*（P+Sn）*10⁴，式中元素为相应元素的质量百分比。

2.一种制造如权利要求1所述的大厚度高韧性容器钢板的方法，其特征在于：工艺步骤如下：冶炼原料依次经KR铁水预处理，转炉冶炼：转炉出钢P≤0.008%，转炉出炉温度为1610～1650℃；LF 精炼：白渣保持时间不小于25min，总精炼时间不小于45min，钢水S≤0.003%时扒渣；RH 真空脱气精炼：真空度≤0.5mbar，真空保持时间在25min以上时破空；连铸，制造出满足化学成分要求、厚度为450mm或以上的连铸坯，对连铸坯加罩缓冷72小时以上，缓冷结束后对连铸坯表面带温清理，清理温度保持在100℃以上；随后再加热连铸坯，采用分段加热方式：加热速率为10～12min/cm，预热段温度为650～900℃，预热段保温3～3.5min/cm，第一加热段温度为1000～1180℃，第一加热段保温3～3.5min/cm，第二加热段温度为1200～1260℃，第二加热段保温2～3min/cm，均热段温度为1170～1260℃，均热段保温2～3min/cm，出钢温度1100～1600℃；出炉后对钢坯进行轧制：开轧温度为1020～1100℃，前3至5道次的单道次压下量40mm～65mm，轧制的总压缩比为3～5，终轧温度800～900℃；轧制完成后，钢板在表面温度400～500℃时下线，加罩堆缓冷，缓冷72小时以上，缓冷至室温；最后对钢坯依次进行正火、淬火和回火热处理，其中，正火加热温度为910～940℃，正火保温时间为1.8～2.5min/cm，出炉后空冷；淬火加热温度为910～940℃，淬火保温时间为1.8～2.5min/cm，出炉后用水快速冷却至200℃以下；回火加热温度为710～750℃，回火保温时间为2.5～4.0min/cm，出炉后在空气中冷却，即获得钢板成品。