CN105112780B - 具有低碳当量系数的大厚度承压设备用钢板及生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有低碳当量系数的大厚度承压设备用钢板及经济型生产方法。所述钢板的化学成分及重量百分比含量为：C：0.15％‑0.18％、Si：0.25％‑0.35％、Mn：1.40％‑1.60％、S≤0.008％、P≤0.015％、Nb≤0.50％、Ti≤0.30％、Alt≥0.20％，其余为Fe和微量杂质。碳当量系数(CEV)≤0.43％。本发明基于低碳当量系数，采用了在C‑Si‑Mn成分体系的基础上仅添加Nb、Ti微合金元素的经济型成分设计，确保钢板获得良好的焊接性能。配合正火热处理及正火热处理后的加速冷却技术的实施，可以获得80‑100mm厚度低碳当量系数的大厚度承压设备用钢板。钢板的厚度方向为细小均匀的铁素体+珠光体显微组织，钢板具有较高的强度和断后伸长率，厚度方向的维氏硬度控制在10HV10以内，钢板t/4和t/2厚度0℃、‑20℃冲击性能高，适合大型的承压设备制造。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有低碳当量系数的大厚度承压设备用钢板及经济型生产方法。
背景技术
为确保安全性，大型压力容器，或压力容器关键部位构件主要采用大厚度承压设备用钢板，对钢板的焊接性能、厚度方向的组织均匀性、强韧性提出更为严格的技术要求。在实际工程应用中，设计规范对材料的力学性能要求往往严于相关标准要求。对于采用连铸坯生产的承压设备用钢板，随着钢板厚度的增加，压缩比会逐渐降低，钢板厚度方向的组织均匀性、致密度等均有所恶化，力学性能指标下降。
为保证承压容器的安全稳定运行，国家标准GB713-2008《锅炉和压力容器用钢板》中6.2.2条、GB713-2014中6.2.2条中对压缩比的要求为不小于3。美国机械工程师协会发布的ASME SA-20/SA-20M《压力容器用钢板通用要求》第5.3条规定，连铸板坯对钢板的厚度减薄比最小应为3.0:1。已公布的关于的低压缩比特厚容器板生产工艺(例如CN 103468872A)，采用250mm连铸坯轧制100mm的特厚压力容器用钢板，该钢板具有良好的强韧性、高温性能，为弥补压缩比的降低带来的不利影响，采取了控制钢中杂质元素含量，优化成形轧制过程中的工艺参数等技术手段。而实施例中的冲击试样和高温拉伸试样的轴线位置没有明确。已公布的关于厚规格压力容器用钢板的专利文献(例如CN 104120339 A)，采用250mm厚度的连铸坯生产Q345R钢板的最大厚度为100mm，但是100mm厚度钢板的压缩比为2.5。另外，实施例2中涉及的100mm厚度钢板的冲击试验为纵向冲击，而目前国家标准及大部分工程的设计文件均要求冲击试验为横向。冲击试样的轴线位置也没有做出明确的说明，与大厚度承压设备用钢的相关标准或技术文件精神不符。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术中的上述问题，本发明目的是提供一种厚度方向组织均匀、冲击韧性优良、低碳当量系数的大厚度承压设备用钢及经济型生产方法。
为了实现上述目的，本发明提供具有低碳当量系数的大厚度承压设备用钢板， 所述钢板的化学成分及重量百分比含量为：C：0.15％-0.18％、Si：0.25％-0.35％、Mn：1.40％-1.60％、S≤0.008％、P≤0.015％、Nb≤0.50％、Ti≤0.30％、Alt≥0.20％，其余为Fe和杂质；
其中，碳当量系数的取值范围为：CEV≤0.43％，且CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15，所述CEV表示碳当量系数。
可选的，Nb：0.035％-0.045％且Ti：0.015％-0.025％。
上述钢板中Alt的含量为0.020％-0.030％。
此外，本发明还提供了一种具有低碳当量系数的大厚度承压设备用钢板的经济型生产方法，所述方法包括：钢坯加热、成形轧制、ACC加速冷却、成形轧制后的钢板缓冷、正火热处理、正火热处理后加速冷却，其特征在于：
(a)钢坯条件：钢坯出炉温度控制在1160℃-1240℃，钢坯采用带温度装炉加热，装炉前钢坯的温度为150℃-300℃；
(b)轧制条件：钢坯精轧开轧温度为830-870℃，钢坯精轧开轧厚度为成品钢板厚度的1.7-2.2倍；
(c)ACC加速冷却：最终成形轧制后开始冷却温度为780-800℃，终止冷却温度为600-630℃，冷却速度为6-10℃/s；钢坯精轧开轧厚度为成品钢板厚度的1.8-2.2倍；
(d)钢板堆垛缓冷：钢板成形轧制后快速进行堆垛缓冷，开始缓冷温度不低于500℃，缓冷时间不少于48小时；
(e)正火热处理及加速冷却：正火温度为860-900℃，正火保温时间为20-30min，钢板正火后加速冷却后反红温度为580-620℃。
可选的，当成品钢板厚度为80-90mm时，钢坯精轧开轧温度为860-870℃，钢坯精轧开轧厚度为成品钢板厚度的2.0-2.2倍；成形轧制后，钢板的开始冷却温度为780-800℃，终止冷却温度为620-630℃，冷却速度为6-10℃/s；冷后的钢板开始缓冷温度不低于500℃，缓冷时间不少于48小时；正火加热温度为880-900℃，保温时间为25-30min，钢板正火热处理后加速冷却后反红温度为600-620℃。
可选的，当成品钢板厚度为＞90-100mm时，钢坯精轧开轧温度为830-860℃，钢坯精轧开轧厚度为成品钢板厚度的1.8-2.0倍；成形轧制后，钢板的开始冷却温度为780-800℃，终止冷却温度为600-620℃，冷却速度为6-10℃/s，冷后的钢板开始缓冷温度不低于500℃，缓冷时间不少于48小时；正火加热温度为860-880℃，保温时间为20-25min，钢板正火热处理后加速冷却后反红温度为580-600℃。
上述技术方案采用300mm厚度断面尺寸的连铸坯生产最大钢板厚度为100mm，压缩比为3.0。
上述技术方案通过钢板最终成形轧制后的ACC加速冷却和正火后钢板加速冷却的双重冷却模式，保证钢板厚度方向上获得细小均匀的铁素体和珠光体，厚度方向的维氏硬度控制在10HV10以内，钢板心部及1/4钢板厚度处-20℃冲击功在100J以上。
与现有技术相比，本发明的技术优势在于：涉及钢板的最大厚度为100mm，有效压缩比≥3.0，满足国家标准GB713-2008《锅炉和压力容器用钢板》中6.2.2条、GB713-2014中6.2.2条中对压缩比的要求为不小于3。美国机械工程师协会发布的ASME SA-20/SA-20M《压力容器用钢板通用要求》第5.3条规定，连铸板坯对钢板的厚度减薄比最小应为3.0:1。另外，本发明具有化学成分设计减量化、生产成本低、碳当量系数小、厚度方向组织均匀细小，-20℃冲击韧性优良，力学性能稳定等特点，十分适合用于制造大型承压设备。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
通过以下具体实施例来进一步说明
实施例1
根据本发明的方法所生产的钢板的化学成分及重量百分比含量为：C：0.18％、Si：0.30％、Mn：1.42％、S：0.003％、P：0.012％、Nb：0.040％、Ti：0.18％，Alt：0.030％，CEV其余为Fe和微量杂质。CEV：0.416％。
本实施例的具有低碳当量系数的大厚度承压设备用钢板的制造方法如下：
(1)冶炼：铁水经过KR预处理、120吨顶底复吹转炉冶炼、120吨LF钢包炉精炼、120吨RH真空脱气精炼及板坯连铸机等工艺过程制得断面尺寸为300mm×2200mm的连铸坯。
(2)钢坯加热：钢坯采用带温度装炉加热，装炉前钢坯的温度为150℃-300℃。钢坯出炉温度控制在1150℃-1230℃。
(3)轧制条件：采用4300mm双机架轧制成钢板，成品钢板厚度为80mm。钢坯精轧开轧温度为870℃，钢坯精轧开轧厚度为成品钢板厚度的2.2倍。
(4)冷却条件：钢坯成形轧制后，钢板的开冷温度为790℃，终冷温度为630℃，冷却速度为8℃/s。
(5)钢板堆垛缓冷：钢板成形轧制、冷却后快速进行堆垛缓冷，开始缓冷温度不低于500℃，缓冷时间不少于48小时。
(6)正火热处理：正火加热温度为890℃，正火保温时间为30min。
(7)正火热处理后加速冷却条件：正火热处理后加速冷却后的反红温度为620℃。
实施例2
根据本发明的方法所生产的钢板的化学成分及重量百分比含量为：C：0.17％、Si：0.30％、Mn：1.47％、S：0.002％、P：0.011％、Nb：0.038％、Ti：0.20％，Alt：0.029％,其余为Fe和微量杂质。CEV：0.415％。
本实施例的生产制备方法同实施例1，区别在于：
(1)钢板最终轧制厚度为90mm，钢坯精轧开轧温度为860℃，钢坯精轧开轧厚度为成品钢板厚度的2.0倍。
(2)冷却条件：钢坯成形轧制后，钢板的开冷温度为790℃，终冷温度为620℃，冷却速度为8℃/s。
(3)钢板堆垛缓冷：钢板成形轧制、冷却后快速进行堆垛缓冷，开始缓冷温度不低于500℃，缓冷时间不少于48小时。
(4)正火热处理：正火加热温度为880℃，正火保温时间为25min。
(5)正火热处理后加速冷却条件：正火热处理后加速冷却后的反红温度为600℃。
实施例3
根据本发明的方法所生产的钢板的化学成分及重量百分比含量为：C：0.15％、Si：0.26％、Mn：1.59％、S：0.003％、P：0.010％、Nb：0.038％、Ti：0.20％，Alt：0.029％,其余为Fe和微量杂质。CEV：0.415％。
本实施例的生产制备方法同实施例1，区别在于：
(1)钢板最终轧制厚度为100mm，钢坯精轧开轧温度为830℃，钢坯精轧开轧厚度为成品钢板厚度的1.8倍。
(2)冷却条件：钢坯成形轧制后，钢板的开冷温度为790℃，终冷温度为600℃，冷却速度为8℃/s。
(3)钢板堆垛缓冷：钢板成形轧制、冷却后快速进行堆垛缓冷，开始缓冷温度不低于500℃，缓冷时间不少于48小时。
(4)正火热处理：正火加热温度为860℃，正火保温时间为20min。
(5)正火热处理后加速冷却条件：正火热处理后加速冷却后的反红温度为580℃。
对以上实施例1至实施例3中制备的具有低碳当量系数的大厚度承压设备用钢板进行室温力学性能测试、厚度方向维氏硬度测试、冲击试样轴线位置为钢板厚度 t/4处和t/2的0℃、-20℃夏比V型缺口冲击韧性测试，试验结果如表1和表2所示。
表1根据本发明的室温力学性能
表2根据本发明的0℃、-20℃冲击性能
注：(1)横向冲击试样的分别轴线位于钢板厚度方向t/4和t/2处，t为钢板厚度。
表3根据本发明的100mm厚度方向的维氏硬度分布
| 位置 | HV10 | HV10 | HV10 | 平均值 |
| 近表面 | 162 | 155.5 | 163.1 | 160.2 |
| 10mm | 172.4 | 165 | 175 | 170.8 |
| 20mm | 162.4 | 174.1 | 169.4 | 168.6 |
| 30mm | 176 | 173.1 | 164.7 | 171.3 |
| 40mm | 165.2 | 161.4 | 165.9 | 164.2 |
| 50mm | 173.5 | 176 | 164.1 | 171.2 |
| 60mm | 160.3 | 172.8 | 167 | 166.7 |
| 70mm | 161.8 | 166 | 169.2 | 165.7 |
| 80mm | 160.2 | 163.2 | 156.5 | 159.9 |
| 90mm | 167.6 | 166.1 | 166.2 | 166.6 |
| 近表面 | 165.2 | 160.7 | 169.2 | 165.0 |
通过以上表1-表3可以看出，根据本发明实施例制造的钢板可以看出，本发明至少存在以下优点：
(1)在C-Si-Mn成分体系的基础上仅添加Nb、Ti微合金元素的经济型成分设计，可以确保钢板获得较低的碳当量系数以保证焊接性能。配合正火热处理及正火热处理后的加速冷却，可以有效确保批量生产的80-100mm厚度低碳当量系数的承 压设备用钢板厚度方向为细小均匀的铁素体+珠光体显微组织，钢板具有较高的强度和断后伸长率。
(2)80-100mm厚度的钢板t/4和t/2厚度0℃、-20℃、-40℃横向冲击性能高，适合大型的承压设备制造。
(2)100mm厚度的钢板厚度方向的维氏硬度控制在10HV10以内。
上述钢板的化学成分设计原理如下：
碳(C)：碳作是钢中提高强度最有效的元素之一，是材料获得强度的主要合金元素。为了保证钢均有低碳当量系数，提高钢板t/4和t/2处冲击韧性，钢中碳控制在0.15％-0.18％，由于碳含量的降低导致的强度损失通过添加Nb元素，适当提高钢中的Mn含量，正火热处理后的加速冷却等技术手段提高强度性能。
硅(Si)：Si在钢中可以起到固溶强化作用，但超过0.50％时，韧性和焊接性能下降。
锰(Mn)：Mn在钢中除了提高钢板的强度，改善韧性以外。但是Mn含量过高，将会提高碳当量系数，不利于良好焊接性能的获得。综合考虑大厚度承压设备用钢板的焊接性能及强韧性，Mn含量控制1.40％-1.60％。
磷(P)：P是晶界偏析元素，对钢板塑韧性不利，应当尽量降低钢中P含量。考虑生产成本，P含量控制在0.015％以内。
硫(S)：硫在钢中形成硫化物，对钢的韧性不利。因此，应当尽量降低钢中硫含量以减少硫化物数量和级别。
铌(Nb)：Nb可在控轧过程中通过抑制奥氏体再结晶，有效的细化显微组织，并通过析出强化基体。焊接过程中，Nb偏聚及析出可以阻碍加热时奥氏体晶粒粗化，细化热影响区组织，改善焊接接头性能。对于大厚度承压设备用钢，为提高钢板强韧性、焊接性能，控制生产生产成本，Nb含量控制在0.035％-0.045％。
钛(Ti)：Ti可以防止钢坯加热和轧制过程中的奥氏体晶粒的过分长大，改善低温冲击韧性。另外，可以阻止钢板在焊接成型过程中焊接热影响区晶粒粗化，改善焊接接头的冲击韧性。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种具有低碳当量系数的大厚度承压设备用钢板，其特征在于，所述钢板的化学成分及重量百分比含量为：C：0.15％-0.18％、Si：0.25％-0.35％、Mn：1.42％-1.60％、S≤0.008％、P≤0.015％、Nb：0.035％-0.045％、Ti：0.015％-0.025％、Alt：0.020％-0.030％，其余为Fe和杂质；
其中，碳当量系数的取值范围为：CEV≤0.43％，且CEV＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Cu+Ni)/15，所述CEV表示碳当量系数；
其中，钢板厚度80-100mm。
2.一种权利要求1所述具有低碳当量系数的大厚度承压设备用钢板的经济型生产方法，所述方法包括：钢坯加热、成形轧制、ACC加速冷却、成形轧制后的钢板缓冷、正火热处理、正火热处理后加速冷却，其特征在于：
(a)钢坯条件：钢坯出炉温度控制在1160℃-1240℃，钢坯采用带温度装炉加热，装炉前钢坯的温度为150℃-300℃；所述钢坯为连铸坯；
(b)轧制条件：钢坯精轧开轧温度为830-870℃，钢坯精轧开轧厚度为成品钢板厚度的1.7-2.2倍；
(c)ACC加速冷却：最终成形轧制后开始冷却温度为780-800℃，终止冷却温度为600-630℃，冷却速度为6-10℃/s；钢坯精轧开轧厚度为成品钢板厚度的1.8-2.2倍；
(d)钢板堆垛缓冷：钢板成形轧制后快速进行堆垛缓冷，开始缓冷温度不低于500℃，缓冷时间不少于48小时；
(e)正火热处理及加速冷却：正火温度为860-900℃，正火保温时间为20-30min，钢板正火后加速冷却后返红温度为580-620℃。
3.根据权利要求2所述的具有低碳当量系数的大厚度承压设备用钢板的经济型生产方法，其特征在于，当成品钢板厚度为80-90mm时，钢坯精轧开轧温度为860-870℃，钢坯精轧开轧厚度为成品钢板厚度的2.0-2.2倍；
成形轧制后，钢板的开始冷却温度为780-800℃，终止冷却温度为620-630℃，冷却速度为6-10℃/s；
冷后的钢板开始缓冷温度不低于500℃，缓冷时间不少于48小时；正火加热温度为880-900℃，保温时间为25-30min，钢板正火热处理后加速冷却后返红温度为600-620℃。
4.根据权利要求2所述的具有低碳当量系数的大厚度承压设备用钢板的经济型生产方法，其特征在于，
当成品钢板厚度为大于90小于等于100mm时，钢坯精轧开轧温度为830-860℃，钢坯精轧开轧厚度为成品钢板厚度的1.8-2.0倍；
成形轧制后，钢板的开始冷却温度为780-800℃，终止冷却温度为600-620℃，冷却速度为6-10℃/s，冷后的钢板开始缓冷温度不低于500℃，缓冷时间不少于48小时；
正火加热温度为860-880℃，保温时间为20-25min，钢板正火热处理后加速冷却后返红温度为580-600℃。
5.根据权利要求2所述的具有低碳当量系数的大厚度承压设备用钢板的经济型生产方法，其特征在于，采用300mm厚度断面尺寸的连铸坯生产最大钢板厚度为100mm，压缩比为3.0。
6.根据权利要求2所述的具有低碳当量系数的大厚度承压设备用钢板的经济型生产方法，其特征在于，通过钢板最终成形轧制后的ACC加速冷却和正火后钢板加速冷却的双重冷却模式，保证钢板厚度方向上获得细小均匀的铁素体和珠光体，厚度方向的维氏硬度控制在10HV10以内，钢板心部及1/4钢板厚度处-20℃冲击功在100J以上。
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