CN105177440A - 超低温压力容器用钢板及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超低温压力容器用钢板及其生产方法，其由以下质量百分比的成分熔炼而成：C？0.06%～0.09%，Si？0.16%～0.30%，Mn？0.60%～0.70%，P≤0.008%，S≤0.005%，Ni？3.50%～3.70%，Mo？0.07%～0.12%，Cr？0.15%～0.20%，Alt？0.020%～0.040%，余量为Fe和微量不可避免的杂质。本钢板合金设计以Ni-Cr-Mo复合为基础，采用Ni作为主要的提高钢板-100℃低温冲击韧性的元素外，添加微量Cr、Mo以细化晶粒；具有低温冲击韧性好、NDT及模焊性能优良的特点，且生产成本较低。本方法通过低碳当量成分的设计及控轧控冷＋调质（热处理）的生产工艺，具有良好的焊接性能和低温冲击性能，其生产制造工序简单、可实现批量生产。

Description

超低温压力容器用钢板及其生产方法

技术领域

本发明涉及一种压力容器用钢板及其生产方法，尤其是一种超低温压力容器用钢板及其生产方法。

背景技术

随着低温设备的大型化，所需钢板厚度也越来越厚，如中石化某个LNG项目低温钢设计厚度已达到52mm，且要求钢板NDT（无塑性转变温度）≤-100℃，试样经长时间模焊（模拟焊后热处理温度为600℃±20℃；保温时间：12h～14h；试样装出炉温度≤400℃，400℃以上时升温速度55℃/h～100℃/h、降温速度55℃/h～135℃/h）后板厚1/4处及1/2处-100℃横向冲击功≥100J，厚度方向拉伸ZZ≥35%，晶粒度≥6级。

现有技术中，中国专利公开号CN200810046958公开了“一种高韧性-110℃低温钢及其制造方法”，其交货状态为正火+回火，钢板最大厚度为34mm，合金设计为Nb-V-Ti-Mo-Cu；其虽然具有-110℃的低温韧性，但是其不能满足34mm以上厚度要求NDT及模焊性能。现有34mm以上厚度的超低温压力容器用钢板均存在生产成本较高的不足之处。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种低生产成本、具有良好强韧性匹配的高落锤性能、高模焊性能的超低温压力容器用钢板；本发明还提供了一种超低温压力容器用钢板的生产方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：其由以下质量百分比的成分熔炼而成：C0.06%～0.09%，Si0.16%～0.30%，Mn0.60%～0.70%，P≤0.008%，S≤0.005%，Ni3.50%～3.70%，Mo0.07%～0.12%，Cr0.15%～0.20%，Alt0.020%～0.040%，余量为Fe和微量不可避免的杂质。

本发明所述钢板的最大厚度为52mm。

本发明的钢板的化学成分设计采用低碳当量、Ni-Cr-Mo系铁素体钢。本发明中C含量在0.06%～0.09%：采用超低碳设计，一方面有利于提高钢的韧性，另一方面可显著地改善钢的焊接性能。Si含量在0.16%～0.30%之间：Si主要以固溶强化形式提高钢的强度，但不可含量过高，以免降低钢的韧性。Mn含量选择在0.60～0.70%：Mn主要起固溶强化和降低相变温度提高钢板强度的作用，Mn能显著提高钢的淬透性，随Mn含量的增加，钢板的塑性和低温冲击韧性略有下降，强度显著提高，因此为保韧性Mn含量也不易过高。P含量≤0.008%，S含量≤0.005%：在一般情况下，磷和硫都是钢中有害元素，增加钢的脆性；磷使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏；硫降低钢的延展性和韧性，在轧制时造成裂纹；因此应尽量减少磷和硫在钢中的含量。Ni含量控制在3.50%～3.70%之间：在铁-碳相图上，Ni使共析点向左下方移动，降低钢的临界点AC3点；Ni是非碳化物形成元素，它与碳作用不形成碳化物，但Ni与Fe能形成α或γ固溶体，随着Ni含量的提高，奥氏体的稳定性增大，能显著提高铁素体的韧性，从而提高低温钢的低温韧性；Ni能减小低温时的位错在基体金属中运动的阻力，故韧性提高，Ni还可以提高层错能，抑制在低温时大量位错的形成，促进低温时位错的交滑移，使裂纹扩展消耗功增加，也使韧性增加；因此，Ni是保证-100℃横向冲击功的最主要元素。Al含量0.020%～0.040%：铝是钢中常用的脱氧剂，钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性；铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，过高则影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。Cr含量0.15%～0.20%：Cr可增加钢的淬透性，提高钢的强度，但含量多时降低钢的韧性。Mo含量0.07%～0.12%：Mo是中强碳化物形成元素，增加固溶体原子间结合力，降低铁的自扩散激活能，从而增加过冷奥氏体的稳定性，抑制大量的先共析铁素体析出，得到合适的少量铁素体。

本发明方法包括冶炼、连铸、加热、轧制、水冷及热堆垛、热处理工序；所述冶炼工序由上述质量百分比的成分熔炼；

所述加热工序：铸坯最高加热温度1180℃～1200℃，均热温度1160℃～1180℃，总加热时间≥12min/cm；

所述水冷及热堆垛工序：轧制后的钢板在快速冷却装置进行在线冷却，返红温度为≤750℃；钢板下线后堆垛温度≥250℃，堆垛缓冷时间≥24小时；

所述热处理工序：淬火温度为860℃±10℃，总加热时间为2min/mm且≥30min，水冷加速冷却，水量≥4000m³/h，淬火机辊速2m/min～20m/min，钢板返红温度≤200℃；回火温度为645±10℃，总加热时间为4min/mm且≥180min，空冷。

本发明所述连铸工序：钢水在1560℃～1580℃进行浇铸，浇铸所得铸坯避风堆垛缓冷，缓冷时间≥24小时。

本发明所述轧制工序：采用II型控轧工艺；第一阶段开轧温度为950℃～1100℃，道次压下率为8%～25%，累计压下率≥50％；第二阶段开轧温度≤850℃，累计压下率≥50%。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明合金设计以Ni-Cr-Mo复合为基础，采用Ni作为主要的提高钢板-100℃低温冲击韧性的元素外，添加微量Cr、Mo以细化晶粒；具有低温冲击韧性好、NDT及模焊性能优良的特点，且生产成本较低。

本发明方法通过低碳当量成分的设计及控轧控冷＋调质（热处理）的生产工艺，生产出符合低温压力容器要求的8～52mm厚连铸型钢板，将其应用于低温设备如甲醇洗涤塔、甲醇捕雾器、H₂S浓缩塔等的制作，具有良好的焊接性能和低温冲击性能，其生产制造工序简单、可实现批量生产。

本发明方法采用连铸工艺生产，成本较低，市场竞争力强；轧制时控制两阶段的开轧温度，解决了轧机轧制压力不足而造成的晶粒粗大不均问题，具有优良的综合性能；低温韧性有相当大的富裕量，可广泛用于低温设备的制造，应用前景广阔；所得钢板的组织均匀、细小、非金属夹杂极微。

本发明方法所得钢板最大厚度达52mm，钢板落锤性能（NDT，无塑性转变温度）优良，NDT≤-100℃；钢板试样模拟焊后热处理以后，具有优良的低温冲击韧性，板厚1/4处及1/2处的-100℃横向冲击功均大于180J；钢板Z向性能优良，能满足最高级别Z35的要求且有较大富裕量；钢板晶粒细小，板厚1/4处晶粒度在8.5级以上，板厚1/2处晶粒度在8.0级以上。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

本超低温压力容器用钢板采用下述方法步骤生产而成：

（1）冶炼工序：原料先经电炉或转炉冶炼，送入LF钢包炉精炼，并喂Al线600米～800米，精炼过程保证精炼渣白，以保证脱氧效果；大包温度≥1600℃时吊包至VD炉真空处理，真空前加入SiCa块100kg～150kg，真空度≤66Pa，真空保持时间≥15分钟后破坏真空，防止出现钢水仅靠Al线脱氧、钢中非金属夹杂物含量较高的现象；保真空破坏后钢水温度在1560℃～1580℃。所得钢水成分的质量百分含量为：C0.06%～0.09%，Si0.16%～0.30%，Mn0.60%～0.70%，P≤0.008%，S≤0.005%，Ni3.50%～3.70%，Mo0.07%～0.12%，Cr0.15%～0.20%，Alt0.020%～0.040%，余量为Fe和微量不可避免的杂质。

（2）连铸工序：上述温度在1560℃～1580℃的钢水进行浇铸，过程采用电磁搅拌及轻压下技术，得到铸坯；铸坯避风堆垛缓冷，缓冷时间≥24小时。

（3）加热工序：为了保证钢板的表面质量，铸坯实现温清、温装、慢速低温加热，钢坯最高加热温度1180℃～1200℃，均热温度1160℃～1180℃，总加热时间≥12min/cm。

（4）轧制工序：采用II型控轧工艺。第一阶段为奥氏体再结晶阶段，开轧温度为950℃～1100℃，此阶段道次压下率为8%～25%，累计压下率≥50%；使奥氏体发生完全再结晶，以细化奥氏体晶粒。第二阶段为奥氏体非再结晶阶段，开轧温度≤850℃；在这一阶段内，奥氏体晶粒被拉长，在伸长而未再结晶的奥氏体内形成高密度形变孪晶和形变带，因而增加了铁素体的形核位置，细化了铁素体晶粒，此阶段压下率应尽量大，累计压下率≥50%，轧制后得到半成品钢板。

（5）水冷及热堆垛工序：经轧制后的钢板在快速冷却装置进行在线冷却（水冷），返红温度为≤750℃；钢板下线后堆垛缓冷，堆垛温度≥250℃，堆垛缓冷时间≥24小时。

（6）热处理（调质）工序：对钢板进行调质处理，淬火温度为860℃±10℃，总加热时间为2min/mm且≥30min（即最少30min，超过30分钟则按2min/mm计算），水冷加速冷却，水量≥4000m³/h，淬火机辊速2m/min～20m/min，钢板返红温度≤200℃；回火温度为645±10℃，总加热时间为4min/mm且≥180min（即最少180min，超过180分钟则按4min/mm计算），空冷，即可得到所述的超低温压力容器用钢板。

实施例1：本超低温压力容器用钢板的成分配比及具体生产工艺如下所述。

本超低温压力容器用钢板的厚度为8mm，其是由以下质量百分比的成分熔炼而成：C0.07%，Si0.19%，Mn0.60%，P0.006%，S0.001%，Ni3.50%，Mo0.07%，Cr0.17%，Alt0.040%，余量为Fe和微量不可避免的杂质。

本钢板的具体生产步骤为：（1）冶炼工序：将钢水先在转炉中冶炼，然后送入LF精炼炉精炼，喂Al线600米；精炼完毕后，大包温度≥1600℃时吊包VD炉真空处理，真空前加入SiCa块120kg，真空度65Pa，保持17分钟。

（2）连铸工序：冶炼后的1572℃的钢水进行浇铸，采用连铸工艺，过热度为24℃，拉坯速率为0.95m/min，得到铸坯；铸坯堆垛缓冷32小时。

（3）加热工序：铸坯放入连续炉内加热，加热温度最高1200℃，均热温度1170℃，总加热时间为12.5min/cm。

（4）轧制工序：第一阶段开轧温度为980℃，道次压下率为8%～12%，此阶段累计压下率为55％；第二阶段开轧温度为850℃，累计压下率为60%。

（5）水冷及热堆垛工序：轧后钢板快速冷却返红温度为670℃；钢板下线后堆垛温度300℃，堆垛缓冷时间26小时；

（6）热处理工序：对钢板进行调质处理，淬火温度为860℃，总加热时间为30min，水冷加速冷却，水量4500m³/h，淬火机辊速10m/min，钢板返红温度25℃；回火温度为645℃，总加热时间为180min，空冷。

本钢板的力学性能：屈服强度500MPa，抗拉强度570MPa，延伸率28%，钢板NDT：-105℃；试样经模焊后-100℃横向冲击功板厚1/4处：300J、300J、300J；板厚1/2处：245J、247J、300J；厚度方向断面收缩率：63%、58%、60%；晶粒度8.5级。

实施例2：本超低温压力容器用钢板的成分配比及具体生产工艺如下所述。

本低温压力容器用钢板的厚度为52mm，其是由以下质量百分比的成分熔炼而成：C0.08%，Si0.18%，Mn0.65%，P0.006%，S0.001%，Ni3.62%，Mo0.09%，Cr0.18%，Alt0.038%，余量为Fe和微量不可避免的杂质。

本钢板的具体生产步骤为：（1）冶炼工序：将钢水先在转炉中冶炼，然后送入LF精炼炉精炼，喂Al线650米；精炼完毕后，大包温度≥1600℃时吊包VD炉真空处理，真空前加入SiCa块100kg，真空度64Pa，保持20分钟。

（2）连铸工序：冶炼后1560℃的钢水进行浇铸，采用连铸工艺，过热度为25℃，拉坯速率为1.00m/min，得到铸坯；铸坯避风堆垛缓冷26小时。

（3）加热：铸坯放入连续炉内加热，加热温度最高1190℃，均热温度1175℃，总加热时间为13min/cm。

（4）轧制工序：第一阶段开轧温度为990℃，此阶段道次压下率为12～16%，累计压下率为55%；第二阶段开轧温度为845℃，累计压下率为60%。

（5）水冷及热堆垛工序：轧后钢板快速冷却返红温度为700℃；钢板下线后堆垛温度320℃，堆垛缓冷时间25小时。

（6）热处理工序：对钢板进行调质处理，淬火温度为860℃，总加热时间为104min，水冷加速冷却，水量4100m³/h，淬火机辊速5m/min，钢板返红温度26℃；回火温度为645℃，总加热时间为208min，空冷。

本钢板的力学性能：屈服强度487MPa，抗拉强度560MPa，延伸率28%；钢板NDT：-105℃；试样模焊后-100℃横向冲击功板厚1/4处：300J、299J、300J；板厚1/2处：264J、284J、290J；厚度方向断面收缩率：62%、69%、61%；晶粒度9.0级。

实施例3：本超低温压力容器用钢板的成分配比及具体生产工艺如下所述。

本低温压力容器用钢板的厚度为34mm，其是由以下质量百分比的成分熔炼而成：C0.06%，Si0.24%，Mn0.70%，P0.005%，S0.003%，Ni3.70%，Mo0.10%，Cr0.15%，Alt0.026%，余量为Fe和微量不可避免的杂质。

本钢板的具体生产步骤为：（1）冶炼工序：将钢水先在转炉中冶炼，然后送入LF精炼炉精炼，喂Al线800米；精炼完毕后，大包温度≥1600℃时吊包VD炉真空处理，真空前加入SiCa块150kg，真空度66Pa，保持18分钟。

（2）连铸工序：冶炼后1580℃的钢水进行浇铸，采用连铸工艺；铸坯避风堆垛缓冷25小时。

（3）加热工序：铸坯放入连续炉内加热，加热温度最高1190℃，均热温度1180℃，总加热时间18min/cm。

（4）轧制工序：第一阶段开轧温度为950℃，此阶段道次压下率为20～25%，累计压下率为68%；第二阶段开轧温度为830℃，累计压下率为50%。

（5）水冷及热堆垛工序：轧后钢板快速冷却返红温度为650℃；钢板下线后堆垛温度250℃，堆垛缓冷时间28小时。

（6）热处理工序：对钢板进行调质处理，淬火温度为870℃，总加热时间为68min，水冷加速冷却，水量4000m³/h，淬火机辊速6m/min，钢板返红温度200℃；回火温度为655℃，总加热时间为136min，空冷。

本钢板的力学性能：屈服强度487MPa，抗拉强度560MPa，延伸率28%；钢板NDT：-105℃；试样模焊后-100℃横向冲击功板厚1/4处：300J、299J、300J；板厚1/2处：264J、284J、290J；厚度方向断面收缩率：62%、69%、61%；晶粒度9.0级。

实施例4：本超低温压力容器用钢板的成分配比及具体生产工艺如下所述。

本低温压力容器用钢板的厚度为45mm，其是由以下质量百分比的成分熔炼而成：C0.09%，Si0.16%，Mn0.62%，P0.008%，S0.004%，Ni3.55%，Mo0.12%，Cr0.18%，Alt0.02%，余量为Fe和微量不可避免的杂质。

本钢板的具体生产步骤为：（1）冶炼工序：将钢水先在转炉中冶炼，然后送入LF精炼炉精炼，喂Al线700米；精炼完毕后，大包温度≥1600℃时吊包VD炉真空处理，真空前加入SiCa块130kg，真空度62Pa，保持15分钟。

（2）连铸工序：冶炼后1566℃的钢水进行浇铸，采用连铸工艺；铸坯避风堆垛缓冷24小时。

（3）加热工序：铸坯放入连续炉内加热，加热温度最高1180℃，均热温度1165℃，总加热时间12min/cm。

（4）轧制工序：第一阶段开轧温度为1100℃，此阶段道次压下率为14～18%，累计压下率为50%；第二阶段开轧温度为840℃，累计压下率为55%。

（5）水冷及热堆垛工序：轧后钢板快速冷却返红温度为750℃；钢板下线后堆垛温度280℃，堆垛缓冷时间24小时。

（6）热处理工序：对钢板进行调质处理，淬火温度为850℃，总加热时间为90min，水冷加速冷却，水量4200m³/h，淬火机辊速2m/min，钢板返红温度100℃；回火温度为635℃，总加热时间为180min，空冷。

本钢板的力学性能：屈服强度475MPa，抗拉强度550MPa，延伸率27%；钢板NDT：-105℃；试样模焊后-100℃横向冲击功板厚1/4处：295J、298J、300J；板厚1/2处：260J、254J、270J；厚度方向断面收缩率：59%、65%、62%；晶粒度8.5级。

实施例5：本超低温压力容器用钢板的成分配比及具体生产工艺如下所述。

本低温压力容器用钢板的厚度为28mm，其是由以下质量百分比的成分熔炼而成：C0.07%，Si0.30%，Mn0.68%，P0.007%，S0.005%，Ni3.60%，Mo0.11%，Cr0.20%，Alt0.031%，余量为Fe和微量不可避免的杂质。

本钢板的具体生产步骤为：（1）冶炼工序和（2）连铸工序：均同实施例1。

（3）加热工序：铸坯放入连续炉内加热，加热温度最高1190℃，均热温度1160℃，总加热时间15min/cm。

（4）轧制工序：第一阶段开轧温度为970℃，此阶段道次压下率为10～12%，累计压下率为60%；第二阶段开轧温度为840℃，累计压下率为62%。

（5）水冷及热堆垛工序：轧后钢板快速冷却返红温度为680℃；钢板下线后堆垛温度270℃，堆垛缓冷时间30小时。

（6）热处理工序：对钢板进行调质处理，淬火温度为865℃，总加热时间为56min，水冷加速冷却，水量4000m³/h，淬火机辊速20m/min，钢板返红温度50℃；回火温度为640℃，总加热时间为180min，空冷。

本钢板的力学性能：屈服强度500MPa，抗拉强度585MPa，延伸率29%；钢板NDT：-105℃；试样模焊后-100℃横向冲击功板厚1/4处：284J、290J、273J；板厚1/2处：254J、274J、256J；厚度方向断面收缩率：65%、58%、67%；晶粒度8.5级。

上述实施例中，所得钢板模拟焊后热处理温度为600℃±20℃；保温时间：12h～14h；试样装出炉温度≤400℃，400℃以上时升温速度55℃/h～100℃/h、降温速度55℃/h～135℃/h。

Claims (5)

1.一种超低温压力容器用钢板，其特征在于，其由以下质量百分比的成分熔炼而成：C0.06%～0.09%，Si0.16%～0.30%，Mn0.60%～0.70%，P≤0.008%，S≤0.005%，Ni3.50%～3.70%，Mo0.07%～0.12%，Cr0.15%～0.20%，Alt0.020%～0.040%，余量为Fe和微量不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的超低温压力容器用钢板，其特征在于：所述钢板的最大厚度为52mm。

3.一种超低温压力容器用钢板的生产方法，其特征在于：其包括冶炼、连铸、加热、轧制、水冷及热堆垛、热处理工序；所述冶炼工序由以下质量百分比的成分熔炼：C0.06%～0.09%，Si0.16%～0.30%，Mn0.60%～0.70%，P≤0.008%，S≤0.005%，Ni3.50%～3.70%，Mo0.07%～0.12%，Cr0.15%～0.20%，Alt0.020%～0.040%，余量为Fe和微量不可避免的杂质；

所述加热工序：铸坯最高加热温度1180℃～1200℃，均热温度1160℃～1180℃，总加热时间≥12min/cm；

所述水冷及热堆垛工序：轧制后的钢板在快速冷却装置进行在线冷却，返红温度为≤750℃；钢板下线后堆垛温度≥250℃，堆垛缓冷时间≥24小时；

所述热处理工序：淬火温度为860℃±10℃，总加热时间为2min/mm且≥30min，水冷加速冷却，水量≥4000m³/h，淬火机辊速2m/min～20m/min，钢板返红温度≤200℃；回火温度为645±10℃，总加热时间为4min/mm且≥180min，空冷。

4.根据权利要求3所述的超低温压力容器用钢板的生产方法，其特征在于，所述连铸工序：钢水在1560℃～1580℃进行浇铸，浇铸所得铸坯避风堆垛缓冷，缓冷时间≥24小时。

5.根据权利要求3或4所述的超低温压力容器用钢板的生产方法，其特征在于，所述轧制工序：采用II型控轧工艺；第一阶段开轧温度为950℃～1100℃，道次压下率为8%～25%，累计压下率≥50％；第二阶段开轧温度≤850℃，累计压下率≥50%。