CN105861941B

CN105861941B - 一种临氢设备用超大厚度钢板及其制备方法

Info

Publication number: CN105861941B
Application number: CN201610241717.4A
Authority: CN
Inventors: 张建; 李经涛; 孟宪震; 刘海宽; 高助忠; 吴小林; 林涛; 赵琳; 张军; 徐伟; 周海燕; 恽鹏程
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2016-04-19
Filing date: 2016-04-19
Publication date: 2017-08-11
Anticipated expiration: 2036-04-19
Also published as: CN105861941A

Abstract

本发明涉及一种临氢设备用超大厚度钢板，厚度为200mm，钢板主体为贝氏体，钢板的化学成分按重量百分比计为C：0.11～0.15%，Mn：0.40～0.60%，Si：0.05～0.10%，P≤0.008%，S≤0.003%，Cr：2.10～2.50%，Mo：1.00～1.10%，Ni≤0.20%，Cu≤0.20%，V：0.30～0.35%，Nb：0.03～0.05%，Sb≤0.001%，Sn≤0.001%，As≤0.001%，O≤0.002%，H≤0.0002%，Al_总≤0.02%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

Description

一种临氢设备用超大厚度钢板及其制备方法

技术领域

本发明属于炼钢生产技术领域，具体涉及一种厚度为200mm的超大厚度临氢设备用钢板及生产工艺。

背景技术

临氢设备是指在含有氢气的高温、高压环境中使用的承压设备，包括加氢反应器、换热器、分离器等。随着我国临氢设备的规格越来越大，设备所承受的压强也越来越大，临氢设备用制作钢板开始向高强度、超大厚度方向发展。

目前，钢厂使用的200mm及以上超大厚度临氢设备用钢板均采用锻造工艺生产，锻造过程中钢锭需要反复多次加热，成材率较低，成本极高，且锻造后钢板表面质量较差需要进一步精加工，因此锻造工艺生产超大厚度钢板存在成本高、周期长等问题。目前，急需一种采用低成本、短周期工艺生产的该类钢板以满足用户需求。

发明内容

本发明的目的是解决现有锻造工艺生产临氢设备用200mm厚度钢板成材率低、成本高、周期长的技术难题，提供一种新的临氢设备用超大厚度钢板及生产工艺。本发明钢板具有超大厚度、适中的强度，优良的低温冲击韧性，良好的高温性能，优异的抗层状撕裂性能及焊接性能，满足临氢设备的要求，可应用于加氢反应器、换热器、分离器等关键设备的制造。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种临氢设备用超大厚度钢板，钢板的厚度最大为200mm，该钢板的化学成分按重量百分比计为C≤0.15%，Mn：0.40～0.60%，Si≤0.10%，P≤0.010%，S≤0.005%，Cr：1.50～2.50%，Mo：0.90～1.10%，Ni≤0.20%，Cu≤0.20%，V≤0.35%，Nb≤0.05%，Sb≤0.003%，Sn≤0.010%，As≤0.010%，O≤0.003%，H≤0.0002%，Al_总≤0.04%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

优选地，钢板的厚度为200mm，钢板主体组织为贝氏体，钢板的化学成分按重量百分比计为C：0.11～0.15%，Mn：0.40～0.60%，Si：0.05～0.10%，P≤0.008%，S≤0.003%，Cr：2.10～2.50%，Mo：1.00～1.10%，Ni≤0.20%，Cu≤0.20%，V：0.30～0.35%，Nb：0.03～0.05%，Sb≤0.001%，Sn≤0.001%，As≤0.001%，O≤0.002%，H≤0.0002%，Al_总≤0.02%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

本发明临氢设备用超大厚度钢板化学成分的确定原理：

C主要与其它金属元素形成碳化物，能够起到析出强化的作用，提高钢板强度；Si在炼钢时还原剂和脱氧剂，有一定的固溶强化作用；Mn起固溶强化作用，同时降低相变温度；Ni能够提高钢板低温冲击韧性和降低韧脆转变温度；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Gr含量过高的情况下也会降低钢的韧性和塑性；Cr与Ni形成析出相有利于钢的高温蠕变性能；Mo提高淬透性和回火稳定性；V存在于碳化物中通过细化晶粒提高钢板强度，也可提高淬透性；Nb主要起到细化晶粒，抑制奥氏体晶粒长大，提高强度和低温冲击韧性的作用；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，在热加工过程中容易造成钢板表面的裂纹，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。

本发明的另一目的是提供制备上述临氢设备用超大厚度钢板的方法，包括如下步骤：

1）冶炼：采用电弧炉冶炼然后进行LF精炼炉精炼，钢液温度达到1680～1750℃时转入VD真空脱气炉进行脱气处理，VD炉真空处理的真空度≤67Pa，真空保持时间为20～25min；

2）浇铸：钢液采用45吨扁钢锭模进行浇铸，过热度为20～30℃，得到长方形断面的钢锭，钢锭上口厚度1020mm，下口厚度820mm；

3）加热：钢锭置于均热炉内加热，温度低于1000℃时控制加热速率不高于80℃/h，均热段温度为1240±20℃，均热段保温时间16～20h，通过均热段保温，将钢中的碳化物充分溶解到奥氏体中，在轧制和冷却过程碳化物弥散析出，起到钉扎晶界，细化晶粒的作用；

4）轧制：采用二次成材，第一次将钢锭轧制成400～450mm厚度的中间坯，第一次轧制的压下率45～60%；

第二次将中间坯再加热并按照二阶段奥氏体控轧工艺进行轧制，第一阶段为奥氏体再结晶区轧制，轧制温度1050～1100℃，道次压下量≥40mm，第二阶段是奥氏体非再结晶区轧制，轧制温度860±20℃，累计压下率≥40%，轧制后得到热轧态钢板；

5）缓冷：钢板轧制结束后转至冷床在静止空气中冷却，冷却至400～500℃下线，钢板下线后放在缓冷罩内堆缓冷，堆缓冷主要目的是扩氢和释放轧制应力，堆缓冷时间＞48h，钢板表面温度＜100℃时出缓冷罩；

6）正火+淬火+回火：采用车底炉进行正火+淬火+回火连续处理，正火温度920～950℃，保温时间2min/mm，空冷；正火后钢板再在车底炉上进行淬火，淬火温度920～950℃，保温时间2min/mm，水冷；淬火后钢板再在车底炉上进行回火，回火温度715～735℃，保温时间2min/mm，空冷，得到成品钢板。

冶炼工序中，电弧炉出钢时钢液温度为1660～1680℃，P≤0.006%。

冶炼工序中，在真空处理前向钢液中加入CaSi线对夹杂物进行变性处理，夹杂物变性后经过氩气搅拌充分上浮最终进入渣中，在浇铸前排出。

本发明化学成分设计得到组织成分为贝氏体的钢，通过合适的化学成分设计、炼钢工艺、控轧技术和正火+淬火+回火调质工艺，生产得到200mm厚度的钢板。本发明采用车底炉进行正火、淬火和回火连续处理的厚度可达到200mm的钢板，工艺新颖具有优异的强韧性匹配，钢板心部的强度和低温冲击韧性明显提高；由于采用二阶段控制轧制工艺，并控制奥氏体再结晶区轧制道次压下量再40mm以上确保轧制力能够渗透到坯料中心位置，充分细化组织；控制奥氏体非再结晶区累积压下率40%以上，保证铁素体晶粒充分细化，解决了超大厚度钢板心部晶粒粗大、综合性能低的问题。

现有申请公布号为CN105127687A的发明专利的锻件加工工艺，与本申请的轧制工艺相比，锻造成本高、周期长，产品合格率低。而申请公布号CN103882344A专利所涉及的生产工艺只能满足10～120mm厚度加钒铬钼钢板的性能，对于厚度＞120mm的钢板则不适用于，无法保证钢板的心部性能。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明制造的高韧性钢板厚度可达200mm；

（2）代替传统锻造工艺生产大厚度临氢设备用钢板相比，既节约成本，又缩短生产周期，而且显著提高了钢板的成材率；

（3）本申请的钢板心部性能优异，尤其是Z向性能得到了显著提高，超过了35%的行业标准要求，证明本发明的钢材具有非常高的致密性，满足了对超大厚度钢材心部性能的苛刻要求；

（4）钢板心部-30℃夏比冲击功≥200J；心部晶粒度达到7.0级及以上，晶粒细小，组织均匀；经过模拟焊后热处理后，钢板组织保持均匀，心部拉伸和心部冲击性能无明显波动，完全满足临氢设备用钢板要求。

提供了一种超大厚度，厚度可达200mm，室温和高温抗拉强度高，低温冲击韧性优异，抗层状撕裂性能良好，焊接性能好，完全能够满足临氢设备的要求，可应用于石油化工行业大型加氢反应器、换热器、合成塔、热高压分离器等关键设备的制造。

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

超大厚度临氢设备用钢板的厚度为200mm，其化学成分按重量百分比计为：C0.14%，Mn 0.55%，Si 0.08%，P 0.007%，S 0.001%，Cr 2.45%，Mo 1.00%，Ni 0.18%，Cu0.06%，V 0.32%，Nb 0.036%，Sb 0.001%，Sn 0.001%，As 0.001%，O 0.0015%，H 0.00012%，Al_总 0.016%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

本实施例200mm厚临氢设备用钢板的生产方法，具体步骤为：

（1）冶炼：采用电弧炉冶炼，然后进行LF精炼炉精炼，钢液温度达到1705℃时转入VD真空脱气炉进行脱气处理，VD炉真空处理的真空度≤67Pa，保持真空时间25min。

（2）浇铸：钢液采用45吨扁钢锭模进行浇铸，过热度25℃，得到上口厚度1020mm，下口厚度820mm的钢锭。

（3）加热：钢锭在均热炉内加热，温度低于1000℃时控制加热速率控制在不高于80℃/h，均热段温度为1240±20℃，均热段保温时间17h。通过均热段保温，将钢中的碳化物充分溶解到奥氏体中，在轧制和冷却过程碳化物弥散析出，起到钉扎晶界，细化晶粒的作用。

（4）轧制：采用二次成材，第一次将钢锭轧制成420mm厚度的中间坯，第一次轧制的压下率49～59%。

第二次将中间坯按照二阶段控轧工艺进行轧制，第一阶段为奥氏体再结晶区轧制，轧制温度1100℃，道次压下量≥40mm，第二阶段是奥氏体非再结晶区轧制，轧制温度865℃，累计压下率41%。

（5）缓冷：钢板轧制结束后转至冷床在静止空气中冷却，冷却至500℃下线，钢板下线后放在缓冷罩内堆缓冷，堆缓冷主要目的是扩氢和释放轧制应力，堆缓冷时间＞70h，钢板表面温度＜100℃时出缓冷罩。

（6）正火+淬火+回火：采用车底炉进行正火+淬火+回火处理，正火温度930±10℃，保温时间2min/mm，冷却方式空冷，正火后钢板再在车底炉进行淬火，淬火温度930±10℃，保温时间2min/mm，冷却方式水冷，淬火后钢板再在车底炉进行回火，回火温度725±5℃，保温时间2min/mm，冷却方式空冷，得到成品钢板。

本实施例钢板的力学性能：供货态钢板心部屈服强度520MPa，抗拉强度642MPa，伸长率22%；-30℃冲击AKV（横向）326J 302J 316J；450℃高温拉伸屈服强度425MPa；Z向：56%，53%，60%；晶粒度7.5级；钢板表面硬度221HB。

最大模拟焊后热处理条件为705℃×32h，最大模拟焊后热处理态钢板心部屈服强度508MPa，抗拉强度604MPa，无明显下降，伸长率29%；-30℃冲击AKV（横向）240J 232J215J；450℃高温拉伸屈服强度371MPa；Z向：64%，61%，66%；晶粒度7.5级；钢板表面硬度209HB。

最小模拟焊后热处理条件为705℃×8h，最小模拟焊后热处理态钢板心部屈服强度512MPa，抗拉强度633MPa，伸长率28%；-30℃冲击AKV（横向）272J 253J 230J；450℃高温拉伸屈服强度403MPa；Z向：60%，61%，59%；晶粒度7.5级；钢板表面硬度216HB。

实施例2

本实施例的超大厚度临氢设备用钢板的厚度为200mm，其化学成分按重量百分比计为：C 0.15%，Mn 0.53%，Si 0.09%，P 0.006%，S 0.001%，Cr 2.43%，Mo 1.05%，Ni 0.17%，Cu 0.06%，V 0.31%，Nb 0.037%，Sb 0.001%，Sn 0.001%，As 0.001%，O 0.0018%，H0.00012%，Al_总 0.014%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

本实施例的超大厚度临氢设备用钢板的生产方法，具体步骤为：

（1）冶炼：采用电弧炉冶炼，然后进行LF精炼炉精炼，钢液温度达到1710℃时转入VD真空脱气炉进行脱气处理，VD炉真空处理的真空度≤67Pa，保持真空时间23min。

（3）加热：钢锭在均热炉内加热，温度低于1000℃时控制加热速率小于80℃/h，均热段温度设定为1240±20℃，均热段保温时间20h，通过均热段保温，将钢中的碳化物充分溶解到奥氏体中，在轧制和冷却过程碳化物弥散析出，起到钉扎晶界，细化晶粒的作用。

（4）轧制：采用二次成材，第一次将钢锭轧制成450mm厚度的中间坯，第一次轧制的压下率45～56%。

第二次将中间坯按照二阶段奥氏体控轧工艺进行轧制，第一阶段为奥氏体再结晶区轧制，轧制温度1080℃，道次压下量≥40mm，第二阶段是奥氏体非再结晶区轧制，轧制温度870℃，累计压下率44%。

（5）缓冷：钢板轧制结束后转至冷床在静止空气中冷却，冷却至490℃下线，钢板下线后放在缓冷罩内堆缓冷，堆缓冷时间72h，钢板表面温度＜100℃时出缓冷罩。

（6）正火+淬火+回火：采用车底炉进行正火+淬火+回火连续热处理，正火温度940±10℃，保温时间2min/mm，冷却方式空冷；正火后钢板再在车底炉进行淬火，淬火温度940±10℃，保温时间2min/mm，冷却方式水冷；淬火后钢板再在车底炉进行回火，回火温度720±5℃，保温时间2min/mm，冷却方式空冷，得到成品钢板。

本实施例钢板的力学性能：供货态钢板心部屈服强度531MPa，抗拉强度656MPa，伸长率22%；-30℃冲击AKV（横向）311J 301J 309J；450℃高温拉伸屈服强度420MPa；Z向：52%，50%，50%；晶粒度7.0级；钢板表面硬度219HB。

最大模拟焊后热处理条件为705℃×32h，最大模拟焊后热处理态钢板心部屈服强度503MPa，抗拉强度610MPa，伸长率25%；-30℃冲击AKV（横向）206J 238J 216J；450℃高温拉伸屈服强度383MPa；Z向：60%，59%，62%；晶粒度7.0级；钢板表面硬度206HB。

最小模拟焊后热处理条件为705℃×8h，最小模拟焊后热处理态钢板心部屈服强度510MPa，抗拉强度635MPa，伸长率25%；-30℃冲击AKV（横向）265J 248J 251J；450℃高温拉伸屈服强度399MPa；Z向：63%，67%，65%；晶粒度7.0级；钢板表面硬度212HB。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种临氢设备用超大厚度钢板，其特征在于：钢板的厚度最大为200mm，该钢板的化学成分按重量百分比计为C≤0.15%，Mn：0.40～0.60%，Si≤0.10%，P≤0.010%，S≤0.005%，Cr：1.50～2.50%，Mo：0.90～1.10%，Ni≤0.20%，Cu≤0.20%，V≤0.35%，Nb≤0.05%，Sb≤0.003%，Sn≤0.010%，As≤0.010%，O≤0.003%，H≤ 0.0002%，Al_总≤0.04%，余量为Fe及不可避免的杂质元素；

钢板的制造包括如下步骤

3）加热：钢锭置于均热炉内加热，温度低于1000℃时控制加热速率不高于80℃/h，均热段温度为1240±20℃，均热段保温时间16～20h；

2.根据权利要求1所述的临氢设备用超大厚度钢板，其特征在于：钢板的厚度为200mm，钢板主体为贝氏体，钢板的化学成分按重量百分比计为C：0.11～0.15%，Mn：0.40～0.60%，Si：0.05～0.10%，P≤0.008%，S≤0.003%，Cr：2.10～2.50%，Mo：1.00～1.10%，Ni≤0.20%，Cu≤0.20%，V：0.30～0.35%，Nb：0.03～0.05%，Sb≤0.001%，Sn≤0.001%，As≤0.001%，O≤0.002%，H≤0.0002%，Al_总≤0.02%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。

3.根据权利要求1所述的临氢设备用超大厚度钢板，其特征在于：冶炼工序中，电弧炉出钢时钢液温度为1660～1680℃，P≤0.006%。

4.根据权利要求1所述的临氢设备用超大厚度钢板，其特征在于：冶炼工序中，在真空处理前向钢液中加入CaSi线对夹杂物进行变性处理，夹杂物变性后经过氩气搅拌充分上浮最终进入渣中，在浇铸前排出。