CN107287526B - 一种低成本高韧性低温容器用厚钢板及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种低成本高韧性低温容器用厚钢板及其生产方法，该钢板的成分按重量百分比计如下：C：0.07％‑0.10％；Si：0.15％‑0.35％；Mn：1.30％‑1.60％；P：≤0.010％；S：≤0.003％；Al：0.025％‑0.050％；V：0.005％‑0.010％；Nb：0.005％‑0.010％；Ni：1.50％‑2.30％；其余含量为Fe和不可避免的杂质。方法：连铸坯在进行保温后采取纵锻+横锻方式进行锻造，锻造钢坯采用两阶段控制轧制，钢板轧后正火热处理。采用本发明方法可以降低产品的生产成本，尤其对厚度规格100mm以上的产品，提高成材率。
Description
技术领域
本发明属于金属材料加工领域，尤其涉及一种低成本高韧性低温容器用厚钢板的生产方法。
背景技术
随着我国液氮、液氧、液氩、液氢、液氦、液态乙烯、液化天然气、液态CO2等低温液体的应用领域和使用区域的不断扩大，进一步促进了我国低温压力容器的发展，使低温容器成为一个新兴的行业。尤其是氨分离器、高压氮气储罐、二氧化碳低温储罐和乙烯低温储罐等低温压力容器在化工领域的应用，大大提高我国化工行业的生产、贮存、运输能力，同时也节约了生产成本，为国民经济健康全面发展提供了极大的便利条件。
正是由于低温技术与设备的不断进步，在有利地促进了低温压力容器发展的同时，也对低温压力容器用钢提出了更高的要求。在保证低温压力容器用钢具有良好低温冲击韧性和较低韧脆转变温度的同时，还要求在低温下具有足够高的强度、对介质的耐腐蚀性能及良好的焊接和冷、热加工工艺的性能。
近年来随着我国大型乙烯、合成氨等工程的快速发展，-100℃～-20℃低温用钢的需求日趋迫切，特别是厚度规格在80mm以上的低合金钢板更是被广泛用于大型石化装备的制造。而用于低温压力容器制造的厚规格低合金钢板为满足装备日益严酷的低温服役环境，一种方法是采用添加大量的Ni元素，例如美国和日本近50年来一直将2.3％Ni钢用于-70℃环境；另一种方法就是为保证压缩比，采用大型特厚钢锭生产，例如我国钢铁企业生产含0.5％Ni含量的100mm厚09MnNiDR钢板，一般均采用钢锭进行生产。通过以上两种方法，可以看出现有技术生产80mm以上低温容器用钢成本均较高，并且钢板内部质量和厚度方向性能余量不大，尤其是-70～-80℃低温下冲击试样晶状断面率大多在50％以上，难以满足大型石化设备服役环境日益低温化。
《一种120mm低温压力容器钢16MnDR厚板及其生产方法》(申请号：201110176655.0)，公开了一种120mm低温压力容器钢16MnDR厚板，所述厚板包含化学成分：C 0.10～0.17、Si 0.25～0.45、Mn：1.10～1.40、P≤0.015、S≤0.005、Als：0.015～0.055、Nb：0.015～0.045、Ti：0.010～0.020，其它为Fe和残留元素。通过KR铁水预处理、转炉冶炼、吹氩处理、LF精炼、VD精炼、模铸、加热、控轧控冷、堆冷、热处理工艺，在保证16MnDR成分的基础上，严格控制钢中P、S等影响钢板塑韧性的有害元素含量，同时严格控制轧钢的加热制度，轧制过程中严格控制终轧温度、返红温度及冷却速度，采用钢板堆垛缓冷等方法，从而保证了16MnDR钢种120mm厚度钢板的各项性能指标达到标准要求。不足之处在于，该对比文件首先采用模铸工艺生产，钢板成材率较低，大幅度提高钢板的制造成本，同时由于设计的化学成分没有添加Ni元素，造成钢板冲击功均在200J以下，难以保证钢板在-30℃低温下的晶状断面率在50％以下，另外，该对比文件涉及的产品一级探伤合格率仅为80％，也处于较低水平。
《低成本高韧性低温压力容器钢及其制造方法》(申请号：201210113792.4)公开了一种低成本高韧性低温压力容器钢及其制造方法，包括下述重量百分比含量的化学成分组成：C 0.05～0.10％，Si 0.20～0.30％，Mn 1.35～1.50％，P≤0.012％，S≤0.005％，Ni0.30～0.40％，Cr 0.05～0.10％，Nb 0.02～0.03％，V 0.005～0.015％，B 0.0003～0.0010％，其余为Fe及不可避免的杂质。该发明通过合理的成分设计，采用控轧控冷和正火(或正火加回火)工艺，制得的钢板厚度为12～80mm，组织为铁素体加珠光体，屈服强度≥340MPa，抗拉强度≥475MPa，-80℃冲击功＞200J。该对比文件主要采用连铸工艺进行生产，产品厚度规格在80mm以下，难以满足大型石化设备需求，并且80mm厚钢板强度也相对偏低，在490MPa以下，并且没有体现钢板厚度方向性能。
基于以上原因，在采取提高钢板成材率大幅度降低钢板制造成本的同时，通过优化化学成分和制定合理的生产工艺，生产一种既保证钢板内部质量和厚度方向性能，并且在-80℃冲击试样晶状断面率在30％以下的低成本高韧性低温容器用厚钢板，来满足大型石化设备的制造要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种低成本高韧性低温容器用厚钢板及其生产方法,通过优化钢的化学成分和采用先进的生产工艺能生产厚度规格85-120mm，能满足-80℃低温冲击、内部质量以及具有优良Z向性能要求的低温容器用厚钢板。
本发明的目的是这样实现的：
一种低成本高韧性低温容器用厚钢板，该钢板的成分按重量百分比计如下：0.07-0.10％的C；0.15-0.35％的Si；1.30-1.60％的Mn；≤0.010％的P；≤0.003％的S；0.025-0.050％的Al；0.005-0.010％的V；0.005-0.010％的Nb；1.50-2.30的Ni；其余含量为Fe和不可避免的杂质。
本发明成分设计理由如下：采用上述成分设计理由如下：
C：C为钢中的重要元素，在钢的组织没有变化的情况下，钢的强度和硬度随着碳含量的增加而增加，但碳含量过高，会明显地降低钢的韧性和塑性，同时导致钢的焊接性能显著下降。为了保证钢板在使用过程中良好的低温冲击韧性，和焊接性能，因此本发明要求钢中C含量宜控制在0.07-0.10％范围内。
Si：当钢中Si的含量小于0.5％时，为有益元素。Si溶于铁素体后有很强的固溶强化作用，能显著提高钢的强度和硬度，但Si提高钢的时效敏感性和韧脆转变温度，为使钢板具有良好的强韧性匹配，本发明要求钢中Si含量控制在为0.15-0.35％。
Mn：钢中Mn元素能通过固溶强化的方式强化铁素体，可以提高钢的淬透性，在非调质钢中Mn一定程度提高钢的冲击功，因此要求钢中Mn含量控制在1.30-1.60％范围内。
Al：钢中加入少量Al元素能有效细化奥氏体晶粒，从而细化了铁素体晶粒和组织，提高钢的冲击韧性，但是Al缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。因此本发明要求钢中Al含量为0.025-0.050％。
V、Nb：钢中V和C形成的VC质点，能有效地细化晶粒，提高钢的抗拉强度和屈服点，尤其是提高钢的高温强度；铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。因此钢中加入V、Nb的范围为0.005-0.010％。
Ni：镍通过降低钢种位错运动阻力，使应力松弛，进而改变基体组织的亚结构，从而提高钢的韧度，因此钢中加入Ni的范围为1.50-2.30％。
P：磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此要求钢中的P含量越低越好，本发明要求低于0.010％。
S：硫在通常情况下是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性。所以通常要求硫含量小于0.055％，优质钢要求小于0.040％。因此本发明要求钢中S含量应限制在0.003％以下。
一种低成本高韧性低温容器用厚钢板的生产方法，经铁水深脱硫、转炉冶炼、炉外精炼、真空处理和连铸后；连铸坯在保温后采取纵锻+横锻方式进行锻造，连铸坯加热温度1250℃以上，保温时间16h以上，锻造后钢坯最小断面280mm，最大程度地消除中心疏松，减轻中心偏析，形成锻造钢坯，然后进行表面清理；清理后的锻造钢坯采用两阶段控制轧制，开轧温度≥1050℃，二开轧温度≤900℃，终轧温度≤900℃，轧后自然冷却至室温。
钢板轧后采用正火热处理工艺，热处理工艺为：正火温度900±15℃保温时间2～4min/mm；得到细致、均匀的铁素体加珠光体体组织，并使钢板具有良好的低温韧性、内部质量以及优良的厚度方向性能。
应用本发明生产的钢板厚度为85-120mm，有益效果如下：
(1)本发明工艺生产的产品，通过化学成分优化和生产工艺参数设计，具有优良的低温韧性指标。钢板经锻造+轧制+正火处理后-80℃冲击吸收能量同样保持在较高的水平。
(2)本发明采用的生产工艺在保证产品综合性能要求的同时，可以降低产品的生产成本，尤其对厚度规格100mm以上的产品，与模铸生产的产品相比，主要通过提高成材率显著降低生产成本。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明。
本发明实施例根据技术方案的组分配比，经铁水深脱硫、转炉冶炼、炉外精炼、真空处理、连铸、锻造、轧制、热处理。本发明实施例钢的成分见表1。
表1本发明实施例钢的成分
实施例1：
本实施例的生产方法：包括铁水深脱硫、转炉冶炼、炉外精炼、真空处理、连铸(连铸坯断面250mm)、锻造、轧制成品钢板规格为85mm、热处理。本发明实施例1锻造工艺见表2，本发明实施例1轧制及热处理工艺见表3，本发明实施例1力学性能分别见表4。
表2本发明实施例1锻造工艺
表3本发明实施例1轧制及热处理工艺
表4本发明实施例1力学性能
85mm规格钢板经过正火，各项性能指标完全满足要求，同时钢板具有良好韧性和强度匹配，并且完全低温容器用厚钢板严格的无损检测和焊接性能要求。
实施例2
本实施例的生产方法，包括铁水深脱硫、转炉冶炼、炉外精炼、真空处理、连铸(连铸坯断面300mm)、锻造、轧制成品钢板规格为100mm、热处理。本发明实施例2锻造工艺见表5，本发明实施例2轧制及热处理工艺见表6，本发明实施例2力学性能分别见表7。
表5本发明实施例2锻造工艺
表6本发明实施例2轧制及热处理工艺
表7本发明实施例2力学性能
100mm规格钢板经过正火，各项性能指标完全满足要求，同时钢板具有良好韧性和强度匹配，并且完全低温容器用厚钢板严格的无损检测和焊接性能要求。
实施例3
本实施例的生产方法，包括铁水深脱硫、转炉冶炼、炉外精炼、真空处理、连铸(连铸坯断面300mm)、锻造、轧制成品钢板规格为120mm、热处理。本发明实施例3锻造工艺见表8，本发明实施例3轧制及热处理工艺见表9，本发明实施例3力学性能分别见表10。
表8本发明实施例3锻造工艺
表9本发明实施例3轧制及热处理工艺
表10本发明实施例3力学性能
120mm规格钢板经过正火，各项性能指标完全满足要求，同时钢板具有良好韧性和强度匹配，并且完全低温容器用厚钢板严格的无损检测和焊接性能要求。
Claims (1)
1. 一种低成本高韧性低温容器用厚钢板，其特征在于，该钢板的成分按重量百分比计如下：C：0.07%-0.10%；Si：0.15%-0.35%；Mn：1.30%-1.60%；P：≤0.010%；S：≤0.003%；Al：0.025%-0.050%；V：0.005%-0.010%；Nb：0.005%-0.010%；Ni：1.70%-2.30%；其余含量为Fe和不可避免的杂质；所述钢板显微组织为铁素体加珠光体组织；所述低成本高韧性低温容器用厚钢板的生产方法：经铁水深脱硫、转炉冶炼、炉外精炼、真空处理和连铸后，连铸坯在进行保温后采取纵锻+横锻方式进行锻造，连铸坯加热温度1280℃以上，保温时间16h以上，锻造后钢坯最小断面280mm，表面清理后的锻造钢坯采用两阶段控制轧制，开轧温度1130-1150℃，二开轧温度≤900℃，终轧温度≤900℃，轧后自然冷却至室温；钢板轧后正火热处理，正火温度900±15℃ 保温时间2~4min/mm。
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