CN108103416A - 一种低温压力容器用双相钢锻件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种低温压力容器用双相钢锻件及其制备方法，以该锻件的总重量为基准，所述锻件含有按重量百分数计的以下化学成分：C：≤0.03％，Si：≤1.0％，Mn：≤1.0％，S：≤0.010％，P：≤0.025％，Ni：6.0～8.5％，Cr：24.0～26.0％，Mo：3.0～4.0％，W：0.5～1.0％，N：0.25～0.35％，Cu：≤1.0％，Re：0.005～0.1％，其余为Fe和不可避免的杂质，其中，各组分的含量均不为0。所述低温压力容器用双相钢锻件的室温及高温力学性能好，在‑40℃下的冲击吸收能量KV2≥100J，耐低温性能良好，而且具有优异的耐碱腐蚀性和较高的硬度。

Description

一种低温压力容器用双相钢锻件及其制备方法
技术领域
本发明涉及石油化工、煤化工等应用的压力容器领域，具体涉及一种低温压力容器用双相钢锻件及其制备方法。
背景技术
随着国内LNG项目越来越多，以及对清洁能源的需求越来越大，炼油和煤化工的装置也大量上马。这些装置有时会遇到低温、高压工况，随着装置大型化，压力容器和压力管道的直径越来越大，造成壁厚也相应增大。对于有些介质，不能选用含镍低温低合金钢，而必须选用不锈钢，但是，目前18-8不锈钢的许用应力一般较低，造成压力容器和压力管道壁厚太厚，因而不经济。
双相不锈钢是指不锈钢中同时具有奥氏体和铁素体两种金相组织结构的不绣钢。由于其独特的双相组织结构，双相不锈钢与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢的韧性、耐晶间腐蚀性能和焊接性能均较高；与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢的强度高，耐腐蚀性能较优。
但是随着高要求和高性能设备的出现，双相不锈钢的性能仍有待提高以满足设计的需要，尤其是在耐低温性能和耐腐蚀性能方面。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种低温压力容器用双相钢锻件及其制备方法。所述低温压力容器用双相钢锻件的力学性能、耐低温性能和耐腐蚀性能优异。
根据本发明的第一方面，本发明提供了一种低温压力容器用双相钢锻件，以该锻件的总重量为基准，所述锻件含有按重量百分数计的以下化学成分：C：≤0.03％，Si：≤1.0％，Mn：≤1.0％，S：≤0.010％，P：≤0.025％，Ni：6.0～8.5％，Cr：24.0～26.0％，Mo：3.0～4.0％，W：0.5～1.0％，N：0.25～0.35％，Cu：≤1.0％，Re：0.005～0.1％，其余为Fe和不可避免的杂质，其中，各组分的含量均不为0。
根据本发明的第二方面，本发明提供了一种所述低温压力容器用双相钢锻件的制备方法，该方法包括如下步骤：
1)钢的炼制：对原料进行冶炼；
2)锻件成型：通过连铸或模铸制造钢坯，再采用压力机锻造成型；
3)热处理：成型锻件的交货状态为固溶。
本发明的低温压力容器用双相钢锻件的室温力学性能包括：所述锻件的屈服强度≥620MPa，抗拉强度为920～1010MPa，纵向延伸率A50mm≥36％。所述锻件的高温力学性能包括：在100～250℃下：规定非比例延伸强度Rp0.2为420～500MPa，抗拉强度Rm为680～750MPa。所述锻件在-40℃下的冲击吸收能量KV2≥100J。所述锻件具有优异的耐碱腐蚀性和较高的硬度。
具体实施方式
为使本发明更加容易理解，下面将结合实施例来详细说明本发明，这些实施例仅起说明性作用，并不用于限制本发明。
根据本发明的第一方面，本发明提供了一种低温压力容器用双相钢锻件，以该锻件的总重量为基准，所述锻件含有按重量百分数计的以下化学成分：C：≤0.03％，Si：≤1.0％，Mn：≤1.0％，S：≤0.010％，P：≤0.025％，Ni：6.0～8.5％，Cr：24.0～26.0％，Mo：3.0～4.0％，W：0.5～1.0％，N：0.25～0.35％，Cu：≤1.0％，Re：0.005～0.1％，其余为Fe和不可避免的杂质，其中，各组分的含量均不为0。
优选地，本发明的低温压力容器用双相钢锻件，以该锻件的总重量为基准，所述锻件含有按重量百分数计的以下化学成分：C：≤0.02％，Si：0.1～0.5％，Mn：0.2～0.8％，S：≤0.007％，P：≤0.016％，Ni：7.0～8.5％，Cr：24.5～25.5％，Mo：3.0～3.5％，W：0.6～1.0％，N：0.25～0.3％，Cu：0.3～1.0％，Re：0.005～0.08％，其余为Fe和不可避免的杂质，其中，各组分的含量均不为0。
按照另一种优选的实施方式，以该锻件的总重量为基准，本发明的低温压力容器用双相钢锻件还含有按重量百分数计的以下化学成分：Zr：0.05～0.15％和Co：0.5～1.0％中的至少一种。
根据本发明，所述低温压力容器用双相钢锻件中主要化学成分的作用如下：
C：碳是奥氏体的形成元素，是对提高强度有效的元素，而且也是最经济的元素。然而碳含量过高时，会析出对加工性及耐腐蚀性造成影响的各种碳化物，因此，为了抑制生成该碳化物，本发明的C的含量控制在0.03wt％以下，优选C的含量为0.02wt％以下。
Si：硅在钢中起脱氧作用，也有一定的固溶强化效果，能显著提高双相钢的硬度，硅除了能够抑制锰偏聚外，还可以抑制磷的晶界偏聚，但钢中硅含量过高会使钢出现耐腐蚀性降低、成形性降低的倾向。本发明的Si的含量控制在1.0wt％以下，考虑其含量过低可能会导致脱氧不充分，优选Si的含量为0.1wt％～0.5wt％。
Mn：锰是奥氏体稳定元素，同时也是基体强化元素，可以通过沉淀强化来提高强度，锰还可以提高材料的淬透性，过低则强度达不到要求，过高则影响材料的耐腐蚀性，而且硅和锰以一定的比例存在于钢中，还有利于抑制彼此偏聚，因此，将Mn的含量控制在1.0wt％以下，优选Mn的含量为0.2wt％～0.8wt％。
S、P：在钢中属于杂质元素，应尽可能降低含量。硫易与金属元素锰形成析出物硫化锰，降低低温韧性，S的含量控制在0.010wt％以下，优选S的含量≤0.007wt％；磷容易在晶界偏聚，降低晶界抗裂纹扩展能力，降低低温韧性，将P的含量控制在0.025wt％以下，优选P的含量≤0.016wt％。
Ni：镍是使奥氏体稳定化所必须的成分，在钢中主要起到固溶强化的作用，尤其是对材料在低温下的稳定性至关重要，是金属元素中最好的降低韧脆转变温度元素，有利于提高材料的淬透性和强度，同时还能提高材料的低温塑性，但是镍含量过高时，材料难以制造且耐腐蚀性反而会下降，将Ni的含量控制为6.0wt％～8.5wt％，优选Ni的含量为7.0wt％～8.5wt％。
Cr：铬是不锈钢、碳素钢的重要合金元素，在确保耐腐蚀性方面较重要。由于铬是铁素体的形成元素，当其含量过高时，会出现奥氏体相不稳定，难以获得稳定的双相组织等问题，同时塑性和韧性也会降低。本发明的Cr的含量控制在24.0wt％～26.0wt％之间，优选Cr的含量为24.5wt％～25.5wt％。
Mo：钼是铁素体的形成元素，是在双相不锈钢中改善耐腐蚀性、特别是改善耐点腐蚀性的合金成分，而且有利于材料在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。但是钼过量时，难以避免金属间化合物的析出，使钢的脆性增大，难以生产。本发明的Mo的含量控制在3.0wt％～4.0wt％范围内，优选Mo的含量为3.0wt％～3.5wt％。
W：钨与钼相同，是具有改善耐腐蚀性效果的元素，尤其是在PH低的环境下能够形成使耐腐蚀性提高的稳定氧化物。若含量过高时，有可能产生加工性能变差，还有可能产生不锈钢易于受到焊接热的影响而使焊接部的硬度过高等问题。限制W的含量为0.5wt％～1.0wt％，优选W的含量为0.6wt％～1.0wt％。
N：氮是强力的奥氏体的形成元素，对两相不锈钢的热稳定性和耐腐蚀性的提高有效。但是含量过高时，可能会因在焊接时产生气泡或产生氮化物而使加工性变差。本发明的N的含量控制在0.25wt％～0.35wt％范围内，优选N的含量为0.25wt％～0.3wt％。
Cu：铜可以稳定奥氏体，显著提高碳的活度，促进合金碳化物的析出，从而可以间接发挥细化转变组织和析出强化的作用，在提高耐腐蚀性、特别是耐酸性的提高方面特别有效。其含量过高时，钢的热加工性劣化。将Cu的含量控制在≤1.0wt％的范围内，优选Cu的含量0.3wt％～1.0wt％。
Re：稀土铼在钢中的强化作用主要有细晶强化、有限固溶强化和稀土化合物的第二相强化等。固溶在基体中的稀土以及稀土化合物具有熔点高，个体小，分布均匀的特点，不仅能够提高材料的强度，而且还能提高材料的塑形和韧性。出于性能及经济因素的综合考虑，控制Re的含量为0.005wt％～0.1wt％，优选为0.005wt～0.08wt％。
Zr：锆是一种稀有金属，具有惊人的抗腐蚀性、极高的熔点、超高的硬度和强度等特性，将其用于不锈钢，能够提高不锈钢的耐腐蚀性及耐低温性能。锆还是冶金工业的“维生素”，它有很强的脱氧、去硫的作用。控制Zr的含量为0.05wt～0.15wt％。
Co：钴能强化铁素体，有固溶强化作用，能够改善钢的高温性能和抗氧化及耐腐蚀的能力，是超硬高速钢及高温合金的重要合金元素，将其用于碳素钢中，在交货状态下能提高钢的硬度、屈服点和抗拉强度，但是，其含量过高也会对伸长率、断面收缩率及冲击韧性有不利的影响。出于综合性能的考虑，控制Co的含量为0.5wt％～1.0wt％。
根据本发明，上述优选范围内的各组分能够进一步提高低温压力容器用双相钢锻件在室温下的屈服强度、抗拉强度及纵向延伸率；在100～250℃下的规定非比例延伸强度和抗拉强度；在-40℃下的冲击吸收能量以及锻件的耐腐蚀性能和硬度。上述优选的实施方式能够使双相钢锻件的力学性能、耐低温性能及耐腐蚀性能等进一步提高。
根据本发明，所述的低温压力容器用双相钢锻件中：以该锻件中双相(铁素体相和奥氏体相)的总体积为基准，其中奥氏体相的体积分数(相比例)为50～65％，优选为50～60％。
根据本发明所述的低温压力容器用双相钢锻件，所述锻件含有的A类、B类、C类、D类和DS类夹杂物均不大于1级，且A类+C类≤1级、B类+D类≤1.5级以及A类+B类+C类+D类+DS类≤3级。
其中，A类、B类、C类、D类和DS类夹杂物的概念为本领域技术人员所公知。具体指的是：A类为硫化物，B类为氧化铝，C类为硅酸盐，D类为球状氧化物，DS类为单颗粒球状。
根据本发明的第二方面，本发明提供了一种所述低温压力容器用双相钢锻件的制备方法，该方法包括如下步骤：
1)钢的炼制：对原料进行冶炼；
2)锻件成型：通过连铸或模铸制造钢坯，再采用压力机锻造成型；
3)热处理：成型锻件的交货状态为固溶。
其中，固溶的概念是本领域技术人员公知的，具体地，固溶是把钢和合金加热到单相固溶体的温度并经过充分的保温，使钢和合金中的某些组成物溶解到基体组织中，并形成均匀的固溶体，然后迅速冷却，使溶入的组成物保存在固溶体中，这种热处理叫做固溶处理。
通常地，步骤1)中，所述冶炼可以采用电弧炉初炼加炉外精炼，氧气转炉初炼加炉外精炼，或者电渣重熔；具体根据原料的种类来选择。
步骤2)中，所述锻件成型时其主截面的锻造比可以为4～8。
步骤3)中，所述固溶的温度可以为1050～1120℃，并可以以2～20℃/s的速度加速冷却。
步骤3)中，所述加速冷却可以采用空冷或者水冷。
本发明所述的炉外精炼和电渣重熔均可通过本领域常规工艺和设备进行。
以下将通过实施例及对比例对本发明进行详细描述。
实施例1
本实施例用于说明本发明的低温压力容器用双相钢锻件及其制备方法。
1)钢的炼制：采用电弧炉对原料进行初炼，再进行LF炉外精炼；
2)锻件成型：通过连铸工艺制造钢坯，再采用压力机锻造成型，制得厚度为120mm的锻件，其主截面的锻造比为4，所述锻件的化学成分如表1所示；
3)热处理：成型锻件的交货状态为固溶，固溶温度选用1075℃，采用空冷以5℃/s的速度加速冷却。
实施例2
本实施例用于说明本发明的低温压力容器用双相钢锻件及其制备方法。
实施方式同实施例1，其中，制得锻件的厚度为200mm，其主截面的锻造比为5，锻件的化学成分如表1所示，固溶温度选用1105℃，冷却速度为10℃/s。
实施例3
本实施例用于说明本发明的低温压力容器用双相钢锻件及其制备方法。
实施方式同实施例1，其中，制得锻件的厚度为150mm，其主截面的锻造比为6，锻件的化学成分如表1所示，固溶温度选用1095℃，冷却速度为8℃/s。
实施例4
本实施例用于说明本发明的低温压力容器用双相钢锻件及其制备方法。
实施方式同实施例1，其中，制得锻件的厚度为150mm，其主截面的锻造比为6，锻件的化学成分如表1所示，固溶温度选用1095℃，冷却速度为8℃/s。
实施例5
本实施例用于说明本发明的低温压力容器用双相钢锻件及其制备方法。
实施方式同实施例1，其中，制得锻件的厚度为150mm，其主截面的锻造比为6，锻件的化学成分如表1所示，固溶温度选用1095℃，冷却速度为8℃/s。
对比例1
实施方式同实施例1，不同之处在于，制得锻件的化学成分如表1所示。
上述实施例和对比例中制得锻件的化学成分如表1所示。
表1
采用FERITSCOPE FMP30根据磁感应方法测量双相钢中的铁素体含量，测得实施例1-5的锻件中奥氏体相的相比例为50～60％。
另外，按照GB/T10561中B法测量各锻件中夹杂物含量，其中，A类、B类、C类、D类和DS类夹杂物均不大于1级，且A类+C类≤1级、B类+D类≤1.5级以及A类+B类+C类+D类+DS类≤3级。
上述实施例及对比例制得的锻件的室温力学性能如表2所示。
表2
由表1和表2中实施例和对比例所得锻件的化学成分及室温力学性能可知，本发明实施例制备的低温压力容器用双相钢锻件具有≥620MPa的屈服强度，920～1010MPa的抗拉强度，≥36％的纵向延伸率，均优于对比例所制备的锻件；Co或Zr成分的加入，有利于锻件抗拉强度、屈服强度和延伸率的提高。
实施例与对比例制得的锻件的高温力学性能如表3所示。
表3
由表3可知，实施例1-5制得锻件的高温力学性能包括：在100～250℃下，所述锻件的规定非比例延伸强度Rp0.2可达到420～500MPa，抗拉强度Rm可达到680～750MPa，优于对比例1。
将实施例与对比例中制备的锻件进行夏比(V型缺口)冲击试验，每种锻件至少做三个平行试样，取三个试样的平均值，各温度下锻件的冲击吸收能量如表4所示。
表4
由表4可知，本发明的锻件在低温条件下具有较高的韧性，能够满足实际应用的需要，在-40℃下，本发明的锻件的冲击吸收能量KV2≥100J。
将实施例及对比例所得锻件进行耐碱性测试，具体操作如下：从固溶热处理后的锻件切下宽10mm×长40mm×厚3mm的试验片，使用粒度号为600号的研磨纸，对其整个表面进行了湿式研磨。将研磨后的试验片投入到加入有维持在170℃的试验用腐蚀液(成分：48％NaOH)的高压釜中，通过放置76小时来进行腐蚀试验。测量经过了76小时后的试验片的重量，并将基于与试验前的重量的对比而获得到的每单位面积·时间的失重作为腐蚀失重(单位：g/m2·hr)。测试结果如表5所示。
对实施例及对比例的锻件样品进行硬度测试，具体操作包括：采用直径为5mm的硬质合金球压头，在7355N(750kgf)的试验载荷作用下，保持10～15s时测其布氏硬度HBW(负荷与其压痕面积之比值)。所得各试样的硬度见表5。
表5
由表5的数据可知，实施例1-5的锻件试样在高温浓碱中腐蚀失重较低，具有优异的耐碱腐蚀性，硬度在250～300N/mm2之间，能够满足应用的需求。
以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。

Claims (10)

1.一种低温压力容器用双相钢锻件，其特征在于，以该锻件的总重量为基准，所述锻件含有按重量百分数计的以下化学成分：C：≤0.03％，Si：≤1.0％，Mn：≤1.0％，S：≤0.010％，P：≤0.025％，Ni：6.0～8.5％，Cr：24.0～26.0％，Mo：3.0～4.0％，W：0.5～1.0％，N：0.25～0.35％，Cu：≤1.0％，Re：0.005～0.1％，其余为Fe和不可避免的杂质，其中，各组分的含量均不为0。
2.如权利要求1所述的低温压力容器用双相钢锻件，其中，以该锻件的总重量为基准，所述锻件含有按重量百分数计的以下化学成分：C：≤0.02％，Si：0.1～0.5％，Mn：0.2～0.8％，S：≤0.007％，P：≤0.016％，Ni：7.0～8.5％，Cr：24.5～25.5％，Mo：3.0～3.5％，W：0.6～1.0％，N：0.25～0.3％，Cu：0.3～1.0％，Re：0.005～0.08％，其余为Fe和不可避免的杂质，其中，各组分的含量均不为0。
3.如权利要求1或2所述的低温压力容器用双相钢锻件，其中，以该锻件的总重量为基准，所述锻件含有按重量百分数计的以下化学成分：Zr：0.05～0.15％和Co：0.5～1.0％中的至少一种。
4.如权利要求1～3中任意一项所述的低温压力容器用双相钢锻件，其中：以该锻件中双相的总体积为基准，其中奥氏体相的体积分数为50～65％。
5.如权利要求4所述的低温压力容器用双相钢锻件，其中，所述锻件含有的A类、B类、C类、D类和DS类夹杂物均不大于1级，且A类+C类≤1级、B类+D类≤1.5级以及A类+B类+C类+D类+DS类≤3级。
6.一种权利要求1～5中任意一项所述的低温压力容器用双相钢锻件的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)钢的炼制：对原料进行冶炼；
2)锻件成型：通过连铸或模铸制造钢坯，再采用压力机锻造成型；
3)热处理：成型锻件的交货状态为固溶。
7.如权利要求6所述的低温压力容器用双相钢锻件的制备方法，其中，步骤1)中，所述冶炼采用电弧炉初炼加炉外精炼，氧气转炉初炼加炉外精炼，或者电渣重熔。
8.如权利要求6所述的低温压力容器用双相钢锻件的制备方法，其中，步骤2)中，所述锻件成型时其主截面的锻造比为4～8。
9.如权利要求6所述的低温压力容器用双相钢锻件的制备方法，其中，步骤3)中，所述固溶的温度为1050～1120℃，并以2～20℃/s的速度加速冷却。
10.如权利要求9所述的低温压力容器用双相钢锻件的制备方法，其中，所述加速冷却采用空冷或者水冷。
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