CN109112423A - 一种优良低温韧性特厚合金钢板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种优良低温韧性特厚合金钢板，采用退火后的连铸坯作为基坯进行三坯复合，复合坯厚度＞900mm，采用真空电子束焊接、复合坯加热、轧制和淬火+回火热处理，生产厚度210mm的特厚压力容器用合金钢板。本发明制造方法具有流程短、工艺简单、成材率高、成本低、生产周期短、效率高等优点；本发明钢板力学性能满足：心部横向冲击单值≥200J，厚度方向断面收缩率≥60％，钢板超声波探伤满足NB/T47013.3最高级别要求。

Description

一种优良低温韧性特厚合金钢板及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料加工领域，具体涉及一种优良低温韧性特厚合金钢板及其制造方法。
背景技术
当前我国科技实力逐渐增强，石油、化工、核电等领域装备向大壁厚、大尺寸、高性能要求方向快速发展，对特厚钢板的性能要求更加严格，需求也越来越大，厚度规格扩大到150mm以上甚至200mm以上。200mm以上厚度钢板的生产难度在于，钢板越厚内部探伤性能越差，组织和性能均匀性越差。现在，生产200mm以上厚度钢板通常采用大型模铸钢锭或电渣锭轧制，或直接采用钢锭锻造成型。但是大型模铸钢锭表面质量差、内部缺陷多、成材率较低等不足；电渣重熔虽然偏析、疏松等内部缺陷较少但是其高昂的生产成本和较长的生产周期严重限制了其市场应用；直接用钢锭锻造成钢板的问题在于成本高、成材率低，只适用于少数特殊品种。
目前，利用连铸坯、钢锭、复合坯、电渣重熔等锭生产特厚钢板有以下专利：
CN101876000B《一种连铸坯生产高韧性特厚钢板的方法》涉及一种连铸坯生产100～130mm厚度Q345E-Z25特厚钢板，钢种为低合金结构钢非合金钢，板坯厚度320mm生产最大厚度130mm的钢板，压缩比较小影响内部质量。
CN104962814B《一种正火高强韧性150mm特厚板及其生产方法》，公开了一种150mm特厚钢板，厚度只有150mm，厚度不能满足大型压力容器要求。其成分不含有Cr、Mo等合金元素，高温性能难以保证，不适合应用在有高温性能要求的石油、化工及核电行业。
CN102732674A《一种大厚度低合金高强结构钢板的生产方法》，涉及一种采用640～960电渣重熔锭生产特厚高强低合金结构钢的方法，该方法成本高、生产周期长。生产的钢种只有低合金钢，没有合金钢。
CN102409238B《一种42CrMo合金结构钢特厚板及其生产方法》，涉及一种利用钢锭生产80～150mm厚钢板的生产方法，因钢锭需要切除的冒口和尾部等缺陷区域较大，所以钢锭轧材成材率较低，生产成本较高，不适合大批量生产。
CN 105710152A《一种特厚规格临氢设备用钢板的生产方法》提供一种采用真空电子束焊接方法生产600～900mm连铸复合坯，并以此连铸坯复合坯生产厚度100～300mm 临氢设备钢板的方法，工艺包括连铸坯表面清理、电子束预热坯料表面、复合焊接、复合坯加热、二次开坯、轧制、轧后在线层流冷却及热处理，工序复杂、流程长。复合坯最大厚度仅为900mm，生产特厚板压缩比小不利于铸坯心部疏松等缺陷压合。150mm以上厚度钢板淬火时入水2～3min，不利于现场操作，也容易造成钢板心部淬不透的问题。
根据以上公开专利可发现目前具有优良韧性特厚合金钢板存在如下问题：
1.生产流程长、工艺复杂；
2.成材率低、成本高、生产周期长效率低；
3.产品厚度小，合金含量低，适用范围窄等。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供利用多个大厚度板坯真空焊接而成的超厚连铸板坯生产出一种厚度为210mm具有优良低温韧性特厚合金钢板。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种优良低温韧性特厚合金钢板，该钢板的化学成分按重量百分比计为C：0.14～0.17％，Mn：0.50～0.60％，Si≤0.09％，P≤0.006％，S≤0.003％，Cr：2.10～2.50％，Mo：1.00～1.10％，Ni：0.10～0.20％，Al总≤0.030％余量为Fe及不可避免的杂质元素。
成分设计理由如下：
碳：碳对钢的强度、韧性、焊接性能影响很大。因为碳是较强的固溶强化元素，能显著提高钢板的强度，但碳含量过高，会降低钢板焊接性能、韧性和塑性。本发明将碳含量定为0.14～0.17％。
锰：锰是提高强度和韧性的有效元素，还可以降低奥氏体转变温度，细化铁素体晶粒。锰含量过高，则容易产生硫化锰夹杂物导致钢板延展性变差，本发明锰含量定为0.50～0.60％。
硅：本发明钢板主要应用在高温环境，硅作为易偏析元素会导致晶界强度下降，提高回火脆性，所以硅越低越好，本发明的硅定为≤0.09％。
磷：磷是钢中有害元素，磷偏析到晶界恶化韧性和塑性，作为有害元素应尽量减少。
硫：硫与其他元素形成硫化锰、氧化物夹杂降低钢的韧塑性。轧制坯料时硫化锰沿轧制方向被拉长，增加了钢板的各向异性对钢板横向性能非常不利，应尽量降低其含量。
铝：铝是脱氧元素，可作为固氮元素形成氮化铝有效地细化晶粒。其含量不足0.01％时，脱氧效果不明显；超过0.07％时，脱氧作用达到饱和；因此本发明将铝控制在0.015～0.030％。
镍：镍能显著提高钢板的低温韧性，但过高的镍导致成本大幅增加，所以本发明镍含量定在0.15～0.20％。
铬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，铬与镍形成析出相有利于钢的高温蠕变性能；但铬含量过高的情况下也会降低钢的韧性和塑性。本发明将铬定在2.0～2.5％。
钼：钼存在于固溶体和碳化物中，可显著提高淬透性和强度，增加回火稳定性。本发明钼含量控制在1.00～1.10％。
本发明生产的优良低温韧性特厚合金钢板，其力学性能满足：心部横向冲击单值≥200J，厚度方向断面收缩率≥60％，钢板超声波探伤满足NB/T47013.3最高级别要求。
上述厚度为210mm具有优良低温韧性的特厚合金钢板制备方法包括冶炼、连铸坯退火、坯料制备、轧制和热处理，
1)冶炼、连铸
转炉冶炼后进行扒渣处理、LF精炼、RH真空循环脱气，连铸过程采用动态轻压下，压下量11mm。降低钢中P、S、H、O、N有害元素提高纯净度，减轻连铸坯中心偏析、中心疏松、裂纹等缺陷，确保铸坯内部质量。
2)连铸坯退火
三块厚度350～370mm连铸坯在进行复合之前，首先在台车炉内进行650℃×120h退火处理，保温结束炉冷至500℃出炉。
3)坯料制备和加热工艺
采用三块厚度厚度350～370mm的连铸板坯作为基坯，表面铣平后，确保基坯表面温度在100～200℃之间，通过真空电子束焊接成一块复合坯，复合坯厚度＞1000mm～1100mm。
复合坯加热采用特定工艺：400～500℃装炉，焖钢3～5h(h表示小时)；以30～50℃/h加热速率升温至800～850℃，保温4～5h；再以50～70℃/h加热速率升温至1000～1050℃，保温2～4h；在此温度保温结束后以不限加热速率升温至1250～1300℃，保温15-18h。
4)轧制
轧制采用粗轧和精轧两阶段轧制。粗轧开始温度1100℃～1200℃，轧制过程采用大压下轧制工艺，在轧机轧制能力范围内尽量增大道次压下量且道次压下量≥30mm，道次压下率≥3％，粗轧累计变形量≥75％。精轧开轧温度1000℃～1150℃，开轧厚度1.4*钢板厚度，精轧阶段累计变形量≥30％，终轧温度950℃～1100℃。钢板下冷床温度500-550℃。钢板下线后进缓冷罩堆缓冷96h以上。
5)热处理
采用淬火+回火工艺，淬火温度920±10℃，在炉时间系数1.8～2.5min/mm，水冷，位保证钢板厚度方向组织均匀，应保证冷却速率1～5℃/s；回火温度920±10℃，在炉时间系数2.5～4.0min/mm，空冷。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明采用多块连铸坯通过电子束真空焊接得到厚度超过1050mm的复合坯轧制一种优良低温韧性厚度为210mm特厚合金钢板，该钢板具有良好的低温韧性、优异的内部质量和良好的厚度方向断面收缩率。
2、本发明采用退火后的连铸坯作为基坯进行三坯复合，复合坯厚度＞900mm，采用真空电子束焊接、复合坯加热、轧制和淬火+回火热处理，生产厚度210mm的特厚合金钢板，钢板力学性能满足：心部横向冲击单值≥200J，厚度方向断面收缩率≥60％，钢板超声波探伤满足NB/T47013.3最高级别要求。
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
本实施例钢板厚度为210mm，其化学成分按重量百分比计为C：0.15％，Mn：0.55％，Si：0.05％，P：0.004％，S：0.002％，Cr：2.13％，Mo：1.05％，Ni：0.16％，Al总：0.028％余量为Fe及不可避免的杂质元素。
该钢板制备方法包括冶炼、连铸坯退火、坯料制备、轧制和热处理，其特征在于：
1)冶炼、连铸
转炉冶炼后进行扒渣处理、LF精炼、RH真空循环脱气，连铸过程采用动态轻压下，压下量11mm。降低钢中P、S、H、O、N有害元素提高纯净度，减轻连铸坯中心偏析、中心疏松、裂纹等缺陷，确保铸坯内部质量。
2)连铸坯退火
三块厚度365mm连铸坯在进行复合之前，首先在台车炉内进行650℃×120h退火处理，保温结束炉冷至500℃出炉。
3)坯料制备和加热工艺
采用三块厚度厚度365mm的连铸板坯作为基坯，表面铣平后，确保基坯表面温度约150℃，通过真空电子束焊接成一块复合坯，复合坯厚度1055mm。
复合坯加热采用特定工艺：450℃装炉，焖钢5h；以35℃/h加热速率升温至830℃，保温5h；再以55℃/h加热速率升温至1050℃，保温3h；在此温度保温结束后以不限加热速率升温至1290℃，保温18h。
4)轧制
轧制采用粗轧和精轧两阶段轧制。粗轧开始温度1150℃，轧制过程采用大压下轧制工艺，纵轧道次有三道次压下量分别为35mm、36mm、38mm，道次压下率3.0％、4.5％、4.7％，粗轧累计变形量76％。精轧开轧温度1050℃，开轧厚度1.4*钢板厚度，精轧阶段累计变形量32％，终轧温度970℃。钢板下冷床温度500℃。钢板下线后进缓冷罩堆缓冷120h。
5)热处理
采用淬火+回火工艺，淬火温度920±10℃，在炉时间系数1.8min/mm，水冷，位保证钢板厚度方向组织均匀，应保证冷却速率1.3℃/s；回火温度710±10℃，在炉时间系数4.0min/mm，空冷。
实施例2
本实施例钢板厚度为210mm，其化学成分按重量百分比计为C：0.16％，Mn：0.54％，Si：0.03％，P：0.005％，S：0.001％，Cr：2.25％，Mo：1.03％，Ni：0.18％，Al总：0.025％余量为Fe及不可避免的杂质元素。
该钢板制备方法包括冶炼、连铸坯退火、坯料制备、轧制和热处理，其特征在于：
1)冶炼、连铸
转炉冶炼后进行扒渣处理、LF精炼、RH真空循环脱气，连铸过程采用动态轻压下，压下量11mm。降低钢中P、S、H、O、N有害元素提高纯净度，减轻连铸坯中心偏析、中心疏松、裂纹等缺陷，确保铸坯内部质量。
2)连铸坯退火
三块厚度370mm连铸坯在进行复合之前，首先在台车炉内进行650℃×120h退火处理，保温结束炉冷至500℃出炉。
3)坯料制备和加热工艺
采用三块厚度厚度370mm的连铸板坯作为基坯，表面铣平后，确保基坯表面温度约150℃，通过真空电子束焊接成一块复合坯，复合坯厚度1070mm。
复合坯加热采用特定工艺：470℃装炉，焖钢5h；以35℃/h加热速率升温至830℃，保温4h；再以55℃/h加热速率升温至1050℃，保温3.5h；在此温度保温结束后以不限加热速率升温至1280℃，保温17.5h。
4)轧制
轧制采用粗轧和精轧两阶段轧制。粗轧开始温度1160℃，轧制过程采用大压下轧制工艺，纵轧道次有三道次压下量分别为37mm、38mm、41mm，道次压下率5.2％、5.5％、5.7％，粗轧累计变形量78％。精轧开轧温度1060℃，开轧厚度1.4*钢板厚度，精轧阶段累计变形量36％，终轧温度980℃。钢板下冷床温度500℃。钢板下线后进缓冷罩堆缓冷120h。
5)热处理
采用淬火+回火工艺，淬火温度940±10℃，在炉时间系数1.8min/mm，水冷，位保证钢板厚度方向组织均匀，应保证冷却速率1.5℃/s；回火温度720±10℃，在炉时间系数3.5min/mm，空冷。
实施例3
本实施例钢板厚度为210mm，其化学成分按重量百分比计为C：0.17％，Mn：0.52％，Si：0.05％，P：0.004％，S：0.002％，Cr：2.40％，Mo：1.02％，Ni：0.18％，Al总：0.026％余量为Fe及不可避免的杂质元素。
该钢板制备方法包括冶炼、连铸坯退火、坯料制备、轧制和热处理，其特征在于：
1)冶炼、连铸
转炉冶炼后进行扒渣处理、LF精炼、RH真空循环脱气，连铸过程采用动态轻压下，压下量11mm。降低钢中P、S、H、O、N有害元素提高纯净度，减轻连铸坯中心偏析、中心疏松、裂纹等缺陷，确保铸坯内部质量。
2)连铸坯退火
三块厚度370mm连铸坯在进行复合之前，首先在台车炉内进行650℃×120h退火处理，保温结束炉冷至500℃出炉。
3)坯料制备和加热工艺
采用三块厚度厚度370mm的连铸板坯作为基坯，表面铣平后，确保基坯表面温度约150℃，通过真空电子束焊接成一块复合坯，复合坯厚度1060mm。
复合坯加热采用特定工艺：500℃装炉，焖钢4h；以40℃/h加热速率升温至850℃，保温4.5h；再以60℃/h加热速率升温至1020℃，保温4h；在此温度保温结束后以不限加热速率升温至1300℃，保温17h。
4)轧制
轧制采用粗轧和精轧两阶段轧制。粗轧开始温度1170℃，轧制过程采用大压下轧制工艺，纵轧道次有三道次压下量分别为41mm、43mm、45mm，道次压下率5.8％、6.1％、6.2％，粗轧累计变形量80％。精轧开轧温度1070℃，开轧厚度1.4*钢板厚度，精轧阶段累计变形量37％，终轧温度990℃。钢板下冷床温度500℃。钢板下线后进缓冷罩堆缓冷120h。
5)热处理
采用淬火+回火工艺，淬火温度930±10℃，在炉时间系数2.0min/mm，水冷，位保证钢板厚度方向组织均匀，应保证冷却速率1.5℃/s；回火温度740±10℃，在炉时间系数3.0min/mm，空冷。
本发明实例钢的力学性能见表1。
表1本发明实例钢的力学性能
以上所述仅为本发明的一种较佳实现方案而已，并不用以限制本发明，凡在本发明原则范围内所做的非根本性修改、替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种优良低温韧性特厚合金钢板，其特征在于：该钢板的化学成分按重量百分比计为C：0.14～0.17％，Mn：0.50～0.60％，Si≤0.09％，P≤0.006％，S≤0.003％，Cr：2.10～2.50％，Mo：1.00～1.10％，Ni：0.10～0.20％，Al总≤0.030％，As≤0.005％，Sn≤0.003％，Sb≤0.003％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1的一种优良低温韧性特厚合金钢板，其特征在于：采用退火后的连铸坯作为基坯进行三坯复合，复合坯厚度＞900mm，钢板力学性能满足：心部横向冲击单值≥200J，厚度方向断面收缩率≥60％，钢板超声波探伤满足NB/T47013.3最高级别要求。
3.一种制备如权利要求1所述的优良低温韧性特厚合金钢板的方法，包括冶炼、连铸坯退火、坯料制备、轧制和热处理，其特征在于：
1)连铸坯退火
两块厚度450mm连铸坯在进行复合之前，首先在台车炉内进行650℃×120h退火处理，保温结束炉冷至500℃出炉；
2)坯料制备
采用三块厚度厚度＞350mm的连铸板坯作为基坯，表面铣平后，确保基坯表面温度在100～200℃之间，通过真空电子束焊接成一块复合坯，复合坯厚度＞900mm～1100mm；
复合坯加热采用特定工艺：400～500℃装炉，焖钢3～5h；以30～50℃/h加热速率升温至800～850℃，保温4～5h；再以50～70℃/h加热速率升温至1000～1050℃，保温2～4h；在此温度保温结束后升温至1250～1300℃，保温15-18h；
3)轧制
轧制采用粗轧和精轧两阶段轧制，粗轧开始温度1100℃～1200℃，轧制过程采用大压下轧制工艺，在轧机轧制能力范围内尽量增大道次压下量且道次压下量≥30mm，道次压下率≥3％，粗轧累计变形量≥75％，精轧开轧温度1000℃～1150℃，开轧厚度1.4*钢板厚度，精轧阶段累计变形量≥30％，终轧温度950℃～1100℃，钢板下冷床温度500-550℃，钢板下线后进缓冷罩堆缓冷96h以上；
4)热处理
采用淬火+回火工艺，淬火温度920±10℃，在炉时间系数1.8～2.5min/mm，水冷，位保证钢板厚度方向组织均匀，应保证冷却速率1～5℃/s；回火温度920±10℃，在炉时间系数2.5～4.0min/mm，空冷。
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