CN110088338A - 对高温回火热处理和焊后热处理具有优异抗力的压力容器用钢及其制造方法 - Google Patents

对高温回火热处理和焊后热处理具有优异抗力的压力容器用钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于发电站的锅炉、压力容器配件等的压力容器用钢，并且更具体地涉及对高温回火热处理和焊后热处理具有优异抗力的压力容器用钢及其制造方法。

Description

对高温回火热处理和焊后热处理具有优异抗力的压力容器用 钢及其制造方法
技术领域
本公开涉及用于发电站的锅炉、压力容器、配件(fitting)等的压力容器用钢。
更具体地涉及对高温回火热处理和焊后热处理具有优异抗力的压力容器用钢及其制造方法。
背景技术
根据近期由于高油价时代以及石油近期供不应求而在贫瘠地区积极开发油田的趋势，已经增大了用于精炼和贮存原油的钢容器的厚度。
进行焊后热处理(Post Heat Treatment，PWHT)以消除焊接期间产生的应力，以防止结构在焊接后变形并且以在钢被焊接的情况下除了使钢增厚之外还要使形状和尺寸稳定。
然而，经过长时间段的PWHT工艺的钢板可能具有由于钢板的结构的粗化而可能使钢板的抗拉强度劣化的问题。另外，长时间的PWHT工艺可能引起下述现象：由于基体(matrix)组织和晶粒边界的软化、晶粒的生长、碳化物的粗化等，使钢板的强度和韧性同时降低。
参考文献1使用了一种对增厚钢材(该增厚钢材的C、Si、Mn、Cr、Mo、Ni、Cu、Sol.Al(可溶铝)、P和S的含量受控)应用回火热处理的方法，即在高温热处理之后进行低温热处理以通过低回火过程中产生的析出强化效应来对由高温回火过程期间的位错密度降低引起的强度降低进行补偿。然而，即使在应用上述方法时，由于PWHT工艺，抗力也可能显著降低。
同时，上述厚钢材可能具有下述问题：材料的强度和韧性在中高温环境中进行的装备(fitting)过程期间可能显著降低。
因此，可能需要开发这样的钢：该钢可以在中高温环境中适当使用，同时使强度和韧性在长时间的PWHT工艺之后的劣化显著降低。
(参考文献1)韩国公开专利申请No.2012-0073448
发明内容
技术问题
本公开的一方面是提供对高温回火热处理和焊后热处理具有优异抗力的压力容器用钢及其制造方法，该压力容器用钢可以在约350℃至600℃的中高温下适当地使用，并且使该压力容器用钢的强度和韧性在长时间的PWHT工艺之后的劣化显著降低。
技术方案
根据本公开的一方面，提供了对高温回火热处理和焊后热处理具有优异的抗力的压力容器用钢，该压力容器用钢以重量％计包含：0.05％至0.17％的C、0.50％至1.00％的Si、0.3％至0.8％的Mn、1.0％至1.5％的Cr、0.3％至1.0％的Mo、0.003％至0.30％的Ni、0.003％至0.30％的Cu、0.005％至0.06％的Sol.Al、0.015％或更少的P、0.020％或更少的S、选自由0.002％至0.025％的Nb、0.002％至0.03％的V和0.002％至0.15％的Co组成的组中的两者或更多者、以及余量的Fe和不可避免的杂质。
该钢包含回火马氏体和贝氏体的混合组织作为显微组织，并且回火马氏体的面积分数为20％或更高。
根据本公开的另一方面，提供了制造压力容器用钢的方法，该方法包括：在1000℃至1250℃对满足上述合金组成的钢板坯进行再加热；通过对经再加热的钢板坯进行热轧来制造热轧钢板；进行将热轧钢板在850℃至950℃保持1.3×t+10分钟至1.3×t+30分钟的热处理，其中t表示以mm为单位的钢板的厚度；对进行了热处理的热轧钢板以2℃/s至30℃/s的冷却速度进行冷却；以及进行将经冷却的热轧钢板在600℃至750℃保持1.6×t+10分钟至1.6×t+30分钟的回火处理工艺，其中，t表示以mm为单位的钢板的厚度。
该回火处理是在进一步进行两次热处理和冷却之后进行的。
有益效果
根据本公开，可以提供在进行最大50小时的长时间的PWHT工艺之后强度和韧性不会降低的压力容器用钢。
具体实施方式
本发明人已经研究了用于改善对在发电厂和工厂等的工业中于约350℃至600℃的中高温下使用的压力容器用钢在进行焊后热处理(PWHT)以减少焊接钢期间产生的残余应力之后的对强度和韧性劣化的抗性的方法。结果，已经发现，通过优化压力容器用钢的合金组成和制造条件，可以提供对高温回火热处理和焊后热处理具有优异抗力的钢。
当制造本公开中的具有目标性能的压力容器用钢时，通过进行三次正火热处理工艺，即使在长时间的PWHT工艺之后，也可以确保对强度和韧性劣化的优异的抗力。
在下文中，将更详细地描述本公开。
根据一个示例性实施方案的对高温回火热处理和焊后热处理具有优异抗力的压力容器用钢可以以重量％计包含：0.05％至0.17％的C、0.50％至1.00％的Si、0.3％至0.8％的Mn、1.0％至1.5％的Cr、0.3％至1.0％的Mo、0.003％至0.30％的Ni、0.003％至0.30％的Cu、0.005％至0.06％的Sol.Al、0.015％或更少的P、0.020％或更少的S。
在下面的描述中，将更详细地描述如上控制的压力容器用钢的合金组成。除非另有说明，否则可以以重量％表示每种组分的含量。
C：0.05％至0.17％
碳(C)是可以有效提高钢的强度的元素。当C的含量小于0.05％时，基体组织的强度可能降低。当C的含量超过0.17％时，强度可能过度增加，这可能降低韧性。
因此，可以优选地将C的含量控制为0.05％至0.17％。C的更优选含量可以为0.08％至0.15％。
Si：0.50％至1.00％
硅(Si)可以是可以有效脱氧和固溶强化的元素，并且可以伴随有冲击转变温度的增加。为了获得目标强度，Si的优选含量可以为0.50％或更高，但是当Si的含量超过1.00％时，可焊性可能降低，并且冲击韧性可能劣化。
因此，在本公开中，可以优选地将Si的含量控制为0.50％至1.00％。Si的更优选含量可以为0.55％至0.80％。
Mn：0.3％至0.8％
锰(Mn)可以通过与硫(S)一起形成MnS(细长的非金属夹杂物)而降低室温延伸率和低温韧性。因此，可以优选地将Mn的含量控制为0.8％或更小。当Mn的含量小于0.3％时，可能难以确保钢的强度，这可能不是优选的。
因此，在本公开中，可以优选地将Mn的含量控制为0.3％至0.8％。Mn的更优选含量可以为0.5％至0.7％。
Cr：1.0％至1.5％
铬(Cr)是可以提高高温强度的元素，并且为了获得足够的强度提高效果，Cr的优选含量可以为1.0％或更高。Cr是昂贵的元素，并且当Cr的含量超过1.5％时，制造成本可能增加，这可能不是优选的。
因此，在本公开中，可以优选地将Cr的含量控制为1.0％至1.5％。Cr的更优选含量可以为1.2％至1.4％。
Mo：0.3％至1.0％
钼(Mo)是与Cr类似的可以有效地提高高温强度的元素，并且可以防止由硫化物引起的开裂。为了获得该效果，Mo的优选含量可以为0.3％或更高。然而，由于Mo也是昂贵的元素，因此当Mo的含量超过1.0％时，制造成本可能显著增加。
因此，在本公开中，可以优选地将Mo的含量控制为0.3％至1.0％。Mo的更优选含量可以为0.5％至0.8％。
Ni：0.003％至0.30％
镍(Ni)是可以有效提高低温韧性的元素。为此，可能需要包含0.003％或更多的Ni。然而，当Ni的含量超过0.30％时，上述效果可能饱和，并且制造成本可能增加。
因此，在本公开中，可以优选地将Ni的含量控制为0.003％至0.30％。Ni的更优选含量可以为0.05％至0.25％。
Cu：0.003％至0.30％
铜(Cu)是可以有效提高钢的强度的元素，并且强度改善效果可以通过包含0.003％或更多的Cu来实现。然而，Cu是昂贵的元素，并且当Cu的含量超过0.30％时，制造成本可能增加。
因此，在本公开中，可以优选地将Cu的含量控制为0.003％至0.30％。Cu的更优选含量可以为0.05％至0.20％。
Sol.Al：0.005％至0.06％
与Si类似，Sol.Al是在炼钢过程中的强脱氧剂。当Sol.Al的含量小于0.005％时，脱氧效果可能不显著。当Sol.Al的含量超过0.06％时，脱氧效果可能饱和并且制造成本可能增加。
因此，在本公开中，可以优选地将Sol.Al的含量控制为0.005％至0.06％。
P：0.015％或更少
磷(P)是可以降低低温韧性并且可以增加回火脆化敏感性的元素。因此，可以优选地将P的含量控制成相对较低。然而，用于降低P含量的过程可能是困难的，并且由于额外的过程，制造成本可能增加。因此，可以优选地将P的含量控制为0.015％或更少。
S：0.020％或更少
硫(S)也是可以降低低温韧性的元素，并且可以通过在钢中形成MnS夹杂物而劣化钢的韧性。因此，可以优选地将S的含量控制成相对较低。然而，用于降低S含量的过程可能是困难的，并且由于额外的过程，制造成本可能增加。因此，可以优选地将S的含量控制为0.020％或更少。
优选地，本公开中的压力容器用钢还可以包含下面所描述的元素以确保性能。
例如，钢可以包含选自由Nb、V和Co组成的组中的两者或更多者。
Nb：0.002％至0.025％
铌(Nb)是可以通过形成细碳化物或氮化物有效防止基体组织软化的元素。为此，Nb的优选含量可以为0.002％或更高，但是Nb是昂贵的元素，可以优选地将Nb的上限含量控制为0.025％。
V：0.002％至0.03％
与Nb类似，钒(V)可以是可以容易形成细碳化物或氮化物的元素。为此，V的优选含量可以为0.002％或更高，但是V是昂贵的元素，可以优选地将V的上限含量控制为0.03％。
Co：0.002％至0.15％
钴(Co)是可以具有防止基体组织软化和延迟位错恢复的效果的元素。Co的优选含量可以在0.002％至0.15％的范围内。
本公开的剩余组分是铁(Fe)。然而，在一般的制造过程中，可能不可避免地添加来自原材料或周围环境的不可避免的杂质，因此可能不排除杂质。本领域技术人员可知晓这些杂质，因此，在本公开中不会特别提供对杂质的描述。
具有本公开中的上述合金组成的压力容器用钢可以具有如下构造的显微组织。
更具体地，压力容器用钢可以包含回火马氏体和贝氏体的混合组织，并且回火马氏体的优选面积分数可以是20％或更高。当回火马氏体的相分数小于20％时，可能不能充分确保强度，这可能不是优选的。更优选地，回火马氏体相的优选面积分数可以为20％至50％。
在本公开中，贝氏体相可以包含回火贝氏体相。
本公开中的压力容器用钢可以包含在显微组织的晶粒中的80nm或更小的细MX基碳化物，其中，M是Al、Nb、V、Cr和Mo，并且X是N和C。
如上所述，本公开中的压力容器用钢可以通过在基体组织中包含细碳化物而具有优异的PWHT抗力以及适当的强度和韧性。
本文中，尺寸可以指通过观察沿厚度方向截取的钢板的截面检测到的颗粒中的每个颗粒的等效圆直径(equivalent circular diameter)。
在下面的描述中，将描述制造对高温回火热处理和焊后热处理具有优异的抗力的压力容器用钢的方法。
可以通过对满足本公开中所提出的合金组成的钢板坯进行再加热、热轧、热处理、冷却和回火的过程来制造本公开中的压力容器用钢。在下面的描述中，将详细描述每个过程的工艺条件。
[对钢板坯进行再加热]
可以优选地在1000℃至1250℃的温度范围处对满足上述合金组成的钢板坯进行再加热。当再加热温度低于1000℃时，溶质原子的固溶可能是困难的。当再加热温度超过1250℃时，奥氏体晶粒的尺寸可能过度增加使得钢板的性能可能劣化。
[热轧]
可以优选地通过对如上经再加热的钢板坯进行热轧来制造热轧钢板。可以在每道次的压下率为5％至30％下进行热轧。
当热轧期间每道次的压下率小于5％时，由于轧制生产率的降低，制造成本可能增加。当每道次的压下率超过30％时，可能在轧机中产生负荷，这可能不利地影响设备。
[热处理(正火)]
可以优选地在特定温度处对如上制造的热轧钢板进行热处理并持续特定的时间段。具体地，可以优选地将热处理在850℃至950℃的温度范围处保持1.3×t+10分钟至1.3×t+30分钟，其中t表示以mm为单位的钢板的厚度。
当热处理的温度低于850℃时，由于溶质原子的固溶是困难的，所以可能难以确保目标强度。当温度超过950℃时，可能发生晶粒的生长，这可能使低温韧性劣化。
当在上述温度范围处进行的热处理期间保持时间小于1.3×t+10分钟时，组织的均化可能是困难的。当保持时间超过1.3×t+30分钟时，生产率可能降低，这可能不是优选的。
[冷却]
可以优选地将进行了热处理的热轧钢板以2℃/s至30℃/s的冷却速度冷却至室温。
当冷却期间的冷却速度小于2℃/s时，可能产生粗的铁素体晶粒。当冷却速度超过30℃/s时，可能需要过多的冷却设备，这在经济意义上可能不是优选的。
在本公开中，可以优选地进行三次上述热处理(正火)和冷却过程。
通常，在装配(fitting)压力容器用钢的过程期间执行三次正火过程。在该过程中，可能存在钢的强度和韧性劣化的问题。然而，在本公开中，通过在制造钢的过程中进行三次正火处理，可以使强度和韧性在PWHT工艺之后的劣化显著降低。
[回火]
可以优选地进行将经冷却的热轧钢板在600℃至750℃的温度范围处保持1.6×t+10分钟至1.6×t+30分钟的回火过程，其中t表示以mm为单位的钢板的厚度。
当在回火过程期间温度低于600℃时，由于难以析出细的析出物，因此可能难以确保目标强度。当温度超过750℃时，可能发生晶粒的生长，这可能使强度和低温韧性劣化。
当在上述温度范围处进行的回火处理期间保持时间小于1.6×t+10分钟时，组织的均化可能是困难的。当保持时间超过1.6×t+30分钟时，生产率可能会降低。
可能需要对通过上述过程制造的压力容器用钢进行PWHT处理，以去除因在制造压力容器时增添的焊接过程所产生的残余应力。
通常，在长时间的PWHT工艺之后，强度和韧性可能降低。然而，即使在600℃至(Ac1-20)℃的温度范围(一般的PWHT温度条件)处进行热处理并持续长的时间(最高达约50小时)时，本公开中制造的压力容器用钢也能够被焊接而不会使强度和韧性显著降低。
特别地，即使在50小时的PWHT工艺之后，本公开的钢板也可以具有550MPa或更高的抗拉强度并且在-30℃具有100J或更高的夏比冲击能量值。
在以下描述中，将更详细地描述本公开的示例实施方案。应当指出的是，提供示例性实施方案以更详细地描述本公开，并且并不限制本公开的权利范围。可以基于权利要求中记载的主题和从主题合理推断的事项来确定本公开的权利范围。
发明实施方式
(实施方案)
制备具有如下表1中所示的合金组成的钢板坯，并将钢板坯在1140℃加热300分钟并在再结晶区域(1100℃至900℃)中以每道次5％至20％的压下率进行轧制，从而制造出热轧钢板。此后，进行将热轧钢板保持在900℃至970℃的温度范围处的热处理并参照中心部分的冷却速度以3.5℃/s至15℃/s的冷却速度水冷却至室温。在下表2中所示的条件下对热轧钢板进行回火过程和PWHT工艺。
对完成了回火过程和PWHT工艺的热轧钢板进行拉伸试验，并检测屈服强度(YS)、抗拉强度(TS)和延伸率(El)。另外，进行夏比冲击试验，并在-30℃检测冲击能量值，并且结果列于表3中。
[表1]
[表2]
[表3]
如表1至表3中所示，满足本公开中所提出的合金组成和制造条件的本发明钢1至9即使在长时间(最大50小时)的PWHT工艺之后也具有600MPa或更高的抗拉强度和30％或更高的延展性，并且具有优异的夏比冲击能量值，即300J或更高。
不满足本公开的合金组成的比较钢1至3在PWHT工艺之后具有比本发明钢的强度低的强度，并且PWHT时间越长，低温韧性劣化得越多。

Claims (7)

1.一种对高温回火热处理和焊后热处理具有优异的抗力的压力容器用钢，所述压力容器用钢包含：
以重量％计，0.05％至0.17％的C、0.50％至1.00％的Si、0.3％至0.8％的Mn、1.0％至1.5％的Cr、0.3％至1.0％的Mo、0.003％至0.30％的Ni、0.003％至0.30％的Cu、0.005％至0.06％的Sol.Al、0.015％或更少的P、0.020％或更少的S、选自由0.002％至0.025％的Nb、0.002％至0.03％的V和0.002％至0.15％的Co组成的组中的两者或更多者、以及余量的Fe和不可避免的杂质，
其中，所述钢包含回火马氏体和贝氏体的混合组织作为显微组织，并且所述回火马氏体的面积分数为20％或更高。
2.根据权利要求1所述的压力容器用钢，其中，所述钢包含面积分数为20％至50％的回火马氏体相。
3.根据权利要求1所述的压力容器用钢，其中，所述钢包含在显微组织的晶粒中的80nm或更小的细MX基碳化物，其中，M为Al、Nb、V、Cr和Mo，并且X为N和C。
4.根据权利要求1所述的压力容器用钢，其中，所述钢即使在焊后热处理之后也具有550MPa或更高的抗拉强度，并且在-30℃具有100J或更高的夏比冲击能量值。
5.一种制造对高温回火热处理和焊后热处理具有优异的抗力的压力容器用钢的方法，所述方法包括：
在1000℃至1250℃对钢板坯进行再加热，所述钢板坯以重量％计包含：0.05％至0.17％的C、0.50％至1.00％的Si、0.3％至0.8％的Mn、1.0％至1.5％的Cr、0.3％至1.0％的Mo、0.003％至0.30％的Ni、0.003％至0.30％的Cu、0.005％至0.06％的Sol.Al、0.015％或更少的P、0.020％或更少的S、选自由0.002％至0.025％的Nb、0.002％至0.03％的V和0.002％至0.15％的Co组成的组中的两者或更多者、以及余量的Fe和不可避免的杂质，
通过对经再加热的所述钢板坯进行热轧来制造热轧钢板；
进行将所述热轧钢板在850℃至950℃保持1.3×t+10分钟至1.3×t+30分钟的热处理，其中，t表示以mm为单位的所述钢板的厚度；
对进行了所述热处理的所述热轧钢板以2℃/s至30℃/s的冷却速度进行冷却；以及
进行将经冷却的所述热轧钢板在600℃至750℃保持1.6×t+10分钟至1.6×t+30分钟的回火处理工艺，其中，t表示以mm为单位的所述钢板的厚度，
其中，所述回火处理是在进一步进行两次所述热处理和所述冷却之后进行的。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述热轧是在每道次5％至30％的压下率下进行的。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，在所述回火处理之后另外进行最大50小时的焊后热处理(PWHT)工艺。
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