CN110184529A - 一种中低温压力容器封头用碳素钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种中低温压力容器封头用碳素钢板，该钢板的化学成分按重量百分比计为C：0.14～0.18％，Si：0.25～0.45％，Mn：1.10～1.30％，P：≤0.010％，S：≤0.003％，Al：0.02～0.05％，Nb：0.010～0.050％，Ti：0.010～0.030％，Ni：0.15～0.35％，Cu：0.10～0.30％，Ni/Cu≥1，余量为Fe及不可避免的杂质元素，碳当量Ceq≤0.43％，碳当量计算公式为：Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。钢板交货态为正火轧制态，产品具有良好的内部质量、较低的碳当量和表面布氏硬度，样坯依次进行模拟热成型、模拟正火和模拟焊后热处理后仍然具有良好的力学性能，完全可以满足石化行业发展的需要。

Description

一种中低温压力容器封头用碳素钢板及其制造方法
技术领域
本发明属于钢板制造领域，具体涉及一种厚度为10-40mm，中、低温压力容器封头用碳素钢板及其制造方法。
背景技术
封头是压力容器上的端盖，也是一个主要承压部件，其成型工艺通常有冷成型、温成型和热成型三种。热成型是目前封头制造的主流工艺，主要工序包括热冲压成型、恢复性能热处理、中间消应力处理和最终产品整体焊后热处理。为了便于封头热成型加工，通常成型温度范围为920-960℃。由于成型温度远高于钢板正火温度，因此封头成型后会出现晶粒粗大，最终造成性能恶化。为了保证封头性能满足标准和使用要求，热冲压成型后需进行恢复性能热处理，主要方式是正火处理；当钢板厚度较大，且有低温冲击性能要求时，由于正火处理出炉后钢板冷却速度较慢，通过正火处理恢复性能比较困难，因此封头制造厂通常采用正火+加速冷却+回火处理或者直接采用淬火+回火处理。钢板在热冲压和上述任何一种恢复性能热处理加热过程中均发生奥氏体化转变，其结果是将钢板交货态性能完全破坏，所以封头最终的性能主要取决于封头制造厂热冲压和恢复性能热处理工艺和装备条件，进一步来讲，对制造封头的母材来说，钢厂只要满足一定的化学成分和内部质量要求即可。目前设计上用于制造封头的钢板通常要求正火状态交货。与热轧和调质工艺相比，正火钢板硬度相对较低，对于封头冷成型和温成型来说是完全有必要的，可以有效防止由于加工硬化造成钢板硬度过高而开裂；但对于封头热成型来说，完全可以采用正火轧制代替正火进行生产，其原因有两个方面：其一，如前所述，即使钢板采用正火状态交货，在热冲压和恢复性能热处理加热过程中均发生奥氏体化转变，钢板交货态性能也会被完全破坏；其二，正火轧制是在一定温度范围内进行最终变形的一种轧制方法，它能使材料得到与正火处理的相同机械性能。目前，压力容器制造厂为了降低生产成本和缩短采购周期，开始接受封头热成型用钢板以正火轧制状态交货，因此开发正火轧制工艺生产的中、低温压力容器封头用碳素钢板十分必要，迫在眉睫。
发明内容
基于以上现有技术和市场需要，本申请人开发并要求保护一种中、低温压力容器封头用碳素钢板，可应用于石油化工行业压力容器封头的制造，具有良好的内部质量、较低的碳当量和表面布氏硬度，样坯依次进行模拟热成型、模拟正火和模拟焊后热处理后仍然具有良好的力学性能，完全可以满足石化行业发展的需要。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种中低温压力容器封头用碳素钢板，化学成分按重量百分比计为C：0.14～0.18％，Si：0.25～0.45％，Mn：1.10～1.30％，P：≤0.010％，S：≤0.003％，Al：0.02～0.05％，Nb：0.010～0.050％，Ti：0.010～0.030％，Ni：0.15～0.35％，Cu：0.10～0.30％，Ni/Cu≥1，余量为Fe及不可避免的杂质元素，碳当量Ceq≤0.43％，碳当量计算公式为：Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。
进一步地，该钢板的化学成分按重量百分比计为C：0.16～0.18％，Si：0.25～0.35％， Mn：1.20～1.30％，P：≤0.008％，S：≤0.002％，Al：0.02～0.04％，Nb：0.010～0.020％， Ti：0.01～0.020％，Ni：0.20～0.25％，Cu：0.18～0.22％，Ni/Cu≥1，余量为Fe及不可避免的杂质元素，碳当量Ceq≤0.43％，碳当量计算公式为：Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V) /5+(Ni+Cu)/15。
本申请涉及的钢板产品可应用于石油化工行业中、低温压力容器封头的制造，具有良好的内部质量、较低的碳当量和表面布氏硬度，样坯依次进行模拟热成型、模拟正火和模拟焊后热处理后仍然具有良好的力学性能，具体性能如下
钢板的厚度为10-40mm，钢板探伤可满足NB/T47013.3标准I级合格，其力学性能满足：钢板交货态表面布氏硬度≤180HB，样坯依次进行模拟热成型、模拟正火和模拟焊后热处理后，屈服强度≥350Mpa，抗拉强度≥520Mpa，延伸率≥25％，-30℃横向冲击可满足单值≥150J。钢板的交货态为正火轧制态。
本发明化学元素在钢中的作用如下：
C：碳能够显著提高钢板的强度，但含量超过0.18％时，钢的低温韧性显著恶化。本专利碳含量控制在0.14～0.18％。
Mn：锰降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却的过冷度，细化珠光体组织，以改善其力学性能，受碳当量≤0.43％的限制，本专利锰含量控制在1.10～1.30％。
Si：硅是在炼钢过程中是良好的还原剂和脱氧剂，同时具有较强的固溶强化作用，可以提高常温强度和硬度，但含量过高会降低冲击韧性和钢板表面质量，本专利硅含量控制在0.25～0.45％。
P:鳞是有害元素，增加钢的冷脆性，使塑性和焊接性能变差，应尽量降低，本专利鳞含量控制在0.010％以下。
S：硫是有害元素，增加钢的热脆性，降低韧性和延展性，对焊接性能不利，应尽量降低，本专利硫含量控制在0.003％以下。
Cu：铜具有一定沉淀强化作用，但含量过高会弱化晶界，导致钢板表面出现星裂纹，本专利铜含量控制在0.10～0.30％。
Ni:镍能细化铁素体晶粒，在强度相同的条件显著提高低温冲击韧性，Ni/Cu≥1时，可以消除Cu对钢的不利影响，同时，Ni与Cu组合搭配可以防止模拟焊后热处理后钢板强度大幅度下降。由于Ni是稀缺资源，钢中添加Ni元素会增加生产成本，应控制使用，本专利镍含量控制在0.15～0.35％。
Nb：铌可以显著提高钢的奥氏体再结晶温度，扩大再结晶区范围，便于实现高温轧制，铌还可以抑制奥氏体晶粒长大，具有细晶强化和析出强化的作用，本专利Nb含量控制在0.01～0.05％。
Ti：钛与C、N元素形成碳氮化物，具有推迟奥氏体再结晶，细化铁素体晶粒的作用，可以同时提高钢板强度和韧性，本专利Ti含量控制在0.010～0.03％。
Al：铝主要用来脱氧和有细化晶粒，本专利Al含量控制在0.02～0.05％。
本发明的另一目的是提供上述碳素钢板的制造方法，主要生产工序包括(1)冶炼工序、(2)加热工序、(3)轧制工序，冶炼工序最终获得150mm及以上厚度的钢坯，轧制工序采用正火轧制，将终轧温度控制在正火温度范围内，轧制压下率＞3。
(1)冶炼工序是将冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气处理和板坯连铸工序，转炉冶炼后扒渣处理，LF精炼结束后进行钙处理，RH真空处理极限真空度≤65Pa，真空保压时间为15-25min，钢包底部软吹氩气时间为 10-20min，浇注前镇静时间为15-30min，确保非金属夹杂物充分变性上浮进入渣中，提高钢水纯净度；连铸工序采用全程氩气保护浇注，通过动态轻压下技术减轻铸坯偏析和疏松缺陷，板坯下线后堆垛缓冷48小时以上，确保钢中的氢充分扩散。
(2)加热工序采用分段加热方式：预热段温度≤900℃，第一加热段温度为 980-1200℃，第二加热段温度为1190～1260℃，均热段温度为1180-1250℃，连铸板坯加热总时间≥3h，第二加热段和均热段总加热时间≥60min。
(3)轧制工序：为了精确控制终轧温度，采用纵轧展宽，横轧到底，快速轧制，在轧机能力允许条件下尽量减少轧制道次，在整个轧制过程中不采用轧机除鳞水除鳞。轧制过程分为两个阶段，第一阶段为粗轧阶段，该阶段主要完成纵轧展宽变形，开轧温度为1020-1100℃，终轧温度为930-970℃，粗轧结束时控制中间坯厚度为2.0-4.0倍成品钢板厚度，然后快速输送至精轧机；第二阶段为精轧阶段，中间坯到达精轧机后立即开轧，轧制速度为4.0-5.0m/s，4-6道次完成轧制，累计压下率≥50％，终轧温度控制在 870-910℃，轧后不进行ACC冷却。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明涉及一种中、低温压力容器封头用碳素钢板，具有良好的内部质量、较低的碳当量和表面布氏硬度，样坯依次进行模拟热成型、模拟正火和模拟焊后热处理后仍然具有良好的力学性能，完全可以满足石化行业发展的需要。
为了实现上述目的，同时简化生产工序，降低生产成本，本发明采用正火轧制代替正火进行生产，通过合理的成分和工艺设计，使钢板具有和正火工艺生产钢板具有相同水平的力学性能，其目的是确保钢板在后续加工过程中经正火处理后力学性能基本不变。
正火轧制工艺的特点是要将终轧温度精确控制在正火温度范围内。对于薄规格中、低温压力容器封头用碳素钢板来说，实现正火轧制工艺难度较大，主要有两个方面，其一，通常封头用钢板宽度较大，受扭矩限制，展宽道次轧钢道次压下量较小，导致粗轧阶段轧钢道次较多，不利于轧制力向心部渗透和消除疏松缺陷，同时会造成坯料温降较快，影响精轧阶段终轧温度的精确控制；其二，随着轧制的进行，钢板厚度逐渐减薄，同时降温速度也随之增加，尤其是精轧最后3个轧制道次，降温速度很快，因此很难将轧制温度控制在正火温度范围内。
本专利通过采用合理分配轧制道次、快速轧制和不使用轧机除鳞水除鳞等措施可以将钢板终轧温度精确控制在正火温度范围内，最终实现正火轧制工艺，使钢板得到与正火处理钢板相同的力学性能。由于本专利轧制过程中不采用轧机除鳞水水除鳞，钢板表面可能会出现氧化铁皮缺陷，可以通过后续抛丸和修磨进行处理，使钢板表面质量达到标准和使用要求。
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
本实施例钢板的厚度为10mm，其化学成分按重量百分比计为：其化学成分按重量百分比计为：C：0.17％，Si：0.36％，Mn：1.25％，P：0.006％，S：0.001％，Al：0.035％， Nb：0.018％，Ti：0.012％，Ni：0.22％，Cu：0.20％，Ni/Cu；1.1，余量为Fe及不可避免的杂质元素，碳当量Ceq：0.424％，该钢板的制造工艺为如下：
采用150mm断面连铸板坯作为坯料，主要生产工序包括冶炼工序、加热工序和轧制工序，其中轧制工序采用正火轧制工艺，主要工序的具体操作如下：
1)冶炼工序
冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气处理和板坯连铸工序。转炉冶炼后扒渣处理，LF精炼结束后进行钙处理，RH真空处理极限真空度为 60Pa，真空保压时间为21min，钢包底部软吹氩气时间为14min，浇注前镇静时间为 27min，确保非金属夹杂物充分变性上浮进入渣中，提高钢水纯净度；连铸工序采用低过热度全程氩气保护浇注，通过动态轻压下技术减轻铸坯偏析和疏松缺陷。板坯下线后堆垛缓冷48小时以上，确保钢中的氢充分扩散。
2)加热工序
采用分段加热方式：预热段温度≤900℃，第一加热段温度为980-1200℃，第二加热段温度为1190～1260℃，均热段温度为1180-1250℃，连铸板坯加热总时间为200min，第二加热段和均热段总加热时间为65min，确保铸坯心部加热到目标温度，烧匀烧透。
3)轧制工序
为了精确控制终轧温度，采用纵轧展宽，横轧到底，快速轧制，在轧机能力允许条件下尽量减少轧制道次，在整个轧制过程中不采用轧机除鳞水除鳞。轧制过程分为两个阶段，第一阶段为粗轧阶段，该阶段主要任务是完成展宽变形，开轧温度为1080℃，终轧温度为950℃，粗轧结束时控制中间坯厚度为40mm，然后以最快速度输送至精轧机；第二阶段为精轧阶段，中间坯到达精轧机后立即开轧，轧制速度为4.8m/s，6道次完成轧制，累计压下率为62％，终轧温度为875℃，轧后不进行ACC冷却。
经由上述制造工艺制得的10mm厚压力容器封头钢板，探伤可满足NB/T47013.3标准I级合格，在交货状态下和模拟焊后热处理(样坯依次进行模拟热成型、模拟正火和模拟焊后热处理)条件下均具有良好的力学性能，详见表1和表2。
实施例2
本实施例钢板的厚度为25mm，其化学成分按重量百分比计为：其化学成分按重量百分比计为：C：0.16％，Si：0.36％，Mn：1.28％，P：0.007％，S：0.001％，Al：0.030％， Nb：0.016％，Ti：0.015％，Ni：0.26％，Cu：0.22％，Ni/Cu；1.18，余量为Fe及不可避免的杂质元素，碳当量Ceq：0.425％，该钢板的制造工艺为如下：
采用150mm断面连铸板坯作为坯料，主要生产工序包括冶炼工序、加热工序和轧制工序，其中轧制工序采用正火轧制工艺，主要工序的具体操作如下：
3)冶炼工序
冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气处理和板坯连铸工序。转炉冶炼后扒渣处理，LF精炼结束后进行钙处理，RH真空处理极限真空度≤ 62Pa，真空保压时间为18min，钢包底部软吹氩气时间为16min，浇注前镇静时间为 26min，确保非金属夹杂物充分变性上浮进入渣中，提高钢水纯净度；连铸工序采用低过热度全程氩气保护浇注，通过动态轻压下技术减轻铸坯偏析和疏松缺陷。板坯下线后堆垛缓冷48小时以上，确保钢中的氢充分扩散。
4)加热工序
采用分段加热方式：预热段温度≤900℃，第一加热段温度为980-1200℃，第二加热段温度为1190～1260℃，均热段温度为1180-1250℃，连铸板坯加热总时间为210min，第二加热段和均热段总加热时间为70min，确保铸坯心部加热到目标温度，烧匀烧透。
3)轧制工序
为了精确控制终轧温度，采用纵轧展宽，横轧到底，快速轧制，在轧机能力允许条件下尽量减少轧制道次，在整个轧制过程中不采用轧机除鳞水除鳞。轧制过程分为两个阶段，第一阶段为粗轧阶段，该阶段主要任务是完成展宽变形，开轧温度为1050℃，终轧温度为963℃，粗轧结束时控制中间坯厚度为65mm，然后以最快速度输送至精轧机；第二阶段为精轧阶段，中间坯到达精轧机后立即开轧，轧制速度为4.4m/s，4道次完成轧制，累计压下率为62％，终轧温度为889℃，轧后不进行ACC冷却。
经由上述制造工艺制得的25mm厚压力容器封头钢板，探伤可满足NB/T47013.3标准I级合格，在交货状态下和模拟焊后热处理(样坯依次进行模拟热成型、模拟正火和模拟焊后热处理)条件下均具有良好的力学性能，详见表1和表2。
实施例3
本实施例钢板的厚度为40mm，其化学成分按重量百分比计为：其化学成分按重量百分比计为：C：0.17％，Si：0.36％，Mn：1.24％，P：0.007％，S：0.001％，Al：0.036％， Nb：0.016％，Ti：0.015％，Ni：0.25％，Cu：0.20％，Ni/Cu；1.25，余量为Fe及不可避免的杂质元素，碳当量Ceq：0.427％，该钢板的制造工艺为如下：
采用150mm断面连铸板坯作为坯料，主要生产工序包括冶炼工序、加热工序和轧制工序，其中轧制工序采用正火轧制工艺，主要工序的具体操作如下：
5)冶炼工序
冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气处理和板坯连铸工序。转炉冶炼后扒渣处理，LF精炼结束后进行钙处理，RH真空处理极限真空度为 61Pa，真空保压时间为23min，钢包底部软吹氩气时间为18min，浇注前镇静时间为30min，确保非金属夹杂物充分变性上浮进入渣中，提高钢水纯净度；连铸工序采用低过热度全程氩气保护浇注，通过动态轻压下技术减轻铸坯偏析和疏松缺陷。板坯下线后堆垛缓冷48小时以上，确保钢中的氢充分扩散。
6)加热工序
采用分段加热方式：预热段温度≤900℃，第一加热段温度为980-1200℃，第二加热段温度为1190～1260℃，均热段温度为1180-1250℃，连铸板坯加热总时间为215min，第二加热段和均热段总加热时间为80min，确保铸坯心部加热到目标温度，烧匀烧透。
3)轧制工序
为了精确控制终轧温度，采用纵轧展宽，横轧到底，快速轧制，在轧机能力允许条件下尽量减少轧制道次，在整个轧制过程中不采用轧机除鳞水除鳞。轧制过程分为两个阶段，第一阶段为粗轧阶段，该阶段主要任务是完成展宽变形，开轧温度为1060℃，终轧温度为940℃，粗轧结束时控制中间坯厚度为80mm，然后以最快速度输送至精轧机；第二阶段为精轧阶段，中间坯到达精轧机后立即开轧，轧制速度为4.2m/s，6道次完成轧制，累计压下率为60％，终轧温度控制在895℃，轧后不进行ACC冷却。
经由上述制造工艺制得的40mm厚压力容器封头钢板，探伤可满足NB/T47013.3标准I级合格，在交货状态下和模拟焊后热处理(样坯依次进行模拟热成型、模拟正火和模拟焊后热处理)条件下均具有良好的力学性能，详见表1和表2。
对比例：对实施例1、实施例2和实施例3所得钢板进行离线正火处理并检测力学性能，检验结果如表1和表2所示，可以看出，本发明实施例不经过离线正火处理即可达到与对比例相同的力学性能水平。
表1各实施例所生产的钢板的力学性能
样坯依次进行模拟热成型、模拟正火和模拟焊后热处理，工艺制度如下：
模拟热成型：930±20℃×48min；
模拟正火：910±10℃×60min，出炉空冷；
模拟焊后热处理制度：620±10℃×6h，≤400℃进出炉温度，升降温速度≤50℃/h。
表2各实施例所生产的钢板的表面布氏硬度
样坯依次进行模拟热成型、模拟正火和模拟焊后热处理，工艺制度如下：
模拟热成型：930±20℃×48min；
模拟正火：910±10℃×60min，出炉空冷；
模拟焊后热处理制度：620±10℃×6h，≤400℃进出炉温度，升降温速度≤50℃/h。
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 (10)

1.一种中低温压力容器封头用碳素钢板，其特征在于：该钢板的化学成分按重量百分比计为C：0.14～0.18％，Si：0.25～0.45％，Mn：1.10～1.30％，P：≤0.010％，S：≤0.003％，Al：0.02～0.05％，Nb：0.010～0.050％，Ti：0.010～0.030％，Ni：0.15～0.35％，Cu：0.10～0.30％，Ni/Cu≥1，余量为Fe及不可避免的杂质元素，碳当量Ceq≤0.43％，碳当量计算公式为：Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。
2.根据权利要求1所述的中低温压力容器封头用碳素钢板，其特征在于：该钢板的化学成分按重量百分比计为C：0.16～0.18％，Si：0.25～0.35％，Mn：1.20～1.30％，P：≤0.008％，S：≤0.002％，Al：0.02～0.04％，Nb：0.010～0.020％，Ti：0.01～0.020％，Ni：0.20～0.25％，Cu：0.18～0.22％，Ni/Cu≥1，余量为Fe及不可避免的杂质元素，碳当量Ceq≤0.43％，碳当量计算公式为：Ceq＝C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15。
3.根据权利要求1所述的中低温压力容器封头用碳素钢板，其特征在于：该钢板可应用于石油化工行业中、低温压力容器封头的制造，具有良好的内部质量、较低的碳当量和表面布氏硬度，样坯依次进行模拟热成型、模拟正火和模拟焊后热处理后仍然具有良好的力学性能。
4.根据权利要求3所述的中低温压力容器封头用碳素钢板，其特征在于：钢板的厚度为10-40mm，钢板探伤可满足NB/T47013.3标准I级合格，其力学性能满足：钢板交货态表面布氏硬度≤180HB，样坯依次进行模拟热成型、模拟正火和模拟焊后热处理后，屈服强度≥350Mpa，抗拉强度≥520Mpa，延伸率≥25％，-30℃横向冲击可满足单值≥150J。
5.根据权利要求1所述的中低温压力容器封头用碳素钢板，其特征在于：该钢板的交货态为正火轧制态。
6.一种中低温压力容器封头用碳素钢板的制造方法，其特征在于：包括(1)冶炼工序、(2)加热工序、(3)轧制工序，冶炼工序最终获得150mm及以上厚度的钢坯，轧制工序采用正火轧制，将终轧温度控制在正火温度范围内，轧制压下率＞3。
7.根据权利要求6所述的中低温压力容器封头用碳素钢板的制造方法，其特征在于：所述冶炼工序是将冶炼原料依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气处理和板坯连铸工序，转炉冶炼后扒渣处理，LF精炼结束后进行钙处理，RH真空处理极限真空度≤65Pa，真空保压时间为15-25min，钢包底部软吹氩气时间为10-20min，浇注前镇静时间为15-30min，确保非金属夹杂物充分变性上浮进入渣中，提高钢水纯净度；连铸工序采用全程氩气保护浇注，通过动态轻压下技术减轻铸坯偏析和疏松缺陷，板坯下线后堆垛缓冷48小时以上，确保钢中的氢充分扩散。
8.根据权利要求6所述的中低温压力容器封头用碳素钢板的制造方法，其特征在于：加热工序采用分段加热方式：预热段温度≤900℃，第一加热段温度为980-1200℃，第二加热段温度为1190～1260℃，均热段温度为1180-1250℃，连铸板坯加热总时间≥3h，第二加热段和均热段总加热时间≥60min。
9.据权利要求6所述的中低温压力容器封头用碳素钢板的制造方法，其特征在于：为了精确控制终轧温度，采用纵轧展宽，横轧到底，快速轧制，在轧机能力允许条件下尽量减少轧制道次，在整个轧制过程中不采用轧机除鳞水除鳞。
10.据权利要求9所述的中低温压力容器封头用碳素钢板的制造方法，其特征在于：轧制过程分为两个阶段，第一阶段为粗轧阶段，该阶段主要完成纵轧展宽变形，开轧温度为1020-1100℃，终轧温度为930-970℃，粗轧结束时控制中间坯厚度为2.0-4.0倍成品钢板厚度，然后快速输送至精轧机；第二阶段为精轧阶段，中间坯到达精轧机后立即开轧，轧制速度为4.0-5.0m/s，4-6道次完成轧制，累计压下率≥50％，终轧温度控制在870-910℃，轧后不进行ACC冷却。
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