CN110184531A - 一种40-60mm厚易焊接心部低温韧性优良的容器钢板及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种40‑60mm厚易焊接心部低温韧性优良的容器钢板及其制造方法，钢板的化学成分按质量百分比计C:0.04～0.09％、Si：≤0.40％、Mn：1.00～1.60％、P≤0.008％、S≤0.002％、Mo：0.12～0.30％、Nb+V+Ti≤0.10％、Ni:0.20‑0.60％、25ppm≤N≤55ppm、H≤2ppm，余量为Fe及不可避免的杂质元素，同时满足：Pcm≤0.20％，10≤w(Nb+V)/w(Ti)≤30。所述钢板的屈服强度≥490MPa，抗拉强度Rm≥620MPa，延伸率A≥21％，屈强比≤0.88，板厚1/4处横向冲击功‑50℃KV₂≥220J；板厚1/2处横向冲击功‑50℃KV₂≥100J。该方法包括如下工序：铁水预处理→转炉冶炼→钢包炉精炼→真空处理→连铸→铸坯罩冷→铸坯加热→控制轧制→控制冷却→堆缓冷→淬火→回火→探伤→性能检验。一种40‑60mm厚易焊接心部低温韧性优良的容器钢板，不仅有优良的强韧性匹配，还具有优良的心部低温冲击韧性，满足大型球罐用钢的要求。

Description

一种40-60mm厚易焊接心部低温韧性优良的容器钢板及其制 造方法

技术领域

本发明涉及一种40-60mm厚易焊接心部低温韧性优良的容器钢板及其制造方法，属于金属材料技术领域。

背景技术

随着国民经济的快速发展，对石化产品的需求日益增加，各种石油及化工产品储罐 库越来越多，球型储罐因其独有的优势越来越受到青睐。球罐的体积不断朝着大型化发展，为了保证球罐的大型化发展必须要开发球罐用钢材的低温冲击韧性，尤其是心部低 温冲击韧性和焊接性。

我国战略石油储备能力将继续增强，大型球罐用调质高强钢板具有良好的市场前景，因此开发能够批量稳定生产的满足大型球罐制造的易焊接心部低温韧性优良的容器钢板是顺应市场的需要。

专利(CN106591713 A)申请了一种高强度容器钢板及其制备方法，其抗拉强度在610MPa以上，具有良好的塑性和低焊接裂纹敏感性，但其使用温度仅为-20℃。

专利(CN1013343298 A)公布了一种低温容器用钢07MnNiMoDR的生产方法，其通过强化热机械轧制和轧后离线调质工艺来生产，采用Nb、V、Ti微合金化成分设计， 生产的钢板性能稳定、具有良好的强韧性匹配，但未提及钢板的心部低温冲击韧性。

专利(CN1116249 A)申请了一种大型球罐钢成分及热处理方法，成分和生产控制方 便，具有良好的焊接性能，但其强度和冲击韧性偏低，也未提及其心部低温冲击韧性。

综上所述，现有大型球罐用钢虽具有较好的强韧性和焊接性能，但使用温度较高且 无法保证钢板心部的低温冲击韧性，无法满足现有特大型球罐用钢的技术要求。

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一种40-60mm厚易焊接心部低温韧性优良的容器钢板及其制造方法，钢板不仅具有组织稳定、强度高、心部低温韧 性优良、低焊接裂纹敏感性等特性，而且生产成本相对较低、可操作性强。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种40-60mm厚易焊接心部低温韧性优良的容器钢板，钢板的化学成分按质量百分比计C:0.04～0.09％、Si：≤0.40％、Mn：1.00～1.60％、P≤0.008％、S≤0.002％、Mo：0.12～0.30％、Nb+V+Ti≤0.10％、Ni:0.20-0.60％、25ppm≤N≤55ppm、H≤2ppm，余量为Fe及不可避免的杂质元素，同时满足： Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.20％， 10≤w(Nb+V)/w(Ti)≤30。钢板(产品)的组织为近表面以及1/4板厚处为回火索氏 体，钢板1/4板厚至1/2板厚之间为回火贝氏体或者回火贝氏体和少量回火索氏体。

所述钢板的屈服强度≥490MPa，抗拉强度Rm≥620MPa，延伸率A≥21％，屈强比 ≤0.88，板厚1/4处横向冲击功-50℃KV₂≥220J；板厚1/2处横向冲击功-50℃KV₂≥100J。

本发明中C、Mn、P、S、Mo、Nb、Ni、V、Ti、H、N等元素的限定理由阐述如 下：

C能显著提高钢板的强度，但会导致塑性、冲击韧性的降低，同时焊接裂纹敏感性增大，焊接过程中容易产生裂纹。为了保证母材及焊接接头的强度、韧性和可焊性等， 因此本发明钢C的含量为0.04～0.09％。

Mn是提高钢板强度的常用元素，适量的Mn可替代C元素来提高钢板及焊接接头 的强度和改善韧性。随着Mn含量的增加，可提高钢中奥氏体的稳定性，降低临界冷却 速度，强化铁素体，显著提高淬透性，同时可使淬火后回火过程中组织分解转变速度减 慢，提高回火组织稳定性，但含量过高将使钢在高温下晶粒粗化，降低钢板及焊接接头 的韧性和可焊性，因此本发明钢Mn的含量为1.00％～1.60％。

P、S作为杂质元素在钢中是不可避免的，但其对钢板的加工性、尤其是低温冲击韧性是有害的，其含量越低越好，因此本发明钢P的含量≤0.008％，S的含量≤0.002％。

Mo是提高钢的回火稳定性和细化晶粒的重要元素，在控轧控冷过程中抑制多边形铁素体形成，促进贝氏体形成，适量的Mo元素还可改善焊接接头韧性，但Mo作为贵 重金属，加入量过多会显著使钢的成本上升。因此本发明钢Mo的含量为0.12～0.30％。

Ni特别有利于钢板的低温冲击韧性，也可减轻因Cu的添加而引起的铸坯表面裂纹倾向。但Ni价格昂贵，加入量过多会显著提高钢的生产成本，因此本发明钢Ni的含量 为0.20～0.60％。

Nb、V、Ti在控制轧制过程中可显著增加变形奥氏体的应变积累，在非再结晶区轧 制时引入大量高密度位错和畸变区，促进形成更多的相变核心和细化奥氏体组织。同时 形成碳氮化物，在奥氏体晶界的铁素体中沉淀析出，在轧制过程中能抑制奥氏体的再结 晶并阻止晶粒长大，从而起到细化铁素体晶粒，提高钢的强度和韧性以及焊接性。若含 量过高，不仅增加成本，而且析出物数量和尺寸增大，会导致钢的韧性尤其是心部韧性 降低，且会提高钢板的裂纹敏感性，因此，本发明钢Nb+V+Ti≤0.10％。

本申请10≤w(Nb+V)/w(Ti)≤30的设置依据：

Nb、V、Ti均可与C、N结合生产碳氮化物析出，从而起到细化晶粒的效果。由于 铸坯凝固过程的中心偏析，TiN析出后多聚集在铸坯心部附近，而TiN夹杂不规则的形 态对钢板的心部低温冲击韧性是不利的。另一方面，相同温度下，Ti与N的结合能力 比Nb、V强，因此，本申请控制10≤w(Nb+V)/w(Ti)，从而使更多的(Nb、V)CN 形成。同时，考虑到Nb、V昂贵的价格以及Nb+V+Ti≤0.10％的要求，w(Nb+V)/w(Ti) ≤30。

N与微合金化元素结合形成氮化合物，提高其析出温度及驱动力，促进V、Nb由 固溶态向析出相转变，使析出的氮化物或富氮的碳氮化物颗粒尺寸和间距明显减小，从 而充分发挥V、Nb的沉淀强化作用。若含量过高会恶化钢的冲击韧性，因此，本发明 钢25ppm≤N≤55ppm。

H氢原子容易在铸坯中扩散，在氢气压力的作用下，不同层面上的相邻氢鼓泡裂纹相互连接，从而形成阶梯状特征的心部裂纹，有时也会扩展到表面。因此，为了保证钢 板的心部低温韧性，本发明钢H≤2ppm，并对连铸坯进行扩氢处理。

本发明的另一目的是提供上述一种40-60mm厚易焊接心部低温韧性优良的容器钢板的制造方法，该方法包括如下工序：铁水预处理→转炉冶炼→钢包炉精炼→真空处理 →连铸→铸坯罩冷→铸坯加热→控制轧制→控制冷却→堆缓冷→淬火→回火→探伤→ 性能检验，具体步骤如下：

铁水经KR法预处理脱硫、转炉冶炼后，采用钢包炉精炼和真空处理，进行软吹15分钟以上后冶炼成高纯净钢水，采用全过程保护浇注、轻压下技术在连铸机上浇注成连 铸板坯，铸坯加罩缓冷；

将连铸坯加热至1170～1220℃，总的在炉时间≥370min，均热时间≥60min，出炉后 经高压水除鳞，除尽铸坯表面氧化铁皮；

进行两阶段轧制，初轧开轧温度为1020～1100℃，终轧温度控制在1000～1060℃，后2道次压下量≥40mm；精轧开轧温度为800～860℃；

轧后进行ACC冷却，冷却速度控制为10～30℃/s，返红温度为520～620℃，轧制 成40～60mm厚成品钢板，再进行880～920℃淬火和600～660℃回火处理，探伤及性 能检验合格后出厂。

本发明采用微合金化成分设计、控轧控冷和调质工艺生产。转炉冶炼前采用多种手段纯净钢水，如采用大高炉水、自产低硫废钢和KR铁水预处理，严格控制有害元素 和杂质元素含量，控制转炉扒渣后[P]≤0.005％；精炼时，通过Al线脱氧并适当调节氩 气流量，促进氧化物夹杂上浮。加脱硫剂进一步深脱硫，控制[S]≤0.002％，并严格控制 合金及辅料中杂质元素和有害元素含量。结束前按要求添加Nb、V等合金，使钢中形 成细小高温质点Nb(C、N)、V(C、N)，在钢液凝固和轧制过程中起到抑制晶粒长大和 细化晶粒作用，并促使高密度位错贝氏体的形成，进一步提高钢的强度；在真空处理时， 严格控制H含量；钢板第一阶段轧制时，后2道次进行除鳞操作，以增大板坯内外温差， 使轧制变形渗透到板坯心部，轧后进行缓冷，最后对钢板再进行高温回火，进一步消除 钢板应力和稳定组织，使钢板具有优异的强韧性匹配。

与现有技术相比，本发明的优点在于：一种40-60mm厚易焊接心部低温韧性优良的容器钢板，不仅有优良的强韧性匹配，还具有优良的心部低温冲击韧性，满足大型球 罐用钢的要求。采用超低C-Mn-Ni系加Nb、V等微合金化成分设计，经二次精炼及连 铸坯轻压下，使钢水更纯净，钢板性能更均匀，操作性强，生产成本相对较低。

附图说明

图1为本发明实施例一种54mm厚易焊接心部低温韧性优良的容器钢板的1/4处金相组织中索氏体的示意图；

图2为本发明实施例一种54mm厚易焊接心部低温韧性优良的容器钢板的1/2处金相组织中贝氏体的示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本实施例和对比例的熔炼化学成分见表1(wt％)，剩余为Fe及不可避免的杂质元素。

表1

上述实施例和对比例均在顶底复吹转炉冶炼，再经钢包炉深脱硫和精炼处理，最后 至真空炉进行脱气，软吹15分钟以上，使大夹杂物充分上浮去除，并保证成分均匀， 然后经轻压下和全过程保护浇注成连铸板坯。

将连铸坯加热至1170～1220℃，总的在炉时间≥370min，均热时间≥60min，出炉后 经高压水除鳞，除尽铸坯表面氧化铁皮；然后进行两阶段轧制，初轧开轧温度为1020～1100℃，终轧温度控制在1000～1060℃，后2道次压下量≥40mm；精轧开轧温度为800～ 860℃，轧后进行ACC冷却，冷却速度控制为10～30℃/s，返红温度为520～620℃，轧 制成40～60mm厚成品钢板，再进行880～920℃淬火和600～660℃回火处理，出炉后 空冷至室温。

表2为各实施例和对比例主要轧制和回火工艺参数。

表2

热处理后的钢板，在板厚1/4、1/2处取横向样加工成拉伸试样、冲击试样，并进行力学性能测试，检测结果见表3。

表3

由表3可见，本发明实施例试验钢板强度、延伸率、冲击韧性富裕量均较大，屈强比也较低，尤其是板厚1/2处冲击功都在180J以上，而对比例由于其化学成分导致强度 较低，板厚1/2处冲击功不稳定，单值最低仅为18J，且屈强比超过0.88。

该发明不仅保证了钢具有较好的强韧性，还使其具有较低的屈强比。本发明均可在 冶金企业中厚板厂实施，工艺流程简单，可操作性强且成本较低，可应用于石油、化工等行业建造大型球形储罐。

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 (6)

1.一种40-60mm厚易焊接心部低温韧性优良的容器钢板，其特征在于：该钢板的化学成分按质量百分比计为：C：0.04～0.09％、Si：≤0.40％、Mn：1.00～1.60％、P≤0.008％、S≤0.002％、Mo：0.12～0.30％、Nb+V+Ti≤0.10％、Ni:0.20-0.60％、25ppm≤N≤55ppm、H≤2ppm，余量为Fe及不可避免的杂质元素，同时还满足：

Pcm＝C+Si/30+(Mn+Cu+Cr)/20+Ni/60+Mo/15+V/10+5B≤0.20％，

10≤w(Nb+V)/w(Ti)≤30。

2.根据权利要求1所述的40-60mm厚易焊接心部低温韧性优良的容器钢板，其特征在于：钢板的组织为近表面以及1/4板厚处为回火索氏体，钢板1/4板厚至1/2板厚之间为回火贝氏体或者回火贝氏体和少量回火索氏体。

3.根据权利要求1所述的一种40-60mm厚易焊接心部低温韧性优良的容器钢板，其特征在于：所述屈服强度≥490MPa，抗拉强度Rm≥620MPa，延伸率A≥21％，屈强比≤0.88，板厚1/4处横向冲击功-50℃KV₂≥220J，板厚1/2处横向冲击功-50℃KV₂≥100J。

4.一种40-60mm厚易焊接心部低温韧性优良的容器钢板的制造方法，其特征在于：该方法包括如下工序：铁水预处理→转炉冶炼→钢包炉精炼→真空处理→连铸→铸坯罩冷→铸坯加热→控制轧制→控制冷却→堆缓冷→淬火→回火→探伤→性能检验。

5.根据权利要求4所述的40-60mm厚易焊接心部低温韧性优良的容器钢板的制造方法，其特征在于：具体步骤如下：

铁水经KR法预处理脱硫、转炉冶炼后，采用钢包炉精炼和真空处理，进行软吹15分钟以上后冶炼成高纯净钢水，采用全过程惰性气体保护浇注、轻压下技术在连铸机上浇注成连铸板坯，铸坯加罩缓冷；

将连铸坯加热至1170～1220℃，总的在炉时间≥370min，其中控制均热段时间≥60min，出炉后经高压水除鳞，除尽铸坯表面氧化铁皮；

进行两阶段轧制，初轧开轧温度为1020～1100℃，终轧温度控制在1000～1060℃，后2道次压下量≥40mm，初轧总压下率≥70％；精轧开轧温度为800～860℃，轧制成40～60mm厚成品钢板；

轧后进行ACC冷却，冷却速度控制为10～30℃/s，控制返红温度为520～620℃，经调质热处理，探伤及性能检验合格后出厂。

6.根据权利要求5所述的40-60mm厚易焊接心部低温韧性优良的容器钢板的制造方法，其特征在于：所述调质热处理包括淬火和回火，所述淬火温度880～920℃，淬火保温时间，淬火保温时间6～120min；所述回火温度600～660℃，回火保温时间120min～200min。