CN110438396A - 一种低压缩比、高性能q 345r超宽特厚容器钢及其制造方法 - Google Patents

一种低压缩比、高性能q 345r超宽特厚容器钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低压缩比、高性能Q345R超宽特厚容器钢，配合连铸工艺，生产工艺路线：铁水预处理→转炉炼钢→炉外精炼→真空脱气→板坯连铸→坯料堆缓冷→加热→轧制→钢板堆缓冷→超声波探伤→正火→超声波探伤→空冷→精整。钢板厚度可达101～120mm、宽度达3500～4050mm，芯部性能优异：‑29℃低温冲击值100J以上超出了GB/T 713‑2014标准规定“‑20℃冲击功≥41J”的要求，450℃高温拉伸性能满足GB/T713‑2014中表3的要求，Z向性能优良：超过了标准对钢板Z向性能35％的最高要求。钢板整板力学性能均匀，表明该钢材的致密性非常高，满足了对大厚度钢材芯部及整板力学性能、组织均匀的苛刻要求；钢板经过模拟焊后热处理后，组织仍保持均匀，芯部拉伸和芯部冲击性能无明显波动。

Description

一种低压缩比、高性能Q 345R超宽特厚容器钢及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种压力容器用钢板，尤其涉及低压缩比生产的高性能Q 345R超宽特厚容器钢。
背景技术
随着我国石油化工行业的快速发展，压力容器的设计和制造正朝着大厚度、高参数化方向发展，这对压力容器的安全性提出了更高的要求，对于制造压力容器用钢板的性能和规格提出了更加苛刻的要求。其中Q345R作为压力容器用钢，相当于ASME SA516/SA516M-2017中牌号SA516Gr70，凭借其良好的低温冲击性能和工艺性能，被广泛用于制造石油、化工等使用条件苛刻的大型设备。
随着宽厚板生产技术的发展，采用连铸坯生产厚度101～120mm、宽度3500～4050mm钢板技术已逐渐普及，受轧机工作辊面的宽度上限4300mm的影响，采用连铸坯生产的厚度101mm以上、宽度3500mm以上、压缩比3.08～3.66该钢种钢板具有以下特性：低温韧性较差、整板力学性能均匀性较差、边部探伤缺陷尺寸较大数量较多影响焊缝质量，严重限制了该钢的使用。
中国专利申请号CN201110358363.9公开了“一种特厚钢板的生产方法”：采用300mm厚度连铸坯轧制，简化生产工序，降低生产成本；采用微合金化处理，利用ε-Cu的析出生产出低碳当量(Ceq≤0.40％)高性能压力容器用60～100mm钢板，满足高参数压力容器制造的需要。该技术存在的不足之处包括：1、生产钢板的厚度为60～100mm；2、钢板实物性能仅为钢板交货态性能数据，无模拟焊后热处理态性能数据；3、仅展示了200℃高温拉伸性能合格，钢板制成的容器使用环境温度受限。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用370mm断面连铸坯生产的厚度为101～120mm、压缩比3.08～3.66的高性能容器钢板，主要用于制造加氢反应器、锅炉封头、筒体等压力部件，钢板边部探伤满足NB/T 47013.3-2015中1级要求，具有较大的-29℃低温冲击韧性富裕量、较好的450℃高温拉伸性能和Z向性能，尤其具有满足模拟焊后热处理的低温冲击韧性不明显减弱的要求。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种低压缩比、高性能Q 345R超宽特厚容器钢，其特征在于：化学成分按质量百分比计为C：≤0.17％，Si：0.15～0.40％，Mn：1.25～1.55％，Nb：0.010-0.050％，P：≤0.015％，S：≤0.005％，Ni：0.10～0.30％，Alt：≥0.020％，Cu：≤0.30％，Cr：≤0.30％，Mo：≤0.08％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
钢板成分中，C能够显著提高钢板的强度和硬度，但是对塑性和韧性有不利影响，为了提高-29℃低温冲击性能，C含量控制≤0.17％；Si主要作为炼钢时的还原剂和脱氧剂使用，有一定的固溶强化作用，但如含量过高会导致钢的低温韧性降低，所以Si控制在0.30％左右；Mn通过固溶强化提高钢的强度，对韧性也有利；Nb形成Nb(N,C)析出相提高再结晶温度，细化奥氏体晶粒，能有效提高钢的强度和韧性；Ni能够提高钢的韧性和塑性，同时也增加强度；P、S是有害元素，P增加钢的脆性，降低钢的焊接性能，降低塑性和冷加工性能，S降低钢的延展性和韧性，在热加工过程中造成裂纹，故尽量减少P、S含量。
本发明钢板的生产工艺路线为：铁水预处理→转炉炼钢→炉外精炼→真空脱气→板坯连铸→坯料堆缓冷→加热→轧制→钢板堆缓冷→超声波探伤→正火→超声波探伤→空冷→精整。转炉冶炼连铸、加热轧制、热处理各工序具体步骤和工艺参数如下：
(1)转炉冶炼连铸：冶炼原料依次经KR铁水预处理，转炉冶炼：转炉出钢P≤0.012％，转炉出炉温度为1610～1680℃；LF精炼：白渣保持时间不小于25min，总精炼时间不小于45min，钢水S≤0.005％；RH真空脱气精炼：真空度≤0.5mbar，真空保持时间在10min以上时破空；连铸：开浇炉过热度≤40℃、连浇炉≤30℃，拉速控制0.50～0.60m/min。
(2)加热轧制：连铸坯加热段温度为1200～1280℃，高温段保持时间约3.5小时；轧制时，以连铸板坯长度作为钢板宽度全横轧，开轧温度为1040～1120℃，粗轧机轧辊线速度0.8～1.5m/S，粗轧后3道次的单道次压下率≥12％且轧制力≥75000KN，精轧开轧温度880～950℃，终轧温度850～920℃，轧制的总压缩比为3.08～3.66；轧制完成后，钢板下线堆缓冷，缓冷48小时以上解垛。
(3)热处理工序：对钢板进行正火热处理，获得钢板成品。
钢板的最终厚度为101～120mm，压缩比为3.08～3.66，对应的连铸坯厚度为370mm左右。
钢板的宽度可达3500～4050mm，芯部性能优异：-29℃低温冲击值100J以上，Z向性能(大于60％)超过了标准对钢板Z向性能35％的最高要求，450℃高温拉伸性能满足GB/T713-2014中表3的要求，钢板整板力学性能均匀，与模拟焊后热处理之前相比，无明显降低。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
本发明是为了获得低压缩比、高性能超宽特厚Q345R钢板，使之适于制作压力容器如加氢反应器、锅炉封头、筒体等。钢板碳含量(≤0.17％)低于现有钢板(0.18-0.20％)的碳含量，提高了低温韧性和焊接性能，不仅能够在-29℃仍保持非常高的冲击功，同时还满足钢板室温和450℃高温拉伸强度的要求；经检验，钢板在经过最大模拟焊后和最小模拟焊后热处理以后低温韧性和强度没有明显下降，且整板力学性能均匀，完全满足了客户的使用要求。
为了实现上述目的，本发明采用优化的化学成分，尽量减小有害元素含量，控制P≤0.015％，S≤0.005％，确保以上元素在连铸、轧制或热处理过程中不发生严重偏析而导致晶界强度下降及降低低温韧性和强度。
在冶炼阶段，通过LF精炼和RH真空脱气，使氢含量下降至2ppm以下，确保钢板具有较高的抗氢致开裂能力，尽量降低氢脆对钢板低温韧性的影响。转炉冶炼生产的连铸坯内部质量如中心偏析、中心疏松等缺陷得到遏制，有助于钢板获得优异的芯部性能。
在轧制阶段，采用全横轧，通过降低轧辊线速度、提高粗轧后三道次单道次压下率，确保在轧机能力范围内轧制力渗透至连铸坯芯部，有利于使连铸坯芯部缺陷压合，提高钢板厚度方向致密度，有助于钢板获得均匀的整板力学性能和组织。
本发明钢板的热处理采用正火的工艺，正火后钢板获得均匀无夹杂的铁素体+珠光体组织，确保钢板的芯部低温冲击韧性、强度及Z向性能优良。
本发明制造的低压缩比、高性能超宽特厚Q345R钢板厚度可达101～120mm、宽度可达3500～4050mm，芯部性能优异，尤其是-29℃低温冲击值100J以上超出了GB/T713-2014标准规定“-20℃冲击功≥41J”的要求，450℃高温拉伸性能满足GB/T 713-2014中表3的要求，Z向性能优良，超过了标准对钢板Z向性能35％的最高要求。钢板整板力学性能均匀，表明该钢材的致密性非常高，满足了对大厚度钢材芯部及整板力学性能、组织均匀的苛刻要求；钢板经过模拟焊后热处理后，组织仍保持均匀，芯部拉伸和芯部冲击性能无明显波动，仍满足钢材性能要求。此外，与传统的钢锭、电渣锭等生产工艺相比，相应的制备方法具有成本低、生产周期短的优点，便于推广应用。
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
本实施例的高性能超宽特厚Q345R钢板的厚度为120mm、宽度为3960mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.16％，Si：0.25％，Mn：1.32％，P：0.008％，S：0.003％，Nb：0.030％，Ni：0.20％，Alt：0.030％，H：0.00012％，O：0.0015％，N：0.0035％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
该钢板的制造工艺为，按上述钢板成品的化学组分配置冶炼原料，(1)冶炼连铸：冶炼原料依次经KR铁水预处理，转炉冶炼：转炉出钢P≤0.010％，转炉出炉温度为1610～1650℃；LF精炼：白渣保持时间不小于25min，总精炼时间不小于45min，钢水S≤0.005％时扒渣；RH真空脱气精炼：真空度≤0.5mbar，真空保持时间在10min以上时破空；连铸：开浇炉过热度≤40℃、连浇炉≤30℃，拉速控制0.50～0.60m/min，连铸坯堆缓冷48小时以上，改善芯部偏析。(2)加热轧制：连铸坯加热温度为1200～1280℃，高温段保持时间约3.5小时，以连铸板坯长度作为钢板宽度全横轧，开轧温度为1040～1120℃，粗轧机轧辊线速度0.8～1.5m/S，粗轧后3道次的单道次压下率为13～16％，精轧开轧温度880～950℃，终轧温度850～920℃，轧制的总压缩比为3.08；轧制完成后，钢板下线堆缓冷，缓冷24小时以上，钢板轧后缓冷的目的是改善钢板芯部偏析。(3)热处理工序：对钢板进行正火热处理，加热温度为860～920℃，在炉时间为1.8～2.2min/mm，出炉后在冷床上交替放置，板间距≥3m，空冷至常温下线堆放，获得钢板成品。
经由上述制造工艺制得的120mm厚的高性能超宽特厚Q345R钢板具有非常高的低温冲击功且数值波动较小，钢板整板力学性能均匀，综合性能优异，其机械性能详见表1和表2。
实施例2
本实施例的高性能超宽特厚Q345R钢板的厚度为120mm、宽度为3960mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.16％，Si：0.25％，Mn：1.32％，P：0.008％，S：0.003％，Nb：0.030％，Ni：0.20％，Alt：0.030％，H：0.00012％，O：0.0015％，N：0.0035％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
钢板的生产方法与实施例1的生产方法基本相同，但是检验样坯的状态存在差异，具体差异如下：
为了模拟钢板焊接后热处理过程，样坯从钢板上取下来后，首先在小炉子中按照620℃保温4小时，即最小模拟焊后热处理，然后再进行力学性能检验。
实验证明：本发明的钢板具有非常高的低温冲击功且数值波动较小，屈服强度≥330MPa，抗拉强度≥520MPa。钢板整板力学性能均匀，与模拟焊后热处理之前相比，无明显降低，详见表1、表2。
实施例3
本实施例的高性能超宽特厚Q345R钢板的厚度为120mm、宽度为3880mm，其化学成分按质量百分比计为：C：0.16％，Si：0.25％，Mn：1.32％，P：0.008％，S：0.003％，Nb：0.030％，Ni：0.20％，Alt：0.030％，H：0.00012％，O：0.0015％，N：0.0035％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
钢板是生产方法与实施例1的生产方法基本相同，但是检验样坯的状态存在差异，具体差异如下：
为了模拟钢板焊接后热处理过程，样坯从钢板上取下来后，首先在小炉子中按照620℃保温12小时，即最大模拟焊后热处理，然后再进行力学性能检验。
实验证明：本发明的钢板具有非常高的低温冲击功且数值波动较小，屈服强度≥320MPa，抗拉强度≥510MPa。钢板整板力学性能均匀，与模拟焊后热处理之前相比，无明显降低，详见表1、表2。
表1各实施例所生产的钢板的机械性能
表2各实施例所生产的钢板的高温性能
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 (7)

1.一种低压缩比、高性能Q 345R超宽特厚容器钢，其特征在于：化学成分按质量百分比计为C：≤0.17％，Si：0.15～0.40％，Mn：1.25～1.55％，Nb：0.010-0.050％，P：≤0.015％，S：≤0.005％，Ni：0.10～0.30％，Alt：≥0.020％，Cu：≤0.30％，Cr：≤0.30％，Mo：≤0.08％，余量为Fe及不可避免的杂质元素。
2.根据权利要求1所述的低压缩比、高性能Q 345R超宽特厚容器钢，其特征在于：钢板的最终厚度为101～120mm，压缩比为3.08～3.66。
3.根据权利要求1所述的低压缩比、高性能Q 345R超宽特厚容器钢，其特征在于：钢板的宽度可达3500～4050mm，芯部性能优异：-29℃低温冲击值100J以上，Z向性能超过了标准对钢板Z向性能35％的最高要求，450℃高温拉伸性能满足GB/T 713-2014中表3的要求，钢板整板力学性能均匀，与模拟焊后热处理之前相比，无明显降低。
4.一种低压缩比、高性能Q 345R超宽特厚容器钢的制造方法，其特征在于：包括如下主要步骤
(1)转炉冶炼连铸：冶炼原料依次经KR铁水预处理，转炉冶炼：转炉出钢P≤0.012％，转炉出炉温度为1610～1680℃；LF精炼：白渣保持时间不小于25min，总精炼时间不小于45min，钢水S≤0.005％；RH真空脱气精炼：真空度≤0.5mbar，真空保持时间在10min以上时破空；连铸获得连铸坯，坯料下线堆缓冷48小时以上；
(2)加热轧制：连铸坯加热段温度为1200～1280℃，高温段保持时间约3.5小时；轧制时，以连铸板坯长度作为钢板宽度全横轧，开轧温度为1040～1120℃，粗轧机轧辊线速度0.8～1.5m/s，粗轧后2-3道次的单道次压下率≥12％且轧制力≥75000KN，精轧开轧温度880～950℃，终轧温度850～920℃，轧制的总压缩比为3.08～3.66；轧制完成后，钢板下线堆缓冷，缓冷48小时以上解垛；
(3)热处理工序：对钢板进行正火热处理，正火后的钢板获得均匀无夹杂的铁素体+珠光体组织，获得钢板成品。
5.根据权利要求4所述的低压缩比、高性能Q 345R超宽特厚容器钢的制造方法，其特征在于：步骤(3)正火的加热温度为860～920℃，在炉时间为1.8～2.2min/mm，出炉后在空气中冷却。
6.根据权利要求5所述的低压缩比、高性能Q 345R超宽特厚容器钢的制造方法，其特征在于：正火出炉后，钢板在冷床上交替放置，板间距≥3m，空冷至常温下线堆放。
7.根据权利要求4所述的低压缩比、高性能Q 345R超宽特厚容器钢的制造方法，其特征在于：步骤(1)连铸过程中，设置浇炉过热度≤40℃、连浇炉≤30℃，拉速控制0.50～0.60m/min。
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