CN110592470A - 一种保低温韧性的大厚度SA302GrC钢板及其制备方法 - Google Patents

一种保低温韧性的大厚度SA302GrC钢板及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种保低温韧性的大厚度SA302GrC钢板，以Fe为基础元素，且包含如下各元素：C：0.10‑0.20％；Si：0.15‑0.30％；Mn：1.30‑1.50％；P：≤0.015％；S：≤0.005％；Al：0.010‑0.020％；Nb：0.010‑0.020％；Mo：0.45‑0.60％；Ni：0.50‑0.70％；H≤1ppm；Al≤Nb；Al+Nb：0.028‑0.32％，As+Sb+Bi+Sn+Pb≤0.10％；CEV≤0.55。钢板厚度为125‑150mm。制备流程：450mm连铸坯‑连铸坯加罩缓冷–连铸坯清理‑连铸坯加热‑保温处理‑除鳞‑轧‑矫直–堆缓冷–热处理。交货态和经过模拟焊后热处理，钢板拉伸性能仍然满足ASME要求，且‑20℃的低温下钢板1/4和1/2厚度处的夏比冲击功均≥47J。

Description

一种保低温韧性的大厚度SA302GrC钢板及其制备方法
技术领域
本发明涉及SA302GrC压力容器用钢板及其制造方法。
背景技术
EO是环氧乙烷的简称，是乙烯衍生产品，重要的有机化工中间体和原料；EO反应器则是EO生产的核心设备，一种典型的大型固定管板式换热器。EO反应器在运行时，设备同时承受管、壳程流体的高温、高压载荷。
有学者(朱昌海，《国产大型EO反应器极端工况下结构安全分析》)通过有限元分析了EO反应器运行过程中在应力分布及温度场分布，认为EO反应器最大应力值达到 265MPa；系统承受的最高工作温度近300℃。作为筒体和封头原料的钢板，是整个反应器的核心部件，在整个系统中保障设备安全、可靠运转。
随着装备向大型化发展，筒体、封头的厚度也随之增加，作为EO反应器主要选材SA302GrC钢板，性能要求也相应提升，主要体现在钢板多状态下拉伸力学性能稳定，主要包括高温拉伸、常温拉伸、Z向拉伸、最大模拟焊后态的拉伸与最小模拟焊后态的拉伸；且保证钢板在多维度下保证冲击韧性，主要体现在保证厚度方向1/4T处及1/2T 处的冲击吸收能量，包括-20℃和0℃；另外，筒体板在圈圆过程中，还需要考虑钢板表面及厚度方向硬度的均匀性。
目前，公开的国内外诸多文献资料对SA302GrC钢板的记载，主要集中在厚度≤100mm以下规格，或性能仅仅满足ASME的功能性标准，并不能很好在满足EO反应器设计要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种保低温韧性的大厚度SA302GrC钢板及其制造方法，属于化工领域用特殊的压力容器钢板，钢板的设计厚度：125-150mm，钢板能较好在满足EO 反应器设计要求，且碳当量CEV≤0.55，具备良好的可焊性。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种保低温韧性的大厚度SA302GrC钢板，其特征在于：钢板以Fe为基础元素，且包含如下质量百分比的各元素：C： 0.10-0.20％；Si：0.15-0.30％；Mn：1.30-1.50％；P：≤0.015％；S：≤0.005％；Al：0.010-0.020％； Nb：0.010-0.020％；Mo：0.45-0.60％；Ni：0.50-0.70％；H≤1ppm；Al≤Nb；Al+Nb： 0.028-0.32％，As+Sb+Bi+Sn+Pb≤0.10％；CEV≤0.55。
本申请钢板厚度为125-150mm-20℃的低温下钢板1/4和1/2厚度处的夏比冲击功均≥47J；经过模拟焊后热处理，钢板拉伸性能仍然满足ASME要求，且-20℃的低温下钢板1/4和1/2厚度处的夏比冲击功均≥47J。
与专利文献(一种大厚度高性能SA302GrC钢板及其生产方法，专利公开号CN103305752A)相比，本申请板坯产品采用连铸工艺制造的连铸坯作为钢坯；在成分设计方面，鉴于该选择，本申请加强了有害元素的控制。
与学术文献(《大厚度中温压力容器用SA302GrC钢板的研发》)相比，本申请钢板采用低Al含Nb的设计思路，并控制Al和Nb的总含量。采用低Al是在冶炼时脱氧、细化晶粒的同时，为了防止在钢水的凝固过程中大块AlN的形成从而降低钢板在低温下的冲击韧性；加入适当的Nb用于扩大钢板轧制未再结晶温度范围，有利于大厚度板坯在较高温度下的轧制也不会发生再结晶过程，从而在轧制环节实现了晶粒的细化，确保大厚度产品的韧性。
以下对本发明中其余所含组分的作用及用量选择作具体说明：
C：是确保钢板强度所必须的元素，提高钢中的碳含量将会增加钢的奥氏体向贝氏体的转变能力，从而提高钢的强度。但过高的C含量对钢的延性、韧性不利并显著增加材料的碳当量从而不利于钢板的焊接性能。本发明控制碳含量为0.10-0.20％。
Si：是钢中的脱氧元素，并以固溶强化形式提高钢的强度。Si含量低于0.10％时，脱氧效果较差，Si含量较高时会造成韧性及焊接性能下降。本发明Si含量控制为 0.15-0.30％。
Mn：是提高钢淬透性的元素，并起固溶强化作用以弥补钢中因C含量降低而引起的强度损失，但当Mn含量过高时则会增加其碳当量从而损坏焊接性能。另外，Mn易在钢板中心产生偏析，降低钢板中心部位的冲击韧性。因此，本发明Mn含量控制为 1.30-1.50％。
Ni：是提高钢的淬透性并可以显著改善低温韧性的有益元素，对冲击韧性和韧脆转变温度具有显著的影响。因此，本发明将其含量控制在0.50-0.70％。
Mo：可以显著提高钢的淬透性和强度；另外，在低合金钢中Mo还能起到克服热处理过程中的回火脆性以改善热处理性能。本发明中Mo的含量控制在0.45-0.60％。
Al：主要是起脱氧作用、细化晶粒。Al与钢水中[O]接合形成的Al2O3进入熔渣，实现脱氧的目的；极少量残余在钢中的Al2O3颗粒在钢中作为第二相粒子可以细化晶粒，但Al含量过高会形成氮化物损害钢的韧性。因此，本发明控制其含量(Alt)在0.010- 0.020％。
S、P：为钢中的有害杂质元素，易形成偏析、夹杂等缺陷。作为杂质元素会给钢板的韧性(特别是心部的韧性)和焊接热影响区的韧性带来不利的影响，应尽量地减少其含量。本发明控制P≤0.015％、S≤0.005％，且须通过Ca处理技术使夹杂物形态球化和均匀分布，减少其对韧性的影响并保证钢板的Z向性能。
本申请保低温韧性的大厚度SA302GrC钢板的制备方法，包括如下步骤
(1)冶炼原料依次经KR铁水预处理、氧气转炉冶炼、LF炉外精炼、RH真空精炼和连铸工艺处理，得到450mm以上厚度规格连铸坯，连铸完成后对连铸坯实施加罩缓冷进行扩H处理从而进一步提高连铸坯的心部质量以确保钢板的心部性能，缓冷至 400±20℃，缓冷后的连铸坯表面带温清理。
(2)将连铸坯加热至1180-1280℃，保温2-3小时，使钢中的合金元素充分固溶以保证最终产品的成分及性能的均匀。连铸坯出炉后使用高压水除鳞，然后进行两阶段轧制，第一阶段轧制为粗轧的开轧温度在1050-1150℃，采用大压下量进行轧制，最后三道次总累计压缩率≥30％，以保证连铸坯的心部缺陷充分弥合从而使得大厚度钢板在心部的性能得到保证。第二阶段轧制(精轧)开轧温度在870-930℃，总压缩率≥40％。轧制完成之后冷床空冷并矫直，矫直后待温度下降至AC1温度以上，然后下线堆缓冷进一步降低其中的H含量从而进一步提高钢板的心部质量以确保钢板的心部性能；
(3)对轧制完成的钢板进行正火+回火处理，热处理在连续炉中进行，正火加热温度为900-930℃，在炉时间1.8-2.2min/mm，正火后采用加速冷却模式进行冷却；回火温度为600-680℃，在炉时间2.8-5.0min/mm，出炉后空冷。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明针对目前EO反应器大型化的趋势及要求，使用合理的化学成分设计；结合连铸工艺生产具有低的中心偏析和疏松的连铸板坯；配合大压下轧制工艺；优化热处理工艺，制造出厚度大且保证-20℃条件下具有高韧性的钢板。本发明制造的钢板最大厚度达150mm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本利用连铸坯生产，作为原料的坯料具有低的中心偏析和疏松，有利于保证钢板心部性能；同时，连铸坯的生产成本远低于钢锭生产成本、生产周期短，成材率高，在工业化批量生产时具有明显的比较成本优势。
本发明产品在-20℃的低温下不管是在钢板1/4还是1/2厚度处其夏比冲击功均≥47J。经过模拟焊后热处理，钢板拉伸性能仍然满足ASME要求，且-20℃的低温下钢板 1/4和1/2厚度处的夏比冲击功均≥47J。
具体实施方式
以下结合本发明的较佳实施例对本发明的技术方案作更详细的描述。但这些实施例仅仅是对本发明较佳实施方式的描述，而不能对本发明的范围产生任何限制。
实施例1
实施例1涉及的SA302GrC钢板厚度为125mm。生产工艺如下：
按上述钢板的化学组成配置冶炼原料依次进行KR铁水预处理-转炉冶炼-LF精炼-RH精炼-450mm连铸-连铸坯加罩缓冷–连铸坯清理-连铸坯加热-保温处理-高压水除鳞-轧-矫直–堆缓冷–热处理。
连铸采用低的浇铸过热度、低的拉坯速度、合理的轻压下参数生产出具有低的中心偏析和疏松且厚度450mm的连铸板坯。连铸完成后将连铸坯加罩缓冷进行扩H处理从而进一步提高连铸坯的心部质量以确保钢板的心部性能。
上述加热、控轧、冷却阶段的具体工艺为：将连铸坯加热至1250℃保温2.5小时，出炉后经高压水除鳞，然后进行两阶段轧制。第一阶段轧制即粗轧，开轧温度为1070℃，中间坯厚220mm；第二阶段轧制即精轧，开轧温度为890℃，最终板厚125mm。轧后空冷并矫直，待温度降至400℃堆缓冷。
缓冷完成后的钢板进入连续炉进行正火热处理，加热温度920℃，在炉时间1.8min/mm，冷却过程采用加速冷却(水冷)。
钢板使用连续炉来进行回火处理，回火加热温度660℃，在炉时间2.8min/mm，出炉后空冷。
经由上述制造工艺形成的成品钢板具有综合性能优异，详情见表1、表2和表3所示。
实施例2
实施例2涉及的SA302GrC钢板厚度为149mm。生产工艺如下：
按上述钢板的化学组成配置冶炼原料依次进行KR铁水预处理-转炉冶炼-LF精炼-RH精炼-450mm连铸-连铸坯加罩缓冷–连铸坯清理-连铸坯加热-保温处理-高压水除鳞-控轧-矫直–堆缓冷–热处理。
进一步的讲，上述加热、控轧、冷却阶段的具体工艺为：将连铸坯加热至1250℃保温2.5小时，出炉后经高压水除鳞，然后进行两阶段轧制。第一阶段轧制(即粗轧)开轧温度为1070℃，中间坯厚238mm；第二阶段轧制(即精轧)开轧温度为880℃，最终板厚149mm。轧后矫直，冷却至AC1以上温度(405℃)，堆缓冷。
缓冷完成后的钢板进入连续炉进行正火热处理，加热温度920℃，在炉时间1.8min/mm，冷却过程采用加速冷却。
钢板使用连续炉来进行回火处理，回火加热温度650℃，在炉时间4.0min/mm，出炉后空冷。
经由上述制造工艺形成的成品钢板具有综合性能优异，详情见表1、表2和表3所示。
经由上述制造工艺形成的成品钢板具有综合性能优异，详情见表1、表2和表3所示。
表1实施例与对比例的化学成分(质量％)
C Si Mn P S Mo Ni Nb Al
实施例1 0.16 0.27 1.35 0.006 0.002 0.49 0.56 0.015 0.013
实施例2 0.15 0.28 1.39 0.015 0.003 0.48 0.57 0.016 0.015
对比例<sup>1</sup> 0.16 0.24 1.33 0.012 0.002 0.52 0.46 -- 0.028
对比例1数据来自于专利公开号为CN103305752B的发明专利公布的厚度为135mm钢板的实例1
对比例1的SA302GrC钢板产品性能参见公开号为CN103305752B发明专利文件中的记载。
表2实施例生产的钢板高温拉伸性能
板厚mm 温度℃ 屈服强度MPa 抗拉强度MPa
实例1 125 270 495 653
实例2 149 320 433 595
表3实施例生产的钢板的力学性能
板与对比文件1相比，具有更好的韧性，满足在零下20℃低温环境下服役条件。另外，钢板厚度和收尾均匀性好，可作为筒体板使用时，在圈圆后，筒体周向、厚度方向均匀性均较好。能更广泛、更安全的应用于EO反应器，满足客户的设计需要。
尽管以上详细地描述了本发明的优选实施例，但是应该清楚地理解，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种保低温韧性的大厚度SA302GrC钢板，其特征在于：钢板以Fe为基础元素，且包含如下质量百分比的各元素：C：0.10-0.20％；Si：0.15-0.30％；Mn：1.30-1.50％；P：≤0.015％；S：≤0.005％；Al：0.010-0.020％；Nb：0.010-0.020％；Mo：0.45-0.60％；Ni：0.50-0.70％；H≤1ppm；Al≤Nb；Al+Nb：0.028-0.32％，As+Sb+Bi+Sn+Pb≤0.10％；CEV≤0.55。
2.根据权利要求1所述的保低温韧性的大厚度SA302GrC钢板，其特征在于：钢板厚度为125-150mm。
3.根据权利要求1所述的保低温韧性的大厚度SA302GrC钢板，其特征在于：-20℃的低温下钢板1/4和1/2厚度处的夏比冲击功均≥47J；经过模拟焊后热处理，钢板拉伸性能仍然满足ASME要求，且-20℃的低温下钢板1/4和1/2厚度处的夏比冲击功均≥47J。
4.一种保低温韧性的大厚度SA302GrC钢板的制备方法，其特征在于：包括如下步骤
(1)冶炼原料依次经KR铁水预处理、氧气转炉冶炼、LF炉外精炼、RH真空精炼和连铸工艺处理，得到450mm以上厚度规格连铸坯，连铸完成后对连铸坯实施加罩缓冷至400±20℃，缓冷后的连铸坯表面带温清理；
(2)将连铸坯加热至1180-1280℃，保温2-3小时，连铸坯出炉后使用高压水除鳞，然后进行两阶段轧制，第一阶段轧制为粗轧，总压缩率35％以上；第二阶段轧制为精轧，总压缩率不低于30％；轧制完成之后冷床空冷至AC1温度以上，然后下线堆缓冷；
(3)对轧制完成的钢板进行正火+回火处理，热处理在连续炉中进行，正火加热温度为900-930℃，在炉时间1.8-2.2min/mm，正火后加速冷却；回火温度为600-680℃，在炉时间2.8-5.0min/mm，出炉后空冷。
5.根据权利要求4所述的保低温韧性的大厚度SA302GrC钢板的制备方法，其特征在于：步骤(1)中缓冷后的连铸坯在150℃之上带温清理。
6.根据权利要求4所述的保低温韧性的大厚度SA302GrC钢板的制备方法，其特征在于：步骤(2)第一阶段轧制的开轧温度在1050-1150℃，最后三道次总累计压缩率≥30％。
7.根据权利要求4所述的保低温韧性的大厚度SA302GrC钢板的制备方法，其特征在于：步骤(2)第二阶段轧制开轧温度在870-930℃，总压缩率≥40％。
8.根据权利要求4所述的保低温韧性的大厚度SA302GrC钢板的制备方法，其特征在于：步骤(2)轧制完成之后冷床空冷至400℃以上温度。
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