CN110669990B

CN110669990B - 一种高性能铬钼钢板及其生产方法

Info

Publication number: CN110669990B
Application number: CN201910944443.9A
Authority: CN
Inventors: 胡昕明; 王储; 欧阳鑫; 孙殿东; 王勇; 胡海洋; 马明; 颜秉宇; 隋轶; 张健
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2021-02-23
Anticipated expiration: 2039-09-30
Also published as: CN110669990A

Abstract

本发明公开一种高性能铬钼钢板及其生产方法。钢中化学成分按重量百分比为：C：0.03％～0.06％、Si≤0.10％、Mn：0.10％～0.25％、Cr：2.00％～2.50％、Mo：0.90％～1.10％、Ti：0.40％～0.60％、V：0.40％～0.60％、P≤0.007％、S≤0.003％、Als：0.20％～0.40％、N：0.01％～0.05％、B：0.0005％～0.0010％，余量为Fe和不可避免的杂质。当成品钢板厚度为6～100mm时，生产工艺为：转炉‑连铸‑加热‑轧制‑调质；当成品钢板厚度为100～300mm时，生产工艺为：转炉‑连铸‑复合组坯‑加热‑轧制‑调质。生产的成品钢板具有更高常温及高温性能、良好抗回火脆性和抗氢致裂纹性。

Description

一种高性能铬钼钢板及其生产方法

技术领域

本发明属于钢铁生产领域，特别涉及到一种具有更高常温及高温性能、良好抗回火脆性和抗氢致裂纹的新型铬钼钢板及其生产方法。

背景技术

目前国内的铬钼钢主要包括15CrMoR、14Cr1MoR和12Cr2Mo1R。这些铬钼钢为了保证在300～500℃的工作温度范围内具有良好的高温性能，除了需要钢中含有一定的C外，还需要向钢中添加不同含量的Cr、Mo。由于铬钼钢板在高温和高压的氢介质下超长时间运行，而钢中又缺少有效的捕氢手段，使得运行环境中的H与钢中的C发生反应生产甲烷，此类气泡在钢的晶界上形核、长大，彼此聚集形成裂纹，从而导致钢板性能恶化，容易引发生产安全事故。而C含量是影响钢板抗氢致裂纹的主要因素。焊接问题也是困扰铬钼钢板的主要问题，由于钢中C及其它合金元素含量较高，极易在焊接过程中造成焊缝开裂。此外，在使用过程中容易产生的另一个问题就是回火脆化，它是指钢板在长期处于375～575℃温度范围内工作或在该温度缓慢通过时，钢板出现的低温冲击韧性下降的现象，这主要与钢中的Mn、Si、P等脆化元素有关。特别是随着设备向自动化大型化的方向发展，所用关键设备的尺寸也愈来愈大，而用于制造这些关键设备的特厚钢板通常采用大型钢锭来进行生产。这些大型钢锭生产中存在生产周期长、生产成本高、内部质量差等诸多缺点。有些钢锭需要进行开坯，增加了加热炉的使用次数，造成巨大的能源消耗；特别是特大钢锭内部的夹杂、疏松和中心偏析较为严重，很难通过轧制变形予以消除。

为此，亟需开发出具有更高常温及高温性能、良好抗回火脆性和抗氢致裂纹的新型铬钼钢板及其生产方法用于解决上述问题。

发明内容

本发明目的提供一种高性能铬钼钢板，该钢板不仅具有良好的常温及高温性能，同时还具有优异的抗氢致裂纹和焊接性能。

为了达到上述目的，本发明设计了一种铬钼钢板，具体的技术方案是：

一种铬钼钢板，按重量百分比计为：C：0.03％～0.06％、Si≤0.10％、Mn：0.10％～0.25％、Cr：2.00％～2.50％、Mo：0.90％～1.10％、Ti：0.40％～0.60％、V：0.40％～0.60％、P≤0.007％、S≤0.003％、Als：0.20％～0.40％、N：0.01％～0.05％、B：0.0005％～0.0010％，其余为Fe及不可避免的杂质。

上述化学元素的作用分析如下：

C：C在钢中主要以碳化物的形式存在，在常温和高温下起到强化作用。为了保证钢板具有良好的抗氢致裂纹性能，同时在焊接方面具有较低的焊缝冷裂纹敏感性和焊后再热开裂敏感性，将C含量限定在0.30％～0.60％。

Si：Si在钢中是促进脆化的元素，其在钢中含量的减少不仅可以提高钢板的高温抗拉强度，同时也是降低脆化的有力措施。因此，将Si含量控制在0.10％以下。

Mn：Mn在钢中也属于促进脆化元素，但考虑到其对淬透性有一定影响同时防止钢中大量生产铁素体降低钢板强度，故将Mn含量限定在0.10％～0.25％。

Cr：Cr是保证钢板高温抗氧化性、高温耐腐蚀性和高温强度必不可少的元素。通过适当的热处理可以使Cr-Mo钢具有较高的强度和综合力学性能。因此将Cr限定在2.00％～2.50％。

Mo：Mo是提供高温强度的最重要元素之一，同时还能强烈抑制珠光体转变，使钢极易获得贝氏体组织，因而提高了Cr-Mo钢的综合力学性能。此外，Mo还能改善钢的回火稳定性，减弱和消除含Cr钢的回火脆化。因此将Mo限定在0.90％～1.10％。

Ti、V：长期以来，Ti、V元素一直作为微合金元素被加入钢中，加入量在0.01％～0.05％，其主要作用是用于细化钢中晶粒和少量提高钢板强度。而Ti、V在本专利中作为合金元素被大量加入钢中，Ti的主要作用如下：一是Ti与钢中的C、N结合成TiN和TiC，用于弥补因降低钢中C含量造成的常温及高温强度损失，同时还能细化钢中晶粒进而降低钢板的韧脆转变温度。特别是由于减少了钢中Mo的碳化物数量，从而提高了钢中Mo的固溶度，一定程度上抑制了回火脆性的发生。为了保证钢板的淬透性而向钢中添加了一定数量的B元素，而B元素只有在钢中以固溶形式存在才能起到提高淬透性的作用，这就必须减少钢中BN的形成。而Ti具有优先与N形成TiN的特性，因而抑制了BN，提高了钢板的淬透性；二是通过细微弥散分布析出TiC，从而在钢中形成大量H陷阱用于捕捉钢中的H原子，减少甚至消除钢中氢致裂纹源，大幅提高钢板的抗氢致开裂能力。

而V的主要作用包括两方面，一方面V与钢中的C形成了VC，提高了钢板的常温及高温强度。另一方面V则与钢中的N结合生产VN，进一步提高钢板的强度。而剩余的V则溶入M₂₃C₆中提升了钢板的蠕变强度。正是基于上述原因，钢中Ti含量限定为0.40％～0.60％、V含量限定在0.40％～0.60％。

N：N在铬钼钢中是不允许刻意添加的。其主要原因是普通铬钼钢中不存在与N结合的Ti、V元素，这将使得N在钢中以固溶形式存在，固溶N在钢板的焊接过程中会造成热影响区韧性裂化，不利于钢板的焊接性能。而在本专利中，由于存在了大量的Ti、V元素，充分发挥了TiN和VN提供钢板强度和细化晶粒的作用。因此钢中N含量限定为0.01％～0.05％。

B：B在铬钼钢中也是被严格限制的元素，其主要原因B在钢中只有以固溶态的形式存在才会增加钢板淬透性，如果以化合态存在则会恶化钢板的低温韧性。特别是当与钢中的N形成BN时，钢板的淬透性将会被抑制。而本专利中由于提高淬透性的Mn元素减少，因此需要添加B元素来提高钢板的淬透性。而防止BN的产生则是通过添加了大量Ti、V来保证。因此钢中B含量限定为0.0005％～0.0010％。

P：P是钢中的脆化元素，随着其含量的增加，钢板回火脆化的倾向增大，故其含量越低越好。但考虑到成本因素和满足使用需求，因此P的含量控制在0.007％以下。

S：S作为钢中有害夹杂对钢的低温韧性具有很大的损害，但考虑到炼钢可操作性、炼钢成本等因素，因此本发明将S含量控制在0.003％以下。

Al作为钢中脱氧元素，在钢中形成AlN可有效细化晶粒。因此Al含量控制在0.02％～0.04％。

本发明采用的生产方法包括：①当成品钢板厚度t满足6mm≤t≤100mm时，生产工艺为：转炉-连铸-加热-轧制-调质；②当成品钢板厚度t满足100mm＜t≤300mm时，生产工艺为：转炉-连铸-复合-加热-轧制-调质。具体为：

(1)6mm≤t≤100mm时：

采用铁水预处理技术，转炉冶炼、LF炉+VD(或RH)炉真空处理等纯净钢工艺冶炼。采用连铸工艺，其工艺重点控制浇铸温度，中间包钢水浇铸温度≤1560℃，低温浇铸较好，以细化原始铸态组织。为控制连铸坯中心偏析、疏松，采用电磁搅拌或连铸坯轻压下工艺，其中轻压下率控制在5％～15％。

连铸坯加热温度为1150～1250℃，均热时间2～4h。加热温度低于1150℃时，连铸坯中粗大的析出物无法溶解；而加热温度高于1250℃时，则容易使连铸坯中细小的析出物溶解。

连铸坯加热出炉后采用两阶段控轧，第一阶段前两道次压下率大于21％，累计压下率≥50％；第二阶段开轧温度≥900℃，累计压下率≥50％；轧后钢板进行在线层流冷却，终冷温度为530～430℃，随后下线进行堆垛缓冷。

轧后钢板采用调质工艺，淬火温度890～940℃，保温时间为1～1.5min/mm，采用淬火机组进行分段冷却，其中高压段冷却水压为5～7bar，水量为3000～3500m³/h，低压段冷却水压为2.5～4.5bar，水量为2500～3000m³/h；回火温度680～720℃，保温时间为2～4min/mm。

(2)100mm＜t≤300mm时：

待复合2块或3块连铸坯经过表面处理后其粗糙度≥6μm，随后采用电子束对在复合真空室内的待焊表面预热，当预热温度达到100℃时进行复合焊接。焊接电压200～300KV，焊接电流100～200mA，焊接速度150～250mm/min。复合后的坯料厚度达到300～900mm。

复合坯在室式炉内进行加热，加热温度为1150～1250℃，净保温时间≥9h。加热温度低于1150℃时，连铸坯中粗大的析出物无法溶解；而加热温度高于1250℃时，则容易使连铸坯中细小的析出物溶解。

复合坯加热出炉后采用直接轧制，开轧温度≥1050℃，单道次压下率≥15％，为了保证钢板的轧制效果，最后三道次的轧制温度控制在880～920℃且单道次压下率≥20％，轧后钢板下线进行堆垛缓冷。

轧后钢板采用调质工艺，当100≤t≤150mm时，采用淬火机组进行分段冷却，其中高压段冷却水压为5～7bar，水量为3000～3500m³/h，低压段冷却水压为2.5～4.5bar，水量为2500～3000m³/h；当150mm＜t≤300mm时，采用淬火槽进行冷却。淬火温度890～940℃，保温时间为1～1.5min/mm；回火温度680～720℃，保温时间为2～4min/mm。

有益效果：

(1)通过降低钢中C、Si、Mn元素含量，极大消除了钢板回火脆性影响因素，使得钢板具有较低的回火脆性。特别是C元素的降低对改善钢板氢致裂纹、焊接性能和韧脆转变温度起到了重要作用。

(2)通过向钢中添加大量的Ti、V、N、B，不仅提高了钢板常温及高温强度，同时还提高了钢板抗氢致裂纹的能力，达到GB 713《锅炉和压力容器用钢板》中的I级。

(3)成品钢板厚度6～300mm。相比于传统的钢锭生产特厚钢板，采用真空复合工艺生产厚度100～300mm钢板不仅具有生产周期短、生产成本低的特点，同时还避免了大型钢锭生产对环境的严重破坏和能源的大量消耗。

(4)钢板常温性能抗拉强度≥780MPa，屈服强度≥600MPa，延伸率≥20％，-30℃KV₂≥100J，抗氢致裂纹能力达到I级。

具体实施方式

以下实施例用于具体说明本发明内容，这些实施例仅为本发明内容的一般描述，并不对本发明内容进行限制。

其中表1为实施例钢的化学成分，表2为实施例钢的连铸生产工艺，表3为实施例钢单铸坯的轧制工艺；表4为实施例钢复合坯的轧制工艺；表5为实施例钢热处理工艺；表6为实施例钢厚度1/2处常规力学性能；表7为实施例钢高温拉伸性能。表8为实施例钢回火脆性评定；表9为实施例抗氢致裂纹结果。

表1实施例化学成分 wt％

表2实施例钢的连铸坯生产工艺

注：实施例5为两块铸坯复合，实施例6、7为3块铸坯复合。

表3实施例钢单铸坯的轧制工艺

表4实施例钢复合坯的轧制工艺

表5实施例钢热处理工艺

表6实施例钢厚度1/2处常规力学性能

表7实施例钢高温拉伸性能

表8实施例钢回火脆性评定

实施例	VTr54+2.5△vTr54≤10/℃
		1	-74.39
2	-77.46
		3	-81.21
4	-83.23
		5	-84.43
6	-79.11
		7	-80.32
对比例12Cr2Mo1R	-41.28

表9实施例抗氢致裂纹结果

如表1～表8所示，根据本发明生产的铬钼钢板具有较高的常温及高温强度同时还具有优异的低温性能，特别是通过化学成分的设计，钢板具有良好的抗氢致裂纹能力(达到标准I级要求)。相比于目前的12Cr2Mo1R，本发明生产的钢板具有更高的常温及高温性能，同时还具有更佳的抗氢致裂纹能力和抗回火脆性。

Claims

1.一种高性能铬钼钢板，其特征在于，钢中化学成分按重量百分比为：C：0.03％～0.06％、Si：0.03％～0.10％、Mn：0.10％～0.18％、Cr：2.05％～2.50％、Mo：1.02％～1.10％、Ti：0.40％～0.60％、V：0.52％～0.60％、P≤0.007％、S≤0.003％、Als：0.20％～0.40％、N：0.01％～0.05％、B：0.0005％～0.0010％，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的一种高性能铬钼钢板，其特征在于，成品钢板的厚度t为6～300mm。

3.一种如权利要求1或2所述的高性能铬钼钢板的生产方法，其特征在于：

(1)当6mm≤t≤100mm时，生产工艺为：转炉-连铸-加热-轧制-调质，其中t为成品钢板厚度，具体包括，

连铸控制浇铸温度，中间包钢水浇铸温度≤1560℃，采用电磁搅拌或连铸坯轻压下工艺，其中轻压下率控制在5％～15％；

连铸坯加热温度为1150～1250℃，均热时间2～4h；连铸坯加热出炉后采用两阶段控轧，第一阶段前两道次压下率≥21％，累计压下率≥50％；第二阶段开轧温度≥900℃，累计压下率≥50％；轧后钢板进行在线层流冷却，终冷温度为530～430℃，随后下线进行堆垛缓冷；轧后钢板采用调质工艺，淬火温度890～940℃，保温时间为1～1.5min/mm，采用淬火机组进行分段冷却，其中高压段冷却水压为5～7bar，水量为3000～3500m³/h，低压段冷却水压为2.5～4.5bar，水量为2500～3000m³/h；回火温度680～720℃，保温时间为2～4min/mm；

(2)当100mm＜t≤300mm时，生产工艺为：转炉-连铸-复合组坯-加热-轧制-调质，具体包括，

待复合2块或3块连铸坯经过表面处理后其粗糙度≥6μm，随后对待焊表面预热，当预热温度达到100℃时进行复合焊接；焊接电压200～300KV，焊接电流100～200mA，焊接速度150～250mm/min；复合后的坯料厚度达到300～900mm；复合坯加热温度为1150～1250℃，净保温时间≥9h；复合坯加热出炉后采用直接轧制，开轧温度≥1050℃，单道次压下率≥15％，最后三道次的轧制温度控制在880～920℃且单道次压下率≥20％，轧后钢板下线进行堆垛缓冷；

轧后钢板采用调质工艺，当100＜t≤150mm时，采用淬火机组进行分段冷却，其中高压段冷却水压为5～7bar，水量为3000～3500m³/h，低压段冷却水压为2.5～4.5bar，水量为2500～3000m³/h；当150mm＜t≤300mm时，采用淬火槽进行冷却；淬火温度890～940℃，保温时间为1～1.5min/mm；回火温度680～720℃，保温时间为2～4min/mm。