CN110791703B - 一种850MPa级中温高压锅炉钢板及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种850MPa级中温高压锅炉钢板及其生产方法。钢中含有C 0.15%~0.23%、Si 0.15%~0.40%、Mn 1.20%~1.60%、S≤0.005%、P≤0.015%、Mo 0.40%~0.80%、Cr 0.30%~0.55%、Cu≤0.20%、V0.05%~0.15%、Nb 0.04%~0.10%、N 0.03%~0.10%、Als 0.02%~0.05%,其余为Fe和不可避免的杂质。铸坯加热温度1150~1250℃;再结晶区开轧温度1050~1150℃,终轧温度950~1100℃;未再结晶区开轧温度800~870℃,终轧温度750~800℃,累计变形率≥65%;正火温度为900~930℃,保温时间1.0~3.0min/mm,回火温度560~590℃,保温时间1.0~3.0min/mm。钢板厚度50~80mm,耐中温高压性能优良。

Description

一种850MPa级中温高压锅炉钢板及其生产方法
技术领域
本发明涉及金属材料领域,特别是涉及一种厚度50~80mm的850MPa级中温高压锅炉钢板及其生产方法。
背景技术
锅炉是一种能量转换设备,向锅炉输入的能量有燃料中的化学能、电能、高温烟气的热能等形式,而经过锅炉转换,向外输出具有一定热能的蒸汽、高温水或有机热载体,长久以来在国民经济发展中起着举足轻重的作用,多用于火电站、船舶、机车和工矿等领域。中温高压锅炉容器主要指使用环境在6.0MPa<压力<13.7MPa、450℃<温度<540℃的锅炉容器设施,由于制造锅炉容器的原材料主要钢材,因此钢铁企业需要不断开发新产品满足锅炉制造业的新需求。
本发明之前,公开的发明专利"一种650MPa级中温中压锅炉钢板及其生产方法"(CN107287506A),其性能是满足中压及中温偏低的使用环境,在高压工作环境,其承压能力已经无法满足要求。
公开的发明专利“一种为钒钛复合处理锅炉和压力容器用钢及其生产方法”(CN102041448A),通过钒钛复合处理提高钢材的强度,但其属于锅炉容器中强度较低的牌号。
公开的发明专利“一种大厚度锅炉锅筒用低合金高强钢板及其制造方法”(CN103834873A),钢板厚度100~150mm,成分上添加Cr、Ni、Mo、Nb等合金元素,通过传统的模铸钢锭+轧制+离线热处理工艺保证钢板的各项性能,工艺复杂繁琐。
公开的“一种锅炉或压力容器用16Mo3钢板及其生产方法”(CN107746922A),其性能满足中低压使用环境,但在高压工作环境,其承压能力已经无法满足要求。
上述公开的发明专利涉及的钢板局限于强度级别低、使用温度相对较低、钢板厚度规格大(100mm及以上厚度规格)等特点。对于中温高强度或超高强度的中薄规格锅炉钢板的开发上存在空白。
发明内容
出于火电站锅炉的减量化、低成本化运行考虑,本发明的目的是通过全新的化学成分设计,采用与大厚度、低级别锅炉钢板不同的生产工艺路线,得到中薄厚度规格的、耐中温、高压的锅炉钢板。
本发明采用的化学成分设计是适量提高碳含量、添加Mo、Cr、Cu合金元素、V、Nb微合金元素及N元素,配以合适的生产工艺,开发出的中薄规格钢板能够承受中温高压,满足火电站装备升级过程对轻质化、安全性的要求。
具体的技术方案是:
一种850MPa级中温高压锅炉钢板,其化学成分按质量百分比计,含有:C 0.15%~0.23%、Si 0.15%~0.40%、Mn 1.20%~1.60%、S≤0.005%、P≤0.015%、Mo 0.40%~0.80%、Cr 0.30%~0.55%、Cu≤0.20%、V 0.05%~0.15%、Nb 0.04%~0.10%、N0.03%~0.10%、Als0.02%~0.05%,余量为Fe及不可避免夹杂。
钢板中合金元素作用机理详述如下:
C是提高钢常温及高温强度的最主要元素,通过固溶强化和析出强化提高钢的强度,但碳含量过高,又会影响钢的焊接性能,含量过低不能保证钢板在中温高压环境下的强度。因此本发明将C含量定为0.15%~0.23%。
Si在炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂,本发明中Si与Mo联合作用主要体现在形成硅化钼,特别是形成二硅化钼,一种金属间化合物,其晶体结构中的原子结合呈现金属健和共价键共存的特征,具有优良的高温本质特性。同时Mo还有固溶强化和MoC的析出强化作用,可以依靠MoC阻碍奥氏体晶粒长大实现晶粒细化,提高钢的常温及高温强度对于本发明钢种在450~550℃温度范围内的高温性能具有很好的效果,因此本发明中将Si含量限定在0.15%~0.40%、将Mo含量限定在0.40%~0.80%。
Mn能增加钢的韧性、强度和硬度,是强烈稳定奥氏体的元素,可有效地降低奥氏体的分解速度,提高钢的淬透性,Mn含量高会增强回火脆性,因此Mn含量范围为1.20%~1.60%。
S和P都是钢中有害元素,增加钢的脆性,特别是在晶界偏聚,影响钢的热强性,因此应尽量减少磷和硫在钢中的含量,本发明中将S、P分别控制在S≤0.005%,P≤0.010%。
Cr是强烈的碳化物形成元素,它与钢中的C生成稳定的碳化物,起到提高常温及高温强度作用,为了管道具有足有的强度,因此本发明将Cr含量范围设定在0.30%~0.55%。
Cu通过固溶强化作用提高钢的强度,同时该元素具有提高淬透性的作用,另外Cu可以提高钢在高温下的抗氧化腐蚀性能,因此本发明将Cu含量限定在0~0.20%。
V与钢中的C或N结合,具有很强的析出强化作用。与Nb相比,含V的碳氮化物溶解-析出平衡温度低,有利于在较低的加热温度条件下回熔和析出,同时起到钉扎晶界的作用。在两相区加热,Nb的碳氮化物不能回熔,且有长大的倾向,V因为可以回熔不存在这个问题,因此更适合两相区加热使用以实现晶粒细化、沉淀强化等作用,因此本发明将V含量限定0.05%~0.15%。
Nb对细化晶粒的作用非常明显,通过热轧过程中NbC应变诱导析出阻碍形变奥氏体的回复、再结晶,经过控制轧制和控制冷却使非再结晶区轧制的变形奥氏体组织在相变时转变为细小的相变产物,以使钢具有高强度和高韧性,本发明是配合C含量添加适量的Nb发挥NbC的作用,因此本发明将Nb含量限定0.04%~0.10%。
N是钢中不可避免的杂质元素之一,含量以及沉淀强化不易过高,但N与Nb、V、Al等氮化物形成元素化合,可以起到钉扎晶界细化晶粒以及沉淀强化的作用,因此钢中N元素不是越低越好,本发明将N含量限定在0.03%~0.10%。
Als是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝,可细化晶粒,提高冲击韧性,过高则影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能,因此本发明将Als含量限定在0.02%~0.05%。
一种850MPa级中温高压锅炉钢板的生产工艺为:铁水预处理—转炉冶炼—LF—RH—连铸—铸坯加热—轧制—热处理—检验。具体包括:
(1)冶炼工艺:进行铁水脱硫预处理,选用清洁废钢,保证合金清洁干燥,挡渣出钢,要求下渣渣层厚度为60~80mm,采用LF精炼深脱硫处理,造还原渣,确保夹杂物充分上浮,LF炉喂硅钙线速度2~4m/s,喂线量3~5m/t;RH深处理循环时间10~15min。
(2)浇铸工艺:破真空后采用连铸机浇铸,钢水过热度20~30℃,浇注过程要稳定恒速。铸坯下线进堆垛缓冷,堆垛缓冷时间30~40h。
(3)铸坯加热工艺:通过控制铸坯的加热工艺,确保合金元素充分固溶,并有效抑制原始奥氏体晶粒长大,铸坯加热温度控制在1150~1250℃,加热4~6h,均热时间0.5~1.0h。
(4)轧制工艺:再结晶区轧制开始温度1050~1150℃,终止温度950~1100℃,单道次最小变形率10%~15%,总变形率≥55%,中间坯厚度为3~4倍成品钢板厚度;未再结晶区轧制开始温度800~870℃,终止温度750~800℃,累计变形率≥65%。上述参数的设计是基于钢种的成分和性能要求决定的,由于是用于中温高压锅炉制造,强度特别是高温强度是重要的性能指标,钢中除了具有一定具有提高高温强度的C、Mn基本元素外,添加了V、Nb、N合金元素,通过优选的控轧工艺能够最大限度的发挥其细化晶粒作用,得到相对细化的珠光体和贝氏体组织,该复合组织是保证钢板具有高温强度性能的重要因素,成品厚度50~80mm,但贝氏体组织虽然具有较高的强度,却是非平衡态组织,需要热处理进一步改善。
(5)热处理工序:经控轧后的钢板虽然晶粒相对细化,但仍是亚稳态稳定组织,存在一定的组织应力,对高温性能不利,通过正火+回火热处理,得到更为稳定的索氏体和回火贝氏体组织,索氏体组织占20%~30%,回火贝氏体组织占70%~80%。正火温度为900~930℃,保温时间1.0~3.0min/mm。再通过中高温回火处理,得到更为稳定的贝氏体回火组织,回火温度560~590℃,保温时间1.0~3.0min/mm,回火温度不宜过高,时间过长,防止回火贝氏体中片状碳化物球化,在晶界析出,降低钢的热强性。
本发明同现有技术相比,有益效果如下:
本发明的有益效果是通过全新的化学成分设计,采用控轧+高温正火+回火生产工艺路线,开发耐中温抗高压的薄规格(50~80mm厚度)减量化锅炉钢板,其具有较高的的常温强度、塑韧性及中温强度,ReL≥550MPa、830MPa≤Rm≤930MPa,A≥21%、(0℃)KV2≥200J、450~550℃中温区间钢板Rp0.2≥390MPa,其中,450℃的Rp0.2≥410MPa、500℃的Rp0.2≥400MPa、550℃的Rp0.2≥390MPa等有益效果。
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。
表1为本发明实施例钢的化学成分;表2为本发明实施例钢的炼钢工艺参数;表3为本发明实施例钢的轧制工艺参数;表4为本发明实施例钢的热处理工艺参数;表5为实施例钢的力学性能。
表1本发明实施例钢板的化学成分wt%
Figure BDA0002223772990000061
表2实施例钢板生产炼钢工艺参数
Figure BDA0002223772990000062
表3实施例钢板生产轧制工艺参数
Figure BDA0002223772990000071
表4实施例钢板生产热处理工艺参数及金相组织
Figure BDA0002223772990000072
表5实施例力学性能
Figure BDA0002223772990000073
根据以上结果可以得出,本发明提供的中温高压锅炉钢板,常温ReL≥585MPa,Rm≥840MPa,(0℃)KV2≥210J;450℃的Rp0.2≥430MPa、500℃的Rp0.2≥420MPa、550℃的Rp0.2≥400MPa,耐中温高压性能优良。

Claims (2)

1.一种850MPa级中温高压锅炉钢板,其特征在于,钢中化学成分按质量百分比为:C0.15%~0.23%、Si 0.25%~0.38%、Mn 1.20%~1.60%、S≤0.005%、P≤0.015%、Mo0.63%~0.80%、Cr 0.37%~0.55%、Cu 0.15%~0.20%、V 0.08%~0.15%、Nb 0.05%~0.10%、N 0.03%~0.10%、Als 0.02%~0.05%,其余为Fe和不可避免的杂质;
钢板的生产工艺为:
(1)冶炼工艺:进行铁水脱硫预处理,选用清洁废钢,保证合金清洁干燥,挡渣出钢,要求下渣渣层厚度为60~80mm,采用LF精炼深脱硫处理,造还原渣,确保夹杂物充分上浮,LF炉喂硅钙线速度2~4m/s,喂线量3~5m/t;RH深处理循环时间10~15min;
(2)浇铸工艺:采用连铸机浇铸,钢水过热度20~30℃,浇注过程要稳定恒速,铸坯下线进堆垛缓冷,堆垛缓冷时间30~40h;
(3)铸坯加热工艺:铸坯加热温度控制在1150~1250℃,加热4~6h,均热时间0.5~1.0h;
(4)轧制工艺:再结晶区轧制开始温度1120~1150℃,终止温度1065~1100℃,单道次最小变形率10%~15%,总变形率≥55%,中间坯厚度为3~4倍成品钢板厚度;未再结晶区轧制开始温度800~870℃,终止温度750~800℃,累计变形率≥66%;
(5)热处理工序:采用正火+回火热处理,正火温度为900~930℃,保温时间1.0~3.0min/mm,回火温度560~590℃,保温时间1.0~3.0min/mm。
2.如权利要求1所述的一种850MPa级中温高压锅炉钢板,其特征在于,钢板厚度50~80mm,450~550℃中温区间钢板Rp0.2≥390MPa。
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