CN111465711A - 拉伸强度和低温冲击韧性优异的用于压力容器的钢板及其制造方法 - Google Patents

拉伸强度和低温冲击韧性优异的用于压力容器的钢板及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种拉伸强度和低温冲击韧性优异的用于压力容器的钢板及其制造方法。本发明的一个实施方案提供一种拉伸强度和低温冲击韧性优异的用于压力容器的钢板及其制造方法，以重量％计，所述钢板包含C：0.12～0.20％、Si：0.30～0.40％、Mn：1.50～1.70％、Mo：0.03～0.10％、Cu：0.05～0.30％、V：0.03～0.10％、Ni：0.03～0.25％、Cr：0.03～0.25％、Al：0.005～0.06％、Ca：0.0005～0.0030％、P：0.025％以下、S：0.025％以下，进一步包含选自Ti：0.003～0.015％、Nb：0.005～0.025％和Ta：0.002～0.050％中的至少两种，并且包含余量的Fe和不可避免的杂质，微细组织由包含铁素体、回火贝氏体及珠光体和退化珠光体中的一种或两种的混合组织组成，所述回火贝氏体的分数为5～50面积％。

Description

拉伸强度和低温冲击韧性优异的用于压力容器的钢板及其制 造方法
技术领域
本发明涉及一种拉伸强度和低温冲击韧性优异的用于压力容器的钢板及其制造方法。更具体地，本发明涉及一种优选可用作二氧化碳储罐和压力容器等材料的拉伸强度和低温冲击韧性优异的用于压力容器的钢板及其制造方法。
背景技术
近来，根据环保政策，对用于储存和运输主要温室气体二氧化碳的二氧化碳储罐和压力容器的需求正在增加，而确保这些钢材的高强度和低温韧性已成为一个重要的问题。
除了如上所述的确保钢材的高强度和低温韧性之外，对钢材进行焊接时，为了防止焊接后结构体变形以及使得形状和尺寸稳定，实施焊后热处理(PWHT，Post Weld HeatTreatment)，以消除焊接时产生的应力。对于长时间进行PWHT工艺的钢板，其组织粗大化导致钢板的拉伸强度降低。
也就是说，在长时间PWHT后，由于基体组织(Matrix)和晶界的软化、晶粒生长、碳化物的粗大化等，将会造成强度和韧性同时降低的现象。
作为现有的制造方法，如同非专利文献1的ASTM A612钢，利用以重量％计由0.25％以下的C、0.15～0.50％的Si、1.00～1.50％的Mn、0.08％以下的Mo和V、0.3％以下的Cu、0.25％以下的Ni、0.25％以下的Cr、0.025％以下的P、0.025％以下的S组成的钢板材料采用轧制(rolled)或正火或正火+SR(Stress Relief)热处理模式进行制造。当使用如此制成的钢时，为了制作结构体，将会进行必要的焊接。为了防止焊接后结构体变形以及使得形状和尺寸稳定，实施焊后热处理(PWHT，Post Weld Heat Treatment)，以消除焊接时产生的应力。然而，对于长时间进行PWHT工艺的钢板，其组织粗大化导致钢板的拉伸强度和低温冲击韧性大大降低。
[在先技术文献]
非专利文献1：A612/A612M-12：Standard Specification for Pressure VesselPlates，Carbon Steel，High Strength，for Moderate and Lower Temperature Service
发明内容
技术问题
本发明一方面旨在提供一种PWHT热处理后拉伸强度和低温冲击韧性也优异的用于压力容器的钢板及其制造方法。
技术方案
本发明的一个实施方案提供一种拉伸强度和低温冲击韧性优异的用于压力容器的钢板，以重量％计，所述钢板包含C：0.12～0.20％、Si：0.30～0.40％、Mn：1.50～1.70％、Mo：0.03～0.10％、Cu：0.05～0.30％、V：0.03～0.10％、Ni：0.03～0.25％、Cr：0.03～0.25％、Al：0.005～0.06％、Ca：0.0005～0.0030％、P：0.025％以下、S：0.025％以下，进一步包含选自Ti：0.003～0.015％、Nb：0.005～0.025％和Ta：0.002～0.050％中的至少两种，并且包含余量的Fe和不可避免的杂质，微细组织由包含铁素体、回火贝氏体及珠光体和退化珠光体中的一种或两种的混合组织组成，所述回火贝氏体的分数为5～50面积％。
本发明的另一个实施方案提供一种拉伸强度和低温冲击韧性优异的用于压力容器的钢板的制造方法，其包含：在950～1200℃下对钢坯进行再加热，以重量％计，所述钢坯包含C：0.12～0.20％、Si：0.30～0.40％、Mn：1.50～1.70％、Mo：0.03～0.10％、Cu：0.05～0.30％、V：0.03～0.10％、Ni：0.03～0.25％、Cr：0.03～0.25％、Al：0.005～0.06％、Ca：0.0005～0.0030％、P：0.025％以下、S：0.025％以下，进一步包含选自Ti：0.003～0.015％、Nb：0.005～0.025％和Ta：0.002～0.050％中的至少两种，并且包含余量的Fe和不可避免的杂质；对所述再加热后的钢坯进行热轧，以得到热轧钢板，每道次压下率为2.5～30％；在820～930℃下对所述热轧钢板进行正火热处理1.3×t+(10～30分钟)(t是钢板的厚度(mm))；对所述正火热处理的热轧钢板在正火温度范围至450℃的温度段以1/4t(t是钢板的厚度(mm))为准0.5～30℃/s的冷却速度进行冷却；以及在550～680℃下对所述冷却后的热轧钢板进行回火热处理1.6×t+(10～30分钟)(t是钢板的厚度(mm))。
发明效果
根据本发明的一个方面，可以提供一种PWHT热处理后拉伸强度和低温冲击韧性也优异的用于压力容器的钢板及其制造方法。
具体实施方式
在下文中，将详细描述本发明。首先，对本发明的合金组分进行描述。下述合金组分是指重量％，除非另有说明。
C：0.12～0.20％
C是提高强度的元素，如果其含量小于0.12％，则基体相自身强度会降低，如果大于0.20％，则强度过于增加而导致韧性降低，同时焊接性降低。
Si：0.30～0.40％
Si是对脱氧和固溶强化有效的元素，而且是伴随着冲击转变温度上升的元素。为了达到目标强度，需要加入0.30％以上。但是，如果加入量大于0.40％，则焊接性会降低，冲击韧性变差。
Mn：1.50～1.70％
Mn是对钢的强度和低温韧性产生重要影响的合金元素。如果Mn含量过低，则强度和韧性有可能变差，因此优选加入1.50％以上。但是，如果其含量过高，则焊接性降低，钢的制造成本会上升，因此其上限优选限制为1.70％。
Mo：0.03～0.10％
Mo不仅提高钢的淬透性，防止硫化物裂纹，而且是淬火-回火后微细碳化物析出而提高钢的强度的有效元素。在本发明中，为了获得这种效果，优选加入0.03％以上。但是，如果其含量过高，则钢的制造成本会上升，因此其上限优选限制为0.10％。
Cu：0.05～0.30％
Cu是对强度增加有效的元素，需要加入0.05％以上，才能获得上述效果，但是价格高，因此其上限优选限制为0.30％。
V：0.03～0.10％
V是容易形成微细的碳化物和氮化物的元素，需要加入0.03％以上，才能获得上述效果，但是价格高，因此其上限优选限制为0.30％。
Ni：0.03～0.25％
Ni是对提高低温韧性最有效的元素，需要加入0.03％以上，才能获得上述效果，但镍是高价元素会造成制造成本上升，因此优选加入0.25％以下。
Cr：0.03～0.25％
Cr是增加强度的元素，在本发明中，为了强度增加效果，需要加入0.03％以上，但铬是高价元素，因此加入量大于0.25％时，将会造成制造成本上升。
Al：0.005～0.06％
Al和Si是炼钢工艺中的强脱氧剂之一，如果其含量小于0.005％，则脱氧效果不明显，如果加入量大于0.06％，则脱氧效果会饱和，而且制造成本上升。
Ca：0.0005～0.0030％
Ca生成为CaS起到抑制MnS非金属夹杂物的作用，因此加入5ppm以上。但是，如果加入量过多，就会与钢中含有的O发生反应而生成非金属夹杂物CaO，不利于物性，因此其上限值限制为30ppm。
P：0.025％以下
P是作为钢中不可避免加入的杂质降低低温韧性并增加回火脆化敏感性的元素。因此，优选控制成含量尽可能低，在本发明中，将P含量控制成0.025％以下。
S：0.025％以下
S也作为钢中不可避免加入的杂质降低低温韧性并形成MnS夹杂物而损害钢的韧性。因此，优选控制成含量尽可能低，在本发明中，将S含量控制成0.025％以下。
对于本发明的钢板，除了上述的合金组分之外，优选进一步包含选自Ti：0.003～0.015％、Nb：0.005～0.025％和Ta：0.002～0.050％中的至少两种。
Ti：0.003～0.015％
Ti是形成微细碳化物或氮化物避免基体组织软化的有效元素。在本发明中，为了获得这种效果，需要加入0.003％以上，但钛是高价元素，因此其上限优选限制为0.015％。
Nb：0.005～0.025％
Nb是形成微细碳化物或氮化物避免基体组织软化的有效元素。在本发明中，为了获得这种效果，需要加入0.005％以上，但铌是高价元素，因此其上限优选限制为0.025％。
Ta：0.002～0.050％
Ta是形成微细碳化物或氮化物避免基体组织软化的有效元素。在本发明中，为了获得这种效果，需要加入0.002％以上，但钽是高价元素，因此其上限优选限制为0.050％。
本发明的余量成分是铁(Fe)。但是，常规制造过程中会不可避免地混入来自原料或周围环境的意想不到的杂质，因此无法排除混入杂质。这些杂质是常规制造过程的任何技术人员都知道的杂质，因此相关的所有内容本说明书中不再赘述。
本发明的用于压力容器的钢板，其微细组织由包含铁素体、回火贝氏体及珠光体和退化珠光体中的一种或两种的混合组织组成，通过如此确保微细组织，可以确保PWHT后也具有优异的强度和低温冲击韧性。
此时，所述回火贝氏体的分数优选为5～50面积％。通过确保所述混合组织中回火贝氏体为5面积％以上，可以提高PWHT耐性。但是，如果大于50面积％，则强度可能会过于上升。所述回火贝氏体的分数更优选具有5～50面积％的范围。
另外，对于本发明的钢板，优选晶粒内部包含平均大小为5～80nm的MX[(M＝Ti、Nb、Ta)，[X＝N、C]]型析出物，以体积分数计包含0.003～0.15％。通过如上所述的对析出物的控制，可以进一步提高PWHT耐性。如果所述析出物的大小小于5nm，则难以确保目标强度，如果大于80nm，则存在冲击韧性降低的缺陷。此外，如果所述析出物的分数小于0.003体积％，则强度提高效果不充分，如果大于0.15体积％，则存在冲击韧性降低的缺陷。
另一方面，所述析出物的大小是指观察钢板的厚度方向截面而检测到的颗粒的等效圆直径(equivalent circular diameter)。
对于上述的本发明的用于压力容器的钢板，可以采用各种方法来制造，其制造方法不受特别限制。但是，作为优选的一个实例可以采用如下方法。
在下文中，将描述本发明的用于压力容器的钢板的制造方法的一个实施方案。
首先，在950～1200℃下对具有前述合金组分的钢坯进行再加热。如果所述再加热温度低于950℃，则溶质原子很难固溶，而如果高于1200℃，则奥氏体晶粒大小变得过于粗大，可能会不利于钢板的性质。
对所述再加热后的钢坯进行热轧，以得到热轧钢板，每道次压下率为2.5～30％。如果所述每道次压下率小于2.5％，则压下量不足，可能会产生内部缺陷，如果大于30％，就有可能超出设备的压下能力。
在820～930℃下对所述热轧钢板进行正火热处理1.3×t+(10～30分钟)(t是钢板的厚度(mm))。如果所述正火热处理温度低于820℃，则固溶溶质元素很难再固溶，从而难以确保强度，如果高于930℃，则晶粒生长，不利于低温韧性。另外，如果所述保持时间小于1.3×t+10分钟，则组织均质化可能会不充分，如果大于1.3×t+30分钟，则可能会不利于生产性。
对所述正火热处理的热轧钢板在正火温度范围至450℃的温度段以1/4t(t是钢板的厚度(mm))为准0.5～30℃/s的冷却速度进行冷却。如果所述冷却速度小于0.5℃/s，则很难发生适当的贝氏体转变，从而难以确保强度，而如果大于20℃/s，就会得到贝氏体分数过大的微细组织，因此获得过大的拉伸强度，而且低温韧性也有可能降低。
在550～680℃下对所述冷却的热轧钢板进行回火热处理1.6×t+(10～30分钟)(t是钢板的厚度(mm))。如果所述回火热处理温度低于550℃，则微细析出物很难析出，从而难以确保强度，如果高于680℃，就会发生析出物的生长，不利于强度和低温韧性。此外，如果所述回火热处理时保持时间小于1.6×t+10分钟，则组织均质化可能会不充分，如果大于1.6×t+30分钟，则可能会不利于生产性。
另一方面，经所述热处理工艺制成的本发明的用于压力容器的钢板需要进行PWHT处理，以消除制作压力容器时附加的焊接工艺所导致的残留应力。通常，长时间PWHT热处理后强度和韧性变差，而根据本发明制造的钢板，在常规PWHT条件即580～650℃的温度范围下进行热处理后，强度和韧性也不会大幅降低，可以完成焊接施工。作为一个实例，本发明的用于压力容器的钢板，其在580～650℃的温度范围下进行焊后热处理(Post Weld HeatTreatment，PWHT)10小时后，拉伸强度也可以是590MPa以上，-50℃下的夏比冲击能量值也可以是150J以上。
用于实施发明的方式
下面通过实施例更详细地描述本发明。但是，下述实施例只是用于更详细地描述本发明，本发明的权利范围不限于下述实施例。本发明的权利范围以权利要求书的内容以及由此合理导出的内容为准。
(实施例)
在1140℃下对具有下表1所示的合金组分的钢坯进行再加热300分钟，再以每道次压下率为10～15％的条件，在再结晶区域进行热轧而得到热轧钢板，然后在890℃下对所述热轧钢板进行正火热处理1.3×t+20分钟(t是钢板的厚度(mm))，再对所述正火热处理的热轧钢板在所述正火温度范围至450℃的温度段以1/4t(t是钢板的厚度(mm))为准按照下表2的条件进行冷却，然后在650℃下进行回火热处理1.6×t+20分钟(t是钢板的厚度(mm))，从而制造出用于压力容器的钢板。
对所制成的钢板观察微细组织，并实施PHWT热处理，然后测定屈服强度、拉伸强度、延伸率和低温冲击韧性，其结果示于下表2中。需要说明的是，在下表2中，除了回火贝氏体之外，其余微细组织是铁素体和珠光体。析出物分数是指位于铁素体、珠光体和回火贝氏体混合组织的晶粒内部的平均大小为5～80nm的MX[(M＝Ti、Nb、Ta)，[X＝N、C]]型析出物的体积分数。低温冲击韧性是在-50℃下对具有V型缺口的试样进行夏比冲击试验而得到的夏比冲击能量值。
【表1】
Figure BDA0002532813950000091
【表2】
Figure BDA0002532813950000092
Figure BDA0002532813950000101
从上表1和2可知，对于满足本发明的合金组分和制造条件的发明钢1至3，即使PWHT时间达到10小时，拉伸强度和低温冲击韧性等机械特性也优异。
相比之下，对于没有满足本发明的合金组分的比较钢1，即使满足本发明的制造条件，与发明钢1至3相比，拉伸强度低约70MPa，低温冲击韧性低约150J以上。

Claims (4)

1.一种拉伸强度和低温冲击韧性优异的用于压力容器的钢板，以重量％计，所述钢板包含C：0.12～0.20％、Si：0.30～0.40％、Mn：1.50～1.70％、Mo：0.03～0.10％、Cu：0.05～0.30％、V：0.03～0.10％、Ni：0.03～0.25％、Cr：0.03～0.25％、Al：0.005～0.06％、Ca：0.0005～0.0030％、P：0.025％以下、S：0.025％以下，进一步包含选自Ti：0.003～0.015％、Nb：0.005～0.025％和Ta：0.002～0.050％中的至少两种，并且包含余量的Fe和不可避免的杂质，
微细组织由包含铁素体、回火贝氏体及珠光体和退化珠光体中的一种或两种的混合组织组成，
所述回火贝氏体的分数为5～50面积％。
2.根据权利要求1所述的拉伸强度和低温冲击韧性优异的用于压力容器的钢板，其包含平均大小为5～80nm的MX[(M＝Ti、Nb、Ta)，[X＝N、C]]型析出物0.003～0.15体积％。
3.根据权利要求1所述的拉伸强度和低温冲击韧性优异的用于压力容器的钢板，其在580～650℃的温度范围下进行焊后热处理10小时，拉伸强度也是590MPa以上，-50℃下的夏比冲击能量值也是150J以上。
4.一种拉伸强度和低温冲击韧性优异的用于压力容器的钢板的制造方法，其包含：
在950～1200℃下对钢坯进行再加热，以重量％计，所述钢坯包含C：0.12～0.20％、Si：0.30～0.40％、Mn：1.50～1.70％、Mo：0.03～0.10％、Cu：0.05～0.30％、V：0.03～0.10％、Ni：0.03～0.25％、Cr：0.03～0.25％、Al：0.005～0.06％、Ca：0.0005～0.0030％、P：0.025％以下、S：0.025％以下，进一步包含选自Ti：0.003～0.015％、Nb：0.005～0.025％和Ta：0.002～0.050％中的至少两种，并且包含余量的Fe和不可避免的杂质；
对所述再加热后的钢坯进行热轧，以得到热轧钢板，每道次压下率为2.5～30％；
在820～930℃下对所述热轧钢板进行正火热处理1.3×t+(10～30分钟)(t是钢板的厚度(mm))；
对所述正火热处理的热轧钢板在正火温度范围至450℃的温度段以1/4t(t是钢板的厚度(mm))为准0.5～30℃/s的冷却速度进行冷却；以及
在550～680℃下对所述冷却的热轧钢板进行回火热处理1.6×t+(10～30分钟)(t是钢板的厚度(mm))。
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