CN111850401B - 一种低成本高强韧性压力容器钢板及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种低成本高强韧性压力容器钢板及其生产方法，所述钢板的化学成分按重量百分比为：C：0.13％～0.18％、Si：0.25％～0.35％、Mn：1.10％～1.30％、P≤0.010％、S≤0.002％、Mo：0.25％～0.35％、Al：0.030％～0.040％、Ti：0.070％～0.130％，其余含量为Fe和不可避免的杂质。本发明中钢板无需添加Ni元素，大大降低了生产成本；以较低的C和适当的Mo、Ti元素进行微合金化，通过两阶段控制轧制+两相区弱冷，使钢中大量析出纳米尺寸的Ti‑Mo(CN)碳化物，大大提高了钢的强韧性；钢中C含量降低可保证钢板后续具有良好的冲击韧性和焊接性能。

Description

一种低成本高强韧性压力容器钢板及其生产方法
技术领域
本发明涉及钢板生产技术领域，尤其涉及一种低成本高强韧性压力容器钢板及其生产方法。
背景技术
目前，国内外高强韧性压力容器用钢，均采用钢种冶炼时通过提高碳当量和添加较高含量的镍等合金元素的方式，然而添加镍元素会大大提高生产成本，提高碳当量会对钢板的焊接性和冲击韧性造成不利的影响。对于低成本高强韧性容器用钢的研究始终在进行，目前公开的技术方案有以下几项：
公开号为CN103320719B的中国发明专利公开了一种“低成本可大热输入焊接高强韧性钢板及其制造方法”，其钢板的化学成分按质量百分比为：C：0.03％～0.06％、Si≤0.10％、Mn：1.50％～1.80％、P≤0.013％、S≤0.002％、Als：0.040％～0.070％、B：0.0006％～0.0014％、Ni：0.05％～0.20％、Cr：0.90％～1.30％、Mo：0.05％～0.20％、Ti：0.007％～0.013％、Nb：0.008％～0.020％、N≤0.0050％、Ca：0.0010％～0.0040％，TMCP+回火热处理，-20℃冲击功≥100J。该技术方案中添加了0.05％～0.20％的Ni、0.90％～1.30％的Cr元素，且采用TMCP+回火热处理，从化学成分和生产工艺角度均大大提高生产成本，使工艺流程复杂化，减慢生产节奏，同时开发的产品低温性能没有达到较高水平。
公开号为CN105671436B的中国发明专利公开了一种“抗高温PWHT软化的低焊接裂纹敏感系数原油储罐用高强韧性钢板及其制造方法”，其钢板的化学成分为：C：0.07％-0.12％、Si：0.15％-0.30％、Mn：1.40％-1.60％、S≤0.010％、P≤0.015％、Mo：0.05％-0.15％，Ni：0.20％-0.35％，Nb：0.015％-0.035％、V：0.030％-0.060％、Ti：0.010％-0.030％，Alt：0.015％-0.045％，其余为Fe和微量杂质。热处理方式为调质。该技术方案对钢种的化学成分和生产工艺方面均进行了改进，重新设计合金成分，无需添加Ni元素，大大降低生产成本，通过以较低的C和适当的Mo、Ti含量进行微合金化，通过两阶段控制轧制+两相区弱冷，使钢中大量析出纳米尺寸Ti-Mo(CN)碳化物，细化的碳化物大大提高钢的强韧性。另外适当降低钢中C含量，保证钢板后续具有良好的冲击韧性和焊接性能。但该技术方案中添加了Ni：0.20％-0.35％，Nb：0.015％-0.035％、V：0.030％-0.060％，并采用调质热处理方式，从化学成分和生产工艺角度均大大提高生产成本。
公开号为CN103805863B的中国发明专利公开了一种“高强度高韧性钢板的生产工艺”，其钢板的化学成分按质量百分比为：C0.10-0.15％、Si0.15-0.30％、Mn 1.10-1.40％、P≤0.010％，S≤0.003％、酸溶铝Als0.020-0.030％、Nb 0.025-0.040％、Ti0.010-0.015％、Cr0.15-0.30％、Mo0.15-0.20％，余量为Fe和其它杂质，调质热处理，厚度为8mm-11mm的钢板-20℃冲击功可达150J以上，-40℃冲击功可达130J以上；厚度大于11mm的钢板-20℃冲击功可达250J以上，-40℃冲击功可达200J以上；但是该技术方案中添加了0.15-0.30％的Cr，且采用调质热处理，从化学成分和生产工艺角度均大大提高生产成本，使工艺流程复杂化，减慢了生产节奏，同时开发的钢板产品低温性能没有达到较高的水平。
发明内容
本发明提供了一种低成本高强韧性压力容器钢板及其生产方法，在钢种的化学成分和生产工艺方面均进行了改进，重新设计了合金成分，无需添加Ni元素，大大降低了生产成本；以较低的C和适当的Mo、Ti元素进行微合金化，通过两阶段控制轧制+两相区弱冷，使钢中大量析出纳米尺寸的Ti-Mo(CN)碳化物，细化的碳化物大大提高了钢的强韧性；另外，适当降低了钢中的C含量，保证钢板后续具有良好的冲击韧性和焊接性能。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种低成本高强韧性压力容器钢板，所述钢板的化学成分按重量百分比为：C：0.13％～0.18％、Si：0.25％～0.35％、Mn：1.10％～1.30％、P≤0.010％、S≤0.002％、Mo：0.25％～0.35％、Al：0.030％～0.040％、Ti：0.070％～0.130％，其余含量为Fe和不可避免的杂质。
一种低成本高强韧性压力容器钢板的生产方法，包括：
一、转炉冶炼、炉外精炼、真空脱气和连铸工艺过程：
(1)选用P＜0.015％、S＜0.010％的铁水，进行铁水深脱硫处理后脱硫渣扒净；
(2)LF炉造白渣精炼钢液，上机前保证钢包静吹氩时间≥3min，中间包目标过热度按小于25℃控制；
(3)连铸时全程保护浇注，采用电磁搅拌或轻压下方式，确保钢中[S]≤0.002％；连铸坯厚度为150～360mm；
二、轧制工艺过程：
(1)钢坯加热温度控制在1190～1250℃，保证合金元素充分固溶，出炉温度1150～1220℃，出炉后送至除磷机去除氧化铁皮；
(2)采用TMCP工艺轧制，具体如下：板坯开轧温度≥1080℃，轧制过程中采用高压水充分除磷；粗轧采用高温大压下轧制工艺，开轧温度＞1050℃,粗轧至少有连续3个道次的压下率≥25％，精轧至少有连续3个道次的压下率≥20％；中间坯厚度为(2.5～3.0)×h，h为目标厚度；精轧开轧温度为960～970℃，终轧温度为850～860℃；二阶段变形率为60％～65％；
(3)采用ACC弱冷，开冷温度为840～850℃，终冷温度720～740℃，冷却速度≥10℃/S，720℃以下空冷至室温。
所生产的钢板厚度为6～36mm。
所生产钢板的力学性能指标为：热轧态钢板常温屈服强度为420MPa以上，热轧态钢板常温抗拉强度为590～720Mpa；8h模拟焊后热处理态常温屈服强度为370MPa以上，8h模拟焊后热处理态常温抗拉强度为530～630Mpa；热轧态钢板横向-60℃冲击韧性＞100J，8h模拟焊后热处理态钢板横向-60℃冲击韧性＞100J。
所生产钢板的钢中夹杂物等级为：A类≤0.5级、B类≤0.5级、C类≤0.5级、D类≤0.5级。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过降低的C含量、不再添加Ni元素以及采用Ti-Mo元素微合金化、TMCP+弱冷替代正火等技术手段，在大幅降低生产成本的同时，使钢板仍然具有良好的强韧性匹配；
(2)通过两阶段控制轧制+两相区弱冷，使钢中大量析出纳米尺寸的Ti-Mo(CN)碳化物，细化的碳化物大大提高了钢的强韧性。热轧态钢板的常温屈服强度达到420MPa以上的水平、抗拉强度达到590～720Mpa；8h模拟焊后热处理态的常温屈服强度达到370MPa以上的水平、抗拉强度达到530～630Mpa。
(3)适当降低钢中C含量，还能够保证钢板后续具有良好的冲击韧性和焊接性能。本发明中，热轧态钢板横向-60℃冲击韧性＞100J，8h模拟焊后热处理态钢板横向-60℃冲击韧性＞100J，钢板具有良好的强韧性匹配；
(4)本发明选用低P、低S铁水，并且采用铁水深脱硫处理、脱硫渣扒净等手段，通过转炉冶炼、炉外精炼和连铸工艺进行生产，保证钢水具有较高的洁净度，使钢中夹杂物等级达到：A类夹杂≤0.5级、B类夹杂≤0.5级、C类夹杂≤0.5级、D类夹杂≤0.5级的水平。
附图说明
图1是本发明实施例3中22mm规格正火态钢板的金相照片。
具体实施方式
本发明所述一种低成本高强韧性压力容器钢板，所述钢板的化学成分按重量百分比为：C：0.13％～0.18％、Si：0.25％～0.35％、Mn：1.10％～1.30％、P≤0.010％、S≤0.002％、Mo：0.25％～0.35％、Al：0.030％～0.040％、Ti：0.070％～0.130％，其余含量为Fe和不可避免的杂质。
一种低成本高强韧性压力容器钢板的生产方法，包括：
一、转炉冶炼、炉外精炼、真空脱气和连铸工艺过程：
(1)选用P＜0.015％、S＜0.010％的铁水，进行铁水深脱硫处理后脱硫渣扒净；
(2)LF炉造白渣精炼钢液，上机前保证钢包静吹氩时间≥3min，中间包目标过热度按小于25℃控制；
(3)连铸时全程保护浇注，采用电磁搅拌或轻压下方式，确保钢中[S]≤0.002％；连铸坯厚度为150～360mm；
二、轧制工艺过程：
(1)钢坯加热温度控制在1190～1250℃，保证合金元素充分固溶，出炉温度1150～1220℃，出炉后送至除磷机去除氧化铁皮；
(2)采用TMCP工艺轧制，具体如下：板坯开轧温度≥1080℃，轧制过程中采用高压水充分除磷；粗轧采用高温大压下轧制工艺，开轧温度＞1050℃,粗轧至少有连续3个道次的压下率≥25％，精轧至少有连续3个道次的压下率≥20％；中间坯厚度为(2.5～3.0)×h，h为目标厚度；精轧开轧温度为960～970℃，终轧温度为850～860℃；二阶段变形率为60％～65％；
(3)采用ACC弱冷，开冷温度为840～850℃，终冷温度720～740℃，冷却速度≥10℃/S，720℃以下空冷至室温。
所生产的钢板厚度为6～36mm。
所生产钢板的力学性能指标为：热轧态钢板常温屈服强度为420MPa以上，热轧态钢板常温抗拉强度为590～720Mpa；8h模拟焊后热处理态常温屈服强度为370MPa以上，8h模拟焊后热处理态常温抗拉强度为530～630Mpa；热轧态钢板横向-60℃冲击韧性＞100J，8h模拟焊后热处理态钢板横向-60℃冲击韧性＞100J。
所生产钢板的钢中夹杂物等级为：A类≤0.5级、B类≤0.5级、C类≤0.5级、D类≤0.5级。
本发明所述一种低成本高强韧性压力容器钢板的化学成分设计理由如下：
(1)C：C为钢中主要组成元素，钢的强度主要取决于钢中C元素的含量，过高的C元素含量会导致钢的韧性、塑性和焊接性能较差；低的C元素含量会导致钢的强度较低。为了保证钢板在使用过程中具有良好的低温冲击韧性、强度和焊接性能匹配，本发明要求钢中C含量控制在0.13％～0.18％范围内。
(2)Si：Si是钢中常见的固溶强化合金元素，对钢的强韧性、淬透性乃至保证钢进行脱氧都是必须的元素，但其含量较高也会导致钢的韧性下降，因此本发明中Si含量要求控制在0.25％～0.35％。
(3)Mn：Mn元素在钢中能够通过固溶强化的方式强化铁素体，C-Mn强化也是低碳钢提高强度的主要方式，但是Mn含量如果过高，在增加生产成本的同时，Mn元素易和S元素结合生成MnS，会降低材料抗氢致裂纹开裂能力，因此本发明要求钢中Mn含量控制在1.10％～1.30％。
(4)P：磷是钢中有害元素，会增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏，并且P对辐照脆化也特别敏感。因此钢中的P含量越低越好，本发明要求P含量不大于0.010％。
(5)S：硫在通常情况下是有害元素。S通常易与钢中的合金元素形成脆性硫化物，使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，同时S也有加速辐照脆化的倾向。因此本发明要求钢中S含量应限制在0.002％以下。
(6)Al：钢中加入少量Al元素能有效细化奥氏体晶粒，从而细化了铁素体晶粒和组织，提高钢的冲击韧性，但是Al缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。因此本发明要求钢中Al含量为0.030％～0.040％。
(7)Ti：Ti作为强碳化物形成元素在钢中弥散度大，起沉淀强化作用，通过TMCP可有效细化晶粒，改善因析出强化造成的韧性降低，从而使钢板获得高强度、高韧性的综合性能。另外，Ti和Mo结合，在钢中大量析出纳米尺寸Ti-Mo(CN)碳化物，细化的碳化物钉扎位错，大大提高钢的强韧性。因此本发明要求钢中Ti含量控制为0.070％～0.130％。
(8)Mo：Mo主要依靠固溶强化及晶界强化来提高钢的强度；其次Mo增加了过冷奥氏体的稳定性，使奥氏体向铁素体转变曲线右移，相变后得到更加细小的铁素体组织，同时增加钢中贝氏体体积分数；另外Ti和Mo结合，在钢中大量析出纳米尺寸Ti-Mo(CN)碳化物，细化的碳化物钉扎位错，大大提高钢的强韧性，因此本发明要求钢中Mo含量控制为0.25％～0.35％。
以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
【实施例】
本实施例中，各实施例化学成分如表1所示。
表1各实施例钢的化学成分(wt％)
元素 C Si Mn P S Al Ti Mo
实施例1 0.15 0.25 1.20 0.006 0.001 0.036 0.011 0.30
实施例2 0.16 0.28 1.20 0.007 0.002 0.038 0.013 0.31
实施例3 0.17 0.28 1.23 0.007 0.001 0.037 0.012 0.32
实施例4 0.18 0.30 1.25 0.008 0.001 0.037 0.010 0.33
【实施例1】
本实施例中，一种低成本高强韧性压力容器钢板的生产过程为：钢水经转炉冶炼、炉外精炼，浇铸成连铸坯(断面厚度为150mm)，轧制的成品钢板厚度规格为6mm。钢的化学成分见表1，轧制工艺参数、力学性能指标分别见表2、表3。
表2轧制及热处理工艺参数
钢坯加热温度/℃ 开轧温度/℃ 精轧开轧温度/℃ 终轧温度/℃ 开冷温度/℃ 终冷温度/℃
1200 1095 963 860 842 728
表3力学性能指标
Figure BDA0002573172100000071
本实施例所生产的6mm规格热轧态及模焊热处理状态钢板具有良好韧性和强度匹配，并且完全满足NB/T 47013探伤标准Ⅰ级要求。
钢中非金属夹杂物等级：A类0级、B类0.5级、C类0级、D类0级。
【实施例2】
本实施例中，一种低成本高强韧性压力容器钢板的生产过程为：钢水经转炉冶炼、炉外精炼，浇铸成连铸坯(断面厚度为200mm)，轧制的成品钢板厚度规格为18mm。钢的化学成分见表1，轧制工艺参数、力学性能指标分别见表4、表5。
表4轧制及热处理工艺参数
钢坯加热温度/℃ 开轧温度/℃ 精轧开轧温度/℃ 终轧温度/℃ 开冷温度/℃ 终冷温度/℃
1205 1085 965 858 849 725
表5力学性能指标
Figure BDA0002573172100000072
本实施例所生产18mm规格热轧态及模焊热处理状态钢板具有良好韧性和强度匹配，并且完全满足NB/T 47013探伤标准Ⅰ级要求。
钢中非金属夹杂物等级：A类0级、B类0级、C类0级、D类0级。
【实施例3】
本实施例中，一种低成本高强韧性压力容器钢板的生产过程为：钢水经转炉冶炼、炉外精炼，浇铸成连铸坯(断面厚度250mm)，轧制成品钢板厚度规格为22mm。钢的化学成分见表1，轧制工艺参数、力学性能指标分别见表6、表7，正火态金相照片如图1所示。
表6轧制及热处理工艺参数
钢坯加热温度/℃ 开轧温度/℃ 精轧开轧温度/℃ 终轧温度/℃ 开冷温度/℃ 终冷温度/℃
1215 1095 965 858 849 735
表7力学性能指标
Figure BDA0002573172100000081
本实施例所生产22mm规格热轧态及模焊热处理状态钢板具有良好韧性和强度匹配，并且完全满足NB/T 47013探伤标准Ⅰ级要求。
钢中非金属夹杂物等级：A类0级、B类0.5级、C类0级、D类0.5级。
【实施例4】
本实施例中，一种低成本高强韧性压力容器钢板的生产过程为：钢水经转炉冶炼、炉外精炼，浇铸成连铸坯(断面厚度为360mm)，轧制成品钢板厚度规格为36mm。钢的化学成分见表1，轧制工艺参数、力学性能指标分别见表8、表9。
表8轧制及热处理工艺参数
钢坯加热温度/℃ 开轧温度/℃ 精轧开轧温度/℃ 终轧温度/℃ 开冷温度/℃ 终冷温度/℃
1208 1095 961 852 843 738
表9力学性能指标
Figure BDA0002573172100000082
本实施例所生产36mm规格热轧态及模焊热处理状态钢板具有良好韧性和强度匹配，并且完全满足NB/T 47013探伤标准Ⅰ级要求。
钢中非金属夹杂物等级：A类0.5级、B类0级、C类0级、D类0.5级。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种低成本高强韧性压力容器钢板的生产方法，其特征在于，所述钢板的化学成分按重量百分比为：C：0.13%～0.18%、Si：0.25%～0.35%、Mn：1.10%～1.30%、P≤0.010%、S≤0.002%、Mo：0.25%～0.35%、Al：0.030%～0.040%、Ti：0.070%～0.130%，其余含量为Fe和不可避免的杂质；
所述低成本高强韧性压力容器钢板的生产方法包括：
一、转炉冶炼、炉外精炼、真空脱气和连铸工艺过程：
（1）选用P＜0.015%、S＜0.010%的铁水，进行铁水深脱硫处理后脱硫渣扒净；
（2）LF炉造白渣精炼钢液，上机前保证钢包静吹氩时间≥3min，中间包目标过热度按小于25℃控制；
（3）连铸时全程保护浇注，采用电磁搅拌或轻压下方式，确保钢中[S]≤0.002%；连铸坯厚度为150～360mm；
二、轧制工艺过程：
（1）钢坯加热温度控制在1190～1250℃，保证合金元素充分固溶，出炉温度1150～1220℃，出炉后送至除磷机去除氧化铁皮；
（2）采用TMCP工艺轧制，具体如下：板坯开轧温度≥1080℃，轧制过程中采用高压水充分除磷；粗轧采用高温大压下轧制工艺，开轧温度＞1050℃,粗轧至少有连续3个道次的压下率≥25%，精轧至少有连续3个道次的压下率≥20%；中间坯厚度为(2.5～3.0)×h，h为目标厚度；精轧开轧温度为960～970℃，终轧温度为850～860℃；二阶段变形率为60%～65%；
（3）采用ACC弱冷，开冷温度为840～850℃，终冷温度720℃，冷却速度≥10℃/s，720℃以下空冷至室温。
2.根据权利要求1所述的一种低成本高强韧性压力容器钢板的生产方法，其特征在于，所生产的钢板厚度为6～36mm。
3.根据权利要求1所述的一种低成本高强韧性压力容器钢板的生产方法，其特征在于，所生产钢板的力学性能指标为：热轧态钢板常温屈服强度为420MPa以上，热轧态钢板常温抗拉强度为590～720Mpa；8h模拟焊后热处理态常温屈服强度为370MPa以上，8h模拟焊后热处理态常温抗拉强度为530～630Mpa；热轧态钢板横向-60℃冲击韧性＞100J，8h模拟焊后热处理态钢板横向-60℃冲击韧性＞100J。
4.根据权利要求1所述的一种低成本高强韧性压力容器钢板的生产方法，其特征在于，所生产钢板的钢中夹杂物等级为：A类≤0.5级、B类≤0.5级、C类≤0.5级、D类≤0.5级。
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