CN113549815A - 一种低温用低合金压力容器用钢板及生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种低温用低合金压力容器用钢板及生产方法，所述的钢板的化学成分按重量百分比计：C：0.14％～0.17％、Si：0.36～0.49％、Mn：1.16％～1.53％、P：≤0.005％、S：≤0.001％、Ni：0.46％～0.62％、Ti：0.36％～0.44％、V：0.032％～0.054％、Ca：0.0003％～0.005％、Als：0.015％～0.035％，其余为Fe及不可避免的杂质。本发明的优点是：通过合理控制钢中C、Mn含量，保证钢板偏析程度较轻，添加Ca改变钢中夹杂物形状，钢板抗拉强度值可达571～580MPa、屈服强度可达416～445MPa。

Description

一种低温用低合金压力容器用钢板及生产方法

技术领域

本发明属于容器钢板生产领域，尤其涉及一种适用于生产低温压力容器、低温球形储罐、高参数低温圆筒形容器的钢板及生产方法。

背景技术

随着我国石油化学工业的迅速发展，生产气体过程中涉及到的液化、分离和液化气体的生产、贮运及应用已成为热点问题。其中液化石油气，作为一种清洁、方便、热效率高的能源已被广泛应用于工业和民用燃料领域。由于液态气体和液化石油气的诸多优点以及广阔的市场前景，大大推动了低温压力容器、低温球形储罐和高参数低温圆筒形容器在石油、化工领域的应用。但由于此类低温容器具有低温和高压的特点，所以对低温压力容器用钢也提出了更高的性能组织要求。

目前世界各国普遍采用的低温钢可分为铝镇静C-Mn钢和含Ni低温钢两大类。综合考虑技术经济效果、工艺性能，特别是基于压力容器安全考虑，低温压力容器低合金钢的两个发展方向：一是提高强度，二是保证良好的低温韧性和焊接性能。石油、化工等领域低温设备多使用含镍低温钢，其是在低碳钢的基础上提高Mn含量来增加钢的强度，并适当地降低含碳量。以改善焊接性能。在降低钢中S、P等杂质元素含量，提高钢质纯净度的同时、添加Ni、Ti、V元素以及W等元素，达到固溶强化和析出强化的目的，从而降低钢材的脆性转变温度。因此与一般低碳钢相比，这类钢具有较好的低温韧性。中国专利申请号：201110178465.2，公布了一种低温压力容器用15MnNiDR低合金钢板及其生产方法，该钢板虽然添加了一定量的Nb、V、Ti、Mo等合金元素，但钢板正火后其强度相比于标准富余量不大，如经过模拟焊后热处理后，其强度有可能低于标准。中国专利申请号：201410186331.9，公布了一种低温低合金结构钢及其制造方法，该钢种虽添加了如V、Nb等众多合金元素以及稀土元素Re，虽然钢板的强度得到了一定程度的提升，但钢板成本造价却大幅提高。针对上述情况，亟待通过新型成分设计，开发出具有良好低温性能的低合金压力容器钢板。

为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种低温用低合金压力容器用钢板及生产方法，提高钢板低温性能，通过添加合金元素Ti、V细化晶粒。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种低温用低合金压力容器用钢板，所述的钢板的化学成分按重量百分比计：

C：0.14％～0.17％、Si：0.36～0.49％、Mn：1.16％～1.53％、P：≤0.005％、S：≤0.001％、Ni：0.46％～0.62％、Ti：0.36％～0.44％、V：0.032％～0.054％、Ca：0.0003％～0.005％、Als：0.015％～0.035％，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在钢中常与其他合金元素形成碳化物起到强化作用。从保证钢板强度的角度，希望C含量保持在较高的水平上，但较高的C含量容易在钢内产生偏析，造成钢板韧塑性能的明显下降。因此在保证钢板强度的前提下，控制C含量在0.14～0.16％。

Si在钢中具有脱氧和脱硫作用且通过固溶强化能提高钢板强度。在钢中添加适当含量的Si，能够提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度。Si能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比以及疲劳强度和疲劳比且在低合金钢中能提高强度改善局部腐蚀抗力。但如果Si含量较高，则会导致热影响区冲击韧性劣化，因此将Si含量限定在0.36～0.49％。

Mn元素是钢中是常用的脱硫剂，适量Mn与S形成化合物MnS减少S造成的热脆，改善硫化物夹杂的性能；Mn能和O形成MnO从而在钢中起到脱氧剂的作用；Mn元素能显著提高钢的淬透性，并能够改善组织的韧性。加锰后使冷脆转变温度降低，强度升高，相当于同等强度要求下，材料用量减少，降低了成本。在成分设计时，将Mn含量上限设定在1.16～1.53％范围内。

P、S是钢中的脆化元素，同时也是极易偏析元素，故其含量越低越好。二者对钢的低温韧性也具有很大的损害，但考虑到炼钢可操作性、炼钢成本以及满足使用需求等因素，将P、S的含量分别控制在0.005％以下和0.001％以下。

Ni：是弱固溶强化元素，在钢中的主要作用是增大奥氏体的过冷能力，从而细化组织，得到强化的效果，对冲击韧性和脆性转化温度具有良好的影响。因此本发明中把Ni的含量控制在0.46％～0.62％。

Ti：作为本专利主要元素，是强碳氮化物形成元素。Ti在元素周期表中，是左侧远离铁的元素，易形成稳定的碳化物(TiC)，形成的碳化钛在加热时很难溶解，能有效抑制晶界的扩展，强烈地阻碍奥氏体晶粒的长大同时促进铁素体的形成，所以钢板在热处理加热时不易过热，有利于热处理操作。其次，Ti可以固定钢中的N元素。通过合理控制Ti元素的含量进而精确控制Ti(C、N)在合金中的含量。此外，Ti和V一起作用，形成多元复合析出相(Ti，V)X(X＝C,N)。轧制过程中，经奥氏体区轧制的钢板会产生一定数量的形变储能，而不同程度的形变储能会对(Ti，V)C在奥氏体中沉淀析出的动力学产生不同程度的影响。实验中通过增大形变储能，促进富Ti的(Ti，V Mo)C粒子和富V的(Ti，V Mo)C粒子分别在奥氏体区的高温和低温阶段析出，从而更好地抑制奥氏体再结晶，阻止奥氏体晶粒的长大。同时，使奥氏体区特别是高温区间(Ti，V Mo)C的临界形核尺寸大幅减小，提高(Ti，V Mo)C的沉淀强化作用，进而达到提高钢的强度和低温韧性的目的。研究表明过量的Ti会造成晶粒发生异常长大，因此将Ti的含量控制在0.36～0.44％范围内。

V：V的作用和Ti的作用很相似，加入微量的V，使其与钢中的C形成VC，VC可阻止钢坯在加热、轧制、焊接过程中晶粒的长大，改善母材和焊接热影响区的韧性，这是V细化晶粒的作用。因此将V的含量控制在0.032～0.054％

Ca在钢中起到控制硫化物形态的作用，具有通过形成CaS而抑制MnS的形成效果。为了得到此效果，需要使Ca含量在0.0003％以上。此外，若Ca量超过0.005％，形成CaS尺寸过大，脆性也增加，容易成为断裂裂纹源起始点。因此将Ca限定在0.0003～0.005％。

Als作为钢中脱氧元素，在钢中形成AlN可有效细化晶粒，含量在0.015～0.035％较为合适。

一种低温用低合金压力容器用钢板的生产方法，包括：

1)转炉冶炼

采用转炉冶炼，铁水预处理、控制转炉出钢温度并出钢时加挡渣球挡渣；

钢水采用LF炉精炼调整成分并进行深脱硫处理，采用VD或RH真空处理并进一步调整成分，降低O、H、N有害气体以及S的含量；处理后加入合金元素，微合金化处理；

2)连铸

连铸过程中采用全程保护浇注，同时配以动态轻压下；

3)轧制

连铸板坯到达后，装炉进行控温加热，板坯出炉后进行高压水表面除鳞处理；钢板轧制采用二阶段控轧工艺，一阶段开轧温度≥1060℃，二阶段开轧温度≤950℃，二阶段终轧温度750～850℃；轧后钢板进行热矫直处理，开矫温度为700±10℃；热矫直后超快冷，开冷温度为620～650℃，返红温度520℃～560℃；超快冷工艺为开启全部集管，其中前两组集管水量350～400m³/h，后两组集管水量350～400m³/h，其余集管水量为550～650m³/h；

4)热处理

钢板采用辊底式热处理炉加热，正火温度控制在900～940℃，保温时间2～4min/mm；回火温度为650～700℃，总加热时间为4～6min/mm，回火后空冷至室温。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明在钢种成分设计上简单、合理。通过合理控制钢中C、Mn含量，保证钢板偏析程度较轻，添加Ca元素来改变钢中夹杂物形状，上述手段将确保钢板抗拉强度值可达571～580MPa、屈服强度可达416～445MPa；同时为了保证钢板具有良好的低温性能，在钢中添加了合金元素Ti/V，细化了晶粒，钢板组织均匀细小，晶粒度约为9级。通过析出强化确保钢板在正火和模拟焊后热处理后，成品钢板-50℃冲击吸收能量保持在较高水平，冲击功数值位于246～256J范围，完全满足指标要求，钢板低温冲击韧性良好，且有较大富余量。

附图说明

图1是低温用低合金压力容器用钢板-50℃低温冲击断口形貌图一。

图2是低温用低合金压力容器用钢板-50℃低温冲击断口形貌图二。

图3是低温用低合金压力容器用钢板金相组织图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。

见图3，低温用低合金压力容器用钢板，所述的钢板的化学成分按重量百分比计：

C：0.14％～0.17％、Si：0.36～0.49％、Mn：1.16％～1.53％、P：≤0.005％、S：≤0.001％、Ni：0.46％～0.62％、Ti：0.36％～0.44％、V：0.032％～0.054％、Ca：0.0003％～0.005％、Als：0.015％～0.035％，其余为Fe及不可避免的杂质。各实施例成分见表1。

生产方法：在氧气转炉冶炼时控制好Ti/V合金的加入时机和加入量，提高合金元素的回收率。然后在连铸过程中采用全程保护浇注，同时配以动态轻压下。随后在5500mm宽厚板轧机轧制成30mm厚度规格的钢板，钢板轧制采用二阶段控轧工艺(再结晶区轧制+未再结晶区轧制)，轧后钢板进行热矫直后空冷。

具体生产方法包括：

1)转炉冶炼

采用转炉冶炼，铁水预处理、控制转炉出钢温度并出钢时加挡渣球挡渣。钢水采用LF炉精炼调整成分并进行深脱硫处理，采用VD(RH)真空处理并进一步调整成分，降低O、H、N等有害气体以及S的含量。处理后加入合金元素Ti/V等，微合金化处理，严格控制好Ti/V合金的加入时机和加入量。

2)连铸

连铸过程中采用全程保护浇注，同时配以动态轻压下。

3)轧制

随后在5500mm宽厚板轧机轧制成30mm厚度规格的钢板，连铸板坯到达后装炉进行控温加热，板坯出炉后进行高压水表面除鳞处理。钢板轧制采用二阶段控轧工艺(再结晶区轧制+未再结晶区轧制)一阶段开轧温度≥1060℃，二阶段开轧温度≤950℃，二阶段终轧温度750～850℃；轧后钢板进行热矫直处理，开矫温度为700±10℃。热矫直后超快冷，开冷温度为620～650℃，返红温度520℃～560℃；超快冷工艺为开启全部集管，其中第1、2组水量350～400m³/h，第8、9组反吹，水量350～400m³/h，其余集管水量为550～650m³/h。

4)热处理

钢板采用辊底式热处理炉加热，正火机组能均匀冷却钢板，正火后板形平整。正火温度控制在900～940℃区间，保温时间2～4min/mm。回火温度为650～700℃，总加热时间为4～6min/mm，回火后空冷至室温。

通过正火+回火热处理工艺后对钢板进行各项力学性能试验，其试验结果见表2，晶粒度及非金属夹杂试验结果见表3。

表1实施例化学成分(wt％)

表2实施例钢板力学性能

表3晶粒度及非金属夹杂试验结果

拉伸试验在型号Zwick600试验机上进行，冲击试验按照GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》在ZBC2602全自动冲击试验机上进行，试验过冷度为1～2℃。结果显示试验钢板强度和塑性良好，低温性能优异，组织均匀，晶粒细小，满足标准要求，见图1、图2。这充分说明了钢板具有优异的低温性能。显微组织照片说明钢板组织均匀细小，且低温性能优异。

Claims (2)

1.一种低温用低合金压力容器用钢板，其特征在于，所述的钢板的化学成分按重量百分比计：

C：0.14％～0.17％、Si：0.36～0.49％、Mn：1.16％～1.53％、P：≤0.005％、S：≤0.001％、Ni：0.46％～0.62％、Ti：0.36％～0.44％、V：0.032％～0.054％、Ca：0.0003％～0.005％、Als：0.015％～0.035％，其余为Fe及不可避免的杂质。

2.一种根据权利要求1所述的低温用低合金压力容器用钢板的生产方法，其特征在于，包括：

1)转炉冶炼

采用转炉冶炼，铁水预处理、控制转炉出钢温度并出钢时加挡渣球挡渣；

钢水采用LF炉精炼调整成分并进行深脱硫处理，采用VD或RH真空处理并进一步调整成分，降低O、H、N有害气体以及S的含量；处理后加入合金元素，微合金化处理；

2)连铸

连铸过程中采用全程保护浇注，同时配以动态轻压下；

3)轧制

连铸板坯到达后，装炉进行控温加热，板坯出炉后进行高压水表面除鳞处理；钢板轧制采用二阶段控轧工艺，一阶段开轧温度≥1060℃，二阶段开轧温度≤950℃，二阶段终轧温度750～850℃；轧后钢板进行热矫直处理，开矫温度为700±10℃；热矫直后超快冷，开冷温度为620～650℃，返红温度520℃～560℃；超快冷工艺为开启全部集管，其中前两组集管水量350～400m³/h，后两组集管水量350～400m³/h，其余集管水量为550～650m³/h；

4)热处理

钢板采用辊底式热处理炉加热，正火温度控制在900～940℃，保温时间2～4min/mm；回火温度为650～700℃，总加热时间为4～6min/mm，回火后空冷至室温。

Images