CN114134401A - 一种造纸烘缸用p355gh钢板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种造纸烘缸用P355GH钢板及其制造方法，室温下钢板横向与纵向试样抗拉强度Rm：480‑630MPa，屈服强度Rp0.2≥295MPa，断后延伸率A≥22％；200℃高温下钢板横向与纵向试样抗拉强度Rm：480‑630MPa，屈服强度Rp0.2≥228MPa；常温与200℃条件下Z向抗拉强度Rm：480‑630MPa，断面收缩率≥35％；‑20℃温度下，横向与纵向冲击试样的冲击吸收能量KV2≥27J。金相组织为铁素体+珠光体的平衡组织。P355GH钢板是在EN 10028‑2标准要求下的进一步升级，使满足烘缸缸体的使用要求。
Description
技术领域
本发明属于铁基合金技术领域，具体涉及一种P355GH钢板。
背景技术
烘缸是造纸工业的核心设备，呈圆筒形结构。造纸机工作时，烘缸高速旋转，内部通以高温蒸汽，将输送的纸张烘干烫光。
烘缸服役条件恶劣，其筒体要承受100-200℃的温度，承受的压力甚至超过10个大气压，且高速运转，在这种情况下，设备结构安全稳定显得尤为重要。
公告号CN 203451935 U公开了一种钢制杨克烘缸，铸铁材料的流动性好，收缩性好，适用于烘缸的铸造成型；但随着烘缸向大型化发展，铸铁的弊端逐渐显现出来了，尤其是铸铁材料的机械性能较差，特别是抗拉强度和塑性差；而钢制烘缸能提供更好的使用性能和安全性。有研究人员提出利用碳素钢板卷制焊接成缸体，公告号CN 203346722 U公开了一种钢制烘缸。
现有研究人员针对烘缸缸体选材进行了研究与实践，并取得了良好的成果。但目前的研究对烘缸缸体材料的专用性、性能的可靠性等均未作深入研究。
P355GH钢板是一种成熟的碳素钢板材料，源于欧洲EN 10028-2标准，其常规性能稳定可靠，可焊性良好，适合作为高温设备的材料。但是考虑到烘缸缸体的实际工况，EN10028-2标准下的P355GH钢板还不算十分理想。
发明内容
本发明基于烘缸缸体的以下几点工况对P355GH钢板作了相应的性能优化：①缸体在横向及纵向均受力，因此，对P355GH钢板横向与纵向拉伸性能必须提出新的要求；②缸体长期在200℃的高温下使用，因此，对P355GH钢板高温下的拉伸力学性能，包括屈服强度、抗拉强度等必须提出明确要求；③缸体的筒体部分与两端缸盖T型接头焊接，因此，必须强调P355GH钢板的Z向拉伸性能，包括常温性能及高温性能；④由于钢板在高温下使用，因此，对P355GH的低温韧性不作额外要求，满足EN 10028-2即可。
本发明针对钢制烘缸缸体特点，提出了一种新型P355GH钢板材料，生产厚度120-150mm，其性能除了满足EN 10028-2标准要求，还针对烘缸的使用特点，满足以下产品要求：①室温下钢板横向与纵向试样抗拉强度Rm：480-630MPa，屈服强度Rp0.2≥295MPa，断后延伸率A≥22％；②200℃高温下钢板横向与纵向试样抗拉强度Rm：480-630MPa，屈服强度Rp0.2≥228MPa；③常温与200℃条件下Z向抗拉强度Rm：480-630MPa，断面收缩率≥35％；④-20℃温度下，横向与纵向冲击试样的冲击吸收能量KV2≥27J。
本申请造纸烘缸用P355GH钢板的元素成分按wt％计为：C：0.10-0.20％；Si：0.10-0.15％；Mn：1.40-1.60％；P：≤0.015％；S：≤0.005％；Al：0.020-0.025％；Cr：0.10-0.30％；Mo：0.06-0.08％；H≤1ppm；As+Sb+Bi+Sn+Pb≤0.10％；余量为Fe和不可避免的杂质。金相组织为铁素体+珠光体的平衡组织。元素的设计原理如下：
碳：C是钢中主要的强化元素，在本申请中，当碳含量低于0.10％时，钢板基体无法形成足够的珠光体组织，表现为钢板的强度较低，尤其是高温强度较低；而钢中碳含量大于0.20％时，钢板的塑形会变差，同时恶化钢板的可焊性。因此，本发明碳含量的范围控制住0.10-0.20％。
硅：Si是钢中主要的脱氧元素之一，具有一定的固溶强化效果，但过高的硅含量会引起钢板表面的麻面等缺陷，不利于纸张的烘干烫光平整，基于此，本发明硅含量的范围控制住0.10-0.15％。
锰：Mn是钢中主要的强化元素，但Mn与S等易偏析元素结合，在板坯中心产生偏析形成片层状MnS夹杂，导致钢板厚度方向断面收缩率降低。因此，本发明Mn含量控制为1.40-1.60％。
铝：Al主要是起脱氧作用、细化晶粒。Al与钢水中[O]接合形成的(Al2O3)进入熔渣，实现脱氧的目的；极少量残余在钢中的Al2O3颗粒在钢中作为第二相粒子可以细化晶粒。晶粒越细，相对晶界越多，高温下晶粒滑移越容易，因此对于高温环境用钢板，并不希望晶粒过于细化。因此，本发明Al含量控制为0.020-0.025％。
铬和钼：Cr和Mo主要提高钢板的热稳定性，常规碳素钢的拉伸强度性能随温度升高而降低，Cr和Mo元素可以有效缓解这种降低速度。因此，作为高温环境下使用的钢板，本发明Cr、Mo含量分别控制为0.10-0.30％和0.06-0.08％。
H：是钢中危害最大的元素之一，两个H原子在钢中形成H2分子，H2分子聚集在一起产生较大的压力，在钢板内部薄弱环节形成微裂纹，宏观表现为白点，导致钢板脆化，对于高压环境下使用的钢板，这种隐患显得更为重要。因此，本发明控制其含量不高于1ppm。
S、P等有害元素：为钢中的有害杂质元素，易形成偏析、夹杂等缺陷，因此，在钢中越低越好。
生产上述钢板的方法，钢板生产流程如下：转炉-LF炉外精炼-RH真空处理-CC连铸-CR控轧-N正火热处理。
①钢水冶炼工艺采用KR铁水预处理-转炉-LF炉外精炼-RH真空处理。
由于本申请中Al含量相对较低，沉淀脱氧相对不足，更多的需要进行扩散脱氧，即，在LF精炼过程中造还原渣，降低渣中(FeO)含量，通过扩散，钢水中的[O]进入渣中，实现脱氧的目的。
钢水中的[H]和[N]元素主要通过RH真空处理工艺去除，钢水中的两个H原子结合形成H2分子，H2分子以气态形式进入真空室，从而降低了钢水中的H含量；同理，降低钢水中的N含量。本专利中规定经过RH真空处理的钢水中H含量不高于1ppm，N含量不高于30ppm。
②钢水的凝固过程在连铸环节完成。
高纯净度钢水通过结晶器和二冷区，形成凝固的450mm厚度规格连铸坯，对于厚规格的连铸坯在拉矫过程中，坯料上表面依次承受压应力和拉应力，坯料下表面依次承受张应力和压应力。如果应力过高，将导致坯料表面，尤其是坯料上表面，产生星状裂纹。这种星裂纹将严重恶化后期钢板的表面质量，进而影响烘缸缸体表面质量，对后续纸张的表面质量有潜在的影响；因此，在连铸过程中，二冷阶段的弯曲矫直段，针对板坯角部二维传热而板面一维传热的特点，关闭角部水量，降低板面水量由4级高压水调整至2级中低压水量，提高连铸坯的表面温度，利用高温避开板坯的脆性口袋区(在一定的温度范围内，板坯脆性增强，容易产生表面裂纹，这个温度称之为脆性口袋区)，保证板坯表面无明显缺陷。
连铸完成后将连铸坯加罩缓冷进行扩H处理从而进一步提高连铸坯的心部质量，以确保钢板的性能均匀稳定；缓冷时间不低于96h，出罩温度不高于200℃。缓冷完成后对连铸坯表面进行带温清理。
③钢板采用控轧工艺轧制成型。
将上述连铸坯加热至1180-1280℃，保温2-4小时，使钢中的Cr、Mo等合金元素充分固溶以保证最终产品的成份及性能的均匀；连铸坯出炉后使用高压水除鳞；然后进行两阶段轧制，第一阶段轧制采用多维度粗轧，即粗轧的初始阶段横轧与纵轧交替进行，最大程度消除钢板的各向异性，粗轧阶段最后三道次单道次压下率≥10％，整个粗轧压下量累计40％以上，以保证连铸坯的心部缺陷充分弥合从而使得钢板的心部性能得到保证；第二阶段轧制为精轧，该阶段为非再结晶温度范围内轧制，开轧温度850-950℃，轧制目标板厚120-150mm，轧后温矫，然后550±50℃上冷床空冷至200±20℃，最后下线。
④钢板正火热处理。
对轧制完成的钢板进行正火处理，热处理在连续炉中进行，正火加热温度为860-930℃，辐射管加热，氮气保护，防止钢板表面被氧化，在炉时间2.5-6min/mm，出炉后空冷。该钢板热处理工艺较普通钢板正火在炉时间明显延长，目的是保证Cr、Mo等合金元素充分固溶，提高钢板高温性能稳定性。正火后的钢板组织为铁素体+珠光体。一般认为，正火的定义为：在AC3温度以上，得到铁素体+珠光体的平衡组织的热处理工艺。
与现有技术相比，本发明的优点或特点在于：
(1)粗轧阶段为再结晶区轧制，开轧温度较高，轧制后的织构很容易动态再结晶，该阶段主要是利用该温度下板坯较软的特点，轧制力可以渗透至钢板内部，甚至是心部，提高钢板心部性能。所以，该阶段的温度控制并不需要精确/明确的温度范围。而且，如果设计了粗轧的开轧温度，反而会严重影响钢板生产效率。
(2)精轧阶段的终点温度不作明确限定，由于精轧的开轧温度低于钢板的再结晶温度了，整个精轧过程均处于非结晶温度范围内，即钢板基体不会再结晶，从而实现了晶粒的细化；如果限定终轧温度，则在轧制过程中必须浇水冷却，容易在钢板中得到非平衡组织，非平衡组织在后续的正火热处理过程中，奥氏体化的程度差异较大，从而导致性能不均匀。
(3)精轧结束后，在上冷床之前，利用辊道速度和矫直速度控制钢板的停留时间，使在环境中自然冷却。
(4)550±50℃上冷床空冷至200±20℃的目的：由于用作烘缸钢板的平直度要求较高，如果较高的温度上冷床，担心会产生变形。对于常规钢板而言，这种微小的变形是可以接受的，但对于特殊用途钢板，微小的变形会给后续使用造成较大的困扰。
附图说明
图1为本发明P355GH钢板1/4厚度处的典型金相组织；
图2为本发明P355GH钢板1/2厚度处的典型金相组织。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1
实施例1涉及的钢板厚度为130mm。
130mm厚度规格钢板的生产工艺如下：
按上述钢板的化学组成配置冶炼原料依次进行KR铁水预处理-转炉冶炼-LF精炼-RH精炼-连铸-连铸坯加罩缓冷–连铸坯清理-连铸坯加热-保温处理-高压水除鳞-控轧-矫直-热处理。
对出连铸机的450mm厚高温板坯进行加罩堆缓冷，进罩温度不低于800℃，缓冷时间不低于96h，出罩温度不高于200℃，该缓冷步骤的目的是降低坯料中H含量。
进一步的讲，板坯轧制成钢板的加热、控轧、冷却阶段的具体工艺为：坯加热至1180-1280℃，保温3-4小时，出炉后经高压水除鳞，然后进行两阶段轧制。第一阶段轧制采用多维粗轧)，开轧温度为1070℃，轧制5个道次，中间坯厚度208mm；第二阶段轧制为精轧，开轧温度860-900℃，最终板厚130mm，最终成品钢板矫直并下线，下线温度高于500℃(530℃)；然后上冷床空冷至200±20℃，最后下线。
完全冷却的钢板进入连续炉进行正火热处理，加热保温温度900-930℃，在炉时间700-780min，在静止空气中冷却。
经由上述制造工艺形成的成品钢板具有综合性能优异，详情见表1、表2、表3、表4所示。
实施例2
实施例2涉及的钢板厚度为150mm。
150mm厚度规格钢板的生产工艺如下：
钢板板坯炼钢与板坯堆缓冷与实施例1一致。
进一步的讲，板坯轧制成钢板的加热、控轧、冷却阶段的具体工艺为：坯加热至1180-1280℃，保温3-4小时，出炉后经高压水除鳞，然后进行两阶段轧制。第一阶段轧制(多维粗轧)开轧温度为1030℃，轧制5个道次，中间坯厚度255mm；第二阶段轧制为精轧，开轧温度850-900℃，最终成品板厚150mm。矫直下线，下线温度550℃；采用上铺下盖的方式上冷床缓冷，以利于进一步扩H。
完全冷却的钢板进入连续炉进行正火热处理，加热保温温度900-930℃，在炉时间850-900min，在静止空气中冷却。
经由上述制造工艺形成的成品钢板具有综合性能优异，详情见表1、表2、表3、表4所示。
表1各实施例钢板化学成分(wt％)
| C | Si | Mn | P | S | Al | H | Cr+Mo | |
| 实施例1 | 0.19 | 0.129 | 1.53 | 0.009 | 0.0014 | 0.023 | 0.00008 | 0.25 |
| 实施例2 | 0.18 | 0.142 | 1.51 | 0.01 | 0.0013 | 0.022 | 0.00008 | 0.24 |
表2各实施例生产的钢板的常温拉伸力学性能及-20℃冲击吸收能量
表3各实施例生产的钢板的高温力学性能
表4各实施例生产的钢板厚度方向力学性能
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种造纸烘缸用P355GH钢板，其特征在于：
室温下钢板横向与纵向试样抗拉强度Rm：480-630MPa，屈服强度Rp0.2≥295MPa，断后延伸率A≥22％；
200℃高温下钢板横向与纵向试样抗拉强度Rm：480-630MPa，屈服强度Rp0.2≥228MPa；
常温与200℃条件下Z向抗拉强度Rm：480-630MPa，断面收缩率≥35％；
-20℃温度下，横向与纵向冲击试样的冲击吸收能量KV2≥27J。
2.根据权利要求1所述的钢板，其特征在于：所述钢板的元素成分按wt％计为：C：0.10-0.20％；Si：0.10-0.15％；Mn：1.40-1.60％；P：≤0.015％；S：≤0.005％；Al：0.020-0.025％；Cr：0.10-0.30％；Mo：0.06-0.08％；H≤1ppm；As+Sb+Bi+Sn+Pb≤0.10％；余量为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的钢板，其特征在于：所述钢板的金相组织为铁素体+珠光体的平衡组织。
4.一种制造权利要求1-3中任一权利要求所述钢板的方法，其特征在于：主要包括如下步骤：
步骤(1)钢水冶炼：依次按照KR铁水预处理-转炉冶炼-LF精炼-RH精炼进行；
步骤(2)连铸：将钢水浇铸成连铸板坯，在连铸过程中，二冷阶段的弯曲矫直段，针对板坯角部二维传热而板面一维传热的特点，关闭角部水量，降低板面水量由4级高压水调整至2级中低压水量，提高连铸坯的表面温度，利用高温避开板坯的脆性口袋区；连铸板坯加罩堆缓冷，进罩温度不低于800℃，缓冷时间不低于96h，出罩温度不高于200℃，充分释放H；
步骤(3)控轧：将连铸坯加热至1180-1280℃，保温2-4小时，让合金元素充分固溶，连铸坯出炉后使用高压水除鳞；然后进行两阶段轧制，第一阶段轧制采用多维度粗轧，即粗轧的初始阶段横轧与纵轧交替进行，粗轧阶段为再结晶区轧制，粗轧阶段最后三道次单道次压下率≥10％，整个粗轧压下量累计40％以上；第二阶段轧制为精轧，该阶段为非再结晶温度范围内轧制，开轧温度为850-950℃，轧制目标板厚，轧后温矫，然后在550±50℃上冷床空冷至200±20℃，最后下线；
步骤(4)正火：在AC3温度以上热处理，得到铁素体+珠光体的平衡组织。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：450mm厚度规格及以上的连铸坯用于轧制成120-150mm的钢板产品。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤(4)的正火加热温度为860-930℃，辐射加热，加热过程实施氮气保护，防止钢板表面被氧化，在炉时间2.5-6min/mm，出炉后空冷。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤(1)在LF精炼过程采用扩散脱氧，造还原渣，降低渣中FeO含量，通过扩散，钢水中的[O]进入渣中，实现脱氧的目的。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤(1)中，钢水中的[H]和[N]元素主要通过RH真空处理工艺去除，经过RH真空处理的钢水中H含量不高于1ppm，N含量不高于30ppm。
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