CN114134406B

CN114134406B - 一种20-50mm厚落锤和心部低温韧性优良的球罐钢板及其制造方法

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Publication number: CN114134406B
Application number: CN202110605893.2A
Authority: CN
Inventors: 杨宏伟; 许晓红; 苗丕峰; 孙宪进; 叶建军; 张兴国; 孟宪震; 徐君
Original assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Current assignee: Jiangyin Xingcheng Special Steel Works Co Ltd
Priority date: 2021-06-01
Filing date: 2021-06-01
Publication date: 2022-11-29
Anticipated expiration: 2041-06-01
Also published as: CN114134406A

Abstract

本发明涉及一种20‑50mm厚落锤和心部低温韧性优良的球罐钢板及其制造方法，钢板的屈服强度≥460MPa，抗拉强度Rm≥570MPa，延伸率A≥22％，屈强比≤0.88，板厚1/4处横向冲击功‑60℃KV₂≥100J；板厚1/2处横向冲击功‑60℃KV₂≥60J，无塑性转变温度在‑65℃～‑70℃。产品碳当量CEV≤0.43％，满足球罐钢板的焊接要求。对于20‑50mm厚规格的该钢板产品，产品1/4处的组织为回火索氏体和1/2处组织为贝氏体，产品无塑性转变温度更低，让钢板低温韧性更加稳定，满足大型球罐用钢的要求。制造工序：铁水预处理→转炉冶炼→钢包炉精炼→真空处理→连铸→铸坯缓冷→铸坯加热→控制轧制→控制冷却→堆缓冷→淬火→回火→探伤→性能检验。

Description

一种20-50mm厚落锤和心部低温韧性优良的球罐钢板及其制造方法

技术领域

本发明涉及低温球罐用钢，特别涉及低温韧性稳定、无塑性转变温度更低的球罐用钢及其制造方法。

背景技术

随着国民经济的快速发展，对石化产品的需求日益增加，各种石油及化工产品储罐库越来越多，球型储罐因其独有的优势而越来越受到青睐。同时，球罐的体积不断朝着大型化发展，为了保证球罐服役期间的安全可靠，球罐用钢材必须具备良好的低温韧性，尤其是心部低温冲击韧性和落锤性能。

另一方面，国外各种石油、天然气等化工项目相继推出，大型球罐用调质高强钢板具有良好的海外市场前景，因此开发能够批量稳定生产的满足大型球罐制造的易焊接心部低温韧性优良的容器钢板是顺应市场的需要。

专利文献CN1116249A公开了一种大型球罐钢成分及热处理方法，成分和生产控制方便，具有良好的焊接性能，但其强度和冲击韧性偏低，且未提及其落锤性能。

专利文献CN1013343298A公开了一种低温容器用钢07MnNiMoDR的生产方法，其通过强化热机械轧制和轧后离线调质工艺来生产，采用Nb、V、Ti微合金化成分设计，生产的钢板性能稳定、具有良好的强韧性匹配，但未提及钢板的心部低温冲击韧性。

专利文献CN106591713A公开了一种高强度容器钢板及其制备方法，其抗拉强度在610MPa以上，具有良好的塑性和低焊接裂纹敏感性，但其使用温度仅为-20℃，并具有低温韧性。

现有大型球罐用钢虽具有较好的强韧性和焊接性能，但钢板心部的低温冲击韧性和落锤性能无法满足现有特大型球罐用钢的技术要求。

发明内容

本发明的目的是要提供一种20-50mm厚落锤和心部低温韧性优良的球罐钢板及其制造方法，所制造的钢板心部低温韧性优良、无塑性转变温度更低。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种20-50mm厚落锤和心部低温韧性优良的球罐钢板，钢板的化学成分按质量百分比计C:0.09～0.20％、Si：0.15～0.40％、Mn：1.00～1.60％优选1.2～1.3％、P≤0.008％、S≤0.002％、Nb+V+Ti≤0.08％、Nb≤0.05％、V≤0.02％、Ti≤0.01％、B≤0.0008％、Ni:0.20～0.50％、Cu:0.10～0.30％，余量为Fe及不可避免的杂质元素，同时满足：CEV＝C+Mn/6+(V+Mo+Cr)/5+(Ni+Cu)/15≤0.43％；

进一步地，上述化学成分满足10≤w(Nb+V)/w(Ti+B)≤20。

本申请球罐钢板的屈服强度≥460MPa，抗拉强度Rm≥570MPa，延伸率A≥22％，屈强比≤0.88，板厚1/4处横向冲击功-60℃KV₂≥100J；板厚1/2处横向冲击功-60℃KV₂≥60J，无塑性转变温度在-65℃～-70℃。

本发明中C、Mn、P、S、Cu、Nb、Ni、V、Ti、B等元素的限定理由阐述如下：

C能显著提高钢板的强度，但会导致塑性、冲击韧性的降低，同时焊接裂纹敏感性增大，焊接过程中容易产生裂纹。为了保证母材及焊接接头的强度、韧性和可焊性等，因此本发明钢C的含量为0.09～0.20％。

Mn是提高钢板强度的常用元素，适量的Mn可替代C元素来提高钢板及焊接接头的强度和改善韧性。随着Mn含量的增加，可提高钢中奥氏体的稳定性，降低临界冷却速度，强化铁素体，显著提高淬透性，同时可使淬火后回火过程中组织分解转变速度减慢，提高回火组织稳定性，但含量过高将使钢在高温下晶粒粗化，降低钢板及焊接接头的韧性和可焊性，因此本发明钢Mn的含量为1.00％～1.60％。

P、S作为杂质元素在钢中是不可避免的，但其对钢板的加工性、尤其是低温冲击韧性是有害的，其含量越低越好，因此本发明钢P的含量≤0.008％，S的含量≤0.002％。

Cu球罐罐区通常建在交通便利的滨海地区，防腐尤为关键。Cu可在钢材表面形成致密且附着性很强的保护膜，阻碍锈蚀往里扩散和发展，保护锈层下面的基体，以减缓其腐蚀速度。同时铜能改善钢板的韧性，有利于提高落锤性能，但含量过高会使塑性显著降低，使钢坯加热或轧制时产生裂纹，恶化其表面质量，同时会增大Pcm值，恶化钢的焊接性能。因此本发明钢Cu为0.10～0.30％。

Ni特别有利于钢板的低温冲击韧性和落锤性能，也可减轻因Cu的添加而引起的铸坯表面裂纹倾向。但Ni价格昂贵，加入量过多会显著提高钢的生产成本，因此本发明钢Ni的含量为0.20～0.50％。

Nb、V、Ti在控制轧制过程中可显著增加变形奥氏体的应变积累，在非再结晶区轧制时引入大量高密度位错和畸变区，促进形成更多的相变核心和细化奥氏体组织。同时Nb、V、Ti均可与C、N结合生产碳氮化物析出，从而起到细化晶粒的效果。由于铸坯凝固过程的中心偏析，TiN析出后多聚集在铸坯心部附近，而TiN夹杂不规则的形态对钢板的心部低温冲击韧性是不利的。另一方面，相同温度下，Ti与N的结合能力比Nb、V强，因此，本申请控制10≤w(Nb+V)/w(Ti+B)，因为B也能与N结合，本发明需要控制Ti和B的含量，使更多的Nb(C、N)、V(C、N)形成，从而使更多的Nb(C、N)、V(C、N)形成。同时，考虑到Nb、V昂贵的价格以及Nb、V和Ti上限的要求，w(Nb+V)/w(Ti+B)≤20。

B能显著提高钢板的淬透性，且价格低廉，常被用于提升钢板的强度指标，但B原子容易在晶界处偏聚，恶化材料的塑性和低温冲击稳定性。因此，本发明钢B含量的范围为≤0.0008％才较为合理。

本发明的另一目的是提供上述球罐用钢板的制造方法，该方法包括如下工序：铁水预处理→转炉冶炼→钢包炉精炼→真空处理→连铸→铸坯缓冷→铸坯加热→控制轧制→控制冷却→堆缓冷→淬火→回火→探伤→性能检验，具体步骤如下：

铁水经KR法预处理脱硫、转炉冶炼后，采用钢包炉精炼和真空处理，进行软吹15分钟以上后冶炼成高纯净钢水，采用全过程保护浇注、轻压下技术在连铸机上浇注成连铸板坯，铸坯加罩缓冷；

将连铸坯加热至1180～1250℃，总的在炉时间≥300min，均热时间≥80min，出炉后经高压水除鳞，除尽铸坯表面氧化铁皮；

进行两阶段轧制，初轧开轧温度为1050～1150℃，终轧温度控制在1000～1060℃，最大单道次压下率≥15％，精轧开轧温度为800～860℃；轧后进行ACC冷却，冷却速度控制为5～10℃/s，轧制成20～50mm厚成品钢板，再进行880～920℃淬火和600～680℃回火处理，探伤及性能检验合格后出厂。

转炉冶炼前采用多种手段纯净钢水，如采用大高炉水、自产低硫废钢和KR铁水预处理，严格控制有害元素和杂质元素含量，控制转炉扒渣后[P]≤0.005％。

精炼时通过Al线脱氧并适当调节氩气流量，促进氧化物夹杂上浮。加脱硫剂进一步深脱硫，控制[S]≤0.002％，并严格控制合金及辅料中杂质元素和有害元素含量。结束前按要求添加Nb、V等合金，使钢中形成细小高温质点Nb(C、N)、V(C、N)，在钢液凝固和轧制过程中起到抑制晶粒长大和细化晶粒作用，并促使高密度位错贝氏体的形成，进一步提高钢的心部性能。

钢板第一阶段轧制时，后2道次进行除鳞操作，以增大板坯内外温差，使轧制变形渗透到板坯心部，轧后进行缓冷，最后对钢板再进行高温回火，进一步消除钢板应力和稳定组织，使钢板具有优异的强韧性匹配。

本申请的无塑性转变温度为-65℃～-70℃，较低的无塑性转变温度是基于钢板良好的-60℃低温冲击韧性和回火索氏体组织。

本申请淬火+高温回火的调质处理是为了获得良好的强韧性匹配，调质后1/4处的组织为回火索氏体和1/2处组织为贝氏体。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

针对球罐钢板低温冲击性能不稳定和无塑性转变温度高的缺陷，本申请设计的球罐钢板不仅有优良的强韧性匹配，还具有稳定的心部低温冲击韧性和落锤性能，产品无塑性转变温度更低，让钢板低温韧性更加稳定，满足大型球罐用钢的要求。采用低C-Mn-Ni系加Nb、V等微合金化成分设计以此生产20-50mm厚规格的产品，产品1/4处的组织为回火索氏体和1/2处组织为贝氏体，该组织是获得-65℃～-70℃无塑性转变温度的基础。

附图说明

图1为本发明实施例50mm厚落锤和心部低温韧性优良的球罐钢板的1/4处金相组织中回火索氏体的示意图；

图2为本发明实施例50mm厚落锤和心部低温韧性优良的球罐钢板的1/2处金相组织中贝氏体的示意图。

具体实施方式

以下结合实施例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。

本实施例和对比例的熔炼化学成分见表1(wt％)，剩余为Fe及不可避免的杂质元素。

表1

上述实施例和对比例均在顶底复吹转炉冶炼，再经钢包炉深脱硫和精炼处理，最后至真空炉进行脱气，软吹15分钟以上，使大夹杂物充分上浮去除，并保证成分均匀，然后经轻压下和全过程保护浇注成连铸板坯。

将连铸坯加热至1180～1250℃，总在炉时间≥300min，均热时间≥80min，出炉后经高压水除鳞，除尽铸坯表面氧化铁皮；然后进行两阶段轧制，初轧开轧温度为1050～1150℃，终轧温度控制在1000～1060℃，最大单道次压下率≥15％；精轧开轧温度为800～860℃，轧后进行ACC冷却，冷却速度控制为5～10℃/s，轧制成20～50mm厚成品钢板，再进行880～920℃淬火和600～680℃回火处理，出炉后空冷至室温。

表2为各实施例和对比例主要轧制和回火工艺参数。

表2

热处理后的钢板，在板厚1/4、1/2处取横向样加工成拉伸试样、冲击试样，并进行力学性能测试，检测结果见表3。

表3

由表3可见，本发明实施例试验钢板强度、延伸率、冲击功富裕量均较大，尤其是板厚1/2处冲击功都在180J以上，而对比例冲击功均值明显较低，且板厚1/2处冲击功不稳定，单值最低仅为16J。

表4为各实施例和对比例无塑性转变温度试验结果。

表4

由表4可知，本发明实施例试验钢板的无塑性转变温度均不高于-60℃，明显优于对比例，具有良好的低温韧性。

该发明不仅保证了钢具有较好的强韧性，还使其具有优良的心部低温韧性和较低的无塑性转变温度。本发明均可在冶金企业中厚板厂实施，工艺流程简单，可操作性强且成本较低，可应用于石油、天然气、化工等行业建造大型球形储罐。

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

1.一种20-50mm厚落锤和心部低温韧性优良的球罐钢板的制造方法，其特征在于：冶炼符合化学成分的钢水，所述钢水的化学成分按质量百分比计为C:0.09～0.20%、Si：0.15～0.40%、Mn：1.00～1.60%、P≤0.008%、S≤0.002%、Nb≤0.05%、V≤0.02%、Ti≤0.01%、Nb+V+Ti≤0.08%、B≤0.0008%、Ni:0.20～0.50%、Cu:0.10～0.30% ，10≤w（Nb+V）/ w（Ti+B）≤20，余量为Fe 及不可避免的杂质元素，采用连铸工艺将钢水浇注成连铸坯，对连铸坯加罩缓冷；将连铸坯再加热至1180～1250℃，总的在炉时间≥300min，均热时间≥80min，出炉后经高压水除鳞，除尽铸坯表面氧化铁皮；

加热后的连铸坯进行两阶段轧制，第一阶段初轧开轧温度为1050～1150℃，终轧温度控制在1000～1060℃，最大单道次压下率≥15%，后2道次轧制对钢板喷水除鳞以增大板坯内外温差；精轧开轧温度为800～860℃，轧制成20～50mm厚成品钢板；轧后进行ACC冷却，冷却速度控制在5～10℃/s；再进行880～920℃淬火和600～680℃回火处理，探伤及性能检验合格后出厂，所述钢板的心部组织为贝氏体，1/4厚度出组织为回火索氏体。

2.根据权利要求1所述的20-50mm厚落锤和心部低温韧性优良的球罐钢板的制造方法，其特征在于：碳当量CEV=C+Mn/6+(V+Mo+Cr)/5+(Ni+Cu)/15≤0.43%；

或者化学成分中Mn的含量优选1.2～1.3%。

3.根据权利要求1所述的20-50mm厚落锤和心部低温韧性优良的球罐钢板的制造方法，其特征在于：所述钢板的屈服强度≥460MPa，抗拉强度Rm≥570MPa，延伸率A≥22%，屈强比≤0.88，板厚1/4处横向冲击功-60℃KV₂≥100J；板厚1/2处横向冲击功-60℃KV₂≥60J，无塑性转变温度在-65℃～-70℃。

4.根据权利要求1所述的20-50mm厚落锤和心部低温韧性优良的球罐钢板的制造方法，其特征在于：铁水依次经KR法预处理脱硫、转炉冶炼、钢包炉精炼和真空处理，软吹15分钟以上后得到高纯净钢水。

5.根据权利要求4所述的20-50mm厚落锤和心部低温韧性优良的球罐钢板的制造方法，其特征在于：控制转炉扒渣后钢水中的[P]≤0.005%；精炼时通过Al线脱氧并适当调节氩气流量，促进氧化物夹杂上浮，加脱硫剂深脱硫，控制钢水中[S]≤0.002%，结束前添加Nb、V合金，使钢中形成细小高温质点Nb(C、N)、V(C、N)。