CN114657458B

CN114657458B - 大厚度高强韧高热输入焊接用原油储罐钢板及其制备方法

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Publication number: CN114657458B
Application number: CN202210150953.0A
Authority: CN
Inventors: 成小龙; 郝燕森; 周兰聚; 孙京波; 刘熙章; 乔松; 史成斌; 韩启彪; 车金锋
Original assignee: SD Steel Rizhao Co Ltd
Current assignee: SD Steel Rizhao Co Ltd
Priority date: 2022-02-18
Filing date: 2022-02-18
Publication date: 2022-10-25
Anticipated expiration: 2042-02-18
Also published as: CN114657458A

Abstract

本发明涉及钢铁冶炼技术领域，具体涉及一种大厚度高强韧高热输入焊接用原油储罐钢板及其制备方法。钢板包括如下质量百分数的化学成分：C 0.07％～0.13％、Si 0.15％～0.35％、Mn 1.45％～1.60％、Nb≤0.030％、V 0.030％～0.050％、Ti 0.010％～0.025％、Mo≤0.15％、Als 0.020％～0.060％、P≤0.015％、S≤0.005％，并限制Pcm≤0.22％、PSR≤‑0.50％，余量为Fe及其它不可避免的杂质元素。本发明钢板不含Ni成分，节约了合金成本，制得的钢板抗高热输入焊接能力强。

Description

大厚度高强韧高热输入焊接用原油储罐钢板及其制备方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶炼技术领域，具体涉及一种大厚度高强韧高热输入焊接用原油储罐钢板及其制备方法。

背景技术

随着工程项目的发展和升级改造，压力容器大型原油储罐行业对关键金属材料的需求量逐年增加，且对其各项性能要求越来越苛刻。一般而言，大型原油储罐用钢板要求良好的强韧性、低屈强比、抗高热输入焊接及耐反复焊后热处理(PWHT)等性能，现有生产制造技术主要从成分设计和工艺优化两方面进行研究。在成分设计方面，通常采用低碳成分设计，同时复合添加Nb、V、Ti、Mo、Cr等多种合金元素，特别是，需要添加一定含量Ni元素来改善钢板的内部组织，从而改善其低温韧性；如CN105671436A公开了“抗高PWHT软化的低温焊接裂纹敏感系数原油储罐用高强韧钢板及其制造方法”，钢板化学成分中除复合添加Nb+V+Ti+Mo微合金元素外，还添加了0.20％～0.35％的Ni，同时采用控制轧制与在线控制冷却及淬火回火工艺生产10～15m³大型原油储罐的抗高温软化的低焊接裂纹敏感系数高强韧性钢板。CN101476080A公开了“一种低焊接裂纹敏感性调质高强度钢板及其制造方法”，钢板化学成分中除复合添加V+Ti+Mo微合金元素外，还添加了0.30％～0.35％的Ni，同时采用高温一阶段轧制+离线调质工艺生产制造12～30mm压力容器用高强度钢板。CN107177802A公开了“大型储罐用调质高强钢钢板”，钢板化学成分中除复合添加V+Mo+Cr+Cu合金元素外，还添加了0.15％～0.40％的Ni，同时采用采用两阶段控制轧制+ACC快冷+调质处理工艺生产大型储罐用调质高强钢12MnNiVR钢板。然而，自然矿产中Ni资源匮乏，添加Ni元素会导致成本升高，且不利于环境的可持续发展。在工艺优化方面，主要通过控制轧制变形量、轧制变形温度、轧后冷却策略、以及后续热处理等工艺来优化改善钢板最终性能，无法满足服役环境的苛刻要求。

发明内容

针对现有技术中含Ni成本高、焊接服役性能无法满足要求等问题，本发明提供一种大厚度高强韧高热输入焊接用原油储罐钢板及其制备方法，不含Ni成本，节约了合金成本，制得的钢板抗高热输入焊接能力强。

第一方面，本发明提供一种大厚度高强韧高热输入焊接用原油储罐钢板，包括如下质量百分数的化学成分：C 0.07％～0.13％、Si 0.15％～0.35％、Mn 1.45％～1.60％、Nb≤0.030％、V 0.030％～0.050％、Ti 0.010％～0.025％、Mo≤0.15％、Als 0.020％～0.060％、P≤0.015％、S≤0.005％，并限制Pcm≤0.22％、PSR≤-0.50％，余量为Fe及其它不可避免的杂质元素。

进一步的，最大厚度d_max＝45mm。

进一步的，钢板的物理性能指标为：屈服强度≥490MPa，抗拉强度≥610～730MPa，延伸率A≥18％，-20℃横向冲击功KV2≥120J，屈强比≤0.90。

进一步的，钢板经1～3次模拟焊后热处理循环后，其性能仍能满足上述物理性能指标。

进一步的，模拟焊后热处理工艺为：热处理升温至保温温度550～600℃，保温时间≥170min，保温后降温。

进一步的，升温阶段，≤300℃期间的升温速率按设备最快速率升温，＞300℃期间的升温速率为2.0～3.5℃/min；降温阶段，≤300℃期间的降温速率为自然冷却，＞300℃期间的降温速率为2.0～3.5℃/min。

进一步的，钢板的焊接性能指标为：经气电立焊、埋弧焊、手工焊或气保焊后，焊接接头的热影响区-20℃冲击功平均值≥47J，单值≥33J；其中气电立焊焊接热输入≤100kJ/cm。

第二方面，本发明提供一种大厚度高强韧高热输入焊接用原油储罐钢板的制备方法，包括如下步骤：

(1)冶炼及连铸

将化学成分进行转炉炼钢，LF+RH双精炼，连铸剪切后形成板坯，板坯厚度≥230mm；

(2)板坯加热

板坯加热温度为1200～1270℃，均热段时间≥30min，出炉温度为1130～1200℃；

(3)粗轧开坯

将除鳞后的板坯进行粗轧，至少保证连续三道次压下率均≥15％，控制中间坯厚度达到成品钢板厚度的3倍以上，且在对应的连续三道次开轧前，利用机架冷却水对其上下表面持续喷水或者进行风冷，使表面至心部形成温度梯度≥60℃，然后快速进行轧制；

(4)精轧控轧

当中间坯厚度≥100mm时，利用机架冷却水对其上下表面持续喷水或者进行风冷，控制开轧温度范围在850～900℃，并使表面至心部形成温度梯度≥60℃，然后快速进行2道次轧制，轧制工艺由模型自动计算；如此反复轧制，直至钢板厚度＜100mm时，不再继续喷水或风冷，改用常规轧制工艺连续轧制至成品厚度，轧制工艺由模型自动计算；

(5)控制冷却

钢板开冷温度≥770℃，终冷温度600～680℃，冷速5～10℃/s，冷却后的钢板下线进行调质处理；

(6)调质处理

将上述冷却后钢板在890～930℃进行淬火处理，淬火在炉时间按1.5～2.0min/mm控制，钢板出炉后强水冷淬火；淬火后钢板按620～680℃进行回火处理，回火在炉时间按1.5～2.8min/mm进行控制。

进一步的，步骤(6)中淬火在炉时间不低于30min，回火在炉时间不低于30min。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明采用无Ni、Nb+V+Ti复合微合金化的新型成分设计体系，同时利用差温轧制+控轧控冷+调质热处理耦合工艺，制得的钢板具有强韧性匹配良好、屈强比低、耐反复焊后热处理(PWHT)等优点，特别是抗高热输入焊接能力强，且综合性能与同级别含Ni钢板相当甚至更优，可替代同级别含Ni钢板；

(2)本发明的成分体系不含Ni，且不增加其余合金元素的添加量，是一种可实现降本增效的原油储罐用钢板的制造方法，极具市场竞争力；

(3)本发明制造的钢板最大厚度为45mm，适用于最大20万m³大型原油储罐项目。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1

(1)冶炼及连铸

经过转炉炼钢，LF+RH双精炼，连铸剪切后形成300mm厚度的无缺陷板坯，其实测熔炼化学成分为：C 0.10％，Si 0.22％，Mn 1.55％，P 0.012％，S 0.003％，Nb 0.020％，V0.040％，Ti 0.015％，Mo 0.12％，Als 0.035％，余量为Fe及其它不可避免的杂质元素，计算其Pcm＝0.20％，PSR＝-1.10％；

(2)板坯加热

板坯加热温度为1250℃，均热段时间约为45min，出炉温度约为1145℃。

(3)粗轧开坯

板坯加热除鳞后再经粗轧机粗轧，其中连续三道次压下率均≥15％，且在对应的连续三道次开轧前，利用机架冷却水对其上下表面持续喷水或者进行风冷，使表面至心部形成温度梯度≥60℃，然后快速进行轧制，中间坯厚度为135mm；

(4)精轧控轧

利用机架冷却水对其上下表面持续喷水或者进行风冷，控制开轧温度为890℃，并使表面至心部形成温度梯度≥60℃，然后快速进行2道次轧制，轧制工艺由模型自动计算；如此反复轧制，直至钢板厚度＜100mm时，不再继续喷水或风冷，改用常规轧制工艺连续轧制至成品厚度45mm；

(5)控制冷却

钢板轧后立即进入MULPIC水冷装置水冷，开冷温度约为820℃，终冷温度约为640℃，冷速约8℃/s，冷却后的钢板下线进行调质处理；

(6)调质处理

上述钢板经910℃淬火处理，淬火在炉时间90min；淬火后再按630℃回火处理，回火在炉时间为100min；

(7)上述方法制得的45mm厚钢板母材和模拟焊后热处理后的屈服强度分别为513MPa和508MPa，抗拉强度分别为645MPa和640MPa，延伸率分别为27％和28％，20℃横向冲击功均值分别为240J和258J。

钢板试样模拟焊后热处理工艺：取本实施例制得钢板试样进热处理炉由常温快速升温至300℃后再按2.5℃/min的升温速率升温至585℃后保温，保温时间到180min后按3.5℃/min的速率降温至300℃后出炉自然冷却至室温，循环2次后，测试其物理指标仍满足步骤(7)物理性能。在焊接热输入＝100kJ/cm下，经气电立焊对上述钢板焊接，焊接接头的热影响区-20℃冲击功平均值＝67J，单值＝43J。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：

(1)粗轧开坯的中间坯厚度为100mm，粗轧过程进行1道次差温轧制，精轧控轧成品钢板厚度为32mm；

(2)调质处理按900℃淬火，淬火在炉时间为64min，回火在炉时间为70min；

(3)上述方法制得的32mm厚钢板母材和模拟焊后热处理后的屈服强度分别为535MPa和532MPa，抗拉强度分别为675MPa和672MPa，延伸率分别为26％和26％，20℃横向冲击功均值分别为235J和248J。

钢板试样模拟焊后热处理工艺：取本实施例制得钢板试样进热处理炉由常温快速升温至300℃后再按2.5℃/min的升温速率升温至585℃后保温，保温时间到180min后按3.5℃/min的速率降温至300℃后出炉自然冷却至室温，循环3次后，测试其物理指标仍满足步骤(3)物理性能。在焊接热输入＝100kJ/cm下，经气电立焊对上述钢板焊接，焊接接头的热影响区-20℃冲击功平均值＝61J，单值＝41J。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于：

(1)冶炼制备的连铸板坯厚度为200mm，其实测熔炼化学成分为：C 0.08％，Si0.22％，Mn 1.45％，P 0.010％，S 0.002％，V 0.035％，Ti 0.012％，Mo 0.10％，Als0.032％，余量为Fe及其它不可避免的杂质元素，计算其Pcm＝0.18％，PSR＝-1.33％；

(2)粗轧开坯的中间坯厚度为50mm，中间坯精轧前不需待温，最终获得的成品钢板厚度为13mm；

(3)钢板轧后控制冷却，开冷温度约为804℃，终冷温度约为600℃，冷速约10℃/s；

(4)调质处理按900℃淬火，淬火在炉时间30min；淬火后再按660℃回火处理，回火在炉时间为30min；

(5)上述方法制得的13mm厚钢板母材屈服强度为568MPa，抗拉强度为688MPa，延伸率为23％，20℃横向冲击功均值为203J。

钢板试样模拟焊后热处理工艺：取本实施例制得钢板试样进热处理炉由常温快速升温至300℃后再按2.5℃/min的升温速率升温至585℃后保温，保温时间到180min后按3.5℃/min的速率降温至300℃后出炉自然冷却至室温，循环3次后，测试其物理指标仍满足步骤(3)物理性能。在焊接热输入＝100kJ/cm下，经气电立焊对上述钢板焊接，焊接接头的热影响区-20℃冲击功平均值＝57J，单值＝41J。

尽管通过优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种大厚度高强韧高热输入焊接用原油储罐钢板，其特征在于，包括如下质量百分数的化学成分：C 0.07%~0.13%、Si 0.15%~0.35%、Mn 1.45%~1.60%、Nb≤0.030%、V 0.030%~0.050%、Ti 0.010%~0.025%、Mo≤0.15%、Als 0.020%~0.060%、P≤0.015%、S≤0.005％，并限制Pcm≤0.22%、PSR≤−0.50%，余量为Fe及其它不可避免的杂质元素；钢板的物理性能指标为：屈服强度≥490MPa，抗拉强度为610~730MPa，延伸率A≥18%，−20℃横向冲击功KV2≥120J，屈强比≤0.90；钢板厚度为13~45mm。

2.如权利要求1所述的大厚度高强韧高热输入焊接用原油储罐钢板，其特征在于，钢板经1~3次模拟焊后热处理循环后，钢板性能仍能满足物理性能指标。

3.如权利要求2所述的大厚度高强韧高热输入焊接用原油储罐钢板，其特征在于，模拟焊后热处理工艺为：热处理升温至保温温度550~600℃，保温时间≥170min，保温后降温。

4.如权利要求3所述的大厚度高强韧高热输入焊接用原油储罐钢板，其特征在于，升温阶段，≤300℃期间的升温速率按设备最快速率升温，＞300℃期间的升温速率为2.0~3.5℃/min；降温阶段，≤300℃期间的降温速率为自然冷却，＞300℃期间的降温速率为2.0~3.5℃/min。

5.如权利要求1-4任一项所述的大厚度高强韧高热输入焊接用原油储罐钢板，其特征在于，钢板的焊接性能指标为：经气电立焊、埋弧焊、手工焊或气保焊后，焊接接头的热影响区−20℃冲击功平均值≥47J，单值≥33J；其中气电立焊焊接热输入≤100kJ/cm。

6.一种权利要求1所述的大厚度高强韧高热输入焊接用原油储罐钢板的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）冶炼及连铸

将权利要求1所述的化学成分进行转炉炼钢，LF+RH双精炼，连铸剪切后形成板坯，板坯厚度≥230mm；

板坯加热

板坯加热温度为1200~1270℃，均热段时间≥30min，出炉温度为1130～1200℃；

（3）粗轧开坯

将除鳞后的板坯进行粗轧，至少保证连续三道次压下率均≥15%，控制中间坯厚度达到成品钢板厚度的3倍以上，且在对应的连续三道次开轧前，利用机架冷却水对其上下表面持续喷水或者进行风冷，使表面至心部形成温度梯度≥60℃，然后快速进行轧制；

（4）精轧控轧

当中间坯厚度≥100mm时，利用机架冷却水对其上下表面持续喷水或者进行风冷，控制开轧温度范围在850~900℃，并使表面至心部形成温度梯度≥60℃，然后快速进行2道次轧制，轧制工艺由模型自动计算；如此反复轧制，直至钢板厚度＜100mm时，不再继续喷水或风冷，改用常规轧制工艺连续轧制至成品厚度，轧制工艺由模型自动计算；

（5）控制冷却

钢板开冷温度≥770℃，终冷温度600~680℃，冷速5~10℃/s，冷却后的钢板下线进行调质处理；

（6）调质处理

将上述冷却后的钢板在890~930℃进行淬火处理，淬火在炉时间按1.5~2.0min/mm控制，钢板出炉后强水冷淬火；淬火后钢板按620~680℃进行回火处理，回火在炉时间按1.5~2.8min/mm进行控制。

7.如权利要求6所述的大厚度高强韧高热输入焊接用原油储罐钢板的制备方法，其特征在于，步骤（6）中淬火在炉时间不低于30min，回火在炉时间不低于30min。