JP6688391B2 - 溶接後熱処理抵抗性に優れた圧力容器用鋼板及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、溶接後熱処理抵抗性に優れた圧力容器用鋼板及びその製造方法に係り、より詳しくは、発電所のボイラー、圧力容器などといった３５０〜６００℃程度の中高温圧力容器用鋼板に関するものであって、溶接後熱処理にも強度及び靭性に優れた、溶接後熱処理抵抗性に優れた圧力容器用鋼板及びその製造方法に関する。
最近、石油の品薄現象及び高油価時代を迎え、劣悪な環境において油田が活発に開発される傾向に起因して、原油の精製装置用鋼材及び貯蔵用鋼材に対して厚物化が行われている。
上記のような鋼材の厚物化の他にも、鋼材を溶接した場合に溶接後の構造物の変形を防止し、形状及び寸法を安定させる目的で、溶接時に発生した応力を除去するために溶接後熱処理（ＰＷＨＴ、Ｐｏｓｔ Ｗｅｌｄ Ｈｅａｔ Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）を行う。しかし、長期間のＰＷＨＴ工程を行った鋼板は、その組織の粗大化によって鋼板の引張強度が低下するという問題がある。
すなわち、長時間のＰＷＨＴ後には、基地組織（Ｍａｔｒｉｘ）及び結晶粒界の軟化、結晶粒成長、炭化物の粗大化などにより、強度及び靭性がともに低下する現象を招くことになる。
従来は、特許文献１に示すように、重量％で、Ｃ：０．１３〜０．１５％、Ｓｉ：０．２０〜０．６５％、Ｍｎ：０．４〜０．６％、Ｃｒ：１．３〜２．３％、Ｍｏ：０．６〜１．１％、Ｎｉ：０．１〜０．２％、Ｃｕ：０．１〜０．２％、Ｓｏｌ．Ａｌ：０．２〜０．６％、Ｐ：０．００８％以下、Ｓ：０．０２０％で構成された厚物鋼板材を使用して、焼戻し熱処理パターンを適用する方法、すなわち、高温熱処理後、低温熱処理を行い、高温焼戻し時には転位密度の減少による強度の減少効果を、低温焼戻し時には析出強化の効果を得る方法が使用されたが、かかる方法にも長時間のＰＷＨＴによって抵抗性が大きく劣化するという欠点があった。
韓国公開特許第２０１２−００７３４４８号公報
本発明は、長時間の溶接後熱処理後にも強度及び靭性が低下しない溶接後熱処理抵抗性及び靭性に優れた高強度鋼板及びその製造方法を提供することを目的とする。
本発明の好ましい一側面は、重量％で、Ｃ：０．０５〜０．１７％、Ｓｉ：０．５０〜１．００％、Ｍｎ：０．３〜０．８％、Ｃｒ：１．０〜１．５％、Ｍｏ：０．３〜１．０％、Ｎｉ：０．００３〜０．３０％、Ｃｕ：０．００３〜０．３０％、Ｓｏｌ．Ａｌ：０．００５〜０．０６％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０２０％以下からなり、Ｎｂ：０．００２〜０．０２５％及びＶ：０．００２％乃至０．０３％のうち１種以上の元素を更に含み、残りはＦｅ及び不可避不純物からなり、鋼板の中心部微細組織が、２０面積％以上の焼戻しマルテンサイトと残部ベイナイトの混合組織からなるＰＷＨＴ抵抗性に優れた圧力容器用鋼板に関するものである。
上記鋼板は、６００℃〜（Ａｃ１−２０）℃［但し、Ａｃ１（℃）＝７２３＋２９．１×Ｓｉ−１０．７×Ｍｎ−１６．９×Ｎｉ＋１６．９×Ｃｒ＋６．３８×Ｗ＋２９０×Ａｓ、各合金元素は、その含有量を重量％で表した値］の区間で最大５０時間ＰＷＨＴを行っても、引張強度５５０ＭＰａ以上を維持することができる。
上記鋼板は、６００℃〜（Ａｃ１−２０）℃の区間で最大５０時間ＰＷＨＴを行っても、−３０℃におけるシャルピー衝撃エネルギー値が１００Ｊ以上であればよく、より好ましくは２００Ｊ以上であればよい。
また、本発明の好ましい他の一側面は、上記の組成範囲を満たす鋼スラブを、１０００〜１２５０℃の温度範囲に再加熱して熱間圧延する段階と、上記熱間圧延された熱延鋼板を８５０〜９５０℃の温度範囲で１．３×ｔ＋（１０〜３０分）（但し、ｔは鋼材の厚さ（ｍｍ）を意味する）の時間維持する１次熱処理段階と、上記熱処理された鋼板を冷却し、６００℃〜Ａｃ１の温度範囲で１．６×ｔ＋（１０〜３０分）（但し、ｔは鋼材の厚さ（ｍｍ）を意味する）の時間維持する焼戻し熱処理段階と、を含むＰＷＨＴ抵抗性に優れた圧力容器用鋼板の製造方法に関するものである。
上記焼戻し熱処理段階後に、６００℃〜（Ａｃ１−２０）℃の区間で最大５０時間ＰＷＨＴする工程を更に含むことができる。
上記焼戻し熱処理段階後に、鋼の微細組織は、２０面積％以上の焼戻しマルテンサイトと残部ベイナイトの混合組織からなることができ、より好ましくは２０〜８０面積％以上の焼戻しマルテンサイトと残部ベイナイトとの混合組織からなることができる。
本発明によると、長時間のＰＷＨＴ後にも強度及び靭性が劣化しない圧力容器用鋼板を提供することができる。
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明は、発電及びプラント産業で構造用鋼として用いられている中高温用圧力容器用鋼板及びその製造方法に関するものであって、製作時の溶接によって発生する残留応力を最小限に抑えるためのＰＷＨＴ熱処理を長時間行った後であっても、強度及び靭性の劣化に対する抵抗性を大幅に向上させた、中高温用圧力容器用鋼板及びその製造方法に関するものである。
本発明の中高温用圧力容器用鋼板は、長時間の溶接後熱処理を行っても、強度及び靭性の低下が発生しない、ＰＷＨＴ抵抗性に優れた発電所のボイラー、圧力容器などの３５０〜６００℃程度の中高温圧力容器用鋼板などに好適に適用することができる。
まず、本発明の組成範囲について詳細に説明する（以下、重量％）。
炭素（Ｃ）の含有量は、０．０５〜０．１７％に限定することが好ましい。Ｃは、強度を向上させる元素である。Ｃの含有量が０．０５％未満の場合には、基地相自体の強度が低下し、０．１７％を超えると、強度が増加しすぎるため靭性が低下するという問題がある。
ケイ素（Ｓｉ）の含有量は、０．５０〜１．００％に限定することが好ましい。Ｓｉは、脱酸及び固溶強化に効果的な元素であり、衝撃遷移温度の上昇を伴う元素である。目標強度を達成するためには０．５０％以上添加する必要があるが、１．００％を超えて添加した場合には溶接性が低下し、衝撃靭性が低下するという問題がある。
マンガン（Ｍｎ）の含有量は、０．３〜０．８％に限定することが好ましい。Ｍｎは、Ｓと共に延伸された非金属介在物であるＭｎＳを形成して、常温伸び及び低温靭性を低下させるため０．８％以下に管理することが好ましい。しかし、本発明の特性上、Ｍｎが０．３％未満しか添加されない場合には、適切な強度を確保することが難しいため、Ｍｎの含有量は０．３〜０．８％に限定する。
可溶アルミニウム（Ｓｏｌ．Ａｌ）の含有量は、０．００５〜０．０６％に限定することが好ましい。Ｓｏｌ．Ａｌは、上記Ｓｉと共に製鋼工程において強力な脱酸剤の一つである。Ｓｏｌ．Ａｌが０．００５％未満の場合には上記脱酸効果がわずかであり、０．０６％を超えて添加された場合には、上記の脱酸効果は飽和され、製造原価が上昇するという問題がある。
クロム（Ｃｒ）の含有量は、１．０〜１．５％に限定することが好ましい。Ｃｒは、高温強度を増加させる元素であるため、本発明において強度増加の効果のためには１．０％以上添加する必要がある。しかし、Ｃｒは高価な元素であることから、１．５％を超えて添加する場合には、製造コストの上昇を招く可能性があるため１．５％以下に管理することが好ましい。
モリブデン（Ｍｏ）の含有量は、０．３〜１．０％に限定することが好ましい。Ｍｏは、Ｃｒと同様に、高温強度の向上に有効な元素であるだけでなく、硫化物に起因する亀裂の発生を防止する元素である。上記の効果のためには、０．３％以上添加する必要があるが、Ｍｏも高価な元素であり製造コストの上昇を招く可能性があるため、１．０％以下に限定することが好ましい。
銅（Ｃｕ）の含有量は、０．００３〜０．３０％に限定することが好ましい。
Ｃｕは強度の増加に効果的な元素である。したがって、０．００３％以上添加しなければ強度増加の効果を図ることができなくなるが、高価であるため０．３０％以下添加することが好ましい。
ニッケル（Ｎｉ）の含有量は、０．００３〜０．３０％に限定することが好ましい。Ｎｉは、低温靭性の向上に最も効果的な元素であり、その含有量が０．００３％以上添加されなければ上記の効果を得ることができなくなる。しかし、高価な元素であり製造コストの上昇を招く可能性があるため、０．３０％以下添加することが好ましい。
Ｐは、低温靭性を低下させるとともに、焼戻脆化感受性を増大させる元素であって、その含有量を低く制御する必要があるが、Ｐの含有量を下げるための工程が複雑であり、追加の工程に起因する生産コストが増加するため、０．０１５％以下に管理する。
Ｓは、Ｐと同様に低温靭性を減少させる元素であり、鋼中ＭｎＳ介在物を形成して鋼の靭性を阻害するため、Ｓの含有量を低く管理する必要があるが、除去工程が難しく、追加の生産コストが多くかかるため、０．０２０％以下に管理する。
本発明は、上記の組成に加え、Ｎｂ：０．００２〜０．０２５％及びＶ：０．００２〜０．０３％のうち１種以上の元素を更に含む。
ニオブ（Ｎｂ）の含有量は、０．００２〜０．０２５％に限定することが好ましい。Ｎｂは、微細な炭化物又は窒化物を形成して基地組織の軟化を防止するのに効果的な元素ではあるが、高価であるため、０．００２〜０．０２５％の範囲内で添加することが好ましい。
バナジウム（Ｖ）の含有量は、０．００２〜０．０３％に限定することが好ましい。Ｖも、Ｎｂと同様に微細な炭化物及び窒化物を容易に形成することができる元素であるが、高価であるため、０．００２〜０．０３％の範囲内で添加することがより好ましい。
コバルト（Ｃｏ）は、基地組織の軟化を防止し、転位の回復を遅延させる効果を奏する元素であるため、０．００２〜０．１５％の範囲内で添加することが好ましい。
残りはＦｅ及び不可避不純物からなる。
以下、本発明の微細組織について詳細に説明する。
上記のような組成を有する鋼を、後述する過程によって適正な制御圧延及び熱処理を行うと、その鋼板の中心部微細組織が焼戻しマルテンサイト＋ベイナイトの混合組織からなり、上記混合組織内には、焼戻しマルテンサイト組織を、面積分率で、少なくとも２０％以上（残りは焼戻しベイナイト）含有しなければならない。そして、熱処理完了後の鋼の内部組織、すなわち、結晶粒の内部には、８０ｎｍ以下の微細なＭＸ［（Ｍ＝Ａｌ、Ｎｂ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｏ）、（Ｘ＝Ｎ、Ｃ）］型炭化物を形成することを特徴とする。上記組織を上述した形態で制御する理由は、本発明において対象とする鋼を、ＰＷＨＴ抵抗性に優れ、適切な強度及び靭性を有するようにするためである。
以下、本発明の製造方法について詳細に説明する。
本発明は、上記組成範囲を満たす鋼スラブを、１０００〜１２５０℃の温度範囲に再加熱する。上記再加熱温度が１０００℃より低い場合は、溶質原子の固溶が難しく、１２５０℃を超えると、オーステナイト結晶粒のサイズが粗大になりすぎるために鋼板の性質を阻害するからである。
次に、上記のように加熱された鋼スラブを熱間圧延して、冷却された熱延鋼板を熱処理する。
上記熱間圧延時のパス当たりの圧下率は、特に限定されるものではないが、好ましくは５〜３０％であることができる。
上記熱処理は、８５０〜９５０℃の温度範囲で｛１．３×ｔ＋（１０〜３０）｝分（但し、ｔは鋼材の厚さ（ｍｍ）を意味する）の時間維持して行う。
上記熱処理時の温度が８５０℃未満の場合には、固溶溶質元素の再固溶が難しいため強度の確保が難しくなり、熱処理温度が９５０℃を超えると、結晶粒成長が起こり、低温靭性を阻害するようになる。
上記熱処理時の保持時間を上記のように限定する理由は、（１．３×ｔ＋１０）分（ｔは鋼材の厚さ（ｍｍ）を意味する）よりも少ないと、組織の均質化が難しくなり、（１．３×ｔ＋３０）分（ｔは鋼材の厚さ（ｍｍ）を意味する）を超えると、生産性を阻害するためである。
上記温度及び時間の条件下で維持された鋼板を、中心部冷却速度を基準に２．５〜３０℃／ｓで冷却する。上記冷却速度が２．５℃／ｓ未満の場合には、冷却中に粗大なフェライト結晶粒が発生する可能性があり、３０℃／ｓを超えると、過度な冷却設備で経済面において不利となる。
上記熱処理及び冷却後の鋼板を６００℃〜Ａｃ１の温度範囲で｛１．６×ｔ＋（１０〜３０）｝分（但し、ｔは鋼材の厚さ（ｍｍ）を意味する）の時間維持する焼戻し熱処理段階を経ることになる。
上記焼戻し熱処理の温度が６００℃未満の場合には、微細な析出物を析出することが難しく、強度を確保することも難しくなる。これに対し、熱処理温度がＡｃ１を超えると、析出物の成長が起こり、強度及び低温靭性を阻害するようになる。
上記熱処理時の保持時間を上記のように限定する理由は、１．６×ｔ＋１０分（ｔは鋼材の厚さ（ｍｍ）を意味する）よりも少ないと、組織の均質化が難しく、１．６×ｔ＋３０分（ｔは鋼材の厚さ（ｍｍ）を意味する）を超えると、生産性を阻害するためである。
上記熱処理された鋼板を２．５〜３０℃／ｓの冷却速度で冷却し、６００℃〜Ａｃ１の温度範囲で｛１．６×ｔ＋（１０〜３０）｝分（但し、ｔは鋼材の厚さ（ｍｍ）を意味する）の時間維持する焼戻し熱処理工程を経て製造された本発明の鋼板を用いて圧力容器を製作する際に、溶接工程によって加えられる残留応力の除去などのためにＰＷＨＴ処理を行うことができる。
一般に、長時間のＰＷＨＴ熱処理後には、強度及び靭性の劣化が生じるが、本発明によって製造された鋼板は、通常のＰＷＨＴ温度条件である６００℃〜（Ａｃ１−２０）℃で長時間（〜５０時間）行っても、強度及び靭性が大きく低下することなく溶接することが可能であるという利点を有する。
本発明の好ましい一例の鋼板は、５０時間のＰＷＨＴ後にも５５０ＭＰａ以上の引張強度を有し、−３０℃におけるシャルピー衝撃エネルギー値が１００Ｊ以上を満たすという優れた強度及び靭性を有する。
以下、本発明の実施例について詳細に説明する。但し、本発明は、下記実施例によって限定されるものではない。
下記表１は、発明鋼及び比較鋼の化学成分をそれぞれ示すものである。
下記表１の組成を有する鋼スラブを１１４０℃で３００分加熱した後、圧下率１５％で熱間圧延し、９５０℃で熱間圧延を終了して下記表２の厚さを有する熱間圧延鋼板を製造した。
上記熱間圧延された熱延鋼板を、９３０℃で｛１．３×ｔ＋（１０〜３０）｝分（但し、ｔは鋼材の厚さ（ｍｍ）を意味する）の時間維持して１次熱処理を行った後、上記１次熱処理された鋼板を３〜２０℃／ｓの冷却速度で冷却し、下記表２の条件で焼戻し及びＰＷＨＴ処理を行った。
上記のように、ＰＷＨＴ処理された鋼板の微細組織、降伏強度、引張強度、及び低温靭性を調査し、その結果を下記表３に示した。
下記表３において、低温靭性は、−３０℃でＶノッチを有する試験片に対してシャルピー衝撃試験を行うことで得られたシャルピー衝撃エネルギー値で評価したものである。
Figure 0006688391
Figure 0006688391
Figure 0006688391
上記表１〜３の結果から分かるように、本発明の組成及び製造条件を満たす発明鋼は、ＰＷＨＴ時間が５０時間に及んでも、強度及び靭性が低下しないのに対し、比較鋼は、本発明の組成を外れるため、同一のＰＷＨＴ条件でも発明鋼に比べて強度及び靭性が著しく劣化することが確認できる。
特に、発明鋼は、５０時間のＰＷＨＴ後にも低温靭性値の低下がないのに対し、比較鋼は、強度が約１００ＭＰａ程度、低温靭性値は約２５０Ｊ以上低下したことが分かる。

Claims (7)

  1. 重量％で、Ｃ：０．０５乃至０．１７％、Ｓｉ：０．５０％乃至１．００％、Ｍｎ：０．３％乃至０．８％、Ｃｒ：１．０％乃至１．５％、Ｍｏ：０．３％乃至１．０％、Ｎｉ：０．００３％乃至０．３０％、Ｃｕ：０．００３％乃至０．３０％、Ｓｏｌ．Ａｌ：０．００５％乃至０．０６％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０２０％以下からなり、Ｎｂ：０．００２％乃至０．０２５％及びＶ：０．００２％乃至０．０３％のうち１種以上の元素を更に含み、残りはＦｅ及び不可避不純物からなり、鋼板の中心部微細組織が、２０面積％以上の焼戻しマルテンサイトと残部ベイナイトの混合組織からなり、
    前記鋼板は、６００℃乃至（Ａｃ１−２０）℃の区間で最大５０時間ＰＷＨＴを行っても、引張強度５５０ＭＰａ以上を維持し、−３０℃におけるシャルピー衝撃エネルギーの値が１００Ｊ以上であることを特徴とするＰＷＨＴ抵抗性に優れた圧力容器用鋼板。
  2. 請求項１に記載された圧力容器用鋼板の製造方法であって、
    重量％で、Ｃ：０．０５％乃至０．１７％、Ｓｉ：０．５０％乃至１．００％、Ｍｎ：０．３％乃至０．８％、Ｃｒ：１．０％乃至１．５％、Ｍｏ：０．３％乃至１．０％、Ｎｉ：０．００３％乃至０．３０％、Ｃｕ：０．００３％乃至０．３０％、Ｓｏｌ．Ａｌ：０．００５％乃至０．０６％、Ｐ：０．０１５％以下、Ｓ：０．０２０％以下からなり、Ｎｂ：０．００２％乃至０．０２５％及びＶ：０．００２％乃至０．０３％のうち１種以上の元素を更に含み、残りはＦｅ及び不可避不純物からなる鋼スラブを１０００℃乃至１２５０℃の温度範囲で再加熱して熱間圧延する段階と、
    前記熱間圧延された熱延鋼板を８５０℃乃至９５０℃の温度範囲で（１．３×ｔ＋１０）分乃至（１．３×ｔ＋３０）分（但し、ｔは鋼材の厚さ（ｍｍ）を意味する）の時間維持する１次熱処理段階と、
    前記熱処理された鋼板を冷却し、６００℃乃至Ａｃ１の温度範囲で（１．６×ｔ＋１０）分乃至（１．６×ｔ＋３０）分（但し、ｔは鋼材の厚さ（ｍｍ）を意味する）の時間維持する焼戻し熱処理段階と、を含むことを特徴とするＰＷＨＴ抵抗性に優れた圧力容器用鋼板の製造方法。
  3. 前記焼戻し熱処理段階後に、鋼板の中心部微細組織は、２０面積％以上の焼戻しマルテンサイトと残部ベイナイトの混合組織からなることを特徴とする請求項２に記載のＰＷＨＴ抵抗性に優れた圧力容器用鋼板の製造方法。
  4. 前記熱間圧延段階におけるパス当たりの圧下率は５％乃至３０％であることを特徴とする請求項２に記載のＰＷＨＴ抵抗性に優れた圧力容器用鋼板の製造方法。
  5. 前記冷却段階における冷却速度は２．５℃／ｓ乃至３０℃／ｓであることを特徴とする請求項２に記載のＰＷＨＴ抵抗性に優れた圧力容器用鋼板の製造方法。
  6. 前記焼戻し熱処理段階後の鋼板は、６００℃乃至（Ａｃ１−２０）℃の区間で最大５０時間ＰＷＨＴを行っても、引張強度５５０ＭＰａ以上を維持することを特徴とする請求項２に記載のＰＷＨＴ抵抗性に優れた圧力容器用鋼板の製造方法。
  7. 前記焼戻し熱処理段階後の鋼板は、６００℃乃至（Ａｃ１−２０）℃の区間で最大５０時間ＰＷＨＴを行っても、−３０℃におけるシャルピー衝撃エネルギーの値が１００Ｊ以上であることを特徴とする請求項２に記載のＰＷＨＴ抵抗性に優れた圧力容器用鋼板の製造方法。
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