CN103866187A

CN103866187A - 一种500MPa级抗硫化物应力腐蚀开裂的压力容器用钢板及其生产方法

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Publication number: CN103866187A
Application number: CN201410111774.1A
Authority: CN
Inventors: 邵正伟; 成小龙; 孙风晓; 刘金泉; 刘晓东; 刘建伟; 谢晖; 孔冠宏; 董连委; 胡根荣
Original assignee: Jinan Iron and Steel Group Co Ltd
Current assignee: Jinan Iron and Steel Group Co Ltd
Priority date: 2014-03-24
Filing date: 2014-03-24
Publication date: 2014-06-18

Abstract

本发明涉及压力容器用钢板制造领域，具体是指一种500MPa级抗硫化物应力腐蚀开裂的压力容器用钢板及其生产方法其，由以下质量百分比的组分制备而成：C：≤0.20%，Si：0.15-0.50%，Mn：≤1.35%，P：≤0.012%，S：≤0.002%，Nb+V+Ti:≤0.10%，Alt：0.020-0.050%，其余为Fe和不可避免的杂质，本发明的有益效果是：本发明冶炼时各成分组元精准控制，严格控制钢中P、S等有害元素含量，提高钢水洁净度，连铸坯经过缓冷坑或缓冷罩缓冷后加热，通过合理的控轧、钢板缓冷和正火热处理工艺，得到具有抗硫化物应力腐蚀开裂、抗氢致开裂、抗层状撕裂、耐高温、易焊接等优点的压力容器用钢板。

Description

一种500MPa级抗硫化物应力腐蚀开裂的压力容器用钢板及其生产方法

技术领域

本发明涉及压力容器用钢板制造领域，具体是指一种500MPa级抗硫化物应力腐蚀开裂的压力容器用钢板及其生产方法。

背景技术

腐蚀是对运输、贮存油（气）容器钢板的安全性带来威胁的主要形式之一，往往是造成钢板断裂、诱发灾难性事故的根源，而硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）和氢致开裂（HIC）两种不同类型的腐蚀开裂是造成含硫天然气、石油（气）腐蚀破坏的主要形式。在当今世界范围内，一方面随着人类社会对天然气、石油（气）需求量的日益增加，对许多含硫化氢（H2S）成分较高的天然气、石油（气）进行开采、输送和加工；另一方面随着管线输送压力以及压力容器贮压的提高，也造成硫化氢分压增大。这些因素必将使得输送、贮存油（气）容器钢板的SSCC、HIC问题更为突出，也是目前急需解决的主要问题之一。

在湿润的硫化氢（H₂S）环境条件下，工程上广泛应用的碳钢和低合金钢都有发生环境开裂的可能性。硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）和氢致开裂（HIC）均属于湿硫化氢引起的钢材开裂形式。因腐蚀而生成的原子氢很容易渗入钢中，并在局部聚集，致使在钢材内部产生沿轧制方向扩展的裂纹，并在相邻的裂纹相互连接时形成横截于厚度方向形似阶梯的特殊形状的裂纹现象，称为氢致开裂（简称HIC)，或在钢材的服役应力叠加、协同作用下，导致硫化物应力腐蚀开裂（简称SSCC）。其中SSCC危害最大，HIC与SSCC也经常并存。

近年来，我国在高强度管线钢、Q345R、A516GR70等生产中采取了低碳（≤0.06％)、超低硫（≤0.002％)、钙处理以及低的板卷卷取温度等工艺措施，使冲击值和抗腐蚀性能有了很大程度的改善，但与国外的实物性能水平还有一定的差距。究其原因，除上述工艺因素外，主要是与连铸坯结晶过程的成分偏析在轧制时造成少量沿轧制方向呈短条状的二次相有关。

为改善连铸坯成分偏析，日本和德国均采用磷含量≤0.01％硫含量≤0.002％的洁净钢控制技术，连铸过程采用了电磁搅拌以及铸坯轻压下的控制工艺。

宝钢和武钢在铁水预处理的基础上，对炉外精炼进行了较大程度的优化、改造，并且采用了合理的钙处理夹杂物变性技术，使钢种的洁净度得到了大幅度的提高，根除了由于夹杂物诱发的裂纹源。

500MPa级抗SSCC压力容器用钢板的性能指标要求大大高于常规压力容器用钢板，除满足抗硫化物应力腐蚀开裂、抗氢致开裂要求外，一般对钢板的带状组织、夹杂物、晶粒度、硬度、低温冲击、抗回火能力、抗层状撕裂、高温拉伸、碳当量等都有相应要求，要同时满足以上要求，生产难度非常大。

500MPa级抗硫化物应力腐蚀开裂的压力容器用钢板，以16-36mm厚度规格为例，要求下屈服强度达到325MPa以上，抗拉强度要求500-630MPa，伸长率≥21%，横向冲击KV2≥41J（试验温度0～-30℃），180°d=2a冷弯合格。以上常规性能要求随钢板厚度规格的增加略有降低。除此之外，通常要求抗硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）检验的门槛应力达到80%SMYS（标准屈服强度）甚至80%AYS（实际屈服强度）的水平。SSCC试验要求浸泡在过饱和酸性溶液中的试样在施加门槛应力的情况下，保持720小时不断裂，试验标准有NACE TM0177及GB/T 4157,而目前并没有一种能够生产500MPa级抗硫化物应力腐蚀开裂的压力容器用钢板的工艺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种500MPa级抗硫化物应力腐蚀开裂的压力容器用钢板及其生产方法，本发明洁净钢控制技术、铸坯智能轻压下技术以及连铸坯和钢板两次缓冷技术等工艺组合解决了连铸坯结晶过程的成分偏析在轧制时造成少量沿轧制方向呈短条状的二次相的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种500MPa级抗硫化物应力腐蚀开裂的压力容器用钢板，由以下质量百分比的组分制备而成：C：≤0.20%，Si：0.15-0.50%，Mn：≤1.35%，P：≤0.012%，S：≤0.002%，Nb+V+Ti: ≤0.10%，，Alt：0.020-0.050%，其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明所述的一种500MPa级抗硫化物应力腐蚀开裂的压力容器用钢板，其厚度为14～70mm。

本发明的工艺路线为：铁水预处理→转炉→钢包吹氩→LF→RH→连铸→铸坯下线缓冷→铸坯冷检冷送→铸坯加热→除鳞→轧制→矫直→钢板缓冷→正火→探伤→切割、取样→试样模拟焊后热处理（SR）→检验、标志→入库。

所述一种500MPa级抗硫化物应力腐蚀开裂的压力容器用钢板的生产方法的具体步骤为：

a) 冶炼：原料铁水经过KR铁水预脱硫处理，使铁水中硫含量＜0.002%，转炉冶炼，出钢后进行吹氩处理，吹氩时间10分钟，然后喂铝线，再送入LF精炼炉成分微调、再脱硫，然后在RH精炼炉中真空脱气处理，使O≤0.0025% ，N≤0.0045%,H≤0.0002%，进一步均匀成分，处理时保真空时间至少15分钟，处理结束后利用喂线机喂入钙铁线进行Ca处理，喂钙铁线后对钢水进行软吹氩弱搅拌，搅拌时间至少15分钟，氩气流量80～150L/min，钢液翻动直径130-180mm；

b) 连铸：RH精炼炉处理后的钢水上连铸机全程保护浇注，拉速0.9m/min，浇注过程中铸机采用凝固末端智能轻压下工艺，连铸坯切割后立即下线缓冷至温度≤200℃，时间不低于72小时，得到连铸坯；

c) 铸坯加热：铸坯在炉加热时间系数按0.9～1.2min/mm；铸坯的出炉温度1120～1180℃；

d) 轧制：铸坯出加热炉经高压水除鳞后采用粗、精轧分阶段控温轧制，粗轧开轧温度1100～1150℃，采用低速大压下轧制工艺，保证钢板的中间坯厚度为成品厚度的2～3倍，精轧开轧温度≤950℃，终轧温度800～850℃，轧后钢板快速下线堆垛缓冷至室温；

e) 热处理：钢板缓冷后采用正火处理工艺，正火处理温度890～910℃，钢板正火时间系数按1.5～1.8min/mm+15min，钢板出炉后自然冷却，钢板收集温度小于150℃。

上述步骤（a）中原料铁水要求P≤0.08%、As≤0.006%。

上述步骤（a）中转炉冶炼采用210t顶底复吹转炉进行冶炼，终点目标按：C=0.06%-0.10%，P≤0.008%，S≤0.008%。

上述步骤（a）中出钢时采用挡渣棒、挡渣塞双挡渣出钢，避免下渣，出钢时间不低于4分钟。

上述步骤（a）中用喂铝线速度为1.6m/t。

上述步骤（a）中钙铁线处理速度为1.5m/t。

上述步骤（b）连铸工艺中，缓冷采用缓冷坑或缓冷罩冷却，所得连铸坯厚度为250mm。缓冷坑及缓冷罩等缓冷工艺，以利于钢中氢的析出。

试样检验：为保证钢板的焊接性能，钢板试样按用户要求工艺做模拟焊后热处理（SR），处理时温度达到400℃装出炉，升降温速度不超过150℃/h。

本发明的有益效果是：本发明冶炼时各成分组元精准控制，严格控制钢中P、S等有害元素含量，提高钢水洁净度，连铸坯经过缓冷坑或缓冷罩缓冷后加热，通过合理的控轧、钢板缓冷和正火热处理工艺，得到具有抗硫化物应力腐蚀开裂、抗氢致开裂、抗层状撕裂、耐高温、易焊接等优点的压力容器用钢板，（1）钢板钢质纯净、偏析轻、晶粒细、性能稳定，抗硫化物应力腐蚀开裂性能和抗氢致开裂性能优良；（2）钢板硬度适中、焊接性能优良，利于现场的施工制造；（3）具有良好的抗层状撕裂性能，-30℃低温韧性在100J以上，大大提高了材料使用的安全性、可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例1钢板抗硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）试验前式样示意图；

图2为本发明实施例1钢板抗硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）试验后的试样示意图。

具体实施方式

通过以下具体实施例来进一步说明本发明：

实施例一

本实施例的500MPa级抗硫化物应力腐蚀开裂的压力容器用钢板是由以下质量百分比的组分制备而成：C：0.17%，Si：0.37%，Mn：1.29%，P：0.010%，S：0.001%，Nb+V+Ti：≤0.060%，Alt：0.035%，其余为Fe和不可避免的杂质，其中O、N、H含量分别为0.0018%、0.0035%和0.00015%。

成品钢板厚度为16mm。

所述钢板的制备方法，包括以下步骤：

（1）铁水预处理：原料铁水P=0.080%、S=0.024%，As=0.0020%，经过KR铁水预处理深脱硫处理后，铁水S含量为0.0006%。

（2）转炉冶炼：终点成分中：C=0.09%，P=0.0080%，S=0.0078%，出钢时采用挡渣棒、挡渣塞双挡渣出钢，出钢时间5分钟，出钢过程钢包全程吹氩。

（3）钢包吹氩：出钢完毕，到吹氩站吹氩10分钟（含出钢吹氩时间），用喂线机喂铝线（ф13）1.6m/t。

（4）LF+RH精炼处理：钢水送入LF精炼炉成分微调、脱硫，然后上RH精炼炉中真空脱气处理，均匀成分，RH处理时保真空时间17分钟，处理结束后利用喂线机喂入钙铁线1.5m/t，喂线后对钢水进行软吹氩弱搅拌，弱搅拌时间18分钟，弱搅氩气流量100L/min，钢液翻动直径约150mm。

（5）连铸：精炼后钢水上250×2200直弧形板坯连铸机全程保护浇注，拉速0.9m/min恒速拉钢，浇注过程中铸机采用凝固末端智能轻压下工艺，连铸坯切割后立即下线入缓冷坑缓冷至180℃，缓冷时间76小时，最终得到偏析轻、钢质洁净度高、成分合格的无缺陷连铸坯。

（6）铸坯加热：铸坯送蓄热式加热炉加热，在炉加热时间250min，铸坯出炉温度达到1140℃。

（7）轧制：铸坯出加热炉经高压水除鳞后采用粗、精轧分阶段控温轧制，粗轧机开轧温度1130℃，采用低速大压下轧制工艺，粗轧后中间坯厚度45mm。精轧工序开轧温度930℃，终轧温度830℃，轧后钢板快速下线堆垛缓冷至室温。

（8）热处理：钢板缓冷后采用正火处理工艺。正火处理温度890℃，正火处理炉内时间41min，钢板出炉后单张平放，自然冷却，钢板收集温度50℃。

（9）试样模拟焊后热处理（SR）：处理温度610℃，保温时间4小时，处理时按温度达到400℃装出炉，升温速度140℃/h，降温速度130℃/h。

实施例二

本实施例的500MPa级抗硫化物应力腐蚀开裂的压力容器用钢板是由以下质量百分比的组分制备而成：C：0.18%，Si：0.36%，Mn：1.33%，P：0.009%，S：0.001%，Nb+V+Ti：≤0.090%，Alt：0.032%，其余为Fe和不可避免的杂质，其中O、N、H含量分别为0.0023%、0.0020%和0.00013%。

成品钢板厚度为42mm。

本实施例的500MPa级抗硫化物应力腐蚀开裂的压力容器用钢板的生产制备方法同实施例一，区别在于铁水预处理后S含量为0.0010%，转炉终点成分中P、S含量分别为0.0078%和0.0075%，RH炉保真空时间为15分钟，RH站喂线后软吹氩弱搅拌时间为16分钟，连铸坯出加热炉温度1150℃，粗轧开轧温度1140℃，中间坯厚度90mm，精轧终轧温度840℃，正火处理炉内时间为83min。

实施例三

本实施例的500MPa级抗硫化物应力腐蚀开裂的压力容器用钢板的质量百分比的组分同实施例二。

成品钢板厚度为70mm。

本实施例的500MPa级抗硫化物应力腐蚀开裂的压力容器用钢板的生产制备方法同实施例一，区别在于铁水预处理后S含量为0.0010%，转炉终点成分中P、S含量分别为0.0078%和0.0075%，RH炉保真空时间为15分钟，RH站喂线后软吹氩弱搅拌时间为16分钟，连铸坯出加热炉温度1160℃，粗轧开轧温度1145℃，中间坯厚度140mm，精轧终轧温度850℃，正火处理炉内时间为127min，试样模拟焊后热处理时升降温速度为135℃/h。

对以上实施例一至三中制备的500MPa级抗硫化物应力腐蚀开裂的压力容器用钢板进行性能测试，如表1、2、3、4、5所示。

Figure 2014101117741100002DEST_PATH_IMAGE001

钢板的强度和伸长率富余量适中，且低温韧性和厚度方向性能优良，-30℃低温韧性在100J以上，完全满足相关工程使用要求，大大提高了该钢板使用的安全性、可靠性，而且利于现场的施工制造。

Figure 2014101117741100002DEST_PATH_IMAGE002

钢板抗SSCC试验按照标准GB/T 4157-2006《金属在硫化氢环境中抗特殊形式环境开裂实验室试验》A法进行，实施例钢板试样在试验条件下均未断裂，说明该钢板具有较好的抗硫化物应力腐蚀开裂性能。

Figure 2014101117741100002DEST_PATH_IMAGE003

板抗HIC试验按GB/T 8650-2006《管线钢和压力容器钢抗氢致开裂评定方法》进行，试验溶液为A溶液。实施例钢板试样的裂纹长度率CLR、裂纹宽度率CTR、裂纹敏感率CSR良好，表明该钢板具有较强的抗氢致开裂性能。

结合表2、表3以及图1、图2可以看出，根据本发明组分以及方法生产出的钢板对于抗硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）以及抗氢致开裂（HIC）具有较好的效果。

Figure 2014101117741100002DEST_PATH_IMAGE004

钢板的钢质纯净、晶粒细，保障了钢板各项性能符合使用要求。

Figure 2014101117741100002DEST_PATH_IMAGE005

以上数据表明实例钢板的耐高温性能良好。

Claims

1.一种500MPa级抗硫化物应力腐蚀开裂的压力容器用钢板，其特征在于：由以下质量百分比的组分制备而成：C：≤0.20%，Si：0.15-0.50%，Mn：≤1.35%，P：≤0.012%，S：≤0.002%，Nb+V+Ti: ≤0.10%，Alt：0.020-0.050%，其余为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的抗拉强度500MPa级抗硫化物应力腐蚀开裂的压力容器用钢板，其特征在于：所述钢板厚度为14～70mm。

3.根据权利要求1所述的一种500MPa级抗硫化物应力腐蚀开裂的压力容器用钢板的生产方法，包括如下步骤：

（a）冶炼：原料铁水经过KR铁水预脱硫处理，使铁水中硫含量＜0.002%，转炉冶炼，出钢后进行吹氩处理，吹氩时间10分钟，然后喂铝线，再送入LF精炼炉成分微调、再脱硫，然后在RH精炼炉中真空脱气处理，使O≤0.0025% ，N≤0.0045%,H≤0.0002%，进一步均匀成分，处理时保真空时间至少15分钟，处理结束后利用喂线机喂入钙铁线进行Ca处理，喂钙铁线后对钢水进行软吹氩弱搅拌，搅拌时间至少15分钟，氩气流量80～150L/min，钢液翻动直径130-180mm；

（b）连铸：RH精炼炉处理后的钢水上连铸机全程保护浇注，拉速0.9m/min，浇注过程中铸机采用凝固末端智能轻压下工艺，连铸坯切割后立即下线缓冷至温度≤200℃，时间不低于72小时，得到连铸坯；

（c）铸坯加热：铸坯在炉加热时间系数按0.9～1.2min/mm；铸坯的出炉温度1120～1180℃；

（d）轧制：铸坯出加热炉经高压水除鳞后采用粗、精轧分阶段控温轧制，粗轧开轧温度1100～1150℃，采用低速大压下轧制工艺，保证钢板的中间坯厚度为成品厚度的2～3倍，精轧开轧温度≤950℃，终轧温度800～850℃，轧后钢板快速下线堆垛缓冷至室温；

（e）热处理：钢板缓冷后采用正火处理工艺，正火处理温度890～910℃，钢板正火时间系数按1.5～1.8min/mm+15min，钢板出炉后自然冷却，钢板收集温度小于150℃。

4.根据权利要求3所述的一种抗拉强度500MPa级抗硫化物应力腐蚀开裂的压力容器用钢板的制备方法，其特征在于：所述步骤a）中，原料铁水为P≤0.08%、As≤0.006%的合格铁水。

5.根据权利要求3所述的一种抗拉强度500MPa级抗硫化物应力腐蚀开裂的压力容器用钢板的制备方法，其特征在于：所述步骤a）中转炉冶炼采用210t顶底复吹转炉双渣冶炼，转炉终点：C=0.06%-0.10%，P≤0.008%，S≤0.008%。

6.根据权利要求3所述的一种抗拉强度500MPa级抗硫化物应力腐蚀开裂的压力容器用钢板的制备方法，其特征在于：所述步骤a)中出钢采用挡渣棒、挡渣塞双挡渣出钢，出钢时间≥4分钟。

7.根据权利要求3所述的一种抗拉强度500MPa级抗硫化物应力腐蚀开裂的压力容器用钢板的制备方法，其特征在于：所述步骤a)中喂铝线速度为1.6m/t。

8.根据权利要求3所述的一种抗拉强度500MPa级抗硫化物应力腐蚀开裂的压力容器用钢板的制备方法，其特征在于：所述步骤a)中钙铁线处理的速度为1.5m/t。

9.根据权利要求3所述的一种抗拉强度500MPa级抗硫化物应力腐蚀开裂的压力容器用钢板的制备方法，其特征在于，所述步骤b)连铸工艺中，缓冷采用缓冷坑或缓冷罩，所得连铸坯厚度为250mm。