CN104805380B - 一种低回火脆性Cr‑Mo系耐高温承压设备用钢板及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低回火脆性Cr‑Mo系耐高温承压设备用钢板及制备方法。所述钢板的化学成分及重量百分比含量为：C：0.05％～0.17％、Si：≤0.30％、Mn：0.40％～0.65％、S≤0.035％、P≤0.015％、Cr：0.80％～1.15％，Mo：0.45％～0.60％，Sn≤0.005％，Sb≤0.005％，As≤0.005％，其余为Fe和微量杂质。本发明通过Cr、Mo合金元素的复合添加，合理的Si、Mn含量设计，低P和极低残余元素Sn严格控制，4300mm双机架轧制及正火+高温回火等工艺技术的实施，获得耐高温用承压设备用钢板。钢板回火脆性系数低、力学稳定、厚规格钢板心部高温持久力学性能高等特点，适合用于制造耐高温承压设备的制造。

Description

一种低回火脆性Cr-Mo系耐高温承压设备用钢板及制备方法

技术领域

本发明涉及钢铁技术领域，具体地，本发明涉及一种低回火脆性Cr-Mo系耐高温承压设备用钢板及制备方法。

背景技术

Cr-Mo系承压设备用钢板广泛用于加氢反应器、合成氨装置、尿素合作装置等承压设备制造，设备长期在高温、高压的苛刻条件下服役使用。该类钢在350～600℃温度区间容易产生脆性倾向，导致制造材料的时效，造成安全事故。为此，耐高温用Cr-Mo系承压设备用钢板一般均对表征回火脆性倾向的J系数、X系数有明确的要求。

目前已公布的关于抗回火脆化压力容器钢板的专利文献(例如CN 103740912A，)设计了J系数、X系数回火脆性系数的特意控制，但是实施例中J系数、X系数实际控制是高于相关技术标准的对J系数、X系数回火脆性系数规定的最大值(例如ASME A 387中)。专利文献(例如CN 102796957A，CN 101691639A)注重了低成本生产、常规力学性或是低硫(S)含量的控制等，没有涉及钢中P、As、Sn、Sb的严格控制，缺少衡量回火脆性因素的J系数、X系数的描述。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明目的是提供一种具有低回火脆性Cr、Mo复合添加的耐高温用承压设备用钢板及制备方法，该方法制备的钢板具有回火脆性系数低、力学稳定、厚规格钢板心部高温持久力学性能高等特点，十分适合用于制造耐高温承压设备的制造。

本发明的一方面提供了一种低回火脆性Cr-Mo系耐高温承压设备用钢板，其化学成分及重量百分比含量为：C：0.05％～0.17％、Si：≤0.30％、Mn：0.40％～0.65％、S≤0.035％、P≤0.015％、Cr：0.80％～1.15％，Mo：0.45％～0.60％，Sn≤0.005％，Sb≤0.0025％，As≤0.005％，其余为Fe和微量杂质。

根据本发明的具有低回火脆性Cr-Mo系耐高温承压设备用钢板，所述钢板的回火脆性系数为：J≤150，X≤15。

本发明的具有低回火脆性Cr-Mo系耐高温承压设备用钢板，为了确保钢板具有低的回火脆性，特意强调降低钢中磷含量至0.015％以下。严格限制钢中杂质元素锡(Sn)、锑(Sb)、砷(As)含量，Sn≤0.005％，Sb≤0.005％，As≤0.005％。不过多的添加硅、锰元素，其中硅元素控制在0.30％以下。锰元素控制在0.40％～0.65％。

本发明的低回火脆性Cr-Mo系耐高温承压设备用钢板，为确保钢板具有耐高温性能，钢中添加具有抗高温软化性能的Cr、Mo合金元素。其中Cr含量为0.80％～1.15％，Mo含量为0.40％～0.65％。

上述钢板的化学成分设计原理如下：

碳(C)：碳作是钢中提高强度最有效的元素之一，是材料获得强度的主要合金元素。

硅(Si)、锰(Mn)：Si和Mn能够促进钢中的磷(P)在晶界发生偏聚，增加回火脆化敏感性，应控制其总含量。

铬(Cr)、钼(Mo)：钢中的Mo含量为0.40％～0.65％时，可以吸附P形成化合物形成Mo₃P，减少P在晶界处的偏聚，降低钢的回火脆性。Mo为M2C形碳化物形成元素，比Mo₃P化合物稳定。钢中加入阻止Mo元素形成碳化物的合金元素可以降低钢的回火脆性倾向。Cr为强碳化物形成元素，钢中的Cr含量为Mo含量的一倍以上时，可以提高Cr碳化物的稳定性，抑制M₂C碳化物的形成，提高钢中Mo的固溶度，进而降低回火脆性。

磷(P)、锡(Sn)、锑(Sn)、砷(As)：P是晶界偏析元素，为降低回火脆性，应当尽量降低钢中P含量。Sn、Sn、As可原始奥氏体晶界偏聚，使晶界结合力下降，使回火脆性倾向增加。

硫(S)：硫在钢中形成硫化物，对钢的韧性不利。因此，应当尽量降低钢中硫含量以减少硫化物数量和级别。

本发明的另一方面提供了一种低回火脆性Cr-Mo系耐高温承压设备用钢板的制造方法，所述制造方法的工艺环节包括钢坯加热、成型轧制、成型轧制后的钢板缓冷、正火热处理、回火热处理，其中，具有包括以下步骤：

(a)钢坯条件：钢坯出炉温度控制在1150℃～1230℃。为确保最终成型轧制后钢板的表面质量，钢坯采用带温度装炉加热，装炉前钢坯的温度为150℃～400℃。

(b)轧制条件：轧制步骤(a)的钢坯，钢坯精轧开轧温度为900～1100℃，钢坯精轧开轧厚度为成品钢板厚度的3.0～5.0倍。

(c)正火加回火热处理：正火温度为860～900℃，正火保温时间为5～30min，回火温度为620～660℃，回火保温时间为5～30min。

根据本发明的制备方法，优选地，当成品钢板厚度为8～25mm时，钢坯精轧开轧温度为950～1100℃，钢坯精轧开轧厚度为成品钢板厚度的3.0～5.0倍，正火温度为880～900℃，保温时间为5～15min，回火温度为640～660℃，保温时间为5～10min。

优选地，当成品钢板厚度为大于25其小于等于50mm时，钢坯精轧开轧温度为900～930℃，钢坯精轧开轧厚度为成品钢板厚度的3.0～3.5倍，正火温度为860～880℃，保温时间为10～20min，回火温度为620～640℃，保温时间为20～30min。

优选地，当步骤(b)成品钢板厚度大于25mm且小于等于50mm时，钢板轧制后进行堆垛缓冷处理，最终成型轧制后的堆垛缓冷时间不低于24～36小时。

进一步优选地，当步骤(b)成品钢板厚度大于25mm且小于等于35mm时，钢板轧制后进行堆垛缓冷处理，最终成型轧制后的堆垛缓冷时间不低于24小时；当步骤(b)成品钢板厚度大于35mm且小于等于50mm时，钢板轧制后进行堆垛缓冷处理，最终成型轧制后的堆垛缓冷时间不低于36小时。

上述钢坯采用带温度装炉加热及＞25mm～50mm钢板最终成型轧制后缓冷原理如下：

含Cr、Mo的合金钢坯在成型轧制前的加热不当，如钢坯局部加热不均匀等，将会产生裂纹等缺陷。Cr-Mo钢板属贝氏体型合金钢，在空冷条件下便可产生贝氏体组织。成型轧制后的急冷容易产生组织应力与热应力，如果控制不当可导致表面裂纹和边部裂纹。

本发明通过Cr、Mo合金元素的复合添加，合理的Si、Mn含量设计，低P和极低残余元素Sn严格控制，4300mm双机架轧制及正火+高温回火等工艺技术的实施，获得耐高温用承压设备用钢板。钢板回火脆性系数低、力学稳定、厚规格钢板心部高温持久力学性能高等特点，适合用于制造耐高温承压设备的制造。

具体实施方式

下面以具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

根据本发明的方法所生产的钢板的化学成分及重量百分比含量为：C：0.138％、Si：0.24％、Mn：0.49％、S：0.002％、P：0.011％、Cr：0.97％、Mo：0.49％，Sn：0.003％、Sb：0.001％，As：0.004％，其余为Fe和微量杂质。J系数为102.2，X系数为13.1，其中，J＝(Si+Mn)×(P+Sn)×10⁴，式中Si，Mn，P，Sn为重量百分数。X＝(10P+5Sb+4Sn+As)/100，式中P，Sb，Sn，As为ppm数。

本实施例的低回火脆性Cr-Mo系耐高温用承压设备用钢板的制造方法如下：

(1)冶炼：铁水经过KR预处理、120吨顶底复吹转炉冶炼、120吨LF钢包炉精炼、120吨RH真空脱气精炼及板坯连铸机等工艺过程制得断面尺寸为200mm×150mmm的连铸坯，连铸坯缓冷至150～400℃时，采用步进梁式加热炉进行加热。

(2)钢坯加热：钢坯采用带温度装炉加热，装炉前钢坯的温度为150℃～400℃，钢坯出炉温度控制在1150℃～1230℃；

(3)轧制条件：采用4300mm双机架轧制成钢板，成品钢板厚度为20mm，钢坯精轧开轧温度为950℃，钢坯精轧开轧厚度为成品钢板厚度的4.0倍；

(4)正火热处理：正火温度为890℃，正火保温时间为10min；

(5)回火热处理：回火温度为650℃，回火保温时间为10min。

实施例2

根据本发明的方法所生产的钢板的化学成分及重量百分比含量为：C：0.140％、Si：0.23％、Mn：0.56％、S：0.002％、P：0.009％、Cr：1.01％、Mo：0.47％，Sn：0.001％、Sb：0.001％，As：0.003％，其余为Fe和微量杂质。J系数为79.0，X系数为10.2，其中，J＝(Si+Mn)×(P+Sn)×10⁴，式中Si，Mn，P，Sn为重量百分数。X＝(10P+5Sb+4Sn+As)/100，式中P，Sb，Sn，As为ppm数。

本实施例的生产制备方法同实施例1，区别在于：

(1)钢板最终轧制厚度为30mm，钢坯精轧开轧温度为930℃，钢坯精轧开轧厚度为成品钢板厚度的3.5倍；

(2)钢板缓冷：钢坯最终成型轧制后的钢板堆垛缓冷时间不低于24小时；

(3)正火热处理：正火温度为880℃，正火保温时间为10min；

(4)回火热处理：回火温度为640℃，回火保温时间为15min。

实施例3

根据本发明的方法所生产的钢板的化学成分及重量百分比含量为：C：0.143％、Si：0.26％、Mn：0.57％、S：0.003％、P：0.010％、Cr：1.05％、Mo：0.48％，Sn：0.002％、Sb：0.001％，As：0.004％，其余为Fe和微量杂质。J系数为99.6，X系数为11.7，其中，J＝(Si+Mn)×(P+Sn)×10⁴，式中Si，Mn，P，Sn为重量百分数。X＝(10P+5Sb+4Sn+As)/100，式中P，Sb，Sn，As为ppm数。

本实施例的生产制备方法同实施例1，区别在于：

(1)钢板最终轧制厚度为40mm，钢坯精轧开轧温度为920℃，钢坯精轧开轧厚度为成品钢板厚度的3.0倍；

(2)钢板缓冷：钢坯最终成型轧制后的钢板堆垛缓冷时间不低于36小时。

(3)正火热处理：正火温度为870℃，正火保温时间为20min；

(4)回火热处理：回火温度为630℃，回火保温时间为30min。

对以上实施例1至实施例3中制备的低回火脆性Cr-Mo系耐高温承压设备用钢板进行室温力学性能测试和棒状试样的300℃、400℃、500℃拉伸试验，试样结果如表1和表2所示。

表1根据本发明的室温力学性能

注：拉伸试验方法上述实验结果为全尺寸板状试样的拉伸试验结果。试样平行段长度为50mm，平行段宽度为38.1mm。

表2根据本发明的高温拉伸性能

注：(1)高温拉伸试验采用圆棒状拉伸试验，试样的长度为100mm，直径为16mm。

(2)圆棒状拉伸试验的轴线位于钢板厚度方向t/4和t/2处，t为钢板厚度。

通过以上表1和表2可以看出，本发明至少存在以下优点：

(1)通过Si、Mn、Sn、Sb、As的严格控制，可以有效确保批量生产的低回火脆性Cr-Mo系耐高温承压设备用钢板具有低的回火脆性系数。

(2)通过合理的轧制温度和正火热处理和回火热处理，可以有效确保批量生产的低回火脆性Cr-Mo系耐高温承压设备用钢板具有较高强度和断后伸长率。

(3)通过合理的轧制温度和正火热处理和回火热处理，可以有效确保批量生产的低回火脆性Cr-Mo系耐高温用承压设备用钢板具有较高强度和断后伸长率。

(4)厚度＞30mm以上的钢板t/4和t/2厚度300～500℃高温拉伸强度高，适合制造高温压力容器制造。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (5)

1.一种低回火脆性Cr-Mo系耐高温承压设备用钢板，其特征在于，所述钢板的化学成分及重量百分比含量为：C：0.05％～0.17％、Si：≤0.30％、Mn：0.40％～0.65％、S≤0.035％、P≤0.015％、Cr：0.80％～1.15％，Mo：0.45％～0.60％，Sn≤0.005％，Sb≤0.0025％，As≤0.005％，其余为Fe和不可避免微量杂质；所述钢板的回火脆性系数为：J≤150，X≤15；

所述低回火脆性Cr-Mo系耐高温承压设备用钢板的制备方法，包括以下步骤：

(a)钢坯条件：钢坯出炉温度控制在1150～1230℃；

(b)轧制条件：轧制步骤(a)的钢坯，钢坯精轧开轧温度为900～1100℃，钢坯精轧开轧厚度为成品钢板厚度的3.0～5.0倍；其中，所述成品钢板厚度大于25mm且小于等于50mm，钢板轧制后进行堆垛缓冷处理，最终成型轧制后的堆垛缓冷时间不低于24小时；

(c)正火加回火热处理：将轧制后的钢板正火加回火处理，制得钢板；所述正火温度为860～900℃，正火保温时间为5～20min，所述回火温度为620～660℃，回火保温时间为5～30min。

2.根据权利要求1所述的钢板，其特征在于，步骤(a)所述钢坯采用带温度装炉加热，装炉前钢坯的温度为150～400℃。

3.根据权利要求1所述的钢板，其特征在于，步骤(b)成品钢板厚度大于25mm且小于等于50mm，钢坯精轧开轧温度为900～930℃，步骤(c)正火温度为860～880℃，保温时间为10～20min，回火温度为620～640℃，保温时间为10～30min。

4.根据权利要求1所述的钢板，其特征在于，步骤(b)成品钢板厚度大于25mm且小于等于35mm，钢板轧制后进行堆垛缓冷处理，最终成型轧制后的堆垛缓冷时间不低于24小时。

5.根据权利要求1所述的钢板，其特征在于，步骤(b)成品钢板厚度大于35mm且小于等于50mm，钢板轧制后进行堆垛缓冷处理，最终成型轧制后的堆垛缓冷时间不低于36小时。