CN108486473B - 一种低屈强比抗硫化物应力腐蚀345MPa级低温压力容器用钢板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低屈强比抗硫化物应力腐蚀345MPa级低温压力容器用钢板，其化学成分及所占质量百分比为：C≤0.20％，Si 0.01～0.10％，Mn1.00～2.00％，P≤0.008％，S≤0.003％，Nb≤0.01％，Alt≤0.035％，V≤0.01％，RE≤0.02％，Ni 0.10～0.50％，余量为Fe及不可避免的夹杂。本发明采用低碳低硅和微合金元素的成分设计，并结合TMCP轧制工艺，所得钢板屈强比≤0.65，伸长率达35％以上，‑40℃低温冲击韧性达150J以上，并具有优良的抗硫化物应力腐蚀性能、焊接性和低焊接裂纹敏感性；且涉及的制备工艺简单，无需热处理工艺，适合推广应用。
Description
技术领域
本发明属于压力容器钢制造领域，具体涉及一种低屈强比抗硫化物应力腐蚀345MPa级低温压力容器用钢板及其制备方法。
背景技术
屈强比是钢材屈服强度与抗拉强度的比值，反映钢材塑性变形时抵抗应力集中的能力。屈强比越低，钢材的均匀伸长率越高，钢材越能够将塑性变形均匀分布到较广的范围，作为结构部件也就越安全。目前对屈强比要求较高的钢种主要是桥梁、建筑及管线用钢，服役条件多为常温，但随着社会日益进步，对结构材料的要求不断提高，不少低温压力容器用钢也对屈强比提出了更为严格的要求。
压力容器用钢已经广泛应用到生活和生产的各个方面，其中345MPa级低温压力容器用钢通常应用于液氮、液氧、液氢、液氦、液化天然气等低温液体的储存及运输等领域，其应用范围广、市场需求量大；随着用户对该类钢材性能要求越来越高，更具安全性、加工性能更优的低屈强比高强度压力容器用钢更受用户青睐，研制一种易操作、经济性的低屈强比345MPa级低温压力容器用钢显得尤为重要。
中国专利201611152263.X公开了一种屈服强度345MPa级压力容器用钢板，其主要组成包括：C0.15～0.18％，Si0.15～0.35％，Mn1.40～1.50％，P≤0.008％，S≤0.002％，Al0.020～0.040％，Nb0.020～0.035％，O≤0.003％；该专利主要通过添加少量Nb元素并结合热处理工序来实现低屈强比、高塑性，但仅能满足-10℃使用环境下的性能要求(常规345MPa级压力容器通常使用环境为-40～60℃)。中国专利200810200100.3公开了一种高强度低屈强比钢板，其主要组成包括：C0.15～0.20％，Si1.0～2.0％，Mn1.8～2.0％，Al≤0.036％，V0.05～0.10％，P≤0.01％，S≤0.005％，Cr0.8～1.0％；该专利采用低合金化处理并通过传统TMCP轧制工艺获得一种具有高强度和低屈强比的热轧钢板；但其强度较高，低温冲击韧性较差，无法满足较低温的使用环境。中国专利201110320517.5公开了一种屈服强度为345～390MPa高韧性钢板的制造方法，通过成分设计和工艺改进制备具有优异力学性能的高韧性钢板；但该专利中添加了Ti元素，钢板实物屈强比≥0.70，延伸率较差。
发明内容
本发明的主要目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种低屈强比抗硫化物应力腐蚀345MPa级低温压力容器用钢板；采用低碳低硅并引入适量Ni、V、Nb和RE的成分设计，并结合TMCP轧制工艺，得到具有较低屈强比并具有良好低温韧性、抗硫化物应力腐蚀性能和焊接性的低温压力容器用钢板，且涉及的制备工艺简单，无需热处理工艺，适合推广应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种低屈强比抗硫化物应力腐蚀345MPa级低温压力容器用钢板，其化学成分及所占质量百分比为：C≤0.20％，Si0.01～0.10％，Mn 1.00～2.00％，P≤0.008％，S≤0.003％，Nb≤0.01％，Alt≤0.035％，V≤0.01％，RE≤0.02％，Ni 0.10～0.50％，余量为Fe及不可避免的夹杂。
上述一种低屈强比抗硫化物应力腐蚀345MPa级低温压力容器用钢板的制备方法，它包括高炉铁水、铁水脱硫、转炉冶炼、真空处理、连铸、轧制和轧制冷却等步骤，具体包括如下步骤：
1)冶炼；来料铁水温度＞1250℃，并对铁水进行预处理，铁水硫质量分数目标值设定不超过0.005％；在转炉出钢过程中加入白灰、精品萤石进行出钢预精炼，随后采用一次性大铝量预脱氧；钢液进入LF炉后底吹氩气搅拌，并保持炉内还原性气氛；锰铁进行脱氧，并进行合金化，且需要在出钢1/3时开始加入，出钢2/3前加完；出钢温度不低于1680℃，出钢时间保持在2.5～6min；温度、成分调整完成后每炉喂Ca-Si线，喂线结束后保持软吹时间不小于10min；真空处理时间≥15min，在连铸结晶器内喂加稀土丝，浇注时采用长水口氩封浇铸，严格控制拉速，二冷段采用弱冷，铸坯矫直温度不低于950℃，改善连铸坯的表面质量；
2)轧制；主要采用控制轧制和控制冷却技术，板坯加热温度1200～1260℃，加热速率为9～15min/cm，粗轧阶段在奥氏体再结晶区进行大压下量轧制，粗轧开轧温度为1060～1180℃，粗轧第一道次压下率大于15％，粗轧后钢板出口厚度为成品厚度的3.5～10.5倍，精轧阶段奥氏体未再结晶区(900℃以下)进行多道次轧制，精轧终轧温度为820～890℃，卷取温度为620～710℃，精轧累计压下率大于70％，末三道次累计压下率≥30％；
3)轧后冷却；采用后段分阶段层流冷却方式，冷却速率控制在8～12℃/s：返红温度为550～670℃，随后空冷。
根据上述方案制备的低屈强比抗硫化物应力腐蚀345MPa级低温压力容器用钢板，其室温屈服强度为345～420MPa，抗拉强度在580～675MPa之间、屈强比≤0.65，伸长率达到35％以上，-40℃低温冲击韧性达到150J以上，厚度在4～16mm之间，并具有优良的抗硫化物应力腐蚀性能和焊接性，低焊接裂纹敏感性；满足低温压力容器构件的使用要求。
本发明的原理为：
1)化学成分设计原理
C，设定范围≤0.20％，优选0.14～0.18％；钢中碳元素可以充分利用碳元素的强化作用，提高钢中珠光体的体积分数，降低钢的屈强比；
Si，设定范围0.01～0.10％，优选0.01～0.03％；钢中硅含量(冶炼时从废钢和生铁原料中带入的)增加，虽可提高强度，但是塑性和韧性下降，降低材料的成形性能和焊接性能，需调控硅元素含量；
Mn，设定范围1.00～2.00％，优选1.30～1.60％；良好的脱氧剂和脱硫剂，与铁形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度，可降低临界转变温度，但对低温韧性贡献较小，对钢的高温强度贡献也小，且当锰含量增加时，会加重钢的过热敏感性和回火脆性倾向；
Nb：设定范围≤0.01％，优选0.003～0.01％；铌在钢中产生显著的细晶强化和中等程度的沉淀强化作用，可以形成细小的碳化物和氮化物，抑制奥氏体晶粒的长大；在轧制过程中，可以提高再结晶温度，抑制奥氏体的再结晶，保持形变效果从而细化铁素体晶粒，提高了钢的强度和韧性；
V：设定范围≤0.01％，优选0.002～0.01％；钒在钢中产生微弱的细晶强化和显著的沉淀强化作用，同时，V与Nb复合添加时，既能提高钢的强度又能改善钢的韧性；
RE：设定范围≤0.02％，优选0.005～0.02％；钢中加入适量的稀土元素可以改善连铸坯的中心偏析和有效地控制夹杂物的形态及分布，从而提高钢板的韧塑性和改善钢板的冷加工成型性能；同时还显著地提高钢板抗裂纹扩展能力；
Alt：设定范围≤0.035％，优选0.015～0.035％；钢中常用的脱氧剂，固定钢中的自由氮，提高钢的晶粒粗化温度，降低钢的脆性转变温度，防止应变与温度时效，提高钢的冲击韧性；
Ni：设定范围0.1～0.5％，优选0.3～0.5％；是钢中既能提高强度，又能有效提高韧性的元素，特别是低温韧性；适量的Ni含量能保证钢在-40℃时冲击功达到150J以上。
P、S及其他杂质元素：P、S是钢中有害的杂质元素，P虽然可大幅度提高强度，但易在钢中形成偏析，降低钢的韧性及焊接性能，S易形成塑性硫化物，使钢各向异性严重，恶化钢的冲击韧性和加工性能。所以，应严格控制钢中P、S及其他杂质元素的含量。
2)生产工艺设计原理
冶炼工艺主要采用铁水脱硫，同时采用高碳锰铁、铌铁和钒铁合金化，加铝线工艺，减少终点钢水过氧化的现象，使钢中氧化物夹杂含量和级别均有降低；在连铸结晶器内喂加稀土丝，利用稀土在钢中有净化钢液和使夹杂变性的作用，从而改善钢的各项性能；铸坯切割后自然冷却，下送热轧工序，钢坯冷装炉；
铸坯在加热炉内进行保温和均热，确保保温时间和出钢温度，减少铸坯头尾温差，轧制过程采用TMCP控制轧制，在奥氏体再结晶区间进行粗轧，粗轧采用加大成品道次压下量，可以消除或减轻带状组织，中间坯厚度控制在成品厚度的3.5～10.5倍；终轧温度和卷取温度对钢的强度有明显影响，提高终轧温度和卷取温度，降低冷却速率，对降低屈强比有利；轧后采用后段分阶段层流冷却方式，控制轧制冷却速率和返红温度，以控制组织的形核速率，防止屈服强度和抗拉强度提升过高，以进一步实现低屈强比效果。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
采用低碳低硅手段并通过添加少量微合金元素，有效减轻钢中带状组织、细化晶粒，使钢材具有良好的强度、低温韧性和较低的屈强比，同时采用常规炼钢工艺，并通过调控轧制工艺的冷却速率，进一步保证和实现低屈强比效果，且涉及的制备工艺简单、无需热处理工艺，工艺参数易于控制，成本低，效率高，适宜规模生产。
具体实施方式
为更好地理解本发明，下面实施例对本发明作进一步的描述。但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1～6
实施例1～6所述低温压力容器用钢板的化学成分分别见表1，工艺参数分别见表2和表3；具体制备方法包括如下步骤：
1)冶炼；来料铁水温度＞1250℃，并对铁水进行预处理，铁水硫质量分数目标值设定不超过0.005％；在转炉出钢过程中加入小粒白灰、精品萤石进行出钢预精炼，随后采用一次性大铝量预脱氧；钢液进入LF炉后底吹氩气搅拌，并保持炉内还原性气氛；锰铁、硅铁进行脱氧，并进行合金化，且需要在出钢1/3时开始加入，出钢2/3前加完；出钢温度不低于1680℃，出钢时间保持在2.5～6min；温度、成分调整完成后每炉喂Ca-Si线，喂线结束后保持软吹时间不小于10min；真空处理时间≥15min，在连铸结晶器内喂加稀土丝，浇注时采用长水口氩封浇铸，严格控制拉速，二冷段采用弱冷，铸坯矫直温度不低于950℃，改善连铸坯的表面质量；
2)轧制；主要采用控制轧制和控制冷却技术，板坯加热温度1200～1260℃，加热速率为9～15min/cm，粗轧阶段在奥氏体再结晶区进行大压下量轧制，粗轧开轧温度为1060～1180℃，粗轧第一道次压下率大于15％，粗轧后钢板出口厚度为成品厚度的3.5～10.5倍，精轧阶段奥氏体未再结晶区(900℃以下)进行多道次轧制，精轧终轧温度为820～890℃，卷取温度为620～710℃，精轧累计压下率大于70％，末道次累计压下率≥30％；
3)轧后冷却；采用后段分阶段层流冷却方式，返红温度为550～670℃，随后空冷；分别得钢材制品。
表1本发明实施例与对比钢主要化学成分(质量百分数％)
表2实施例1～6和对比例1～2所述低温压力容器用钢板的主要工艺参数
表3实施例1～6和对比例1～2所得钢板的力学性能测试结果
表4实施例1～6和对比例1～2所得钢板的抗硫化物应力腐蚀测试结果
从表3、表4可以看出，本发明完全能满足环境为-45℃时的低温韧性要求，室温下具有良好的强韧性匹配，很低的屈强比，以及良好的抗硫化物应力腐蚀能力。说明该钢具有良好的成型性和使用安全性，且无需热处理工艺，完全满足结构件的使用要求。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种低屈强比抗硫化物应力腐蚀345MPa级低温压力容器用钢板，其特征在于，其化学成分及所占质量百分比为：C 0.14~0.18%，Si 0.01~0.10%，Mn 1.00~2.00%，P≤0.008%，S≤0.003%，Nb 0.003~0.01%，Alt≤0.035%，V≤0.01%，RE≤0.02%，Ni 0.10~0.50%，余量为Fe及不可避免的夹杂；其屈强比≤0.65；
其制备方法包括冶炼、轧制和轧制冷却工艺，其中轧制冷却工艺中的冷却速率为8～12℃/s；所述冶炼工艺包括高炉铁水、铁水脱硫、转炉冶炼、真空处理和连铸工艺；其中转炉冶炼工艺中温度、成分调整完成后每炉喂Ca-Si线；连铸工艺中连铸结晶器内喂加稀土丝；
所述轧制工艺中，板坯加热温度1200~1260℃，粗轧开轧温度为1060~1180℃，粗轧第一道次压下率大于15%；精轧终轧温度为820~890℃，卷取温度为620~710℃，精轧累计压下率大于70%，末三道次累计压下率≥30%；
所述轧制冷却工艺采用后段分阶段层流冷却方式，返红温度为550~670℃，随后空冷。
2.根据权利要求1所述的低屈强比抗硫化物应力腐蚀345MPa级低温压力容器用钢板，其特征在于，所述V含量为0.002~0.01%。
3.根据权利要求1所述的低屈强比抗硫化物应力腐蚀345MPa级低温压力容器用钢板，其特征在于，所述RE含量为0.005~0.02%。
4.根据权利要求1所述的低屈强比抗硫化物应力腐蚀345MPa级低温压力容器用钢板，其特征在于，所述Ni含量为0.3~0.5%。
5.权利要求1~4任一项所述低屈强比抗硫化物应力腐蚀345MPa级低温压力容器用钢板的制备方法，其特征在于，包括冶炼、轧制和轧制冷却工艺，其中轧制冷却工艺中的冷却速率为8～12℃/s。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述冶炼工艺包括高炉铁水、铁水脱硫、转炉冶炼、真空处理和连铸工艺；其中转炉冶炼工艺中温度、成分调整完成后每炉喂Ca-Si线；连铸工艺中连铸结晶器内喂加稀土丝。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述轧制工艺中，板坯加热温度1200~1260℃，粗轧开轧温度为1060~1180℃，粗轧第一道次压下率大于15%；精轧终轧温度为820~890℃，卷取温度为620~710℃，精轧累计压下率大于70%，末三道次累计压下率≥30%。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述轧制冷却工艺采用后段分阶段层流冷却方式，返红温度为550~670℃，随后空冷。
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