CN108707828B - 一种超高冲击韧性、高纯净度低温压力容器用钢及其生产方法 - Google Patents

一种超高冲击韧性、高纯净度低温压力容器用钢及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超高冲击韧性、高纯净度低温压力容器用钢，其化学成分质量百分比为：C：0.06‑0.08%，Si：0.20‑0.35%，Mn：1.15‑1.35%，Ti：0.01‑0.02%，Ni：0.12‑0.15%，Al：0.020‑0.045%，P≤0.010%，S≤0.003%，[O]≤0.0015%，[N]≤0.0050%，[H]≤0.00015%，余量为Fe。从上述结构可知，本发明的一种超高冲击韧性、高纯净度低温压力容器用钢及其生产方法，通过精确控制降低C含量，使用Al进行强脱氧、细化晶粒，使用Ni、Ti元素进行合金化，使其性能具有较Q/TDGG 0040‑2004中09MnD钢适用更低的介质温度（‑50℃~‑55℃）和更高的低温冲击韧性，且其整体力学性能也更为稳定。

Description

一种超高冲击韧性、高纯净度低温压力容器用钢及其生产 方法
技术领域
本发明涉及钢铁行业中的低合金钢的技术领域，具体涉及一种超高冲击韧性、高纯净度低温压力容器用钢及其生产方法。
背景技术
低温压力容器是低温容器中的一种。一般压力容器常用的铁素体钢，当温度降低到某一温度时，达到脆性转变温度，钢的韧性急剧下降，极易破碎。压力容器在低于转变温度的条件下使用时，容器中如存在因缺陷、残余应力等因素引起的局部应力集中，容器就很可能在没有出现明显塑性变形的情况下发生脆性破裂，从而酿成灾难性事故。
对于低温压力容器，首先要根据用途和承载介质选用合适的材料，这些材料必须在相应的使用温度下具有良好的韧性。-45℃以上介质可使用经细化晶粒处理的低合金钢，-45℃~-60℃介质可使用镍含量2.5%的钢，-60℃~-104℃介质可使用镍含量3.5%的钢，-104℃~-196℃介质可使用镍含量9.0%的钢，低于-196℃介质可使用奥氏体不锈钢或铝合金。为避免低温压力容器产生局部应力集中，在制造时应严格检查，以防止容器中存在危险的缺陷。因此低温压力容器制造全过程必须严格把控，从原材料开始必须严格控制生产过程，不断提高钢质纯净度，防止出现内外部缺陷。
我国工业内部标准Q/TDGG 0040-2004中对低温压力容器用钢冲击韧性进行了规定（09MnD钢的标准成分见图1所示），其中低合金钢-50℃冲击韧性要求：KV2≥60J。目前国内普遍采用的09MnD钢，经正火处理之后，很难稳定达到上述强韧性要求，只能确保-45℃的安全使用，为确保压力容器在-50℃-55℃下安全使用，必须重新设计成分和优化改进工艺。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种超高冲击韧性、高纯净度低温压力容器用钢及其生产方法，具备较Q/TDGG 0040-2004中09MnD钢更高的低温冲击韧性。具有如下力学性能：-50℃ KV2≥250J。
本发明所采取的技术方案是：
一种超高冲击韧性、高纯净度低温压力容器用钢，其化学成分质量百分比为：C：0.06-0.08%，Si：0.20-0.35%，Mn：1.15-1.35%，Ti：0.01-0.02%，Ni：0.12-0.15%，Al：0.020-0.045%，P≤0.010%，S≤0.003%，[O]≤0.0015%，[N]≤0.0050%，[H]≤0.00015%，余量为Fe。
下面具体说明本发明超高冲击韧性、高纯净度低温压力容器用钢化学成分的限定理由：
C：能显著提高钢的强度，但也使钢的塑性恶化，显著提高钢的脆性转变温度。所以为保证本钢种具备良好的低温冲击韧性，防止包晶反应，危害钢材表面质量，碳含量应控制在0.08%以下。本发明C含量取0.06%-0.08%。
Si：在钢中能溶入铁素体，能提高钢的强度和硬度，但是降低钢的塑性和韧性。其最低含量为0.18%才能达到效果，但过高的Si含量，特别是与Mn元素共存时，容易引起钢的晶粒粗化，增加钢的回火脆性，同时Si是显著提高钢的脆性转变温度元素之一。综合材料的总体要求，本钢种将Si含量确定为0.20%-0.35%。
Mn：在钢中能溶入铁素体，强化基体，在轧后冷却时能细化珠光体且能相对提高珠光体含量，因此，能提高强度和硬度，且对材料的塑性影响较小。当Mn含量低于1.8%时，随着其含量增加，钢材强度不断增加，而对韧性不会有显著危害。综合材料的总体要求，本钢种Mn含量确定为1.15%-1.35%。
Ni：能够提高钢的强度，同时保持良好的塑性和韧性。一定的镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力。镍能够降低临界转变温度和降低各元素的扩散速度，显著提高钢材的低温冲击韧性。但是由于镍是稀缺资源，价格昂贵。所以本发明中Ni含量控制在0.12%-0.15%。
Ti：强碳化物形成元素，在钢中与碳结合，形成碳化钛微粒，能有效阻止晶粒长大。在提高强度的同时，经正火可以充分细化晶粒，使钢的塑性和冲击韧性得到显著改善。但是Ti与钢中N元素结合易形成的大颗粒TiN脆性夹杂，严重影响钢材的冲击韧性。所以本发明中Ti含量控制为0.01%-0.02%。
Al：提高钢的抗氧化性，降低钢中气体含量，提高钢的疲劳强度，同时作为细化晶粒元素存在于钢种，起到提高钢的低温性能和耐蚀性能的作用。但如果Al含量过高，容易形成硬的Al2O3夹杂，恶化钢的冲击韧性。所以本发明对Al含量界定了明确的成分控制范围为0.020%-0.045%。
P：使钢产生冷脆性，降低钢的冲击韧性，同时恶化钢的焊接性能，降低塑性，使冷弯性能变差。所以本发明对P含量进行了严格控制，必须≤0.010%。
S：易偏析元素，降低钢的延展性和韧性，对焊接性能和耐腐蚀性也有不利影响。所以本发明对S含量进行了严格控制，必须≤0.003%。
O：在室温时对钢的强度影响不大，但使钢的伸长率和面缩率显著的降低，在较低温度和O含量极低时，材料的强度和塑性均随O含量的增加而急剧降低。冲击性能方面，随着O含量的增加冲击的最大值逐渐降低，脆性转变温度却很快地升高，脆性转变温度的范围也随着变宽。同时，随着O含量的增加，材料的氧化夹杂物出现几率大大增加，从而降低材料的疲劳寿命。本发明将O含量稳定控制在0.0015%以内。
H：氢使钢的塑性降低，主要是使低温冲击功降低。氢在钢中会产生“发纹”或形成应力区，在钢进行锻轧加工时发纹扩展而形成裂纹，使钢的力学性能特别是塑性恶化，甚至断裂，在钢断口上呈现“白点”。同时氢还会引起点状偏析、氢脆，以及焊缝热影响区内的裂缝等。因此，本发明及工艺将H控制在0.00015%以下。
N：氮能使钢材强化，但显著降低钢材塑性、韧性，增加时效倾向和冷脆性。一般要求含量小于0.0080%。本发明及生产工艺将N含量控制在0.0050%以内。
一种超高冲击韧性、高纯净度低温压力容器用钢的生产方法，包括下列步骤：按上述组分的质量百分比，
1）转炉冶炼：在100吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，以铁水与优质废钢为原料进行初炼，实现预脱P，出钢加入合成精炼渣、复合脱氧剂及多种高纯合金进行预脱氧及成分初调；
2）精炼：在100吨以上的LF炉中进行钢水深脱氧及合金化；精炼过程全程搅拌，精炼后期采用弱搅拌，防止钢水二次氧化；
3）真空脱气：在LF精炼后采用RH循环脱气设备进行真空脱气和去除夹杂物处理；
4）夹杂物变性与软吹：真空处理之后喂硅钙丝线对夹杂物变性并进行软吹处理，软吹时间为30-35分钟，充分上浮，去除夹杂物；
5）连铸：采用方坯连铸机，使用中间包覆盖剂、结晶器保护渣，实行全程全保护浇铸生产连铸方坯；
6）轧钢：利用中棒材生产线生产Φ50mm~Φ70mm低温压力容器用钢；
7）精整：采用抛丸+倒棱+人工检查修磨的精整工艺消除钢材表面缺陷。
本发明更进一步改进方案是，所述步骤1）采用滑板挡渣留钢出钢防止回P。
本发明更进一步改进方案是，所述步骤2）造碱度渣R=5~8的精炼渣，通过钢渣反应强化脱S、去夹杂。
本发明更进一步改进方案是，所述步骤2）中，所述弱搅拌的通气速率小于200L/min。
本发明更进一步改进方案是，所述步骤3）中，在高真空下保持30分钟以上，保证［H］≤0.00015%、［O］≤0.0010%，所有成分进入要求的范围。
本发明更进一步改进方案是，所述步骤6）中，采用1050~1080℃开轧、980~1000℃终轧控温轧制，充分细化原始晶粒度。
按照本发明制造超高冲击韧性、高纯净度低温压力容器用钢（07MnNiTi），具有超高低温冲击韧性以及高纯净度，材料经过整体正火后力学性能可以达到如下水平：-50℃KV2≥250J。
本发明的有益效果在于：
第一、本发明的一种超高冲击韧性、高纯净度低温压力容器用钢及其生产方法，通过精确控制降低C含量，使用Al进行强脱氧、细化晶粒，使用Ni、Ti元素进行合金化，使其性能具有较Q/TDGG 0040-2004中09MnD钢适用更低的介质温度（-50℃~-55℃）和更高的低温冲击韧性，且其整体力学性能也更为稳定。
第二、本发明的一种超高冲击韧性、高纯净度低温压力容器用钢及其生产方法，使用含钙合金进行强脱氧、专用精炼渣系增强去除夹杂效果，利用RH真空设备进行脱气处理，提高了材料的洁净度，从而提高了材料的安全性。
第三、本发明的一种超高冲击韧性、高纯净度低温压力容器用钢及其生产方法，本发明采用BOF+LF+RH+CCM工艺，保证较低的P、S、H、O、N含量，使材料具有优异的综合力学性能。
第四、本发明的一种超高冲击韧性、高纯净度低温压力容器用钢及其生产方法，本发明通过采用1050~1080℃开轧、980~1000℃终轧控温轧制，充分发挥Ti元素细化晶粒的作用，提高材料综合力学性能。
第五、本发明的一种超高冲击韧性、高纯净度低温压力容器用钢及其生产方法，本发明通过合理成分设计及先进的工艺满足了低合金钢-50℃~-55℃的使用要求，有效减少了镍合金的消耗，大大节约了成本，提高了效率。
附图说明
图1为09MnD钢的标准成分表。
图2为目前国内使用的低合金低温压力容器用钢09MnD与本发明的化学成分对比表。
图3为4组实施例的化学成分对比表。
图4为4组实施例与09MnD钢在-50℃、-52℃和-55℃情况下的冲击吸收能量对比表。
图5为4组实施例非金属夹杂物控制水平表。
具体实施方式
如图2所示，本发明的化学组分与09MnD钢化学组分的对比情况。
并按照按照以下方法生产制备4组实施例：
1）转炉冶炼：在100吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，以铁水与优质废钢为原料进行初炼，实现预脱P，出钢加入合成精炼渣、复合脱氧剂及多种高纯合金进行预脱氧及成分初调，采用滑板挡渣留钢出钢防止回P；
2）精炼：在100吨以上的LF炉中进行钢水深脱氧及合金化，造碱度渣R=5~8的精炼渣，通过钢渣反应强化脱S、去除夹杂；精炼过程全程搅拌，精炼后期采用弱搅拌，防止钢水二次氧化；
3）真空脱气：在LF精炼后采用RH循环脱气设备进行真空脱气和去除夹杂物处理，在高真空下保持30分钟以上，保证［H］≤0.00015%、［O］≤0.0010%，所有成分进入要求的范围；
4）夹杂物变性与软吹：真空处理之后喂硅钙丝线对夹杂物变性并进行软吹处理，软吹时间为30-35分钟，充分上浮，去除夹杂物；
5）连铸：采用方坯连铸机，使用中间包覆盖剂、结晶器保护渣，实行全程全保护浇铸生产连铸方坯；
6）轧钢：利用中棒材生产线生产Φ50mm~Φ70mm低温压力容器用钢，采用1050~1080℃开轧、980~1000℃终轧控温轧制，充分细化原始晶粒度；
7）精整：采用抛丸+倒棱+人工检查修磨的精整工艺消除钢材表面缺陷。
以上制备方法中未加限定的工艺条件均可参照本领域常规技术。
如图3所示，所得各实施例的超高冲击韧性、高纯净度低温压力容器用钢（07MnNiTi）的化学成分。
如图4所示，所得各实施例在-50℃、-52℃和-55℃条件下的冲击吸收能量及与现有技术的对比情况。
如图5所示，所得各实施例的非金属夹杂物控制水平对比情况。
一般特级优质钢非金属夹杂物控制级别为各系均≤1.5级，而本发明通过合理的工艺设计和过程控制，非金属夹杂物已稳定控制在1.0级以下，钢质纯净度极高；而且，其中C粗和C细均为0级。

Claims (4)

1.一种超高冲击韧性、高纯净度低温压力容器用钢，其特征在于：其化学成分质量百分
比为：C：0.06 ~ 0.08%，Si：0.20 ~ 0.35%，Mn：1.15 ~ 1.35%，Ti：0.01 ~ 0.02%，Ni：0.12 ~ 0.15%，Al：0.020 ~ 0.045%，P≤0.010%，S≤0.003%，[O]≤0.0015%，[N]≤0.0050%，[H]≤0.00015%，余量为Fe；
包括下列制备步骤：
1）转炉冶炼：在100吨以上的顶底复吹式转炉中冶炼，以铁水与优质废钢为原料进行初
炼，实现预脱P，出钢加入合成精炼渣、复合脱氧剂及多种高纯合金进行预脱氧及成分初调；
2）精炼：在100吨以上的LF炉中进行钢水深脱氧及合金化，造碱度为R=5 ~ 8的精炼渣,精炼过程全程搅拌，精炼后期搅拌的通气速率小于200L/min，防止钢水二次氧化；
3）真空脱气：在LF精炼后采用RH循环脱气设备进行真空脱气和去除夹杂物处理，在高真空下保持30分钟以上；
4）夹杂物变性与软吹：真空处理之后喂硅钙丝线对夹杂物变性并进行软吹处理，软吹时间为30 ~ 35分钟，充分上浮，去除夹杂物；
5）连铸：采用方坯连铸机，使用中间包覆盖剂、结晶器保护渣，实行全程全保护浇铸生产连铸方坯；
6）轧钢：利用中棒材生产线生产Φ50mm ~ Φ70mm低温压力容器用钢，采用1050 ~1080℃开轧、980 ~ 1000℃终轧控温轧制；
7）精整：采用抛丸+倒棱+人工检查修磨的精整工艺消除钢材表面缺陷。
2.如权利要求1所述的一种超高冲击韧性、高纯净度低温压力容器用钢的生产方法，其
特征在于：所述步骤1）中，采用滑板挡渣留钢出钢防止回P。
3.如权利要求1所述的一种超高冲击韧性、高纯净度低温压力容器用钢的生产方法，其
特征在于：所述步骤2）中，通过钢渣反应强化脱S、去除夹杂。
4.如权利要求1所述的一种超高冲击韧性、高纯净度低温压力容器用钢的生产方法，其
特征在于：所述步骤3）中，应保证［H］≤0 .00015%、 ［O］≤0.0010%，所有成分进入要求的范围。
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