CN111187988A

CN111187988A - 一种低成本高强韧性压力容器钢板及其生产方法

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Publication number: CN111187988A
Application number: CN202010127653.1A
Authority: CN
Inventors: 欧阳鑫; 王储; 胡昕明; 孙殿东; 王爽; 王勇; 马明; 颜秉宇; 胡海洋; 邢梦楠
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2020-02-28
Filing date: 2020-02-28
Publication date: 2020-05-22
Anticipated expiration: 2040-02-28
Also published as: CN111187988B

Abstract

本发明公开一种低成本高强韧性压力容器钢板及其生产方法，C：0.13‑0.16％、Si：0.15‑0.35％、Mn：0.80‑1.00％、P≤0.015％、S≤0.005％、Ni：0.30‑0.40％、Cr：0.25‑0.35％、Al：0.020‑0.035、Ti：0.010‑0.020、V：0.06‑0.15、Cu：0.20～0.30％、N：0.010～0.020，其余含量为Fe和不可避免的杂质。完全能够满足核电站常规岛压力容器用钢的要求。

Description

一种低成本高强韧性压力容器钢板及其生产方法

技术领域

本发明属于金属材料加工技术领域，特别涉及到一种低成本高强韧性压力容器钢板及其生产方法。

背景技术

国内外承压设备压力容器用钢通常的制造方法均为钢种冶炼时通过添加钒铁来实现V元素微合金化处理和热轧后正火热处理，来提高钢板的强韧性，然而这种生产方式的成本较高、生产周期较长、生产工艺繁杂，已经很难适应现阶段低成本、精简性、高效化的生产方式。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明目的是提供一种低成本高强韧性压力容器钢板的生产方法，通过严格控制炼钢工艺来降低钢中非金属夹杂水平；通过添加氮化钒替代添加钒铁实现V-N微合金化，节约钒加入量30～40％，通过正火轧制工艺替代热轧后正火热处理工艺来大幅降低成本，同时又能细化晶粒，充分保留钢种的有效位错密度，使成品钢板屈服强度达到450～470Mpa、抗拉强度达到720～750Mpa，-20℃低温冲击韧性达到300J；同时使钢板在模拟正火热处理状态、模拟焊后热处理状态均保持较高水平，得到良好的强度和韧性匹配，完全能够满足核电站常规岛压力容器用钢的要求。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种低成本高强韧性压力容器钢板，其特征在于：C：0.13-0.16％、Si：0.15-0.35％、Mn：0.80-1.00％、P≤0.015％、S≤0.005％、Ni：0.30-0.40％、Cr：0.25-0.35％、Al：0.020-0.035、Ti：0.010-0.020、V：0.06-0.15、Cu：0.20～0.30％、N：0.010～0.020，其余含量为Fe和不可避免的杂质。

采用上述成分设计理由如下：

(1)C：C为钢种主要组成元素，钢的强度主要取决于钢中C元素的含量，过高的C元素含量会导致钢的韧性、塑性和焊接性能较差；低的C元素含量会导致钢的强度和模拟消应力处理后的性能较低。为了保证钢板在使用过程中具有良好的低温冲击韧性、强度和焊接性能的匹配，因此本发明要求钢中C含量宜控制在0.13-0.16％范围内。

(2)Si：Si是钢中常见的固溶强化合金元素，对钢的强韧性、淬透性乃至保证钢进行脱氧都是必须的，但含量较高也会导致钢的韧性下降，因此本专利的Si含量控制在0.15～0.35％。

(3)Mn：Mn元素在钢种能够通过固溶强化的方式强化铁素体，C-Mn强化也是低碳钢的提高强度的主要方式，但是Mn含量过高，增加生产成本的同时，Mn元素易和S元素结合生成MnS，降低材料抗氢致裂纹开裂能力，因此要求钢中Mn含量控制在0.80-1.00％。

(4)P：磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏，并且P对辐照脆化也特别敏感。因此要求钢中的P含量越低越好，本发明要求低于0.015％。

(5)S：硫在通常情况下是有害元素。S通常易与钢中的合金元素形成脆性硫化物，使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，同时S也有加速辐照脆化的倾向。因此本发明要求钢中S含量应限制在0.005％以下。

(6)Al：钢中加入少量Al元素能有效细化奥氏体晶粒，从而细化了铁素体晶粒和组织，提高钢的冲击韧性，但是Al缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。因此本发明要求钢中Al含量为0.020-0.035％

(7)V：V属于微合金元素，钢中V-N微合金化能够形成细小的第二相粒子，起到钉扎晶界和析出强化的作用，能够有效地细化晶粒，大大提高钢的强度、韧性、延展性及抗热疲劳性等综合机械性能，因此钢中加入V的范围为0.06-0.15％。

(8)Ni：Ni是钢中固溶强化元素可以提高钢的强度，Ni通过降低钢种位错运动阻力，使应力松弛，进而改变基体组织的亚结构，从而提高钢的韧性，特别是低温韧性，同时Ni也是钢中的固N元素，因此Ni含量控制在0.30-0.40％。

(9)Cr：Cr在钢中能显著改善钢的抗氧化作用，增加抗腐蚀能力。同时缩小奥氏体相区，提高钢的淬透性能。同时Ni也是钢中的固N元素，因此本发明要求钢中Cr含量控制为0.25-0.35％。

(10)Cu：Cu在钢中的突出作用是改善普碳低合金钢的抗腐蚀性能，还能提高钢的强度和屈强比，而对焊接性能却没有不利的影响，但含量较高时，在热变形加工时导致铜脆现象。因此本发明要求钢中Cu含量控制为0.20-0.30％。

(11)N：V-N实现微合金化，氮化物在晶界上析出，能提高晶界高温强度，增加钢的蠕变强度。与钢种其他元素结合，有沉淀强化的作用。钢的表面渗氮后，不仅增加硬度和耐磨性，也显著改善抗腐蚀性，因此本发明要求钢中N含量控制为0.01-0.02％。

一种低成本高强韧性压力容器钢板生产方法，采取以下技术措施：

冶炼方面：

(1)钢板可采用厚度150-350mm连铸坯生产；

(2)选用P<0.015％、S<0.010％铁水，且要进行铁水深脱硫处理，脱硫渣扒净，合金与废钢要保证清洁干燥，转炉冶炼、炉外精炼、真空脱气、电磁搅拌和轻压下工艺进行生产；

(3)转炉冶炼过程中，通过添加氮化钒替代钒铁，实现V-N微合金化，提高钢板强韧性，大大降低成产成本。要求钒氮含量乘积w(V)·w(N)≥0.00144。为提高连铸坯的高温塑性，降低铸坯裂纹发生的敏感性，氮元素质量分数需控制为0.012％～0.014％。

(4)LF炉造白渣精炼钢液，上机前保证钢包静吹氩时间≥3min，中间包目标过热度按小于25℃控制；全程保护浇注，并使用电磁搅拌或轻压下技术，确保钢中[S]≤0.005％和尽量降低非金属夹杂的含量。

轧制方面：为降低成本，简化生产工艺流程，缩短供货周期，钢板采用正火轧制工艺代替轧制后正火热处理态交货，具体工艺为：钢坯充分加热，烧钢均匀，出炉至除磷机去除氧化铁皮，板坯出炉温度1220～1240℃；板坯开轧温度控制在≥1080℃，在轧制过程用高压水充分除磷；粗轧采用高温大压下、快速轧制，中间坯厚度(2.5～3.0)×h，h为目标厚度；精轧仍采用大压下、快速轧制，开轧温度940～980℃，终轧温度860～880℃；精轧变形率为60～65％。

本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种低成本高强韧性压力容器用钢板的生产方法，生产的钢板厚度为29-46mm，同现有技术相比，有益效果如下：

(1)本发明的钢板全部采用正火轧制工艺替代热轧后正火热处理工艺来大幅降低成本、缩短生产周期、简化生产工艺；

(2)通过添加氮化钒替代添加钒铁实现V-N微合金化，节约钒加入量30～40％，大幅降低冶炼成本，同时又能细化晶粒，充分保留钢种的有效位错密度，使成品钢板屈服强度达到450～470Mpa、抗拉强度达到720～750Mpa，-20℃低温冲击韧性达到300J，强韧性匹配良好；

(3)本发明钢板经模拟正火热处理和模拟焊后热处理后，不同状态下均具有较好的强度和韧性匹配。46mm钢板经模拟正火热处理后屈服强度和抗拉强度分别为455MPa和735MPa，-20℃低温冲击韧性达到330J；模拟焊后热处理后，屈服强度和抗拉强度分别为440MPa和706MPa，-20℃低温冲击韧性达到310J，从结果来看，钢板强度下降幅度均较小。

(4)本发明通过选用低P、低S铁水，且要进行铁水深脱硫处理，脱硫渣扒净，转炉冶炼、炉外精炼和连铸工艺进行生产，所以保证了钢水的洁净度较高，使钢中夹杂物达到：A类≤0.5级、B类≤0.5级、C类≤0.5级、D类≤0.5级。

附图说明

图1是实施例2热轧态钢板金相照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例进行说明：

模拟正火热处理工艺为温度900℃，保温时间1min/mm；模拟焊后热处理工艺为温度600℃，保温时间3h，400℃以上升降温速率≤55℃/h。

各实施例化学成分如表1所示。

表1各实施例钢的化学成分(wt％)

元素	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Al	V	Ti	Cu	N
													例1	0.14	0.25	0.85	0.014	0.004	0.38	0.29	0.026	0.14	0.011	0.210	0.017
例2	0.15	0.27	0.88	0.013	0.003	0.33	0.30	0.028	0.14	0.013	0.230	0.018
													例3	0.15	0.28	0.93	0.013	0.004	0.36	0.32	0.027	0.12	0.013	0.230	0.018
例4	0.16	0.30	0.95	0.014	0.004	0.37	0.34	0.027	0.13	0.013	0.230	0.019

实施例一

本实施例的生产方法，钢水经转炉冶炼、炉外精炼，浇铸成连铸坯(断面250mm)，轧制成品钢板规格为29mm。其成分见表1中例1，轧制工艺、力学性能结果分别见表2、3所示。

表2轧制及热处理工艺

钢坯加热温度/℃	开轧温度/℃	二次开轧温度/℃	终轧温度/℃
				1250	1090	970	870

表3力学性能结果

29mm规格钢板热轧态及不同热处理状态钢板具有良好韧性和强度匹配，并且完全满足GB/T 4730探伤标准Ⅰ级要求。

钢中非金属夹杂物：A类0级、B类0级、C类0级、D类0级。

实施例二

本实施例的生产方法，钢水经转炉冶炼、炉外精炼，浇铸成连铸坯(断面250mm)，锻造成钢坯，轧制成品钢板规格为38mm，。其成分见表1中例2，轧制工艺、力学性能结果分别见表4、5所示。

表4轧制及热处理工艺

钢坯加热温度/℃	开轧温度/℃	二次开轧温度/℃	终轧温度/℃
				1250	1085	975	875

表5力学性能结果

38mm规格钢板热轧态及不同热处理状态钢板具有良好韧性和强度匹配，并且完全满足GB/T 4730探伤标准Ⅰ级要求。

钢中非金属夹杂物：A类0级、B类0级、C类0级、D类0级。

实施例三

本实施例的生产方法，钢水经转炉冶炼、炉外精炼，浇铸成连铸坯(断面250mm)，锻造成钢坯，轧制成品钢板规格为46mm。其成分见表1中例3，轧制工艺、力学性能结果分别见表6、7所示。

表6轧制及热处理工艺

钢坯加热温度/℃	开轧温度/℃	二次开轧温度/℃	终轧温度/℃
				1250	1090	965	865

表7力学性能结果

46mm规格钢板热轧态及不同热处理状态钢板具有良好韧性和强度匹配，并且完全满足GB/T 4730探伤标准Ⅰ级要求。

钢中非金属夹杂物：A类0级、B类0.5级、C类0级、D类0.5级。

Claims

1.一种低成本高强韧性压力容器钢板，其特征在于化学成分按重量百分比为：C：0.13-0.16％、Si：0.15-0.35％、Mn：0.80-1.00％、P≤0.015％、S≤0.005％、Ni：0.30-0.40％、Cr：0.25-0.35％、Al：0.020-0.035、Ti：0.010-0.020、V：0.06-0.15、Cu：0.20～0.30％、N：0.010～0.020，其余含量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的低成本高强韧性压力容器钢板，其特征在于：钢板厚度为29-46mm。

3.一种根据权利要求1或2所述低成本高强韧性压力容器钢板的生产方法，包括炼铁，转炉炼钢、精炼和轧制，其特征在于：采用正火轧制工艺，板坯出炉温度1220～1240℃；板坯开轧温度控制在≥1080℃，在轧制过程用高压水充分除磷；粗轧采用中间坯厚度为(2.5～3.0)×h，h为目标厚度；精轧开轧温度940～980℃，终轧温度860～880℃；精轧变形率为60～65％。

4.根据权利要求3所述低成本高强韧性压力容器钢板的生产方法，其特征在于：钢板采用厚度150-350mm铸坯生产。

5.根据权利要求3所述低成本高强韧性压力容器钢板的生产方法，其特征在于：炼铁要求铁水目标质量百分含量P<0.015％、S<0.010％。

6.根据权利要求3所述低成本高强韧性压力容器钢板的生产方法，其特征在于：转炉冶炼过程中，通过添加氮化钒替代钒铁，实现V-N微合金化，氮元素质量百分含量需控制为0.012％～0.014％。

7.根据权利要求3所述低成本高强韧性压力容器钢板的生产方法，其特征在于：采用LF炉造白渣精炼，上机前保证钢包静吹氩时间≥3min，中间包目标过热度按小于25℃控制；全程保护浇注，并使用电磁搅拌或轻压下技术，确保钢中质量百分含量[S]≤0.005％。