CN113151737A - 一种抗氢致裂纹的08Ni3DR钢板及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种抗氢致裂纹的08Ni3DR钢板及其制造方法，钢板的化学成分按质量百分比为：C：0.03‑0.08％；Si：0.15‑0.30％；Mn：0.30‑0.50％；P：≤0.005％；S：≤0.001％；Al：0.020‑0.030％；Ni：3.30‑3.60％；Mo+Cr+Cu：0.15‑0.35％；H≤1ppm；As+Sb+Bi+Sn+Pb≤0.10％；余量为Fe和不可避免的杂质。钢板的交货态是以贝氏体组织为基体组织，钢板的交货态以及经过模拟焊后热处理后的试样抗氢诱导裂纹试验：试验方法按NACETM‑0284‑2003，A溶液，满足：CLR≤5％，CTR≤1.5％，CSR≤0.5％；经过模拟焊后热处理的钢板试样性能满足GB/T 3531对08Ni3DR的要求；钢板的交货态以及经过模拟焊后热处理后的试样心部1/2T处‑100低温冲击吸收能量≥260J。

Description

一种抗氢致裂纹的08Ni3DR钢板及其制造方法
技术领域
本发明属于冶金领域，尤其涉及一种08Ni3DR钢板。
背景技术
Ni基钢板是最重要的低温压力容器用钢板之一，广泛应用于石油化工领域，其中典型钢种为08Ni3DR钢板(俗称3.5Ni钢板)，08Ni3DR钢板性能取决于其化学成分、制造过程的工艺制度，其中最主要的性能指标是-100℃低温韧性。随着科技不断地向前发展，人们对钢板在强韧性的基础上，提出了更高的要求，即在维持较高强韧性的同时，降低钢板制造成本，同时大幅度提高钢板的综合性能和使用性能，其中重点就包括HIC性能。
有研究人员(冯太国等，宝山钢铁股份有限公司，授权公告号CN 102719745 B)针对低温环境下使用的抗HIC钢板进行了研究，采用TMCP工艺生产，最低使用温度-60℃。有学者(谢良法等，舞阳钢铁有限责任公司，授权公告号CN 103088256 B)提出了一种抗拉强度460-580MPa，-20℃低温冲击韧性≥200J的抗HIC管线钢，采用TMCP工艺生产。另有学者(朱书成等，南阳汉冶特钢有限公司，申请公布号CN 102002630 A)利用钢锭为原材料，采用正火工艺，得到厚度82mm且抗拉强度520MPa的抗HIC钢板，保证0℃低温冲击韧性。
以上研究人员在低温条件下抗HIC环境用钢板方面做了大量的研究，但也应该看到，针对更低的温度环境，如-100℃环境下，且抗拉强度490-610MPa级别的抗HIC钢板的研究，尚未见文献报道。
抗HIC的08Ni3DR低温钢板是厚板产品中难度最大的品种之一，其原因是该类钢板不仅要求有高强度、极高的超低温(-100℃)韧性，而且还要在高浓度H2S环境下，具有优良的抗HIC特性。
发明内容
影响钢板抗HIC的关键在于成分设计，重点在于热处理工艺优化。影响HIC的关键元素Mn易与S元素结合形成MnS夹杂物，轧制后的钢板在钢材基体与MnS夹杂物之间存在不连续性的界面(也可以认为是极小的裂纹)，这种非连续性的界面容易形成H原子聚集成H2分子的场所，引发HIC裂纹。因此，本申请采用低Mn、低S的设计。针对抗HIC的08Ni3DR钢板，降低了Mn含量，钢板的整体强度必然受到影响，传统采取高C设计以弥补低Mn带来的强度损失，但高C含量会严重恶化钢板超低温韧性，导致-100℃低温冲击吸收能量急剧降低。基于以上分析，本申请通过选择合理的热处理工艺路线，得到理想的组织，最大程度优化钢板化学成分，保持良好的抗HIC性能，同时提升钢板低温韧性，又保证钢板的强度。
本发明所采用的技术方案为：本发明的钢板熔炼化学分析质量百分比的化学成分：C：0.03-0.08％；Si：0.15-0.30％；Mn：0.30-0.50％；P：≤0.0050％；S：≤0.0010％；Al：0.020-0.030％；Ni：3.30-3.60％；Mo+Cr+Cu：0.15-0.35％；H≤1ppm；As+Sb+Bi+Sn+Pb≤0.10％；余量为Fe和不可避免的杂质。
上述化学成分的设计原理如下：
碳：碳是钢中主要的强化元素，在本专利中，碳含量低于0.08％，主要是考虑保证钢板的超低温韧性；但从钢板的强韧性匹配、组织控制及制造成本考虑，碳含量控制不宜过低，本专利碳含量控制在0.03-0.08％之间。
锰：锰作为最重要的合金元素在钢中出提高钢板的强度外，还具有扩大奥氏体相区、降低Ar3点温度、细化碳化物析出而改善钢板低温韧性的作用；但当Mn含量相对较高时，Mn与S结合在钢板中形成MnS夹杂，轧制后，MnS呈片状分布，由于MnS夹杂与钢板基体延展率不一致，MnS夹杂与钢板基体之间不连续性的界面容易形成H原子聚集成H2分子的场所，将严重恶化钢板抗HIC特性，本专利锰含量控制在0.30-0.50％之间，同时也降低了合金成本。低Mn含量设计也是本专利所发明的低温压力容器钢板的技术特色。
硅：硅是钢中主要的脱氧元素之一，具有一定的固溶强化效果，但过高的硅含量会恶化钢板的低温韧性及钢板表面可涂覆性，基于此，本发明硅含量的范围控制住0.15-0.30％。
镍：镍是钢板获得优良超低温韧性不可缺少的合金元素，从理论上讲，钢中Ni含量在一定范围内越高越好，对于-100℃低温环境下使用的钢板，Ni含量控制在3.30-3.60％。
铬、铜、钼：铬、铜、钼均可增加钢板的淬透性，保证钢板的强度，弥补Mn元素较低带来的强度缺陷；但该类合金元素含量过高，将在一定程度影响钢板的低温韧性；故Mo+Cr+Cu含量控制在0.15-0.35％。
硫、磷等有害元素：为钢中的有害杂质元素，易形成偏析、夹杂等缺陷，因此，在钢中越低越好；尤其是硫元素，在钢水凝固过程中易于偏析，恶化钢板抗HIC性能，本专利硫含量控制在0.0010％以下，并配合Ca处理技术，形成CaS球状夹杂物，抑制MnS夹杂物的生成，这也是本发明采用低硫生产低温用钢板的技术特色。
铌：不额外添加铌元素。一般认为，Nb在钢中形成Nb(CN)，作为第二相粒子在奥氏体晶界间起钉扎作用，细化晶粒。但这种钉扎作用也会在一定程度上破坏晶界的完整性，在富H的腐蚀性环境中，遭到破坏的晶界处容易形成H元素聚集的场所，大量的H元素聚集在一起形成H2分子，体积急剧增加，整个体系的压力骤增，从而诱发裂纹的产生。因此，本专利不额外添加Nb元素。
铝：总所周知，钢种[C]含量与[O]含量存在浓度积平衡，由于08Ni3DR钢板中[C]含量较低，则对应的[O]含量较高，钢中[Al]与[O]结合形成脱氧产物Al2O3，脱氧产物Al2O3通过上浮进入渣中，从而实现钢水的脱氧。本申请的铝含量0.020-0.030％。
本钢种冶炼工艺采用转炉-LF炉外精炼-RH真空处理-370mm厚度规格CC连铸成坯-坯料堆缓冷。
轧制工艺采用控轧工艺生产，轧后利用余热对钢板进行加速冷却至室温。
热处理采用连续炉回火热处理。
按所述化学组成配制冶炼原料，依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH精炼、Ca处理和连铸。钢水经过LF精炼和RH精炼，生产出高纯净度钢水，其中S含量≤0.0010％，P含量≤0.0080％；浇铸过程中利用全程无氧化浇铸技术，防止钢水二次氧化；采用凝固末端动态轻压下，累计压下量≥10mm。大部分MnS是在凝固末期析出，当铸坯中心偏析严重时，在中心凝固前沿存在高浓度的[S]和[Mn]，在凝固过程中形成大尺寸MnS夹杂，在随后的轧制过程中被轧制成大尺寸长条状MnS夹杂。本专利降低Mn、S含量，并采用动态轻压下技术，防止MnS夹杂在心部聚集长大，最终得到低中心偏析(中心偏析C0.5级)和疏松(中心疏松0.5级)的370mm厚度规格连铸板坯。
将所得连铸坯加罩缓冷至150±20℃，进行扩H处理从而进一步提高连铸坯的心部质量以确保钢板的性能均匀稳定。
缓冷完成后对连铸坯表面进行带温清理。
将上述连铸坯加热至1180-1280℃，高温阶段保温1-2小时，使钢中的合金元素充分扩散、固溶以保证最终产品的成份及性能的均匀，连铸坯出炉后使用高压水除鳞，然后进行两阶段轧制，第一阶段轧制为粗轧，采用高温大压下轧制模式，最后三道次单道次压下率≥20％，累计60％以上，以保证连铸坯的心部缺陷充分弥合从而使得钢板的性能得到保证；第二阶段轧制为精轧，开轧温度830-930℃，开轧厚度为1.4-1.8T(T为目标钢板厚度)，。
轧制完成之后对钢板进行在线淬火(DQ)，进水温度790±20℃，加速冷却至100-200℃，冷却速率8-20℃/s，得到以马氏体为主的组织，然后钢板下线。
对下线的钢板进行离线回火处理，回火热处理在连续炉中进行，温度低于AC1温度30℃，在炉时间3.5-7min/mm，出炉后空冷。
本发明针对抗HIC的高强低温用08Ni3DR钢板的迫切需求，使用合理的化学成分设计；结合连铸工艺生产低MnS偏析的连铸坯；配合大压下轧制工艺及在线淬火工艺；优化热处理工艺，减少淬火环节，制造出30-80mm厚度规格且抗HIC的08Ni3DR钢板。
HIC裂纹产生的机理为：①对于常规铁素体+珠光体的钢板，氢致裂纹(HIC)在珠光体带上扩展，其原因是珠光体由铁素体和渗碳体组成，由于C元素的微观偏析所形成的珠光体带与铁素体相界面，是良好的输氢通道，钢板轧制后位错密度增高，能加速氢原子在位错通道中的扩散、聚合，H原子结合生成H分子，促进氢致裂纹(HIC)沿相界面扩展。②[Mn]与[S]结合在钢板中形成MnS夹杂，轧制后，MnS随轧制方向呈片状分布，由于MnS夹杂与钢板基体延展率不一致，MnS夹杂与钢板基体之间出现不连续性的界面。一般认为，原子氢扩散进入钢中，在MnS夹杂物与钢板基体之间的界面富集，形成氢分子，当夹杂物顶端的氢气压大于临界值时就会产生裂纹。
基于以上理论分析，本申请的特点在于：①控制基体组织，采用DQ+回火热处理交货，基体以贝氏体组织为主，避免或减少了铁素体+珠光体含量，相当于关闭了输氢通道，减少了氢致裂纹(HIC)发生的可能性。②从成分设计角度，降低钢中[Mn]与[S]含量，配以动态轻压下技术，降低MnS形成的量，从而减少MnS夹杂与钢板基体之间出现不连续性的界面，从而减少氢分子的聚集量。
本发明的优点或特点在于：
(1)采用低Mn设计；且RH真空脱气后采用Ca处理，形成CaS球状夹杂物，抑制MnS夹杂物的生成。
(2)不额外添加Nb元素，降低HIC敏感性。
(3)本产品采用连铸坯生产，并对连铸坯采用加罩缓冷的方式进行扩H，解决了钢板的扩H难题。
(4)采用轧后在线淬火工艺，取消了离线淬火环节，减少了碳排放，降低了制造成本，提高了生产效率，实现了绿色制造；后续采用离线回火，得到90％以上的贝氏体钢板基体和剩余铁素体，同时提高了钢板抗HIC裂纹能力。
(5)本发明的钢板超低温(-100℃)韧性良好，且具有抗HIC性能。
(6)本申请钢板的力学性能在GB/T3531-2014的基础上，保证了交货态钢板心部性能。
(7)交货态及经过模拟焊后热处理的钢板试样，性能满足GB/T 3531要求；交货态及经过模拟焊后热处理的钢板试样，其心部1/2T处，-100℃低温冲击吸收能量≥60J，一般≥260J。
综上，本申请设计一种低成本且具备抗HIC性能的低温压力容器用08Ni3DR钢板及其制造方法。在本发明钢板关键的热处理工艺路线和成分工艺设计上，综合了钢板强度、超低温韧性、制造成本和抗HIC之间的关系，成功地解决了08Ni3DR钢板高强、低温韧性、抗HIC之间的矛盾，稳定批量低成本的生产出低温压力容器用钢板，设备适宜于制造低温储罐，低温洗涤塔等设备
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
实施例1
实施例1涉及的钢板厚度为65mm。
65mm厚度规格钢板的生产工艺如下：
按上述钢板的化学组成配置冶炼原料依次进行KR铁水预处理-转炉冶炼-LF精炼-RH精炼-Ca处理-370mm连铸-连铸坯加罩缓冷–连铸坯清理-连铸坯加热-保温处理-高压水除鳞-控轧-矫直–热处理。
对出连铸机高温板坯进行加罩堆缓冷，进罩温度不低于800℃，缓冷时间不低于72h，出罩温度150±20℃，该缓冷步骤的目的是降低钢中H含量。
进一步的讲，板坯轧制成钢板的加热、控轧、冷却阶段的具体工艺为：板坯加热至1180-1280℃，高温阶段保温1-2小时，出炉后经高压水除鳞，然后进行两阶段轧制。第一阶段轧制为粗轧，最后三道次单道次压下率≥20％，累计60％以上，以保证连铸坯的心部缺陷充分弥合从而使得钢板的性能得到保证；第二阶段轧制为精轧，开轧温度850±20℃；轧制完成之后对钢板进行在线淬火(DQ)，进水温度790±20℃，加速冷却至140-180℃，冷却速率8-20℃/s，然后钢板下线。
对下线的钢板进行离线回火处理，回火热处理在连续炉中进行，温度610±30℃，在炉时间5-7min/mm，出炉后空冷。
经由上述制造工艺形成的成品钢板具有综合性能优异，详情见表1、表2、表3和表4所示。
实施例2
实施例2涉及的钢板厚度为50mm。
50mm厚度规格钢板的生产工艺如下：
按上述钢板的化学组成配置冶炼原料依次进行KR铁水预处理-转炉冶炼-LF精炼-RH精炼-Ca处理-370mm连铸-连铸坯加罩缓冷–连铸坯清理-连铸坯加热-保温处理-高压水除鳞-控轧-矫直–热处理。
对出连铸机高温板坯进行加罩堆缓冷，进罩温度不低于800℃，缓冷时间不低于72h，出罩温度150±20℃，该缓冷步骤的目的是降低钢中H含量。
进一步的讲，板坯轧制成钢板的加热、控轧、冷却阶段的具体工艺为：板坯加热至1180-1280℃，高温阶段保温1-2小时，出炉后经高压水除鳞，然后进行两阶段轧制。第一阶段轧制为粗轧，最后三道次单道次压下率≥20％，累计60％以上，以保证连铸坯的心部缺陷充分弥合从而使得钢板的性能得到保证；第二阶段轧制为精轧，开轧温度840±10℃。轧制完成之后对钢板进行在线淬火(DQ)，进水温度790±20℃，加速冷却至150-200℃，冷却速率8-20℃/s，然后钢板下线。
对下线的钢板进行离线回火处理，回火热处理在连续炉中进行，温度610±30℃，在炉时间5-7min/mm，出炉后空冷。
经由上述制造工艺形成的成品钢板具有综合性能优异，详情见表1、表2、表3和表4所示。
表1实施例成品化学成分(wt％)
Figure BDA0002952618010000061
Figure BDA0002952618010000071
表2实施例生产的钢板的力学性能(交货态)
Figure BDA0002952618010000072
表3实施例生产的钢板的力学性能(模焊态)
Figure BDA0002952618010000073
表4实施例生产的钢板的抗HIC性能(A溶液)
Figure BDA0002952618010000081
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种抗氢致裂纹的08Ni3DR钢板，其特征在于：化学成分按质量百分比为：C：0.03-0.08％；Si：0.15-0.30％；Mn：0.30-0.50％；P：≤0.005％；S：≤0.001％；Al：0.020-0.030％；Ni：3.30-3.60％；Mo+Cr+Cu：0.15-0.35％；H≤1ppm；As+Sb+Bi+Sn+Pb≤0.10％；余量为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的钢板，其特征在于：钢板的交货态是以贝氏体组织为基体组织，剩余为铁素体，贝氏体占比达到90％以上；钢板的交货态以及经过模拟焊后热处理后的试样抗氢诱导裂纹试验：试验方法按NACETM-0284-2003，A溶液，满足：CLR≤5％，CTR≤1.5％，CSR≤0.5％；
经过模拟焊后热处理的钢板试样性能满足GB/T 3531对08Ni3DR的要求；钢板的交货态以及经过模拟焊后热处理后的试样心部1/2T处-100低温冲击吸收能量≥260J。
3.根据权利要求2所述的钢板，其特征在于：钢板的生产厚度为30-80mm。
4.一种抗氢致裂纹的08Ni3DR钢板的制造方法，其特征在于：包括如下步骤，
步骤一：钢水冶炼，按照权利要求1所述钢板的化学成分准备冶炼原料，依次经KR铁水预处理、转炉冶炼、LF精炼、RH真空脱气、Ca处理；
步骤二：浇铸，采用连铸工艺，过程隔绝空气，采用凝固末端动态轻压下，累计压下量不小于10mm，获得370mm以上厚度的连铸坯，连铸坯加罩缓冷至150±20℃作扩氢处理，出罩后带温清理；
步骤三：热轧，将连铸坯加热至1180-1280℃，并保温1-2小时，连铸坯出炉后使用高压水除鳞，然后进行两阶段轧制，第一阶段轧制为粗轧，采用高温大压下轧制模式，最后三道次单道次压下率≥20％，累计60％以上；第二阶段轧制为精轧，开轧温度830-930℃，开轧厚度为1.4-1.8T，T为目标钢板厚度；
步骤四：在线淬火，轧制完成后钢板在线淬火DQ，钢板进水温度790±20℃，冷却速度为8-20℃/s，冷却到100-200℃，得到马氏体组织，钢板下线；
步骤五：离线回火，回火温度低于AC1温度30℃，保温3.5-7min/mm，出炉后空冷。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于：步骤二中，连铸坯的中心偏析≤C0.5级，中心疏松≤0.5级。
6.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于：步骤五中，回火温度为610±30℃。
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