抗高溫pwht軟化的正火型鋼板及其製造方法
2023-10-09 22:27:34 2
專利名稱：抗高溫pwht軟化的正火型鋼板及其製造方法
技術領域：
本發明涉及低碳當量[Ceq= C+Mn/6+ (Cu+Ni)/15+ (Cr+Mo+V)/5 ^ 0. 45% ]的正火型鋼板，具體地說，涉及一種抗高溫焊後熱處理(PWHT)軟化的壓力容器殼體用正火型鋼板。
背景技術：
耐熱壓力容器殼體用鋼板是一種要求綜合力學性能(強韌性匹配、強塑性匹配)、 焊接性能及高溫PWTH後力學性能穩定的中溫壓力容器用結構材料，它可以用於製作壓力容器關鍵部件——蒸汽蒸發器與穩壓器的胴體結構。在壓力容器服役過程中，胴體鋼板不僅要承受結構承載力、熱應力，而且必須具有高的抗疲勞蠕變性能、抗高溫PWTH軟化性及應力腐蝕性能，以提高耐熱壓力容器安全性和服役壽命，同時還要求具備優良的焊接工藝性，以便於加工。傳統抗高溫PWHT軟化的耐熱壓力容器用正火型鋼板一般採用含0. 30 0. 50% Mo鋼、Cr-Mo系列鋼、Mn-Ni-Mo鋼(參見159 160回西山紀念技術講座，P147 P164 ； 86 87回西山紀念技術講座，P259 P312)，在這些鋼板中不可避免地添加大量Cr、Mo、 Ni、V等貴重合金元素；這不僅導致製造成本上升和製造難度加大(Ni、Cr、Mo元素含量較高的鋼板，其鑄坯表面質量較差，一般均需要下線進行表面清理，有時還需要進行表面著色滲透PT檢查、板坯表面修磨及帶溫切割等)；而且鋼板的合金含量較高，碳當量Ceq及焊接冷裂紋敏感指數Pcm也隨之較高，這給現場焊接帶來較大的困難，焊前需要預熱，焊後需要熱處理，現場焊接環境惡化、焊接效率降低，加工製作成本升高；且在構件製作及使用過程中易發生氫腐蝕、氫致脆化、回火脆化、焊接部層狀剝落及蠕變脆化等問題。現有技術中也有採用正火熱處理後加速冷卻工藝來生產低碳當量抗高溫PWTH的低合金容器鋼板，但是鋼板加工製作工藝性較差，表現為經過高溫PWHT後，鋼板強韌性達不到用戶或技術標準的要求，其成因是鋼板經正火加速冷卻後，所得到的顯微組織為粒狀貝氏體或上貝氏體，除鋼板本徵韌性與塑性較差之外，更重要的是通過正火加速冷卻得到的粒狀貝氏體或上貝氏體，組織的熱穩定性較差，在後續的高溫PWHT過程中，組織發生嚴重的退化，導致鋼板強度、韌性急劇下降，因而此種方法不適用於生產抗高溫PWHT低合金容器鋼板，尤其在碳當量較低的條件下尤為如此。
發明內容
本發明的目的在於提供一種正火型鋼板，其具有優異的強韌性及強塑性匹配、良好的抗疲勞蠕變性能、抗高溫PWHT軟化性、焊接工藝性及沿板厚方向組織與性能均勻性， 可以用於製造壓力容器殼體，尤其是蒸汽蒸發器與穩壓器的胴體結構，所述抗高溫PWHT 軟化性尤其指鋼板經過> 675°C X 15小時以上高溫焊後熱處理後，母材鋼板屈服強度彡300MPa、抗拉強度彡490MPa。本發明提供的正火型鋼板，其化學組成和重量百分比如下
C 0. 15% 0.20% ；
Si彡 0. 30% ；
Mn1. 00% 130% ；
P ^ 0. 015% ；
S (0. 003% ；
Als 0. 030% 0. 060%
Ni0. 10% 030% ；
Cr0. 10% 030% ；
Mo0. 05% 010% ；
Ti0. 004% 0. 010%
Nb0. 008% 0. 030%
V 0. 010% 0030% ；
B 0. 0003 0.0008% ；
N ^ 0. 0060% Ca :0. 0010% 0· 0040% ；餘量為!^e和不可避免的雜質。優選地，5彡Mn/C ( 10，以保證特厚鋼板同時具有優良的塑韌性。優選地，(0.52Als+0. 15Nb+0. 22V)彡(Mn/C) X (Ntotal-O. 292Τ )，以消除母材鋼板， 確保B固溶在鋼中，降低HAZ固溶N含量，改善HAZ的塑韌性。優選地，0. 015彡CX (Mo+Nb+V) ( 0. 035，以確保鋼板抗高溫PWHT軟化性。優選地，C彡0. 135 (l+t/280)，以確保鋼板抗高溫PWHT軟化性，其中t為成品鋼板厚度，單位為mm。優選地，B ^ 0. 00022 [l+t/85]，確保鋼板中具有足夠固溶B，保證鋼板具有的一定淬透性，促進空冷條件下貝氏體形成，改善鋼板抗高溫PWHT軟化性，提高鋼板高溫SR後的強度，其中t為成品鋼板厚度，單位為mm。優選地，Nb/Ti彡1.00，保證Ti (C，N)、Nb (C，N)以細小彌散的形式在鋼中析出，細化鋼板晶粒，改善不僅鋼板強度與韌性，而且改善焊接HAZ (熱影響區)性能。優選地，Ca/S在1. 00 3. 00之間且CaX S°_18 ^ 2. OX 10_3，保證硫化物完全球化、 數量少，並彌散分布在鋼中；不僅無害於鋼板韌性，而且細小Ca(0，S)粒子釘扎焊接HAZ奧氏體晶粒長大，改善焊接HAZ韌性。優選地，Ceq= C+Mn/6+ (Cu+Ni) /15+ (Cr+Mo+V) /5 ^ 0. 45%，改善鋼板焊接工藝性。根據本發明具有綜合性能優異的鋼板組織是均勻細小的等軸鐵素體晶粒+變態珠光體+粒狀貝氏體+少量板條貝氏體。本發明的鋼板中各元素及其含量的作用如下C可以大幅度地提高鋼板的室溫強度、抗高溫PWHT軟化，但是C含量過高不僅損害鋼板的塑韌性、抗回火脆化、氫致脆化及疲勞性能，更重要的是嚴重損害鋼板的焊接性， 因此鋼中的C含量不宜過高；經過大量研究表明，當C含量低於0. 15%時，鋼板抗高溫PWHT 軟化性能嚴重劣化，綜合以上的因素，C的含量控制在0. 15% 0. 20%之間。
Si促進鋼水脫氧並能夠提高鋼板的室溫強度和抗高溫PWHT軟化；但是採用Al脫氧的鋼水，Si的脫氧作用不大，Si雖然能夠提高鋼板的室溫強度和抗高溫PWHT軟化，但是 Si嚴重損害鋼板的塑韌性、抗回火脆化及氫致脆化性能，更重要的是Si嚴重損害鋼板的焊接性和焊接接頭的疲勞性能，因此鋼中的Si含量應儘可能控制得低，考慮到煉鋼過程的經濟性和可操作性，Si含量控制在< 0. 30%。Mn作為重要的合金元素在鋼板中除提高強度和改善韌性之外，還具有擴大奧氏體相區，降低ACl、Ac3、Ar1^Ar3點溫度，細化鐵素體/珠光體顯微組織之作用；加入過多Mn會增加鑄坯內部的偏析程度和偏析區間(Mn與P、S、C、Mo產生共軛偏析)和表面裂紋，損害鑄坯的冶金質量，進而影響鋼板的內質健全性、表面質量和力學性能；同時，加入過多的Mn損害鋼板的焊接性，易形成脆硬組織如島狀馬氏體，綜合考慮上述因素，根據C含量範圍，Mn 含量控制在1.00%~ 1. 30%之間。P作為鋼中有害夾雜對鋼板的塑韌性、抗疲勞蠕變性能，尤其對鋼板的抗氫致脆化、抗回火脆性及焊接性具有巨大的損害作用；理論上要求越低越好，但考慮到煉鋼條件、 煉鋼成本和煉鋼廠的物流順暢，要求P含量控制在< 0. 015%。S作為鋼中有害夾雜對鋼板的塑韌性、抗疲勞蠕變性能，尤其對鋼板的抗氫致脆化、抗回火脆性及焊接性具有巨大的損害作用；更重要的是S在鋼中與Mn結合，形成MnS夾雜物，在熱軋過程中，MnS的可塑性使MnS沿軋向延伸，形成沿軋向MnS夾雜物帶，嚴重損害鋼板的橫向衝擊韌性、Z向性能和焊接性，同時S還是熱軋過程中產生熱脆性的主要元素； 理論上要求越低越好，但考慮到煉鋼條件、煉鋼成本和煉鋼廠的物流順暢原則，要求S含量控制在< 0. 003% οCr作為弱碳化物形成元素，添加Cr在提高鋼板室溫強度、抗高溫PWHT軟化的同時，具有一定的改善鋼板抗疲勞蠕變性能之作用；但是當Cr添加量過多時，嚴重損害鋼板的焊接性和抗回火脆性，尤其焊接接頭PWHT的衝擊韌性；因此Cr含量控制在0. 10% 0. 30%之間。Mo可以提高鋼板的淬透性，促進低溫相變組織形成，因此Mo在大幅度提高鋼板室溫強度、抗高溫PWHT軟化、抗疲勞蠕變性能及氫致脆化的同時，降低鋼板的塑韌性和抗回火脆性；尤其當Mo添加過多時，不僅嚴重損害鋼板的延伸率、焊接性及焊接接頭PWHT的衝擊韌性，而且增加鋼板的製造成本。因此綜合考慮Mo的相變強化、提高抗疲勞蠕變、抗高溫 PWHT軟化之作用及對母材鋼板塑韌性、回火脆化和焊接性的影響，Mo含量控制在0. 05% 0. 15%之間。Ni可以提高鐵素體相中位錯可動性，促進位錯交滑移；Ni作為奧氏體穩定化元素，降低Ar3點溫度，細化晶粒尺寸；因此M具有同時提高鋼板強度、延伸率和低溫韌性的功能；鋼中加M還可以降低含銅鋼的銅脆現象，減輕熱軋過程的晶間開裂，提高鋼板的耐大氣腐蝕性。因此從理論上講，鋼中M含量在一定範圍內越高越好，但是過高的M含量會硬化焊接熱影響區，對鋼板的焊接性、抗高溫PWHT軟化及抗蠕變性能不利；同時M是一種很貴重元素，從性能價格比考慮，Ni含量控制在0. 10% 0. 30%之間，以確保鋼板的綜合力學性能而不損害鋼板的焊接性。Ti可以抑制板坯加熱、熱軋過程中奧氏體晶粒過分長大，改善鋼板低溫韌性，更重要的是抑制焊接過程中HAZ晶粒長大，改善HAZ韌性；另外，Ti具有固N作用，消除鋼中自由N，保證B元素以固溶B形式存在；然而，當Ti含量超過0. 010%時，採用模鑄澆注時，形成的TiN粒子不僅較多而且較為粗大，成為裂紋形核位置，嚴重影響鋼板抗疲勞蠕變性能， 因此控制其含量在0. 004% 0. 010%之間。Als(酸溶鋁)能夠固定鋼中的自由[N]，除降低焊接熱影響區(HAZ)自由[N]，改善焊接HAZ的低溫韌性作用之外，更重要的是保證鋼中具有一定的固溶B、改善鋼板淬透性；因此Als下限控制在0. 030%;但是鋼中加入過量的Als不但會造成澆鑄困難，而且會在鋼中形成大量彌散的針狀Al2O3夾雜物，損害鋼板內質健全性、低溫韌性和焊接性，因此Als 上限控制在0. 060%。N:為了確保鋼板中固溶[B]的存在及防止大量粗大的AlN沿原奧氏體晶界析出， 損害鋼板的衝擊韌性尤其橫向低溫衝擊韌性，鋼中的N含量不得超過0. 006%。B可以確保鋼板具有一定的淬透性，在鋼板正火後空冷時形成熱穩定良好的粒狀貝氏體；添加量過少 0. 0008%，不僅導致鋼板本徵塑韌性嚴重劣化，而且損害鋼板的焊接性，因此其含量控制在0. 0003% 0. 0008%之間Nb 鋼中添加微量的Nb元素目的是提高鋼板室溫強度、抗高溫PWHT軟化、抗蠕變性能並進行未再結晶控軋，當Nb添加量低於0. 008%時，對正火態鋼板的強韌化效果不夠； 當Nb添加量超過0. 030%時，損害鋼板的焊接性，因此Nb含量控制在0. 008% 0. 030%之間，獲得最佳的控軋強韌化效果的同時，又不損害HAZ的韌性。V含量在0.010% 0.03%之間，並隨著鋼板厚度的增加，V含量可適當取上限值。 添加V目的是通過V(C，N)在鐵素體相中析出，提高鋼板的室溫強度、抗高溫PWHT軟化和抗蠕變性能。V添加過少，低於0. 010%，析出的V(C，N)量不足以提高鋼板的抗高溫PWHT軟化性能、抗蠕變性能；V添加量過多，高於0. 03%，損害鋼板塑韌性、抗疲勞性能和焊接性。Ca 對鋼進行Ca處理，一方面可以進一步純潔鋼液，另一方面對鋼中硫化物進行變性處理，使之變成不可變形的、穩定細小的球狀硫化物、抑制S的熱脆性、提高鋼板的塑韌性、抗疲勞蠕變性能及Z向性能、改善鋼板韌性的各向異性；Ca加入量的多少，取決於鋼中S含量的高低，Ca加入量過低，處理效果不大；Ca加入量過高，形成Ca (0，S)尺寸過大，脆性也增大，可成為斷裂裂紋起始點，降低鋼的塑韌性和抗疲勞蠕變性能，同時還降低鋼質純淨度、汙染鋼液。一般控制 Ca 含量按 ESSP = (wt% Ca) [l-1.24(wt% 0)]/1.25(wt% S), 其中ESSP為硫化物夾雜形狀控制指數，取值範圍0. 5 5之間為宜，因此Ca含量的合適範圍為 0. 0010%— 0. 0040% O本發明的正火型鋼板可以通過以下方法製造，該方法包括(1)煉鋼；⑵鑄造，其中工藝重點控制澆鑄溫度和鋼液凝固速度，澆鑄溫度1560°C 1580°C ；(3)板坯加熱，其中板坯加熱溫度1100°C 1200°C，板坯出爐後採用高壓水除鱗，除鱗不盡可反覆除鱗；(4)軋制，包括第一階段和第二階段，其中第一階段為普通軋制，採用大軋制道次壓下率進行連續軋制，確保形變金屬發生動態/靜態再結晶，細化奧氏體晶粒，第一階段普通軋制累計壓下率> 50% ；第二階段採用未再結晶區控制軋制(TMR)，控軋開軋溫度彡850°C，軋制道次壓下率彡8%，未再結晶區總壓下率彡45%，終軋溫度彡8300C ；( 正火熱處理，其中正火溫度控制在880 910°C之間，正火時間為1. 0 2. Omin/mmX t (鋼板厚度， 單位為mm)，鋼板正火出爐後，自然空冷到室溫。優選地，步驟(2)採用模鑄。本發明在技術路線和成分工藝設計上，綜合考慮了母材鋼板強韌性、強塑性匹配及抗高溫PWHT軟化性的同時，創造性地採用中C-中Mn-中N低合金鋼的成分體系作為基礎，適當提高鋼中酸溶Als含量並控制其範圍、控制Mn/C比在5 15之間、(Ni+Cr+Mo+V) 合金化、Nb微合金化、超微Ti-B處理且Nb/Ti ^ 1. 00、Ca處理且Ca/S比在1. 00 3. 00 之間、CaXStl18 <2. OX 10_3，優化控軋、後續正火熱處理工藝，獲得優異的強韌匹配與強塑性匹配、抗疲勞蠕變性能、抗高溫PWHT軟化及優良的焊接工藝性，特別適宜於用作耐熱壓力容器胴體。本發明不僅降低了鋼板製造成本、縮短了鋼板製造周期，也降低了鋼板生產組織難度(Cr、Mo元素含量較高的鋼板，板坯表面質量較差，一般均需要下線進行表面清理，有時還需要表面著色滲透檢查(即所謂PT檢查和帶溫切割及後熱處理等)，還消除了大量含 Cr、Mo廢鋼回收的困難；更重要的是改善了特厚鋼板的焊接工藝性，節約了用戶構件製造成本，縮短了用戶構件製造時間，為用戶創造了巨大的價值，因而此類鋼板是高附加值、綠色環保性的產品。
圖1是本發明實施例鋼板D的顯微組織圖(X 500)。
具體實施例方式實施例的化學成分見表1，按照以下步驟製造TDS鐵水深度脫硫一轉爐冶煉一LF — RH (餵Si-Ca絲)一模鑄一板坯下線精整一板坯定尺火切一加熱一熱機械軋制(TMR)—鋼板堆緩冷/坑緩冷一AUT/MUT—鋼板切邊、 切頭尾一粗拋丸去鋼板表面氧化皮一正火熱處理(N)—取樣與性能驗測(包括試樣模擬 PWHT)—切定尺鋼板一表面質量和外觀尺寸、標識及檢測一出廠。實施例的工藝參數見表2，性能參數見表3。參見圖1可知，本發明的鋼板組織是均勻細小的等軸鐵素體晶粒+變態珠光體+ 粒狀貝氏體+少量板條貝氏體。從表3可知，通過上述發明技術方案，普通碳錳鋼抗高溫SR性能達到2. 25Cr-Mo 鐵素體耐熱鋼的水平，形成國際上特有的抗高溫SR的普通碳錳鋼製造技術。本發明通過合理的合金元素組合設計與未再結晶控軋及熱處理工藝相結合，獲得優異母材鋼板強韌性、強塑性匹配的同時，鋼板抗疲勞蠕變性能、抗高溫PWHT軟化性及焊接工藝性也同樣優異；如此，不僅可以降低了鋼板製造成本、縮短了鋼板製造周期，也降低了鋼板生產組織難度；更重要的是改善了特厚鋼板的焊接工藝性與抗高溫PWHT軟化性，保證了壓力容器胴體在製造過程中性能不發生劣化，提高了容器以後運行過程中的安全可靠性，節約了用戶構件製造成本，縮短了用戶構件製造時間，為用戶創造了巨大的價值。
權利要求
1.一種正火型鋼板，其化學組成和重量百分比如下 C 0. 15% 0. 20% ；Si ≤0. 30% ；Mn 1. 00% 1. 30% ；P ≤0. 015% ；S ≤0. 003% ；Als 0. 030% 0. 060% ；Ni 0. 10% 0. 30% ；Cr 0. 10% 0. 30% ；Mo 0. 05% 0. 10% ；Ti 0. 004% 0. 010% ；Nb 0. 008% 0. 030% ；V 0. 010% 0. 030% ；B 0. 0003 0. 0008% ；N ≤0. 0060% ；Ca 0. 0010% 0. 0040% ；餘量為Fe和不可避免的雜質。
2.如權利要求1所述的正火型鋼板，其中5≤Mn/C≤10。
3.如權利要求1或2所述的正火型鋼板，其中(0.52Als+0. 15Nb+0. 22V)≥(Mn/ C)X (Ν-0. 292Τ )。
4.如權利要求1-3任何一項所述的正火型鋼板，其中0.015 ≤CX (Mo+Nb+V) ≤0. 035。
5.如權利要求1-4任何一項所述的正火型鋼板，其中C≥0. 135(l+t/280)，其中t為成品鋼板厚度，單位為mm。
6.如權利要求1-5任何一項所述的正火型鋼板，其中B≥0. 00022 [l+t/85]，其中t為成品鋼板厚度，單位為mm。
7.如權利要求1-6任何一項所述的正火型鋼板，其中Nb/Ti≥1. 00。
8.如權利要求1-7任何一項所述的正火型鋼板，其中Ca/S在1.00 3. 00之間且 CaXS0'18 ≤2. 0X10_3o
9.如權利要求1-8任何一項所述的正火型鋼板，其中Ceq= C+Mn/6+(Cu+Ni)/15+(Cr+ Mo+V)/5 ≤0. 45%0
10.如權利要求1-9任何一項所述的正火型鋼板的製備方法，包括(1)煉鋼；(2)鑄造，其中澆鑄溫度為1560°C 1580°C ；(3)板坯加熱，其中板坯加熱溫度為1100°C 1200°C，板坯出爐後採用高壓水除鱗；(4)軋制，包括第一階段和第二階段，其中第一階段為普通軋制，採用大軋制道次壓下率進行連續軋制，確保形變金屬發生動態/ 靜態再結晶，細化奧氏體晶粒，第一階段普通軋制累計壓下率≥50% ；第二階段採用未再結晶區控制軋制(TMR)，控軋開軋溫度彡850°C，軋制道次壓下率彡8%，未再結晶區總壓下率彡45%，終軋溫度彡8300C ； (5)正火熱處理，其中正火溫度控制在880 910°C之間，正火時間為1. 0 2. Omin/mmX t，t為成品鋼板厚度，單位為mm，鋼板正火出爐後，自然空冷到室溫。
11.如權利要求10所述的製備方法，其中步驟(2)採用模鑄。
全文摘要
本發明涉及一種正火型鋼板，其具有優異的強韌性及強塑性匹配、良好的抗疲勞蠕變性能、抗高溫PWHT軟化性、焊接工藝性及沿板厚方向組織與性能均勻性，可以用於製造壓力容器殼體，尤其是蒸汽蒸發器與穩壓器的胴體結構，所述抗高溫PWHT軟化性尤其指鋼板經過≥675℃×15小時以上高溫焊後熱處理後，母材鋼板屈服強度≥300MPa、抗拉強度≥490MPa。本發明還公開了所述鋼板的製備方法。
文檔編號C22C38/54GK102277540SQ20101019731
公開日2011年12月14日 申請日期2010年6月10日 優先權日2010年6月10日
發明者劉自成, 徐國棟 申請人:寶山鋼鐵股份有限公司