強韌性匹配及高溫性能優良的特厚鋼板及其制造方法

專利名稱：：強韌性匹配及高溫性能優良的特厚鋼板及其制造方法
技術領域：
：本發明涉及到一種特厚鋼板及其制造方法，特別涉及一種強韌性匹配及高溫性能優良的特厚鋼板及其制造方法，其板厚》60mm，室溫屈服強度^420MPa、450。C屈服強度》300Mpa。
背景技術：
：耐熱壓力容器殼體用特厚鋼板，是一種要求綜合力學性能(強韌性匹配、強塑性匹配及屈強比)、焊接性能及高溫性能均優良的中高溫結構材料，它用于制作耐熱壓力容器關鍵部件一—胴體；在耐熱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熱疲勞性能、蠕變性能、回火脆化性能及應力腐蝕性能，以提高耐熱壓力容器安全性和服役壽命，同時還具備優良的焊接工藝性，以及易于加工制造；其室溫屈服強度》420MPa、450。C屈服強度》300Mpa。傳統中高溫耐熱壓力容器用鋼一般采用含0.30.50%Mo鋼、Cr-Mo系列鋼、Mn-Ni-Mo鋼，參見(《159160回西山紀念技術講座》，P147P164;《8687回西山紀念技術講座》，P259P312)，在這些鋼板中不可避免地添加大量Cr、Mo、Ni等貴重合金元素；這不僅導致制造成本上升和制造難度加大(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、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也較高，這給現場焊接帶來較大的困難，焊前需要預熱，焊后需要熱處理，現場焊接環境惡化、焊接效率降低，加工制作成本升高；且在構件制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。同時，現有大量專利文獻只是說明如何實現母材鋼板的強度和低溫韌性，就改善鋼板焊接性能，獲得優良焊接熱影響區HAZ韌性說明較少，更沒有涉及如何確保特厚(^60mm)鋼板中心部位組織細小、沿板厚方4向組織均勻，以保證鋼板強度、韌性及沿鋼板厚度方向強度、韌性均勻性，如日本專利"昭63—93845、昭63—79921、昭60—258410、特平開4—285119、特平開4—308035、平3—264614、平2—250917、平4—143246"以及美國專利USPatent4855106、USPatent5183198、USPatent4137104所公開的。
發明內容本發明的目的在于提供一種強韌性匹配及高溫性能優良的特厚鋼板及其制造方法，通過簡單的合金元素的組合設計，不大量添加貴重元素Cr、Mo，優化控制軋制和熱處理工藝，在獲得優異母材鋼板強韌性、強塑性匹配及低屈強比的同時，鋼板抗疲勞蠕變性能、抗回火脆化、氫致脆化及焊接工藝性也同樣優異。耐熱壓力容器胴體用特厚鋼板是厚板產品中難度最大的品種之一，其原因是該鋼板不僅要求具有優異的強韌性及強塑性匹配、低屈強比；而且具有良好的抗疲勞蠕變性能、抗回火脆化、氫致脆化、焊接工藝性及沿板厚方向組織性能均勻。為達到上述目的，本發明的技術方案是，本發明采用中C一高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含量并控制其范圍、控制(Mn當量/C)比在1020之間、(Cu+Ni+Cr+Mo+V)合金化、Nb及超微Ti處理，且Nb/Ti^1.50、Ca處理，且Ca/S比在1.003.00之間，優化控軋及后續熱處理工藝，獲得優異的強韌匹配、抗疲勞蠕變性能、抗回火脆化及焊接工藝性，尤其焊接接頭抗疲勞蠕變性能優良，特別適宜于用作耐熱壓力容器胴體。具體地，本發明的強韌性匹配及高溫性能優良的特厚鋼板，其成分質量百分比為C:0,13%0.17%Si《0.30%Mn:1.20%1.60%P《0.015%S《0.003%Als:0.030%0.060%Cu:0.10%0.35%Ni:0.30%0.60%Cr:0.05%0.20%Mo:0.05%0.20%Ti:0.004%0.010%Nb:0.015%0.035%V:0.075%0.105%N《0.0080%Ca:0.0010%0.0050%余量為鐵和不可避免的夾雜。且上述元素含量必須同時滿足如下關系10《(Mn當量/C)《20，其中Mn當量=^111+0.81^+0.2701+0.15Cr+0.23Mo;(Als+Nb十V)>(Mn當量/C)X(Nt。tal—0.292Ti);0.025《CX(Mo+Nb+V;)《0.050;Nb/Ti》1.50，Ni/Cu》1.0，Ca/S在1.003.00之間。眾所周知，提高碳含量可以大幅度地提高鋼板的室溫強度、高溫強度及抗蠕變性能，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，并避開包晶區凝固收縮峰值C含量區間，綜合以上因素，C的含量控制在0.13%0.17%之間。Si促進鋼水脫氧并能夠提高鋼板的室溫強度和高溫強度；但是采用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高溫強度，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含量應盡可能控制得低，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Ad、Ac3、An、Ar3點溫度，細化鐵素體晶粒之作用；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，Mn含量控制在1.20%1.60%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^).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沖擊韌性、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%。Cr作為弱碳化物形成元素，添加Cr在提高鋼板室溫強度、高溫強度的同時，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性能；因此Cr含量控制在0.05%0.20%之間。添加Mo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、高溫強度、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性能，而且增加鋼板的生產成本。因此綜合考慮Mo的相變強化、提高抗疲勞蠕變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0.05Vo0.20。/。之間。添加Ni不僅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Ni具有同時提高鋼板強度、延伸率和低溫韌性的功能；鋼中加Ni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Ni含量在一定范圍內越高越好，但是過高的Ni含量會硬化焊接熱影響區，對鋼板的焊接性、焊接接頭PWHT性能及抗蠕變性能不利；同時Ni是一種很貴重元素，從性能價格比考慮，Ni含量控制在0.30%0.60%之間，以確保鋼板的綜合力學性能而不損害鋼板的焊接性。Cu也是奧氏體穩定化元素，添加Cu也可以降低Af3點溫度；但是Cu添加量過多，高于0.35%，容易造成銅脆、鑄坯表面龜裂、內裂等鑄坯冶金質量問題，尤其特厚鋼板焊接接頭PWHT性能嚴重劣化；Cu添加量過少，低于0.10%，所起任何作用較小；因此01含量控制在0.10%0.35%之間；Cu、Ni復合添加，除了降低含銅鋼的銅脆現象、減輕熱軋過程的晶間開裂之作用外，更重要的是Cu、Ni均為奧氏體穩定化元素，Cu、Ni復合添加可以大幅度降低Ar3，細化晶粒尺寸，并且使Nb、V碳氮化物在低溫下細小彌散地析出，獲得更大的析出強化作用。Ti含量在0.004%0.010%之間，抑制均熱和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；此外Ti含量超過0.010。/。時，采用模鑄澆注時，形成的TiN粒子不僅較多而且較為粗大，嚴重影響鋼板抗疲勞蠕變性能。鋼中的酸溶鋁(Als)能夠固定鋼中的自由[N]，降低焊接熱影響區(HAZ)自由[N]，改善焊接HAZ的低溫韌性作用，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Al203夾雜物，損害鋼板內質健全性、塑韌性、抗疲勞蠕變性能及焊接性，因此Als上限控制在0.060%。采用澆注如模鑄時，鋼中的N含量控制難度較大，為防止大量A1N沿原奧氏體晶界析出，損害鋼板的塑韌性，鋼中的N含量不得超過0.008%。鋼中添加微量的Nb元素目的是提高鋼板室溫強度、高溫強度及抗蠕變性能，進行未再結晶控軋，當Nb添加量低于0.015Q/o時，對正火態鋼板的強韌化效果不夠；當Nb添加量超過0.035Q/。時，損害鋼板的焊接性，因此Nb含量控制在0.015°/。0.035%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。8V含量在0.075%0.105%之間，并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、高溫強度和抗蠕變性能。V添加過少，低于0.075%，析出的V(C,N)量不足以提高鋼板的高溫強度和抗蠕變性能；V添加量過多，高于0.105%,損害鋼板塑韌性、抗疲勞性能和焊接性。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，取決于鋼中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(O，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，同時還降低鋼質純凈度、污染鋼液。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，取值范圍0.55之間為宜，因此Ca含量的合適范圍為0.0010%0.0050%。特別是，在本發明的成分體系中，還存在如下需要同時滿足的條件C、Mn當量之間的關系10《(Mn當量/C)《20，其中Mn當量二Mn+0.81Ni+0.27Cu+0.15Cr+0.23Mo，以保證特厚鋼板同時具有優良的塑韌性，(Als+Nb+V)》(Mn當量/C)X(Ntotal—0.292Ti)，以降低HAZ固溶N含量，改善HAZ的塑韌性；0.025《CX(Mo+Nb+V)《0.050，以確保鋼板的高溫強度和中高溫蠕變強度；Nb/Ti>1.50，提高鋼板的強韌性匹配和中高溫屈服強度、蠕變強度，其是利用Ti的細晶強韌化和Nb的彌散析出強化的復合作用，獲得上述效果；Cu與Ni之間的關系Ni/Cu^l.O;改善鋼板母材的韌性和焊接抗回火脆化性能，通過(Cu+Ni)與Nb的復合強韌化作用，使低合金含量條件下獲得高的強韌化性能。Ca與S之間的關系Ca/S在1.003.00之間，保證鋼板的抗回火脆化、氫致脆化的同時，改善鋼板的焊接工藝性。另外，本發明的強韌性匹配及高溫性能優良的特厚鋼板的制造方法，其包括如下步驟a)鋼板成分質量百分比為C:0.13%0.17%、Si:《0.30%、Mn:1.20%1.60%、P:《0.015%、S:《0.003%、Als:0.030%0.060%、Cu:0.10%0.35%、Ni:0.30%0.60%、Cr:0.05%0.20%、Mo:0.05%0.20%、Ti:0.004%0.010%、Nb:0.015%0.035%、V:0.075%0.105%、N:《0.0080%、Ca:0.0010%0.0050%、余量為鐵和不可避免雜質；且上述元素含量必須同時滿足如下關系C、Mn當量之間的關系10《(Mn當量/C)《20，以保證特厚鋼板同時具有優良的塑韌性，其中Mn當量二Mn+0.81Ni+0.27Cu+0.15Cr屮0.23Mo;(Als+Nb+V)^(Mn當量/C)X(Nt。tal—0.292Ti)，0.025《CX(Mo+Nb+V)《0.050，Nb/Ti》1.50，Ni/Cu>1.0，Ca/S在1.003.00之間；b)按上述成分冶煉、鑄造，澆鑄溫度156(TC158(TC;c)板坯加熱，加熱溫度1100。C120(TC，板坯出爐后采用高壓水除鱗，除鱗不盡可反復除鱗；d)軋制，第一階段為普通軋制，采用大軋制道次壓下率進行連續軋制，軋制道次壓下率8%20%，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%;第二階段采用未再結晶區控制軋制TMR，控軋開軋溫度《85(TC，軋制道次壓下率》8%，未再結晶區總壓下率>45%，終軋溫度《830。C;e)熱處理，正火溫度控制在880920'C之間；正火時間按爐內裝料量而定，一般正火時間^.02.0min/mmXt，t為成品鋼板厚度，鋼板正火出爐后，自然空冷到室溫。其中，鑄造采用模鑄工藝。本發明成品鋼板板厚》60mm。得的鋼板組織是均勻細小的等軸鐵素體晶粒+珠光體+少量粒狀貝氏體，均勻細小的等軸鐵素體晶粒+珠光體保證了本發明鋼板的強塑性匹配，少量的粒狀貝氏體可以改善鋼板抗疲勞蠕變性能。本發明的有益效果本發明在關鍵技術路線和成分工藝設計上，綜合考慮了母材鋼板強韌性、強塑性匹配及低屈強比的同時，鋼板抗疲勞蠕變性能、抗回火脆化、氫致脆化及焊接工藝性，也同樣優異創造性地采用中C一高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含量并控制其范圍、控制(Mn當量/C)比在1020之間、(Cu+Ni+Cr+Mo+V)合金化、Nb及超微Ti處理且Nb/Ti^1.5、Ca處理且Ca/S比在1.003.00之間，優化控軋及后續熱處理工藝，獲得優異的強韌匹配、抗疲勞蠕變性能、抗回火脆化及焊接工藝性，尤其焊接接頭抗疲勞蠕變性能優良，特別適宜于用作耐熱壓力容器胴體。本發明不僅降低了鋼板制造成本、縮短了鋼板制造周期，也降低了鋼板生產組織難度(現有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檢査)和帶溫切割及后熱處理等)，還消除了大量含Cr、Mo廢鋼回收的困難；更重要的是，本發明改善了特厚鋼板的焊接工藝性，節約了用戶構件制造成本，縮短了用戶構件制造時間，為用戶創造了巨大的價值。本發明鋼板生產過程中不需要添加任何設備，制造工藝簡潔、生產過程控制容易，因此制造成本低廉，具有很高性價比和市場競爭力；且技術適應性強，可以向所有具有熱處理設備的中厚板生產廠家推廣，具有很強的商業推廣性，具有較高的技術貿易價值。目前本發明已實現批量工業化大生產。圖1為本發明實施例3的鋼板顯微組織照片(X200)。具體實施方式本發明實施例參見表1、表2。本發明的制造工藝如下TDS鐵水深度脫硫—轉爐冶煉，LF鋼包精煉爐—RH真空精煉(喂Si—Ca絲)—模鑄—板坯下線精整—板坯定尺火切—加熱、高壓水除鱗—普通軋制、控制軋制(TMR)—鋼板堆緩冷/坑緩冷—全自動超聲檢測(AUT)/手動超聲檢測(MUT)~>鋼板切邊、切頭尾—粗拋丸去鋼板表面氧化皮~>正火熱處理(N)—取樣與性能驗測—切定尺鋼板4表面質量和外觀尺寸、標識及檢測—出廠。本發明的實施例參見表l、表2，表3為本發明鋼板的性能。從圖1可以看出，本發明鋼板顯微組織是均勻細小的等軸鐵素體晶粒+珠光體+少量粒狀貝氏體。從表3可以看出，本鋼板具有良好的強韌性匹配和焊接性能，延伸率55最低達到28%，-20°(:沖擊功單個最低值117J;焊接熱影響區(HAZ)-2(TC沖擊功單個最低值73J。綜上所述，本發明通過簡單的合金元素的組合設計，不大量添加貴重元素Cr、Mo，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、強塑性匹配及低屈強比的同時，鋼板抗疲勞蠕變性能、抗回火脆化、抗氫致脆化及焊接工藝性也同樣優異。本發明不僅降低了鋼板制造成本、縮短了鋼板制造周期，也降低了鋼板生產組織難度，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，節約了用戶構件制造成本，縮短了用戶構件制造時間，為用戶創造了巨大的價值。<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>表3鋼板性能<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>權利要求1.強韌性匹配及高溫性能優良的特厚鋼板，其成分質量百分比為C0.13％～0.17％Si≤0.30％Mn1.20％～1.60％P≤0.015％S≤0.003％Als0.030％～0.060％Cu0.10％～0.35％Ni0.30％～0.60％Cr0.05％～0.20％Mo0.05％～0.20％Ti0.004％～0.010％Nb0.015％～0.035％V0.075％～0.105％N≤0.0080％Ca0.0010％～0.0050％余量為鐵和不可避免的夾雜；且上述元素含量必須同時滿足如下關系10≤(Mn當量/C)≤20，其中，Mn當量＝Mn+0.81Ni+0.27Cu+0.15Cr+0.23Mo；(Als+Nb+V)≥(Mn當量/C)×(Ntotal-0.292Ti)；0.025≤C×(Mo+Nb+V)≤0.050；Nb/Ti≥1.50，Ni/Cu≥1.0，Ca/S在1.00～3.00之間。2.—種強韌性匹配及高溫性能優良的特厚鋼板的制造方法，其包括如下步驟a)鋼板成分質量百分比為C:0.13%0.17%、Si《0.30%、Mn:1,20%1.60%、P《0.015%、S《0.003%、Als:0.030%0.060%、Cu:0.10%0.35%、Ni:0.30%0.60%、Cr:0.05%0.20%、Mo:0.05%0.20%、Ti:0.004%0.010%、Nb:0.015%0.035%、V:,0.075%0.105%、N《0,0080%、Ca:0.0010%0.0050%、余量為鐵和不可避免雜質；且上述元素含量必須同時滿足如下關系C、Mn當量之間的關系10《(Mn當量/C)《20，其中Mn當量二Mn+0.81Ni+0.27Cu+0.15Cr+0.23Mo;(Als+Nb+V)^(Mn當量/C)X(Ntotal—0.292Ti);0.025《CX(Mo+Nb+V)《0.050;Nb/Ti》1.50，Ni/Cu》1.0，Ca/S在1.003.00之間;b)按上述成分冶煉、鑄造，澆鑄溫度1560°C1580°C;c)板坯加熱，加熱溫度1100°C1200°C，板坯出爐后采用高壓水除鱗，除鱗不盡可反復除鱗；d)軋制，第一階段為普通軋制，采用大軋制道次壓下率進行連續軋制，軋制道次壓下率8%20%，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%;第二階段釆用未再結晶區控制軋制(TMR)，控軋開軋溫度《850°C，軋制道次壓下率>8%，未再結晶區總壓下率》45%，終軋溫度《83(TC;e)熱處理，正火，溫度控制在88092(TC之間；正火時間^.02.0min/mmXt，t為成品鋼板厚度，鋼板正火出爐后，自然空冷到室溫。3.如權利要求2所述的強韌性匹配及高溫性能優良的特厚鋼板的制造方法，其特征是，鑄造采用模鑄工藝。4.如權利要求2所述的強韌性匹配及高溫性能優良的特厚鋼板的制造方法，其特征是，成品鋼板板厚》60mm。全文摘要強韌性匹配及高溫性能優良的特厚鋼板及其制造方法，采用中C-高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含量并控制其范圍、控制(Mn當量/C)比在10～20之間、(Cu+Ni+Cr+Mo+V)合金化、Nb及超微Ti處理，且Nb/Ti≥1.50、Ca處理，且Ca/S比在1.00～3.00之間，優化控軋及后續熱處理工藝，獲得優異的強韌匹配、抗疲勞蠕變性能、抗回火脆化及焊接工藝性，尤其焊接接頭抗疲勞蠕變性能優良，特別適宜于用作耐熱壓力容器胴體。文檔編號C22C38/58GK101613840SQ20081003941公開日2009年12月30日申請日期2008年6月23日優先權日2008年6月23日發明者劉自成申請人:寶山鋼鐵股份有限公司