一種臨氫設備用超大厚度鋼板及其制備方法
【專利摘要】本發明涉及一種臨氫設備用超大厚度鋼板，厚度為200mm，鋼板主體為貝氏體，鋼板的化學成分按重量百分比計為C：0.11～0.15%，Mn：0.40～0.60%，Si：0.05～0.10%，P≤0.008%，S≤0.003%，Cr：2.10～2.50%，Mo：1.00～1.10%，Ni≤0.20%，Cu≤0.20%，V：0.30～0.35%，Nb：0.03～0.05%，Sb≤0.001%，Sn≤0.001%，As≤0.001%，O≤0.002%，H≤0.0002%，Al總≤0.02%，余量為Fe及不可避免的雜質元素。
【專利說明】
一種臨氫設備用超大厚度鋼板及其制備方法
技術領域
[0001]本發明屬于煉鋼生產技術領域，具體涉及一種厚度為200mm的超大厚度臨氫設備用鋼板及生產工藝。
【背景技術】
[0002]臨氫設備是指在含有氫氣的高溫、高壓環境中使用的承壓設備，包括加氫反應器、換熱器、分離器等。隨著我國臨氫設備的規格越來越大，設備所承受的壓強也越來越大，臨氫設備用制作鋼板開始向高強度、超大厚度方向發展。
[0003]目前，鋼廠使用的200mm及以上超大厚度臨氫設備用鋼板均采用鍛造工藝生產，鍛造過程中鋼錠需要反復多次加熱，成材率較低，成本極高，且鍛造后鋼板表面質量較差需要進一步精加工，因此鍛造工藝生產超大厚度鋼板存在成本高、周期長等問題。目前，急需一種采用低成本、短周期工藝生產的該類鋼板以滿足用戶需求。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是解決現有鍛造工藝生產臨氫設備用200mm厚度鋼板成材率低、成本高、周期長的技術難題，提供一種新的臨氫設備用超大厚度鋼板及生產工藝。本發明鋼板具有超大厚度、適中的強度，優良的低溫沖擊韌性，良好的高溫性能，優異的抗層狀撕裂性能及焊接性能，滿足臨氫設備的要求，可應用于加氫反應器、換熱器、分離器等關鍵設備的制造。
[0005]本發明解決上述問題所采用的技術方案為:一種臨氫設備用超大厚度鋼板，鋼板的厚度最大為200mm，該鋼板的化學成分按重量百分比計為C<0.15%，Mn:0.40?0.60%，Si
<0.10%，P < 0.010%，S < 0.005%，Cr:l.50?2.50%，Μο:0.90?I.10%,Ni< 0.20%,Cu<
0.20%,V< 0.35%，Nb < 0.05%，Sb < 0.003%，Sn < 0.010%，As < 0.010%，O < 0.003%，Η<
0.0002%，Al總< 0.04%，余量為Fe及不可避免的雜質元素。
[0006]優選地，鋼板的厚度為200mm，鋼板主體組織為貝氏體，鋼板的化學成分按重量百分比計為C: 0.11 ?0.15%，Mn: 0.40?0.60%，S1: 0.05?0.10%，P < 0.008%，S < 0.003%，Cr:2.10?2.50%，Mo:1.00?1.10%，Ni<0.20%，Cu<0.20%，V:0.30?0.35%，Nb:0.03?0.05%，Sb<0.001%,Sn< 0.001%,As < 0.001%,0< 0.002%,H<0.0002%，Al總< 0.02%，余量為Fe及不可避免的雜質元素。
[0007]本發明臨氫設備用超大厚度鋼板化學成分的確定原理:
C主要與其它金屬元素形成碳化物，能夠起到析出強化的作用，提高鋼板強度;Si在煉鋼時還原劑和脫氧劑，有一定的固溶強化作用;Mn起固溶強化作用，同時降低相變溫度;Ni能夠提高鋼板低溫沖擊韌性和降低韌脆轉變溫度;Cr能大幅提高的淬透性，提高鋼的強度和硬度，提高回火穩定性，但Gr含量過高的情況下也會降低鋼的韌性和塑性;Cr與Ni形成析出相有利于鋼的高溫蠕變性能;Mo提高淬透性和回火穩定性;V存在于碳化物中通過細化晶粒提尚鋼板強度，也可提尚洋透性;Nb主要起到細化晶粒，抑制奧氏體晶粒長大，提尚強度和低溫沖擊韌性的作用;P、s是有害元素，P增加鋼的脆性，降低鋼的焊接性能，降低塑性和冷加工性能，S降低鋼的延展性和韌性，在熱加工過程中容易造成鋼板表面的裂紋，故盡量減少P、S含量;Sb、Sn、As是有害元素，容易在晶界偏析，降低鋼的抗回火脆化性能，應盡量減少;H增加鋼的氫脆傾向，應盡量降低其含量。
[0008]本發明的另一目的是提供制備上述臨氫設備用超大厚度鋼板的方法，包括如下步驟:
1)冶煉:采用電弧爐冶煉然后進行LF精煉爐精煉，鋼液溫度達到1680?1750V時轉入VD真空脫氣爐進行脫氣處理，VD爐真空處理的真空度< 67Pa，真空保持時間為20?25min;
2)澆鑄:鋼液采用45噸扁鋼錠模進行澆鑄，過熱度為20?30°C，得到長方形斷面的鋼錠，鋼錠上口厚度1020mm，下口厚度820mm ；
3)加熱:鋼錠置于均熱爐內加熱，溫度低于1000°C時控制加熱速率不高于800C/h，均熱段溫度為1240±20°C，均熱段保溫時間16?20h，通過均熱段保溫，將鋼中的碳化物充分溶解到奧氏體中，在乳制和冷卻過程碳化物彌散析出，起到釘扎晶界，細化晶粒的作用；
4)乳制:采用二次成材，第一次將鋼錠乳制成400?450mm厚度的中間坯，第一次乳制的壓下率45?60%;
第二次將中間坯再加熱并按照二階段奧氏體控乳工藝進行乳制，第一階段為奧氏體再結晶區乳制，乳制溫度1050?1100°C，道次壓下量2 40mm，第二階段是奧氏體非再結晶區乳制，乳制溫度860±20°C，累計壓下率2 40%，乳制后得到熱乳態鋼板；
5)緩冷:鋼板乳制結束后轉至冷床在靜止空氣中冷卻，冷卻至400?500°C下線，鋼板下線后放在緩冷罩內堆緩冷，堆緩冷主要目的是擴氫和釋放乳制應力，堆緩冷時間>48h，鋼板表面溫度< 100 °C時出緩冷罩；
6)正火+淬火+回火:采用車底爐進行正火+淬火+回火連續處理，正火溫度920?950°C，保溫時間2min/mm，空冷;正火后鋼板再在車底爐上進行淬火，淬火溫度920?950 °C，保溫時間2min/mm，水冷；淬火后鋼板再在車底爐上進行回火，回火溫度715?735 °C，保溫時間2min/mm，空冷，得到成品鋼板。
[0009]冶煉工序中，電弧爐出鋼時鋼液溫度為1660?1680°C，P < 0.006%o
[0010]冶煉工序中，在真空處理前向鋼液中加入CaSi線對夾雜物進行變性處理，夾雜物變性后經過氬氣攪拌充分上浮最終進入渣中，在澆鑄前排出。
[0011]本發明化學成分設計得到組織成分為貝氏體的鋼，通過合適的化學成分設計、煉鋼工藝、控乳技術和正火+淬火+回火調質工藝，生產得到200mm厚度的鋼板。本發明采用車底爐進行正火、淬火和回火連續處理的厚度可達到200mm的鋼板，工藝新穎具有優異的強韌性匹配，鋼板心部的強度和低溫沖擊韌性明顯提高；由于采用二階段控制乳制工藝，并控制奧氏體再結晶區乳制道次壓下量再40mm以上確保乳制力能夠滲透到坯料中心位置，充分細化組織;控制奧氏體非再結晶區累積壓下率40%以上，保證鐵素體晶粒充分細化，解決了超大厚度鋼板心部晶粒粗大、綜合性能低的問題。
[0012]現有申請公布號為CN105127687A的發明專利的鍛件加工工藝，與本申請的乳制工藝相比，鍛造成本高、周期長，產品合格率低。而申請公布號CN103882344A專利所涉及的生產工藝只能滿足10?120mm厚度加釩鉻鉬鋼板的性能，對于厚度> 120mm的鋼板則不適用于，無法保證鋼板的心部性能。
[0013]與現有技術相比，本發明的優點在于:
(1)本發明制造的尚初性鋼板厚度可達200mm;
(2)代替傳統鍛造工藝生產大厚度臨氫設備用鋼板相比，既節約成本，又縮短生產周期，而且顯著提高了鋼板的成材率；
(3)本申請的鋼板心部性能優異，尤其是Z向性能得到了顯著提高，超過了35%的行業標準要求，證明本發明的鋼材具有非常高的致密性，滿足了對超大厚度鋼材心部性能的苛刻要求；
(4)鋼板心部-30°C夏比沖擊功2200J;心部晶粒度達到7.0級及以上，晶粒細小，組織均勻;經過模擬焊后熱處理后，鋼板組織保持均勻，心部拉伸和心部沖擊性能無明顯波動，完全滿足臨氫設備用鋼板要求。
[0014]提供了一種超大厚度，厚度可達200mm，室溫和高溫抗拉強度高，低溫沖擊韌性優異，抗層狀撕裂性能良好，焊接性能好，完全能夠滿足臨氫設備的要求，可應用于石油化工行業大型加氫反應器、換熱器、合成塔、熱高壓分離器等關鍵設備的制造。
【具體實施方式】
[0015]以下結合實施例對本發明作進一步詳細描述。
[0016]實施例1
超大厚度臨氫設備用鋼板的厚度為200mm，其化學成分按重量百分比計為:C 0.14%,Mn0.55%,Si 0.08%,P 0.007%,S 0.001%,Cr 2.45%,Mo 1.00%,Ni 0.18%,Cu 0.06%,V 0.32%,Nb 0.036%,Sb 0.001%,Sn 0.001%,As 0.001%,O 0.0015%,H 0.00012%，Α1 總 0.016%，余量為Fe及不可避免的雜質元素。
[0017]本實施例200mm厚臨氫設備用鋼板的生產方法，具體步驟為:
(I)冶煉:采用電弧爐冶煉，然后進行LF精煉爐精煉，鋼液溫度達到1705 °C時轉入VD真空脫氣爐進行脫氣處理，VD爐真空處理的真空度< 67Pa，保持真空時間25min。
[0018](2)澆鑄:鋼液采用45噸扁鋼錠模進行澆鑄，過熱度25°C，得到上口厚度1020mm，下口厚度820mm的鋼錠。
[0019](3)加熱:鋼錠在均熱爐內加熱，溫度低于1000°C時控制加熱速率控制在不高于80°C/h，均熱段溫度為1240±20°C，均熱段保溫時間17h。通過均熱段保溫，將鋼中的碳化物充分溶解到奧氏體中，在乳制和冷卻過程碳化物彌散析出，起到釘扎晶界，細化晶粒的作用。
[0020](4)乳制:采用二次成材，第一次將鋼錠乳制成420mm厚度的中間坯，第一次乳制的壓下率49?59%。
[0021]第二次將中間坯按照二階段控乳工藝進行乳制，第一階段為奧氏體再結晶區乳制，乳制溫度I100C,道次壓下量2 40mm，第二階段是奧氏體非再結晶區乳制，乳制溫度865°C，累計壓下率41%。
[0022](5)緩冷:鋼板乳制結束后轉至冷床在靜止空氣中冷卻，冷卻至500°C下線，鋼板下線后放在緩冷罩內堆緩冷，堆緩冷主要目的是擴氫和釋放乳制應力，堆緩冷時間>70h，鋼板表面溫度< 100 °C時出緩冷罩。
[0023 ] (6)正火+淬火+回火:采用車底爐進行正火+淬火+回火處理，正火溫度9 30 ± 1 °C，保溫時間2min/mm，冷卻方式空冷，正火后鋼板再在車底爐進行淬火，淬火溫度930±10°C，保溫時間2min/mm，冷卻方式水冷，淬火后鋼板再在車底爐進行回火，回火溫度725 ± 5°C，保溫時間2min/mm，冷卻方式空冷，得到成品鋼板。
[0024]本實施例鋼板的力學性能:供貨態鋼板心部屈服強度520MPa，抗拉強度642MPa，伸長率22%;-30°C沖擊AKV(橫向)326J 302J 316J;450°C高溫拉伸屈服強度425MPa;Z向:56%，53%,60%；晶粒度7.5級;鋼板表面硬度221HB。
[0025]最大模擬焊后熱處理條件為705°C X 32h，最大模擬焊后熱處理態鋼板心部屈服強度508MPa，抗拉強度604MPa，無明顯下降，伸長率29%;-30°C沖擊AKV(橫向)240J 232J215了;450°(:高溫拉伸屈服強度37110^;2向:64%，61%，66%;晶粒度7.5級；鋼板表面硬度209HB。
[0026]最小模擬焊后熱處理條件為705°CX8h，最小模擬焊后熱處理態鋼板心部屈服強度512MPa，抗拉強度633MPa，伸長率28%;-30°C沖擊AKV(橫向)272J 253J 230J;450°C高溫拉伸屈服強度403MPa ；Z^]: 60%，61%，59%;晶粒度7.5級；鋼板表面硬度216HB。
[0027]
實施例2
本實施例的超大厚度臨氫設備用鋼板的厚度為200_，其化學成分按重量百分比計為:C 0.15%,Mn 0.53%,Si 0.09%,P 0.006%,S 0.001%,Cr 2.43%,Mo 1.05%,Ni 0.17%,Cu
0.06%,V 0.31%,Nb 0.037%,Sb 0.001%,Sn 0.001%,As 0.001%,O 0.0018%,H 0.00012%，Al總0.014%，余量為Fe及不可避免的雜質元素。
[0028]本實施例的超大厚度臨氫設備用鋼板的生產方法，具體步驟為:
(I)冶煉:采用電弧爐冶煉，然后進行LF精煉爐精煉，鋼液溫度達到1710 °C時轉入VD真空脫氣爐進行脫氣處理，VD爐真空處理的真空度< 67Pa，保持真空時間23min。
[0029](2)澆鑄:鋼液采用45噸扁鋼錠模進行澆鑄，過熱度25°C，得到上口厚度1020mm，下口厚度820mm的鋼錠。
[0030](3)加熱:鋼錠在均熱爐內加熱，溫度低于1000°C時控制加熱速率小于80°C/h，均熱段溫度設定為1240±20°C，均熱段保溫時間20h，通過均熱段保溫，將鋼中的碳化物充分溶解到奧氏體中，在乳制和冷卻過程碳化物彌散析出，起到釘扎晶界，細化晶粒的作用。[0031 ] (4)乳制:采用二次成材，第一次將鋼錠乳制成450mm厚度的中間坯，第一次乳制的壓下率45?56%。
[0032]第二次將中間坯按照二階段奧氏體控乳工藝進行乳制，第一階段為奧氏體再結晶區乳制，乳制溫度1080°C，道次壓下量2 40mm，第二階段是奧氏體非再結晶區乳制，乳制溫度870 °C，累計壓下率44%。
[0033](5)緩冷:鋼板乳制結束后轉至冷床在靜止空氣中冷卻，冷卻至490°C下線，鋼板下線后放在緩冷罩內堆緩冷，堆緩冷時間72h，鋼板表面溫度< 100°C時出緩冷罩。
[0034](6)正火+淬火+回火:采用車底爐進行正火+淬火+回火連續熱處理，正火溫度940土 10 °C，保溫時間2min/mm，冷卻方式空冷;正火后鋼板再在車底爐進行淬火，淬火溫度940± 10°C，保溫時間2min/mm，冷卻方式水冷;淬火后鋼板再在車底爐進行回火，回火溫度720± 5 °C，保溫時間2min/mm，冷卻方式空冷，得到成品鋼板。
[0035]本實施例鋼板的力學性能:供貨態鋼板心部屈服強度531MPa，抗拉強度656MPa，伸長率22%;-30°C沖擊AKV(橫向)311J 301J 309J;450°C高溫拉伸屈服強度420MPa;Z向:52%，50%，50% ；晶粒度7.0級；鋼板表面硬度219HB。
[0036]最大模擬焊后熱處理條件為705°C X 32h，最大模擬焊后熱處理態鋼板心部屈服強度503MPa，抗拉強度61MPa，伸長率25%； -30°C沖擊AKV(橫向)206J 238J 216J; 450°C高溫拉伸屈服強度383MPa; 2向:60%，59%，62%;晶粒度7.0級；鋼板表面硬度206HB。
[0037]最小模擬焊后熱處理條件為705°C XSh，最小模擬焊后熱處理態鋼板心部屈服強度51MPa，抗拉強度635MPa，伸長率25%； -30°C沖擊AKV(橫向)265J 248J 251J; 450°C高溫拉伸屈服強度399MPa; Z向:63%，67%，65% ；晶粒度7.0級；鋼板表面硬度212HB。
[0038]除上述實施例外，本發明還包括有其他實施方式，凡采用等同變換或者等效替換方式形成的技術方案，均應落入本發明權利要求的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種臨氫設備用超大厚度鋼板，其特征在于:鋼板的厚度最大為200mm，該鋼板的化學成分按重量百分比計為C < 0.15%,Mn:0.40?0.60%，Si < 0.10%,P < 0.010%,S < 0.005%，Cr: 1.50?2.50%，Μο:0.90?1.10%，Ni < 0.20%, Cu < 0.20%, V < 0.35%,Nb < 0.05%, Sb <0.003%,Sn < 0.010%,As <0.010%,O < 0.003%,H < 0.0002%，Al總< 0.04%，余量為Fe及不可避免的雜質元素。2.根據權利要求1所述的臨氫設備用超大厚度鋼板，其特征在于:鋼板的厚度為200mm，鋼板主體為貝氏體，鋼板的化學成分按重量百分比計為C: 0.11?0.15%，Mn:0.40?0.60%，S1:0.05?0.10%,P<0.008%，S<0.003%,Cr:2.10?2.50%,Mo:I.00?I.10%,Ni<0.20%，Cu<0.20%，V:0.30?0.35%，Nb:0.03?0.05%，Sb < 0.001%,Sn < 0.001%,As <0.001%,0<0.002%,H < 0.0002%，Al總< 0.02%，余量為Fe及不可避免的雜質元素。3.—種制備權利要求1或2所述臨氫設備用超大厚度鋼板的方法，其特征在于:包括如下步驟 1)冶煉:采用電弧爐冶煉然后進行LF精煉爐精煉，鋼液溫度達到1680?1750V時轉入VD真空脫氣爐進行脫氣處理，VD爐真空處理的真空度< 67Pa，真空保持時間為20?25min; 2)澆鑄:鋼液采用45噸扁鋼錠模進行澆鑄，過熱度為20?30°C，得到長方形斷面的鋼錠，鋼錠上口厚度1020mm，下口厚度820mm ； 3)加熱:鋼錠置于均熱爐內加熱，溫度低于10000C時控制加熱速率不高于800C/h，均熱段溫度為1240 ± 20 °C，均熱段保溫時間16?20h; 4)乳制:采用二次成材，第一次將鋼錠乳制成400?450mm厚度的中間坯，第一次乳制的壓下率45?60%; 第二次將中間坯再加熱并按照二階段奧氏體控乳工藝進行乳制，第一階段為奧氏體再結晶區乳制，乳制溫度1050?1100°C，道次壓下量2 40mm，第二階段是奧氏體非再結晶區乳制，乳制溫度860±20°C，累計壓下率2 40%，乳制后得到熱乳態鋼板； 5)緩冷:鋼板乳制結束后轉至冷床在靜止空氣中冷卻，冷卻至400?500°C下線，鋼板下線后放在緩冷罩內堆緩冷，堆緩冷主要目的是擴氫和釋放乳制應力，堆緩冷時間>48h，鋼板表面溫度< 100 °C時出緩冷罩； 6)正火+淬火+回火:采用車底爐進行正火+淬火+回火連續處理，正火溫度920?950°C，保溫時間2min/mm，空冷;正火后鋼板再在車底爐上進行淬火，淬火溫度920?950 °C，保溫時間2min/mm，水冷；淬火后鋼板再在車底爐上進行回火，回火溫度715?735 °C，保溫時間2min/mm，空冷，得到成品鋼板。4.根據權利要求3所述的臨氫設備用超大厚度鋼板的制備方法，其特征在于:冶煉工序中，電弧爐出鋼時鋼液溫度為1660?1680°C，P < 0.006%o5.根據權利要求3所述的臨氫設備用超大厚度鋼板的制備方法，其特征在于:冶煉工序中，在真空處理前向鋼液中加入CaSi線對夾雜物進行變性處理，夾雜物變性后經過氬氣攪拌充分上浮最終進入渣中，在澆鑄前排出。
【文檔編號】C22C38/18GK105861941SQ201610241717
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月19日
【發明人】張建, 李經濤, 孟憲震, 劉海寬, 高助忠, 吳小林, 林濤, 趙琳, 張軍, 徐偉, 周海燕, 惲鵬程
【申請人】江陰興澄特種鋼鐵有限公司