一种低碳Ti-Mo微合金化压力容器用钢及其制造方法

摘要

一种低碳Ti-Mo微合金化压力容器用钢及其制造方法，属于微合金结构钢生产工艺领域。钢的主要成分(wt％)：C？0.03～0.06％，Si？0.17～0.21％，Mn1.40～1.55％，Ti？0.07～0.16％，Mo？0.19～0.3％，N≤0.015％，S≤0.005％，P≤0.010％，余量为Fe和不可避免的杂质。本发明采用降低碳含量，添加Ti、Mo微合金元素，通过控制轧制和控制冷却工艺，将铁素体组织良好的塑韧性同个位纳米析出相显著的析出强化效果相结合。所得钢种基体为准多边形铁素体，其中均匀分布有大量1～10nm的纳米尺度碳化物且质量分数占到析出物总量的70％以上，屈服强度Rel≥500MPa，抗拉强度Rm≥650MPa，断后伸长率≥20％，20℃V型冲击功A

说明书

技术领域

本发明属于微合金结构钢领域，提供一种采用低碳Ti-Mo微合金化以及控制轧制和控制 冷却工艺，通过个位纳米析出相强化的铁素体基压力容器用钢及其制造方法。

背景技术

由于锅炉蒸汽压力和温度参数的提高可以显著提高电厂效率，进而降低供电煤耗以及环 境污染。当前，世界各国的火力发电机组参数呈现出向超临界参数及以上发展(25～30MPa， 560～700℃)的趋势，这对锅炉用钢综合性能尤其是高温力学性能和焊接性能提出了更高要求。 GB713-2014中提及的钢种，其合金种类要求多，含量高，其中性能优异的代表Q420R， 13MnNiMoR，12Cr2Mo1VR等钢种，均需要后续的正火或者回火等热处理工艺，生产流程长，成 本高。室温力学性能及高温力学性能较目前发展来看，将很快难以满足火力发电锅炉用钢日 益提高的要求，因此一种低成本和短流程工艺相结合的压力容器用钢将具有一定的市场需求 和发展前景。

析出强化Orowan机制表明，析出物体积分数一定时，颗粒尺寸越小，析出强化效果越好。 钢中尺度小于10nm的析出相可发挥显著的沉淀强化，且这类个位纳米尺度粒子高温下不易聚 集和长大，能有效“钉扎”位错，使材料维持良好高温力学性能。从基体组织角度看，铁素 体强度偏低，但其组织稳定性好，塑韧性和焊接性能优良。因此，如果采用微合金化成分设 计并通过控制轧制和控制冷却工艺，将前述个位纳米尺度析出相显著的强化效果和铁素体良 好塑韧性结合，就能开发一种兼顾强度和塑韧性，同时具备良好焊接性能的新型锅炉用钢， 这种钢可以充分发挥微合金化和控制轧制和控制冷却的技术优势，减少前述钢种生产的后续 热处理工艺，减少环境污染，降低生产成本，同时改善其高温力学性能，从而在压力容器用 钢领域获得更好应用。

中国专利公开号为CN103695782的专利文献，公开了一种抗拉强度630MPa的移动式压力 容器用钢及其生产方法，其成分添加了Ni、V、Ti、Cu、Cr等多种合金元素，且需在较高温度 下进行正火，生产成本高，且未介绍高温力学性能。

中国专利公开号为CN101713044的专利文献，公开了一种Q370R压力容器用钢机器制 备方法，尽管其横向冲击功较本发明优良，但是成分中C含量较高为0.14～0.18％，添加合金 元素Nd较多为0.28～0.45％，且热轧后续需要正火热处理工艺，屈服强度和抗拉强度均比本 发明低150MPa左右，此外也未提及其高温力学性能。

中国专利公开号为CN101476088A的专利文献，公开了一种核用压力容器用钢 R17Cr1Ni3Mo，尽管其横向冲击功性能优良，但是其控制轧制和冷却后需要进一步回火处理， 碳含量(0.13～0.20％)较高且合金元素种类多、含量高(Cr、Ni、Mo、V、Cu)，此外也未提 及其高温力学性能。

美国材料与试验协会(ASTM)中关于锅炉，过热器及热交换管道的标准A213/A213M-15c 中给出了国际上常用的T91、T92等钢种的成分和工艺规范。其中钢种合金添加种类多，含量 高，同时也需要后续的热处理工艺。

发明内容

本发明的目的在于克服上述标准及压力容器用钢后续热处理复杂以及成本高、耐热强度 不足的缺点，提供一种生产工艺简单、高温力学性能优良的低成本锅炉用钢及其制造方法。 具体为在传统的C、Si、Mn成分基础上，采用降低碳含量，添加Ti-Mo微合金化，通过控制 轧制和控制冷却工艺，制备一种厚度规格在6～45mm厚的个位纳米尺度析出相强化铁素体基压 力容器用钢板。

所述的低碳Ti-Mo微合金化压力容器用钢，其设计思路为采用Ti-Mo复合微合金化以获 得一定体积分数的个位纳米尺度第二相粒子，充分发挥析出强化效果并保证发明钢良好的室 温和高温力学性能；其中Ti与N化合形成高温难溶物TiN还可以抑制奥氏体晶粒长大，进而 细化铁素体晶粒；Mo不但可以抑制珠光体和大颗粒渗碳体形成，还可以有效抑制高温下碳化 物颗粒的熟化，进而提高铁素体基体的蠕变抗力。在保证MX型碳化物以纳米形式充分析出， 起到最大限度析出强化效果的前提下，尽量降低钢中的碳含量以获得铁素体组织，保证发明 钢良好的组织稳定性和焊接性能。

低碳Ti-Mo复合微合金化压力容器用钢的化学组分以重量百分比计为：C0.03～0.06％， Si0.17～0.21％，Mn1.40～1.55％，Ti0.05～0.15％，Mo0.2～0.3％，N≤0.015％，S≤0.005％， P≤0.010％，余量为Fe和不可避免的杂质。

所述压力容器用钢的基体为准多边形铁素体，基体中均匀分布有大量1～10nm的碳化物， 数量密度可达1500/μm²以上，其质量分数占到析出物总量的70％以上，此类个位纳米尺度析 出相为一种Ti-Mo复合析出物。

上述低碳Ti-Mo复合微合金化压力容器用钢的制备工艺包括依次进行的冶炼、铸造、均 热、控制轧制和控制冷却，冶炼和铸造工序包括铁水脱硫、转炉顶底吹炼、将满足化学成分 要求的钢水浇铸成60～200mm厚板坯。

所述均热工序中均热温度为1200～1250℃，均热时间为60～120min。

所述控制轧制工序采用两阶段控制轧制，其中粗轧开轧温度1050～1150℃，终轧温度 1050～1100℃；中间坯空冷待温；精轧开轧温度800～850℃，终轧温度780～800℃。

所述控制冷却是精轧过程结束后先水冷到目标温度600～620℃，冷速控制在10～18℃/s， 然后在目标温度下待温45～60min，随后空冷至室温，得到准多边形铁素体组织。

本发明生产的压力容器用钢简化了生产工艺、节约了能源、降低了成本，在强度和韧性 达到GBT713-2008中钢规定要求基础上，常温屈服强度Rel≥500Mpa，抗拉强度Rm≥650MPa； 断后伸长率≥20％，20℃V型冲击功A_kv≥60J，600℃屈服强度R_el≥300MPa。表现出优良的高 温力学性能和焊接性能。

附图说明

图1是实施例1的金相组织图。

图2是实施例2的析出颗粒及其能谱图。

图3是实施例3的析出相粒度分布统计图。

具体实施方式

低碳Ti-Mo复合微合金化锅炉用钢的生产工艺为：包括冶炼、浇铸、均热、控制轧制和 控制冷却，其中冶炼工序为：采用转炉炼钢，顶底复合吹炼深脱碳，RH真空处理脱碳并进 行合金化；浇铸工序为：真空脱碳后将满足化学成分要求的钢水浇铸成60～200mm厚板坯；加 热工序为：采用上述铸坯进行轧前装炉加热，加热段和均热段温度为1200～1250℃，加热时 间为60～120min；控制轧制工序为：所述控制轧制工序采用两阶段控制轧制，其中粗轧开轧 温度1050～1150℃，终轧温度1050～1100℃，中间坯空冷待温；精轧开轧温度800～850℃，终 轧温度780～800℃；控制冷却工序为：精轧过程结束后先水冷到目标温度600～620℃，冷速控 制在10～18℃/s，然后在目标温度下待温45～60min，随后空冷至室温，得到准多边形铁素体 组织。

实施例1

本实施例的钢是由以下重量百分比的组分制备而成：C0.06％，Si0.17％，Mn1.4％，Ti 0.07％，Mo0.2％，N0.011％，S0.005％，P0.008％，余量为Fe和不可避免的杂质；按以上成 分冶炼浇铸成80mm厚板坯，将板坯送入加热炉，均热温度1200℃，均热时间60min，粗轧开 轧温度1150℃，终轧温度1050℃；精轧开轧温度850℃，终轧温度800℃，轧后层流冷却至 600℃，冷速18℃/s。保温45min后空冷至室温，产品厚度为6mm。

图1是本实施例的金相组织图，由图可知钢板的金相组织为准多边形铁素体，未见大的 渗碳体和珠光体。产品的Rel＝610MPa，Rm＝750MPa，伸长率A＝26.2％，20℃V型冲击功A_kv＝68J。

实施例2

本实施例的锅炉用钢是由以下重量百分比的组分制备而成：C0.045％，Si0.19％，Mn1.5％， Ti0.09％，Mo0.3％，N0.005％，S0.003％，P0.009％，余量为Fe和不可避免的杂质；按以 上成分冶炼并浇铸成180mm厚板坯，将板坯送入加热炉，均热温度1230℃，均热时间120min， 粗轧开轧温度1150℃，终轧温度1050℃；精轧开轧温度850℃，终轧温度780℃，轧后层流 冷却到620℃，冷速10℃/s，,保温60min后空冷至室温，产品厚度为25mm。

图2是本实施例的析出颗粒及其能谱图，由图可知这类析出相为一种Ti和Mo的复合碳 化物，粒度小于10nm。产品的Rel＝680MPa，Rm＝800MPa，伸长率A＝20％，20℃V型冲击功A_kv＝65J。

根据GB/T4338-2006的要求，对本实施例在不同温度下的屈服强度进行测定，结果如表 1所示。由表1可以看到，本发明钢在各个温度下高温力学性能良好，尤其是600℃下高温屈 服强度仍维持在300MPa以上，具备良好的高温力学性能。

表1实施例2高温力学性能(R_el或R_p0.2)

实施例3

本实施例的锅炉用钢是由以下重量百分比的组分制备而成：C0.04％，Si0.21％，Mn1.55％， Ti0.15％，Mo0.24％，N0.012％，S0.004％，P0.006％，余量为Fe和不可避免的杂质；按以 上成分冶炼并浇铸成200mm厚板坯，将板坯送入加热炉，均热温度1250℃，均热时间120min， 粗轧开轧温度1100℃，终轧温度1080℃；精轧开轧温度800℃，终轧温度790℃，轧后层流 却到610℃，冷速15℃/s，于600℃保温45min后空冷至室温，产品厚度为45mm；

图3是本实施例的析出相粒度分布统计图，由图可以看到钢中1～10nm的粒子质量分数占 到析出物总量的70％以上。产品的R_el＝548MPa，R_m＝656MPa，伸长率A＝25.5％，20℃V型冲击 功A_kv＝63J。根据GB/T4338-2006的要求，对本实施例在不同温度下的屈服强度进行测定， 结果如表2所示。由表2可以看到，本发明钢在各个温度下高温力学性能良好，尤其是600 ℃下高温屈服强度仍维持在300MPa以上，具备良好的高温力学性能。

表2实施例3高温力学性能(R_el或R_p0.2)