一种高强高韧非调质型低温压力容器用钢及其制造方法

摘要

本发明提供一种高强高韧非调质型低温压力容器用钢及其制造方法，该钢板成分按重量百分比计如下：0.11‑0.20％的C；0.15‑0.35％的Si；1.30‑1.60％的Mn；≤0.010％的P；≤0.003％的S；0.50‑1.0％的Cr；0.015‑0.040％的Nb；0.005‑0.010％的Ti；0.035‑0.050％的Al；1.10‑1.60的Ni；其余含量为Fe和不可避免的杂质。方法：连铸坯采用两阶段轧制，轧后超快冷；之后正火热处理。本发明通过化学成分优化和生产工艺参数设计，具有优良的综合力学性能，钢种经正火处理后，不同状态下的‑50℃冲击吸收能量同样保持在较高的水平。

说明书

技术领域

本发明属于金属材料领域，尤其涉及高强高韧非调质型低温压力容器用钢及其制造方法。

背景技术

随着我国石油化学工业的迅速发展，气体的液化、分离和液化气体的生产、贮运及应用已经相当普遍。特别是液化石油气，作为一种清洁、方便、热效率高的能源已被广泛应用于工业和民用燃料领域。我国作为世界最大的发展中国家，液化石油气市场迅速发展，2010年全年国内液化气产量为2030万吨，进口量为350万吨，出口量为85万吨，表观消费量到达2295万吨，较去年增长6.2％左右。

正是由于液态气体和液化石油气的诸多优点以及广阔的市场前景，才大大推动了低温压力容器、低温球形储罐和高参数低温圆筒形容器在石油、化工领域的应用。但由于此类低温容器具有低温和高压的特点，所以对低温压力容器用钢也提出了更高的性能组织要求。

目前世界各国普遍采用的低温钢是铝镇静C-Mn钢和含Ni低温钢两大类。综合考虑技术经济效果、工艺性能，特别是基于压力容器安全考虑，低温压力容器低合金钢的两个发展方向：一是提高强度，二是保证良好的低温韧性和焊接性能。

针对以上两种发展趋势，现有技术要么采用离线调质处理来提高 钢板强度，但钢板制造工期较长；要么采用较高的合金含量来提高钢板的强度，造成钢板制造成本过高。本发明通过优化化学成分和制定合理的生产工艺，兼顾钢板的制造周期和生产成本，生产一种低温条件下具有良好低温韧性和焊接性能的同时，还应具有更高的强度级别的钢板，并将在石化领域的低温压力容器、低温球形储罐和高参数低温圆筒形容器等重要设备与工程得到应用，完全具备替代国外同类产品的能力，市场需求量较大。

发明内容

本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种高强高韧非调质型低温压力容器用钢及其制造方法，通过优化钢的化学成分和采用先进的生产工艺能生产厚度规格20-80mm，能满足-50℃低温冲击、内部质量、焊接性能以及具有高强度性能要求的低温压力容器用钢板。

本发明的目的是这样实现的：

一种高强高韧非调质型低温压力容器用钢，该钢板的成分按重量百分比计如下：0.11-0.20％的C；0.15-0.35％的Si；1.30-1.60％的Mn；≤0.010％的P；≤0.003％的S；0.50-1.0％的Cr；0.015-0.040％的Nb；0.005-0.010％的Ti；0.035-0.050％的Al；1.10-1.60的Ni；其余含量为Fe和不可避免的杂质。

成分设计理由如下：

C：C为钢中的重要元素，在钢的组织没有变化的情况下，钢的强度和硬度随着碳含量的增加而增加，但碳含量过高，会明显地降低 钢的韧性和塑性，同时导致钢的焊接性能显著下降。为了使钢板达到良好的综合力学性能和焊接性能匹配，因此本发明要求钢中C含量宜控制在0.11-0.20％范围内。

Si：当钢中Si的含量小于0.5％时，为有益元素。Si溶于铁素体后有很强的固溶强化作用，能显著提高钢的强度和硬度，但Si提高钢的时效敏感性和韧脆转变温度，为使钢板具有良好的强韧性匹配，本发明要求钢中Si含量控制在为0.15-0.35％。

Mn：钢中Mn元素能通过固溶强化的方式强化铁素体，可以提高钢的淬透性，在非调质钢中Mn一定程度提高钢的冲击功，因此要求钢中Mn含量控制在1.30-1.60％范围内。

Cr：钢中Cr元素可以提高淬透性、耐蚀性和抗氧化性。尤其可以提高高温下钢的强度。因此本发明要求钢中Cr含量控制为0.50-1.0％。

Al：钢中加入少量Al元素能有效细化奥氏体晶粒，从而细化了铁素体晶粒和组织，提高钢的冲击韧性，但是Al缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。因此本发明要求钢中Al含量为0.035-0.050％。

Nb、Ti：加入Nb，Ti通过固溶强化以钉扎位错和细化晶粒的作用，可以提高钢的强度，因此钢中加入Nb、Ti的范围分别为0.015-0.040％和0.005-0.010％。

Ni：镍通过降低钢种位错运动阻力，使应力松弛，进而改变基体组织的亚结构，从而提高钢的韧度，因此钢中加入Ni的范围为 1.10-1.60％。

P：磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此要求钢中的P含量越低越好，本发明要求低于0.010％。

S：硫在通常情况下是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性。所以通常要求硫含量小于0.055％，优质钢要求小于0.040％。因此本发明要求钢中S含量应限制在0.003％以下。

一种高强高韧非调质型低温压力容器用钢的制造方法，包括铁水深脱硫、转炉冶炼、炉外精炼、真空处理和连铸、轧制、冷却、热处理，连铸坯采用两阶段控制轧制，一阶段开轧温度≥1050℃，二阶段开轧温度≤920℃，二阶段终轧温度780-820℃；轧后冷却采用超快冷，开冷温度：730-770℃，返红温度550-650℃；之后热处理采用正火热处理，正火温度890±10℃，保温时间2～4min/mm。最后采用正火热处理工艺，得到细致、均匀的铁素体加珠光体体组织，并使钢板具有良好的低温韧性、高温强度和内部质量。

所述超快冷工艺为开启全部9组集管，其中，第1、2组水量300～400m³/h，第8、9组反吹，水量300～400m³/h，其余集管水量600～700m³/h。

采用本发明生产的钢板厚度为20-80mm，其有益效果在于：

(1)本发明工艺生产的产品，通过化学成分优化和生产工艺参数设计，具有优良的综合力学性能，60mm板正火处理后屈服强度(R_el)和抗拉强度(R_m)分别为420MPa和610MPa(指标要求>el≥350MPa、R_m：520-620MPa)。

(2)本发明钢种经正火处理后，不同状态下的-50℃冲击吸收能量同样保持在较高的水平。60mm板正火热处理后的冲击吸收能量在280J以上，晶状断面率均在30％以下，完全满足指标的要求，而且具有较大的余量。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明作进一步的说明。

本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行转炉冶炼、炉外精炼、真空处理和连铸、轧制、冷却、热处理。本发明实施例钢的成分见表1。

表1 本发明实施例钢的成分

实施例1：

本实施例的生产方法，钢水经转炉冶炼、炉外精炼、真空处理，浇铸成连铸坯(断面230mm)，轧制成品钢板规格为20mm。实施例1钢的成分见表1中例1，本发明实施例1钢的主要工艺参数见表2，本发明实施例1钢的力学性能见表3。

表2 本发明实施例1钢的主要工艺参数

表3 本发明实施例1钢的力学性能

20mm规格钢板经过正火，各项性能指标完全满足要求，同时钢板具有良好综合力学性能和焊接性能，并且完全GB/T 2970标准Ⅰ级超声波探伤要求。

实施例2

本实施例的生产方法，钢水经转炉冶炼、炉外精炼、真空处理，浇铸成连铸坯(断面250mm)，轧制成品钢板规格为60mm。实施例2钢的成分见表1，本发明实施例2钢的主要工艺参数见表4，本发明实施例2钢的力学性能见表5。

表4本发明实施例2钢的主要工艺参数

表5本发明实施例2钢的力学性能

60mm规格钢板经过正火，各项性能指标完全满足要求，同时钢板具有良好综合力学性能和焊接性能，并且完全GB/T 2970标准Ⅰ级超声波探伤要求。

实施例3：

本实施例的生产方法，钢水经转炉冶炼、炉外精炼、真空处理，浇铸成连铸坯(断面250mm)，轧制成品钢板规格为60mm。实施例3钢的成分见表1，本发明实施例3钢的主要工艺参数见表6，本发明实施例3钢的力学性能见表7。

表6本发明实施例3钢的主要工艺参数

表7本发明实施例3钢的力学性能

80mm规格钢板经过正火，各项性能指标完全满足要求，同时钢板具有良好综合力学性能和焊接性能，并且完全GB/T 2970标准Ⅰ级超声波探伤要求。