专利名称：：强韧性匹配及高温性能优良的特厚钢板及其制造方法
技术领域：
：本发明涉及到一种特厚钢板及其制造方法，特别涉及一种强韧性匹配及高温性能优良的特厚钢板及其制造方法，其板厚》60mm，室温屈服强度^420MPa、450。C屈服强度》300Mpa。
背景技术：
：耐热压力容器壳体用特厚钢板，是一种要求综合力学性能(强韧性匹配、强塑性匹配及屈强比)、焊接性能及高温性能均优良的中高温结构材料，它用于制作耐热压力容器关键部件一—胴体；在耐热压力容器服役过程中胴体钢板不仅要承受结构承载力、热应力，而且必须具有高的抗热疲劳性能、蠕变性能、回火脆化性能及应力腐蚀性能，以提高耐热压力容器安全性和服役寿命，同时还具备优良的焊接工艺性，以及易于加工制造；其室温屈服强度》420MPa、450。C屈服强度》300Mpa。传统中高温耐热压力容器用钢一般采用含0.30.50%Mo钢、Cr-Mo系列钢、Mn-Ni-Mo钢，参见(《159160回西山纪念技术讲座》，P147P164;《8687回西山纪念技术讲座》，P259P312)，在这些钢板中不可避免地添加大量Cr、Mo、Ni等贵重合金元素；这不仅导致制造成本上升和制造难度加大(Ni、Cr、Mo元素含量较高的钢板，其铸坯表面质量较差，一般均需要下线进行表面清理，有时还需要进行表面着色渗透PT检查、板坯表面修磨、带温切割等)；而且钢板的合金含量较高，碳当量Ceq及焊接冷裂纹敏感指数Pcm也较高，这给现场焊接带来较大的困难，焊前需要预热，焊后需要热处理，现场焊接环境恶化、焊接效率降低，加工制作成本升高；且在构件制作及使用过程中易发生氢腐蚀、氢致脆化、回火脆化、焊接部层状剥落及蠕变脆化等问题。同时，现有大量专利文献只是说明如何实现母材钢板的强度和低温韧性，就改善钢板焊接性能，获得优良焊接热影响区HAZ韧性说明较少，更没有涉及如何确保特厚(^60mm)钢板中心部位组织细小、沿板厚方4向组织均匀，以保证钢板强度、韧性及沿钢板厚度方向强度、韧性均匀性，如日本专利"昭63—93845、昭63—79921、昭60—258410、特平开4—285119、特平开4—308035、平3—264614、平2—250917、平4—143246"以及美国专利USPatent4855106、USPatent5183198、USPatent4137104所公开的。
发明内容本发明的目的在于提供一种强韧性匹配及高温性能优良的特厚钢板及其制造方法，通过简单的合金元素的组合设计，不大量添加贵重元素Cr、Mo，优化控制轧制和热处理工艺，在获得优异母材钢板强韧性、强塑性匹配及低屈强比的同时，钢板抗疲劳蠕变性能、抗回火脆化、氢致脆化及焊接工艺性也同样优异。耐热压力容器胴体用特厚钢板是厚板产品中难度最大的品种之一，其原因是该钢板不仅要求具有优异的强韧性及强塑性匹配、低屈强比；而且具有良好的抗疲劳蠕变性能、抗回火脆化、氢致脆化、焊接工艺性及沿板厚方向组织性能均匀。为达到上述目的，本发明的技术方案是，本发明采用中C一高Mn—中N低合金钢的成分体系作为基础，适当提高钢中酸溶Als含量并控制其范围、控制(Mn当量/C)比在1020之间、(Cu+Ni+Cr+Mo+V)合金化、Nb及超微Ti处理，且Nb/Ti^1.50、Ca处理，且Ca/S比在1.003.00之间，优化控轧及后续热处理工艺，获得优异的强韧匹配、抗疲劳蠕变性能、抗回火脆化及焊接工艺性，尤其焊接接头抗疲劳蠕变性能优良，特别适宜于用作耐热压力容器胴体。具体地，本发明的强韧性匹配及高温性能优良的特厚钢板，其成分质量百分比为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%余量为铁和不可避免的夹杂。且上述元素含量必须同时满足如下关系10《(Mn当量/C)《20，其中Mn当量=^111+0.81^+0.2701+0.15Cr+0.23Mo;(Als+Nb十V)>(Mn当量/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之间。众所周知，提高碳含量可以大幅度地提高钢板的室温强度、高温强度及抗蠕变性能，但是C含量过高不仅损害钢板的塑韧性、抗回火脆化、氢致脆化及疲劳性能，更重要的是严重损害钢板的焊接性；因此钢中的C含量不宜过高，并避开包晶区凝固收縮峰值C含量区间，综合以上因素，C的含量控制在0.13%0.17%之间。Si促进钢水脱氧并能够提高钢板的室温强度和高温强度；但是采用Al脱氧的钢水，Si的脱氧作用不大，Si虽然能够提高钢板的室温强度和高温强度，但是Si严重损害钢板的塑韧性、抗回火脆化及氢致脆化性能，更重要的是Si严重损害钢板的焊接性和焊接接头的疲劳性能，因此钢中的Si含量应尽可能控制得低，考虑到炼钢过程的经济性和可操作性，Si含量控制在《0.30%。Mn作为重要的合金元素在钢板中除提高强度和改善韧性之外，还具有扩大奥氏体相区，降低Ad、Ac3、An、Ar3点温度，细化铁素体晶粒之作用；加入过多Mn会增加铸坯内部的偏析程度和偏析区间(Mn与P、S、C、Mo产生共轭偏析)和表面裂纹，损害铸坯的冶金质量，进而影响钢板的内质健全性、表面质量和力学性能；同时，加入过多的Mn损害钢板的焊接性，易形成脆硬组织如岛状马氏体，综合考虑上述因素，Mn含量控制在1.20%1.60%之间。P作为钢中有害夹杂对钢板的塑韧性、抗疲劳蠕变性能，尤其对钢板的抗氢致脆化、抗回火脆性及焊接性具有巨大的损害作用；理论上要求越低越好，但考虑到炼钢条件、炼钢成本和炼钢厂的物流顺畅，要求P含量控制在^).015%。S作为钢中有害夹杂对钢板的塑韧性、抗疲劳蠕变性能，尤其对钢板的抗氢致脆化、抗回火脆性及焊接性具有巨大的损害作用；更重要的是S在钢中与Mn结合，形成MnS夹杂物，在热轧过程中，MnS的可塑性使MnS沿轧向延伸，形成沿轧向MnS夹杂物带，严重损害钢板的横向冲击韧性、Z向性能和焊接性，同时S还是热轧过程中产生热脆性的主要元素；理论上要求越低越好，但考虑到炼钢条件、炼钢成本和炼钢厂的物流顺畅原则，要求S含量控制在《0.003%。Cr作为弱碳化物形成元素，添加Cr在提高钢板室温强度、高温强度的同时，具有一定的改善钢板抗疲劳蠕变性能之作用；但是当Cr添加量过多时，严重损害钢板的焊接性和抗回火脆性，尤其焊接接头PWHT性能；因此Cr含量控制在0.05%0.20%之间。添加Mo提高钢板的淬透性，促进低温相变组织形成，因此Mo在大幅度提高钢板室温强度、高温强度、抗疲劳蠕变性能及氢致脆化的同时，降低钢板的塑韧性和抗回火脆性；尤其当Mo添加过多时，不仅严重损害钢板的延伸率、焊接性及焊接接头PWHT性能，而且增加钢板的生产成本。因此综合考虑Mo的相变强化、提高抗疲劳蠕变之作用及对母材钢板塑韧性、回火脆化和焊接性的影响，Mo含量控制在0.05Vo0.20。/。之间。添加Ni不仅可以提高铁素体相中位错可动性，促进位错交滑移；Ni作为奥氏体稳定化元素，降低Ar3点温度，细化晶粒尺寸；因此Ni具有同时提高钢板强度、延伸率和低温韧性的功能；钢中加Ni还可以降低含铜钢的铜脆现象，减轻热轧过程的晶间开裂，提高钢板的耐大气腐蚀性。因此从理论上讲，钢中Ni含量在一定范围内越高越好，但是过高的Ni含量会硬化焊接热影响区，对钢板的焊接性、焊接接头PWHT性能及抗蠕变性能不利；同时Ni是一种很贵重元素，从性能价格比考虑，Ni含量控制在0.30%0.60%之间，以确保钢板的综合力学性能而不损害钢板的焊接性。Cu也是奥氏体稳定化元素，添加Cu也可以降低Af3点温度；但是Cu添加量过多，高于0.35%，容易造成铜脆、铸坯表面龟裂、内裂等铸坯冶金质量问题，尤其特厚钢板焊接接头PWHT性能严重劣化；Cu添加量过少，低于0.10%，所起任何作用较小；因此01含量控制在0.10%0.35%之间；Cu、Ni复合添加，除了降低含铜钢的铜脆现象、减轻热轧过程的晶间开裂之作用外，更重要的是Cu、Ni均为奥氏体稳定化元素，Cu、Ni复合添加可以大幅度降低Ar3，细化晶粒尺寸，并且使Nb、V碳氮化物在低温下细小弥散地析出，获得更大的析出强化作用。Ti含量在0.004%0.010%之间，抑制均热和热轧过程中奥氏体晶粒过分长大，改善钢板低温韧性，更重要的是抑制焊接过程中HAZ晶粒长大，改善HAZ韧性；此外Ti含量超过0.010。/。时，采用模铸浇注时，形成的TiN粒子不仅较多而且较为粗大，严重影响钢板抗疲劳蠕变性能。钢中的酸溶铝(Als)能够固定钢中的自由[N]，降低焊接热影响区(HAZ)自由[N]，改善焊接HAZ的低温韧性作用，因此Als下限控制在0.030%;但是钢中加入过量的Als不但会造成浇铸困难，而且会在钢中形成大量弥散的针状Al203夹杂物，损害钢板内质健全性、塑韧性、抗疲劳蠕变性能及焊接性，因此Als上限控制在0.060%。采用浇注如模铸时，钢中的N含量控制难度较大，为防止大量A1N沿原奥氏体晶界析出，损害钢板的塑韧性，钢中的N含量不得超过0.008%。钢中添加微量的Nb元素目的是提高钢板室温强度、高温强度及抗蠕变性能，进行未再结晶控轧，当Nb添加量低于0.015Q/o时，对正火态钢板的强韧化效果不够；当Nb添加量超过0.035Q/。时，损害钢板的焊接性，因此Nb含量控制在0.015°/。0.035%之间，获得最佳的控轧强韧化效果的同时，又不损害HAZ的韧性。8V含量在0.075%0.105%之间，并随着钢板厚度的增加，V含量可适当取上限值。添加V目的是通过V(C,N)在铁素体相中析出，提高钢板的室温强度、高温强度和抗蠕变性能。V添加过少，低于0.075%，析出的V(C,N)量不足以提高钢板的高温强度和抗蠕变性能；V添加量过多，高于0.105%,损害钢板塑韧性、抗疲劳性能和焊接性。对钢进行Ca处理，一方面可以进一步纯洁钢液，另一方面对钢中硫化物进行变性处理，使之变成不可变形的、稳定细小的球状硫化物、抑制S的热脆性、提高钢板的塑韧性、抗疲劳蠕变性能及Z向性能、改善钢板韧性的各向异性；Ca加入量的多少，取决于钢中S含量的高低，Ca加入量过低，处理效果不大；Ca加入量过高，形成Ca(O，S)尺寸过大，脆性也增大，可成为断裂裂纹起始点，降低钢的塑韧性和抗疲劳蠕变性能，同时还降低钢质纯净度、污染钢液。一般控制Ca含量按ESSP=(wt%Ca)[l-1.24(wt%0)]/1.25(wt%S)，其中ESSP为硫化物夹杂形状控制指数，取值范围0.55之间为宜，因此Ca含量的合适范围为0.0010%0.0050%。特别是，在本发明的成分体系中，还存在如下需要同时满足的条件C、Mn当量之间的关系10《(Mn当量/C)《20，其中Mn当量二Mn+0.81Ni+0.27Cu+0.15Cr+0.23Mo，以保证特厚钢板同时具有优良的塑韧性，(Als+Nb+V)》(Mn当量/C)X(Ntotal—0.292Ti)，以降低HAZ固溶N含量，改善HAZ的塑韧性；0.025《CX(Mo+Nb+V)《0.050，以确保钢板的高温强度和中高温蠕变强度；Nb/Ti>1.50，提高钢板的强韧性匹配和中高温屈服强度、蠕变强度，其是利用Ti的细晶强韧化和Nb的弥散析出强化的复合作用，获得上述效果；Cu与Ni之间的关系Ni/Cu^l.O;改善钢板母材的韧性和焊接抗回火脆化性能，通过(Cu+Ni)与Nb的复合强韧化作用，使低合金含量条件下获得高的强韧化性能。Ca与S之间的关系Ca/S在1.003.00之间，保证钢板的抗回火脆化、氢致脆化的同时，改善钢板的焊接工艺性。另外，本发明的强韧性匹配及高温性能优良的特厚钢板的制造方法，其包括如下步骤a)钢板成分质量百分比为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%、余量为铁和不可避免杂质；且上述元素含量必须同时满足如下关系C、Mn当量之间的关系10《(Mn当量/C)《20，以保证特厚钢板同时具有优良的塑韧性，其中Mn当量二Mn+0.81Ni+0.27Cu+0.15Cr屮0.23Mo;(Als+Nb+V)^(Mn当量/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之间；b)按上述成分冶炼、铸造，浇铸温度156(TC158(TC;c)板坯加热，加热温度1100。C120(TC，板坯出炉后采用高压水除鳞，除鳞不尽可反复除鳞；d)轧制，第一阶段为普通轧制，采用大轧制道次压下率进行连续轧制，轧制道次压下率8%20%，确保形变金属发生动态/静态再结晶，细化奥氏体晶粒，第一阶段普通轧制累计压下率>50%;第二阶段采用未再结晶区控制轧制TMR，控轧开轧温度《85(TC，轧制道次压下率》8%，未再结晶区总压下率>45%，终轧温度《830。C;e)热处理，正火温度控制在880920'C之间；正火时间按炉内装料量而定，一般正火时间^.02.0min/mmXt，t为成品钢板厚度，钢板正火出炉后，自然空冷到室温。其中，铸造采用模铸工艺。本发明成品钢板板厚》60mm。得的钢板组织是均匀细小的等轴铁素体晶粒+珠光体+少量粒状贝氏体，均匀细小的等轴铁素体晶粒+珠光体保证了本发明钢板的强塑性匹配，少量的粒状贝氏体可以改善钢板抗疲劳蠕变性能。本发明的有益效果本发明在关键技术路线和成分工艺设计上，综合考虑了母材钢板强韧性、强塑性匹配及低屈强比的同时，钢板抗疲劳蠕变性能、抗回火脆化、氢致脆化及焊接工艺性，也同样优异创造性地采用中C一高Mn—中N低合金钢的成分体系作为基础，适当提高钢中酸溶Als含量并控制其范围、控制(Mn当量/C)比在1020之间、(Cu+Ni+Cr+Mo+V)合金化、Nb及超微Ti处理且Nb/Ti^1.5、Ca处理且Ca/S比在1.003.00之间，优化控轧及后续热处理工艺，获得优异的强韧匹配、抗疲劳蠕变性能、抗回火脆化及焊接工艺性，尤其焊接接头抗疲劳蠕变性能优良，特别适宜于用作耐热压力容器胴体。本发明不仅降低了钢板制造成本、縮短了钢板制造周期，也降低了钢板生产组织难度(现有Cr、Mo元素含量较高的钢板，板坯表面质量较差，一般均需要下线进行表面清理，有时还需要表面着色渗透检查(即所谓PT检査)和带温切割及后热处理等)，还消除了大量含Cr、Mo废钢回收的困难；更重要的是，本发明改善了特厚钢板的焊接工艺性，节约了用户构件制造成本，縮短了用户构件制造时间，为用户创造了巨大的价值。本发明钢板生产过程中不需要添加任何设备，制造工艺简洁、生产过程控制容易，因此制造成本低廉，具有很高性价比和市场竞争力；且技术适应性强，可以向所有具有热处理设备的中厚板生产厂家推广，具有很强的商业推广性，具有较高的技术贸易价值。目前本发明已实现批量工业化大生产。图1为本发明实施例3的钢板显微组织照片(X200)。具体实施方式本发明实施例参见表1、表2。本发明的制造工艺如下TDS铁水深度脱硫—转炉冶炼，LF钢包精炼炉—RH真空精炼(喂Si—Ca丝)—模铸—板坯下线精整—板坯定尺火切—加热、高压水除鳞—普通轧制、控制轧制(TMR)—钢板堆缓冷/坑缓冷—全自动超声检测(AUT)/手动超声检测(MUT)~>钢板切边、切头尾—粗抛丸去钢板表面氧化皮~>正火热处理(N)—取样与性能验测—切定尺钢板4表面质量和外观尺寸、标识及检测—出厂。本发明的实施例参见表l、表2，表3为本发明钢板的性能。从图1可以看出，本发明钢板显微组织是均匀细小的等轴铁素体晶粒+珠光体+少量粒状贝氏体。从表3可以看出，本钢板具有良好的强韧性匹配和焊接性能，延伸率55最低达到28%，-20°(:冲击功单个最低值117J;焊接热影响区(HAZ)-2(TC冲击功单个最低值73J。综上所述，本发明通过简单的合金元素的组合设计，不大量添加贵重元素Cr、Mo，与未再结晶控轧及热处理工艺相结合，获得优异母材钢板强韧性、强塑性匹配及低屈强比的同时，钢板抗疲劳蠕变性能、抗回火脆化、抗氢致脆化及焊接工艺性也同样优异。本发明不仅降低了钢板制造成本、縮短了钢板制造周期，也降低了钢板生产组织难度，还消除了大量含Cr、Mo废钢回收的困难；更重要的是改善了特厚钢板的焊接工艺性，节约了用户构件制造成本，縮短了用户构件制造时间，为用户创造了巨大的价值。<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>表3钢板性能<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>权利要求1.强韧性匹配及高温性能优良的特厚钢板，其成分质量百分比为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％余量为铁和不可避免的夹杂；且上述元素含量必须同时满足如下关系10≤(Mn当量/C)≤20，其中，Mn当量＝Mn+0.81Ni+0.27Cu+0.15Cr+0.23Mo；(Als+Nb+V)≥(Mn当量/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之间。2.—种强韧性匹配及高温性能优良的特厚钢板的制造方法，其包括如下步骤a)钢板成分质量百分比为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%、余量为铁和不可避免杂质；且上述元素含量必须同时满足如下关系C、Mn当量之间的关系10《(Mn当量/C)《20，其中Mn当量二Mn+0.81Ni+0.27Cu+0.15Cr+0.23Mo;(Als+Nb+V)^(Mn当量/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之间;b)按上述成分冶炼、铸造，浇铸温度1560°C1580°C;c)板坯加热，加热温度1100°C1200°C，板坯出炉后采用高压水除鳞，除鳞不尽可反复除鳞；d)轧制，第一阶段为普通轧制，采用大轧制道次压下率进行连续轧制，轧制道次压下率8%20%，确保形变金属发生动态/静态再结晶，细化奥氏体晶粒，第一阶段普通轧制累计压下率>50%;第二阶段釆用未再结晶区控制轧制(TMR)，控轧开轧温度《850°C，轧制道次压下率>8%，未再结晶区总压下率》45%，终轧温度《83(TC;e)热处理，正火，温度控制在88092(TC之间；正火时间^.02.0min/mmXt，t为成品钢板厚度，钢板正火出炉后，自然空冷到室温。3.如权利要求2所述的强韧性匹配及高温性能优良的特厚钢板的制造方法，其特征是，铸造采用模铸工艺。4.如权利要求2所述的强韧性匹配及高温性能优良的特厚钢板的制造方法，其特征是，成品钢板板厚》60mm。全文摘要强韧性匹配及高温性能优良的特厚钢板及其制造方法，采用中C-高Mn-中N低合金钢的成分体系作为基础，适当提高钢中酸溶Als含量并控制其范围、控制(Mn当量/C)比在10～20之间、(Cu+Ni+Cr+Mo+V)合金化、Nb及超微Ti处理，且Nb/Ti≥1.50、Ca处理，且Ca/S比在1.00～3.00之间，优化控轧及后续热处理工艺，获得优异的强韧匹配、抗疲劳蠕变性能、抗回火脆化及焊接工艺性，尤其焊接接头抗疲劳蠕变性能优良，特别适宜于用作耐热压力容器胴体。文档编号C22C38/58GK101613840SQ20081003941公开日2009年12月30日申请日期2008年6月23日优先权日2008年6月23日发明者刘自成申请人:宝山钢铁股份有限公司