大厚度Ni系低温容器用钢板及其生产方法
【专利摘要】本发明公开了一种大厚度Ni系低温容器用钢板及其生产方法，其由下述质量百分比的组分熔炼而成：C?0.07%～0.10%，Si?0.15%～0.30%，Mn?0.68%～0.80%，P≤0.008%，S≤0.003%，Ni?3.60%～3.70%，Cr?0.18%～0.25%，Mo?0.09%～0.12%，Nb?0.010%～0.020%，Ti?0.010%～0.020%，Alt?0.020%～0.050%，余量为Fe和微量不可避免的杂质；所述钢板的厚度为100mm～150mm。本钢板采用Ni-Cr-Mo-Nb-Ti系铁素体钢，生产出符合低温压力容器要求的100mm～150mm厚08Ni3DR（3.5Ni）钢板，将其应用于低温设备如甲醇洗涤塔、甲醇捕雾器、H2S浓缩塔等的制作，具有良好的焊接性能和低温冲击性能。本钢板具有良好的低温冲击韧性，尤其是板厚1/2处钢板最薄弱部位的-101℃冲击功＞80J；C含量低，因此具有良好的焊接性；钢板厚度可达到150mm，且组织均匀、细小、非金属夹杂极微。
【专利说明】大厚度Ni系低温容器用钢板及其生产方法
【技术领域】
[0001]本发明属于钢铁冶炼工艺【技术领域】，尤其是一种大厚度Ni系低温容器用钢板及其生产方法。
【背景技术】
[0002]舞钢公司研发的08Ni3DR (SA203E)钢板，已于2008年通过了全国锅炉压力容器标准化技术委员会组织的评审，评审最大厚度为100mm，交货状态为正火(加速冷却)+回火或离线淬火+回火。
[0003]舞钢公司研发的08Ni3DR钢板的最大厚度仅为100mm,而厚度大于100mm~150mm的08Ni3DR (SA203E)钢板却有较大的市场需求，为设备配套供货之必需，例如，仅大连金重每年进口数千吨08Ni3DR (SA203E)钢板。
[0004]国内煤化工行业在今后几年中，仍将有迅猛的发展，这些项目的各种冷凝塔器都会用到大量的08Ni3DR (SA203E)钢板。为适应市场需求，需要对厚度为150mm的08Ni3DR(SA203E)钢板进行研制开发。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是提供一种厚度IOOmm~150mm的大厚度Ni系低温容器用钢板；本发明还提供了一种大厚度Ni系低温容器用钢板的生产方法。
[0006]为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是:其由下述质量百分比的组分熔炼而成:c 0.07% ~0.10%, Si 0.15% ~0.30%, Mn 0.68% ~0.80%, P ≤ 0.008%,S ≤ 0.003%, Ni 3.60% ~3.70%, Cr 0.18% ~0.25%, Mo 0.09% ~0.12%, Nb 0.010% ~0.020%, Ti 0.010%~0.020%, Alt 0.020%~0.050%，余量为Fe和微量不可避免的杂质；所述钢板的厚度为IOOmm~150mm。
[0007]本发明所述钢板厚度为150mm。
[0008]本发明中C含量在0.07%~0.10% ;采用低碳设计，一方面有利于提高钢的韧性，另一方面可显著地改善钢的焊接性能。Si含量在0.15%~0.30%之间；Si主要以固溶强化形式提高钢的强度，但不可含量过高，以免降低钢的韧性。Mn含量选择在0.68~0.80% ；Mn主要起固溶强化和降低相变温度提高钢板强度的作用，能显著提高钢的淬透性，随Mn含量的增加，钢板的塑性和低温冲击韧性略有下降，强度显著提高，因此为保韧性Mn含量也不易过高。P含量≤0.008%，S含量≤0.003% ;在一般情况下，磷和硫都是钢中有害元素，增加钢的脆性。磷使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏；硫降低钢的延展性和韧性，在轧制时造成裂纹；因此应尽量减少磷和硫在钢中的含量。Ni含量控制在3.60%~3.70%之间，在铁-碳相图上，Ni使共析点向左下方移动，降低钢的临界点Ac3点；Ni是非碳化物形成元素，它与碳作用不形成碳化物，但Ni与Fe能形成α或Y固溶体，随着Ni含量的提高，奥氏体的稳定性增大，能显著提高铁素体的韧性，从而提高低温钢的低温韧性；Ni能减小低温时的位错在基体金属中运动的阻力，故韧性提高，Ni还可以提高层错能，抑制在低温时大量位错的形成，促进低温时位错的交滑移，使裂纹扩展消耗功增加，也使韧性增加，因此，Ni是保证-101°C横向冲击功的最主要元素。Al含量0.020%~0.050% ;铝是钢中常用的脱氧剂，钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性；铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，过高则影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。Nb含量0.010%~0.020% ;铌的加入是为了促进钢轧制显微组织的晶粒细化，可同时提高强度和韧性，铌可在控轧过程中通过抑制奥氏体再结晶，有效的细化显微组织，并通过析出强化基体。Ti含量0.010%~0.020% ；Ti是良好的脱氧剂，钢中加Ti可与C、N元素形成Ti的碳化物、氮化物或碳氮化物，这些化合物具有好的晶粒细化效果。Cr含量0.18%~0.25% ；Cr既能固溶于铁素体和奥氏体中，又能与钢中的C形成多种碳化物；Cr固溶于奥氏体时，可提高钢的淬透性，当Cr与C形成复杂碳化物，并在钢中弥散析出时，可起到弥散强化作用，由于Cr提高淬透性和固溶强化的作用，能提高钢在热处理状态下的强度和硬度，但是Cr在钢中起到强化作用的同时亦使塑性有所降低，并增加回火脆性。Mo含量0.09%~0.12% ；Mo是中强碳化物形成元素，增加固溶体原子间结合力，降低铁的自扩散激活能，从而增加过冷奥氏体的稳定性，抑制大量的先共析铁素体析出，得到合适的少量铁素体。
[0009]本发明生产方法包括冶炼、模铸、加热、轧制、水冷及热堆垛、热处理工序，所述冶炼工序采用上述质量百分比组分的钢水。
[0010]本发明所述加热工序:钢锭最高加热温度1210°C，均热温度1180°C~1200°C，总加热时间20h~25h ；
所述轧制工序:采用II型控轧工艺，第一阶段为奥氏体再结晶阶段，温度950°C~1100°C，此阶段的道次压下率为8%~25%，累计压下率50%~55% ;第二阶段为奥氏体非再结晶阶段，开轧温度800°C~850°C，终轧温度760°C~810°C，此阶段累计压下率50%~60%，轧制后得到半 成品钢板；
所述热处理工序:对钢板进行正火+回火处理，正火温度为860°C ±10°C，总加热时间为2min/mm，水冷加速冷却，钢板返红温度≤50°C;回火温度为630°C ±10°C，总加热时间为4min/mm，空冷，得到产品。
[0011]本发明所述冶炼工序:将钢水先经电炉或转炉冶炼，再送入LF精炼炉精炼，钢水温度达到或超过1600°C转入VD炉真空脱气处理；
所述模铸工序:保真空破坏后温度在1550°C~1560°C，然后进行浇铸，得到铸锭；
所述水冷及热堆垛工序:经轧制后的半成品钢板在快速冷却装置进行在线冷却，返红温度为550°C~650°C ;钢板下线后堆垛温度250°C~450°C，堆垛缓冷时间72h~80h。
[0012]本发明优选冶炼工序，钢水先经电炉或转炉冶炼，送入LF钢包炉精炼，并喂Al线600m~800m ；VD炉真空处理的真空前加入Ca-Si块IOOkg~150kg,真空度< 66Pa,真空保持时间20min~30min后破坏真空。
[0013]本发明优选模铸工序中，过热度为15°C~30°C。
[0014]采用上述技术方案所产生的有益效果在于:本发明的钢板的化学成分设计采用N1-Cr-Mo-Nb-Ti系铁素体钢，是通过合理成分设计及控轧控冷+热处理的生产工艺，生产出符合低温压力容器要求的IOOmm~150mm厚08Ni3DR (3.5Ni)钢板，将其应用于低温设备如甲醇洗涤塔、甲醇捕雾器、H2S浓缩塔等的制作，具有良好的焊接性能和低温冲击性能。
[0015]本发明具有良好的低温冲击韧性，尤其是板厚1/2处钢板最薄弱部位的_101°C冲击功> 80J ;本发明C含量低，因此具有良好的焊接性；本发明钢板厚度可达到150mm，且组织均匀、细小、非金属夹杂极微。
[0016]本发明生产方法在轧制时采用晾钢控制轧制工艺，解决了轧机轧制压力不足而造成的晶粒粗大不均问题，具有优良的综合性能；低温韧性有相当大的富裕量，可广泛用于低温设备的制造，应用前景广阔；且制造工序简单、可实现批量生产。采用本发明方法所生产的钢板纯净度较高，成分均匀，力学性能优良；碳当量低，焊接性能良好；组织均匀、细小、非金属夹杂极微。
【具体实施方式】
[0017]下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
[0018]实施例1:本大厚度Ni系低温容器用钢板采用下述组分以及生产工艺。
[0019]本低温压力容器用钢板，厚度150mm，其是由以下质量百分比的组分熔炼而成:C 0.09%, Si 0.19%, Mn 0.70%, P 0.007%, S 0.002%, Ni 3.65%, Cr 0.20%, Mo 0.10%, Nb0.012%, Ti 0.017%, Alt 0.039%，余量为Fe和微量不可避免的杂质。本低温压力容器用钢板的生产方法的具体步骤为:
(O冶炼:将含有上述各重量百分含量化学成份的钢水先在转炉中冶炼，然后送入LF精炼炉精炼，喂Al线600米，精炼过程保证精炼渣白，以保证脱氧效果；钢水温度(大包温度)达到1600°C后，吊包至VD炉真空处理，真空前加入Ca-Si块100kg，真空度65Pa，保持20分钟后破坏真空；
(2)模铸:保真空破坏后温度在1560°C的冶炼后的钢水进行浇铸，采用模铸工艺，过热度为24°C得到铸锭；
(3)加热:钢锭放入均热炉内加热，加热温度最高1210°C，均热温度1180°C，加热时间20小时；
(4)轧制:采用再结晶区+未再结晶区两阶段轧制工艺进行轧制，第一阶段为奥氏体再结晶阶段，轧制温度为980°C，此阶段道次压下率8%~25%，累计压下率为55%，使奥氏体发生完全再结晶，以细化奥氏体晶粒；第二阶段为奥氏体非再结晶阶段，轧制的开轧温度为843°C，终轧温度810°C，累计压下率为60%，轧制后得到钢板粗品(半成品钢板)；
(5)水冷及热堆垛:经轧制后的半成品钢板在快速冷却装置进行在线冷却，返红温度为6300C ;钢板下线后堆垛温度300°C，堆垛缓冷时间73小时；
(6)热处理:对钢板进行正火+回火处理，正火温度为860°C，总加热时间为300min(因板厚150mm，即2min/mm)，水冷加速冷却，钢板返红温度25V ;回火温度为632°C，总加热时间为600min (因板厚150mm,即4min/mm),空冷，即可得到所述的低温压力容器用钢板。
[0020]本实施例所得低温压力容器用钢板的力学性能:屈服强度480MPa，抗拉强度:585MPa，延伸率:28%，-101 °C 横向冲击功板厚 1/4 处 135J、130J、165J，板厚 1/2 处 133J、87J、139J。
[0021]实施例2:本大厚度Ni系低温容器用钢板采用下述组分以及生产工艺。
[0022]本低温压力容器用钢板，厚度150mm，其是由以下质量百分比的组分熔炼而成:C 0.08%, Si 0.20%, Mn 0.71%, P 0.006%, S 0.002%, Ni 3.64%, Cr 0.18%, Mo 0.10%, Nb0.013%，Ti 0.018%, Alt 0.038%，余量为Fe和微量不可避免的杂质。本低温压力容器用钢板的生产方法的具体步骤为:
(1)冶炼:将含有上述各重量百分含量化学成份的钢水先在转炉中冶炼，然后送入LF精炼炉精炼，喂Al线650米，精炼过程保证精炼渣白，以保证脱氧效果；钢水温度达到1630°C后，吊包至VD炉真空处理，真空前加入Ca-Si块125kg，真空度64Pa，保持20分钟破
坏真空；
(2)模铸:保真空破坏后温度在1560°C的冶炼后的钢水进行浇铸，采用模铸工艺，过热度为25°C得到铸锭；
(3)加热:钢锭放入均热炉内加热，加热温度最高1208°C，均热温度1190°C，加热时间20.5小时；
(4)轧制:采用再结晶区+未再结晶区两阶段轧制工艺进行轧制，第一阶段轧制温度为990°C，此阶段道次压下率为8%~25%，累计压下率为55% ;第二阶段开轧温度为845°C，终轧温度800°C，累计压下率为60% ;轧制后得到钢板粗品；
(5)水冷及热堆垛:轧后钢板快速冷却，返红温度为610°C;钢板下线后堆垛温度320°C，堆垛缓冷时间72小时；
(6)热处理:对钢板进行正火+回火处理，正火温度为860°C，总加热时间为300min，水冷加速冷却，钢板返红温度26°C ;回火温度为630°C，总加热时间为600min，空冷，即可得到所述的低温压力容器用钢板。
[0023]本实施例所得低温压力容器用钢板的力学性能:屈服强度485MPa，抗拉强度:570MPa，延伸率:27%, -101 °C 横向冲击功板厚 1/4 处 162J、123J、186J，板厚 1/2 处 176J、88J、124J。
[0024]实施例3:本大厚度Ni系低温容器用钢板采用下述组分以及生产工艺。
[0025]本低温压力容器用钢板，厚度120mm，其是由以下质量百分比的组分熔炼而成:C 0.07%, Si 0.25%, Mn 0.80%, P 0.008%, S 0.0025%, Ni 3.60%, Cr 0.22%, Mo 0.09%, Nb
0.016%，Ti 0.020%, Alt 0.020%，余量为Fe和微量不可避免的杂质。
[0026]本低温压力容器用钢板的生产方法的具体步骤为: (O冶炼:将含有上述各重量百分含量化学成份的钢水先在转炉中冶炼，然后送入LF精炼炉精炼，喂Al线800米，精炼过程保证精炼渣白，以保证脱氧效果；钢水温度达到1650°C后，吊包至VD炉真空处理，真空前加入Ca-Si块150kg，真空度60Pa，保持25分钟破坏真空；
(2)模铸:保真空破坏后温度在1555°C的冶炼后的钢水进行浇铸，采用模铸工艺，过热度为30°C得到铸锭；
(3)加热:钢锭放入均热炉内加热，加热温度最高1200°C，均热温度1180°C，加热时间20小时；
(4)轧制:采用再结晶区+未再结晶区两阶段轧制工艺进行轧制，第一阶段轧制温度为950°C，此阶段道次压下率为8%~25%，累计压下率为54% ;第二阶段开轧温度为850°C，终轧温度770°C，累计压下率为50% ;轧制后得到钢板粗品；
(5)水冷及热堆垛:轧后钢板快速冷却，返红温度为600°C;钢板下线后堆垛温度450°C，堆垛缓冷时间80小时；
(6)热处理:对钢板进行正火+回火处理，正火温度为870°C，总加热时间为240min，水冷加速冷却，钢板返红温度20°C ;回火温度为640°C，总加热时间为480min，空冷，即可得到所述的低温压力容器用钢板。
[0027]本实施例所得低温压力容器用钢板的力学性能:屈服强度430MPa，抗拉强度:545MPa，延伸率:29%，-101 °C 横向冲击功板厚 1/4 处 156J、143J、158J，板厚 1/2 处 136J、102J、140J。
[0028]实施例4:本大厚度Ni系低温容器用钢板采用下述组分以及生产工艺。
[0029]本低温压力容器用钢板，厚度140mm，其是由以下质量百分比的组分熔炼而成:C 0.10%, Si 0.15%, Mn 0.78%, P 0.005%, S 0.001%, Ni 3.67%, Cr 0.25%, Mo 0.12%, Nb0.010%, Ti 0.013%，Alt 0.050%，余量为Fe和微量不可避免的杂质。
[0030]本低温压力容器用钢板的生产方法的具体步骤为:
(O冶炼:将含有上述各重量百分含量化学成份的钢水先在转炉中冶炼，然后送入LF精炼炉精炼，喂Al线700米，精炼过程保证精炼渣白，以保证脱氧效果；钢水温度达到1650°C后，吊包至VD炉真空处理，真空前加入Ca-Si块120kg，真空度66Pa，保持30分钟破坏真空；
(2)模铸:保真空破坏后温度在1550°C的冶炼后的钢水进行浇铸，采用模铸工艺，过热度为15°C得到铸锭；
(3)加热:钢锭放入均热炉内加热，加热温度最高1205°C，均热温度1200°C，加热时间23小时；
(4)轧制:采用再结晶区+未再结晶区两阶段轧制工艺进行轧制，第一阶段轧制温度为970°C，此阶段道次压下率为8%~25%，累计压下率为53% ;第二阶段开轧温度为830°C，终轧温度780°C，累计压下率为59% ;轧制后得到钢板粗品；
(5)水冷及热堆垛:轧后钢板快速冷却，返红温度为650°C;钢板下线后堆垛温度250°C，堆垛缓冷时间72小时；
(6)热处理:对钢板进行正火+回火处理，正火温度为850°C，总加热时间为280min，水冷加速冷却，钢板返红温度20°C ;回火温度为620°C，总加热时间为560min，空冷，即可得到所述的低温压力容器用钢板。
[0031]本实施例所得低温压力容器用钢板的力学性能:屈服强度440MPa，抗拉强度:550MPa，延伸率:28%, -101 °C 横向冲击功板厚 1/4 处 115J、124J、130J，板厚 1/2 处 98J、108J、112J。
[0032]实施例5:本大厚度Ni系低温容器用钢板采用下述组分以及生产工艺。
[0033]本低温压力容器用钢板，厚度100mm，其是由以下质量百分比的组分熔炼而成:C 0.08%, Si 0.30%, Mn 0.68%, P 0.006%, S 0.003%, Ni 3.70%, Cr 0.18%, Mo 0.11%, Nb0.020%, Ti 0.010%, Alt 0.028%，余量为Fe和微量不可避免的杂质。
[0034]本低温压力容器用钢板的生产方法的具体步骤为:
(O冶炼:将含有上述各重量百分含量化学成份的钢水先在转炉中冶炼，然后送入LF精炼炉精炼，喂Al线750米，精炼过程保证精炼渣白，以保证脱氧效果；钢水温度达到1620°C后，吊包至VD炉真空处理，真空前加入Ca-Si块140kg，真空度62Pa，保持25分钟破坏真空；
(2)模铸:保真空破坏后温度在1560°C的冶炼后的钢水进行浇铸，采用模铸工艺，过热度为20°C得到铸锭；
(3)加热:钢锭放入均热炉内加热，加热温度最高1205°C，均热温度1180°C，加热时间25小时；
(4)轧制:采用再结晶区+未再结晶区两阶段轧制工艺进行轧制，第一阶段轧制温度为1100°C，此阶段道次压下率为8%~25%，累计压下率为50% ;第二阶段开轧温度为800°C，终轧温度760°C，累计压下率为55% ;轧制后得到钢板粗品；
(5)水冷及热堆垛:轧后钢板快速冷却，返红温度为550°C;钢板下线后堆垛温度250°C，堆垛缓冷时间75小时；
(6)热处理:对钢板进行正火+回火处理，正火温度为860°C，总加热时间为200min，水冷加速冷却，钢板返红温度50°C ;回火温度为630°C，总加热时间为400min，空冷，即可得到所述的低温压力容器用钢板。
[0035] 本实施例所得低温压力容器用钢板的力学性能:屈服强度480MPa，抗拉强度:580MPa，延伸率:28%, -101 °C 横向冲击功板厚 1/4 处 158J、160J、173J，板厚 1/2 处 124J、130J、132J。
【权利要求】
1.一种大厚度Ni系低温容器用钢板，其特征在于，其由下述质量百分比的组分熔炼而成:C 0.07% ~0.10%, Si 0.15% ~0.30%, Mn 0.68% ~0.80%, P≤ 0.008%, S ≤ 0.003%, Ni3.60% ~3.70%, Cr 0.18% ~0.25%, Mo 0.09% ~0.12%, Nb 0.010% ~0.020%, Ti 0.010% ~0.020%, Alt 0.020%~0.050%，余量为Fe和微量不可避免的杂质；所述钢板的厚度为10Omm ~1 SOmnin
2.根据权利要求1所述的大厚度Ni系低温容器用钢板，其特征在于:所述钢板厚度为150mmo
3.一种大厚度Ni系低温容器用钢板的生产方法，其特征在于:其包括冶炼、模铸、加热、轧制、水冷及热堆垛、热处理工序；所述冶炼工序采用下述质量百分比组分的钢水:C 0.07% ~0.10%, Si 0.15% ~0.30%, Mn 0.68% ~0.80%, P≤0.008%, S≤0.003%, Ni3.60% ~3.70%, Cr 0.18% ~0.25%, Mo 0.09% ~0.12%, Nb 0.010% ~0.020%, Ti 0.010% ~0.020%，Alt 0.020%~0.050%，余量为Fe和微量不可避免的杂质；所述钢板的厚度为10Omm ~1 SOmnin
4.根据权利要求3所述的大厚度Ni系低温容器用钢板的生产方法，其特征在于:所述加热工序:钢锭最高加热温度1210°C，均热温度1180°C~1200°C，总加热时间20h~25h ； 所述轧制工序:采用II型控轧工艺，第一阶段为奥氏体再结晶阶段，温度950°C~1100°C，此阶段的道次压下率为8%~25%，累计压下率50%~55%;第二阶段为奥氏体非再结晶阶段，开轧温度800°C~850°C，终轧温度760°C~810°C，此阶段累计压下率50%~60%，轧制后得到半成品钢板； 所述热处理工序:对钢板进行正火+回火处理，正火温度为860°C ±10°C，总加热时间为2min/mm，水冷加速冷却，钢板返红温度≤50°C;回火温度为630°C ±10°C，总加热时间为4min/mm，空冷，得到产品。
5.根据权利要求3或4所述的大厚度Ni系低温容器用钢板的生产方法，其特征在于:所述冶炼工序:将钢水先经电炉或转炉冶炼，再送入LF精炼炉精炼，钢水温度达到或超过1600°C转入VD炉真空脱气处理； 所述模铸工序:保真空破坏后温度在1550°C~1560°C，然后进行浇铸，得到铸锭； 所述水冷及热堆垛工序:经轧制后的半成品钢板在快速冷却装置进行在线冷却，返红温度为550°C~650°C ;钢板下线后堆垛温度250°C~450°C，堆垛缓冷时间72h~80h。
6.根据权利要求5所述的大厚度Ni系低温容器用钢板的生产方法，其特征在于:所述冶炼工序，钢水先经电炉或转炉冶炼，送入LF钢包炉精炼，并喂Al线600m~800m ；VD炉真空处理的真空前加入Ca-Si块IOOkg~150kg,真空度≤ 66Pa,真空保持时间20min~30min后破坏真空。
7.根据权利要求5所述的大厚度Ni系低温容器用钢板的生产方法，其特征在于:所述模铸工序中，过热度为15°C~30°C。
【文档编号】C22C38/50GK103898418SQ201410082366
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月7日 优先权日:2014年3月7日
【发明者】车金锋, 庞辉勇, 叶建军, 刘生, 韦明, 王九清, 吴涛, 刘印子, 张东方, 林明新, 罗应明 申请人:舞阳钢铁有限责任公司