一种高强度高韧性压力容器用11MnNiDR钢板及其制造方法与流程

本发明属于合金钢板及其制造领域，尤其涉及一种压力容器用11mnnidr钢板及其制造方法。

背景技术：

1、近年来随着石油化工工业的发展，使用于低温液体和气体的反应、储存、运输的设备制造业也得到了快速发展，因此对制造此类设备所适用于-70℃环境的低温钢有了迫切的要求，并且随着设备的大型化发展也被迫使用厚度更大的低温钢，造成设备重量增加，不仅成本增加而且给制造和运输带来更多的困难。基于设备轻量化的设计要求，迫切需要一种能够满足-70℃使用温度的同时拉伸性能(屈服强度和抗拉强度)大幅度提高的钢种，可以使用更薄规格钢板以节省材料的使用量和方便制造和运输。

技术实现思路

1、在此现状下，开发了一种生产工艺简单、贵重合金含量较低、拉伸性能明显提高的低温11mnnidr钢板，同时还涉及该钢板的生产方法。通过低碳和低碳当量设计，额外添加0.4％～0.9％的ni和适量的nb、ti合金，配合夹杂物球化工艺，采用控轧控冷工艺细化金相组织，设计合适的淬火+回火工艺进一步细化金相组织并且得到合理的低碳贝氏体+铁素体组织比例，来确保最终产品具有高强度和优良的低温韧性，利用钢中相当比例的低碳贝氏体来保证钢的高强度，利用钢中细小的nb、ti的碳氮化物钉扎晶界，以及作为重新结晶的核心，从而细化晶粒提高钢的低温韧性。按此工艺开发的低温11mnnidr钢板，最大厚度规格100mm，可满足屈服强度≥400mpa、抗拉强度≥560mpa、-70℃低温冲击吸收功kv2≥100j(平均值)。该低温用钢板的成功研制，对于该类设备的轻量化设计及进一步推广应用都具有重要意义。中国国家标准gb/t3531“低温压力容器用钢板”中的09mnnidr钢板要求的最低使用温度为-70℃，但是09mnnidr钢规定屈服强度仅≥300mpa，抗拉强度仅为≥440mpa，屈服强度和抗拉强度明显低于11mnnidr的同类指标；欧洲标准en10028-4“具有特殊低温性能的镍合金钢”中13mnni6-3钢要求的最低使用温度仅为-60℃，低于使用温度-70℃，并且13mnni6-3钢的屈服强度为≥355mpa,抗拉强度为≥490mpa，屈服强度和抗拉强度较低。因此，最低使用温度达-70℃并且屈服强度≥400mpa、抗拉强度≥560mpa的11mnnidr钢的开发在国际上具有一定的先进性。

2、低温压力容器用11mnnidr钢板的质量难度主要表现在：

3、1、在较低的碳含量、较低的合金含量、较低的碳当量要求的前提下，保证钢的屈服强度和抗拉强度满足技术要求；

4、2、低温韧性要求高，要求-70℃横向冲击吸收能kv2达到100j以上(平均值)；

5、3、钢板各项力学性能，包括拉伸性能、低温冲击吸收能量都满足对钢板的要求，即钢具备良好的强韧性匹配。

6、本发明所采用的技术方案为：一种高强度高韧性压力容器用11mnnidr钢板，元素成分按重量百分含量为c：0.06％～0.14％，si：0.15％～0.50％，mn：1.20％～1.60％，p≤0.012％，s≤0.003％，ni：0.40％～0.90％，nb：0.010％～0.040％，al：0.020％～0.060％，ti：0.010％～0.030％，ca：0.001％～0.010％，余量为fe和不可避免的杂质。

7、本发明钢板采用化学成分设计，适量的碳、锰固溶强化；加入少量的nb、ti细化晶粒，其碳氮化物起到弥散强化作用；ca对钢中的夹杂物氧进行球化变性使浇注过程容易进行并降低夹杂物对钢的危害；ni提高钢板的低温韧性。

8、钢板中各组分及含量在本发明中的作用是：

9、c：0.06％～0.14％，碳对钢的屈服强度、抗拉强度、焊接性能产生显著影响，适量的碳含量可以提高钢板的淬透性，是最直接、最经济的提高钢板强度的元素，从而有效减少贵重合金元素ni、nb、ti的使用量，但碳含量过高，又会影响钢的焊接性能及韧性，因此确定0.06％-0.12％的碳含量范围是综合考虑了保证优良的力学性能和生产经济性。

10、si：0.15％～0.50％，在炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂，同时si也能起到固溶强化作用，但含量过高时，会造成钢的韧性下降，降低钢的焊接性能。

11、mn：1.20％～1.60％，锰成本低，能增加钢的韧性、强度和硬度，提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能；锰量过高，对于大厚度钢板易出现中心偏析。

12、p≤0.012％，s≤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，在锻造和轧制时造成裂纹；因此应尽量减少磷和硫在钢中的含量。

13、al：0.020～0.060％，al是强脱氧元素，在si脱氧后，用al终脱氧，降低钢中氧及氧化物夹杂含量，提高钢的综合性能；0.020％以上的全al含量是细晶粒钢的标志。

14、nb：0.010％～0.040％，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，而有效的细化显微组织，并通过析出强化基体；铌可降低钢的过热敏感性及回火脆性，焊接过程中，铌原子的偏聚及析出可以阻碍加热时奥氏体晶粒的粗化，并保证焊接后得到比较细小的热影响区组织，改善焊接性能。

15、ti：0.010％～0.030％，钛是强烈的固n元素，细小的tin粒子可有效地阻碍钢在加热时奥氏体晶粒的长大，从而保证变形前较好的晶粒组织准备，为良好的性能打下基础；精炼过程控制ti的加入时机，形成ti的合适氧化物粒子，能显著地改善钢焊接热影响区的韧性。

16、ni：0.40％～0.90％，镍能提高钢板淬透性，尤其在改善钢板在低温下的韧性，使韧脆转变温度下降方面作用明显。ni在钢中只形成固溶体，而且固溶强化不明显，主要在塑性变形过程提高材料的韧性。

17、ca:0.001％～0.010％，钙不仅具有良好的脱氧脱硫能力，能使钢中长条状有锐角的高熔点氧化物、高熔点硫化物变成球状的低熔点钙酸盐复合夹杂物，长条状有锐角夹杂物在低温使用状态下容易在尖角处形成裂纹源使钢件开裂失效，添加适量的钙可提高钢板的低温韧性，但是过量的钙会使钢中形成多余的氧化物，损害钢的性能，因此必须严格控制钙的含量。

18、本发明的另一目的是提供上述高强度高韧性压力容器用11mnnidr钢板的制造方法，步骤包括：

19、(1)冶炼：钢水先经电炉或转炉冶炼，送入lf精炼炉精炼，钢水温度达到或超过1650℃±(0～20℃)转入rh炉真空脱气处理；真空脱气处理后加入fe-ca线或纯ca线对夹杂物进行球化变性处理，软吹3-20分钟使钢液成分均匀，然后浇铸；步骤(1)的目的是得到规定的化学成分，规定含量的c、mn、ni、nb、ti、al共同作用是保证钢板在-70℃环境下仍能保持较高的冲击韧性的关键。同时，通过步骤1使钢中的p、s、n、h、o以及夹杂物的含量控制在一个极低的水平，也有利于-70℃低温冲击韧性的提高。

20、(2)连铸：采用150mm-450mm(150mm、370mm、450mm)厚板坯连铸机生产,浇铸温度为1535～1565℃，轻压下量11-14mm；

21、(3)轧制：采用再结晶区+未再结晶区两阶段轧制工艺进行轧制，中间晾钢厚度为成品板厚的1.5倍～4倍，第一阶段轧制温度区间为920℃～1100℃，此阶段单道次压下量为10％～20％，累计压下率为40％～60％；第二阶段轧制温度区间为800℃～880℃，累计压下率为40％～60％，得到钢板粗品；

22、(4)钢板轧后水冷：钢板轧后快速水冷，(设置dq冷却模式)控制冷却速度10℃～20℃/秒，钢板入水温度750℃～800℃，钢板出水返红温度为550℃～650℃；

23、(5)钢板热处理：对钢板进行淬火+回火热处理，淬火水冷到室温；回火空冷到室温，得到钢板成品。制定钢板最佳的热处理工艺，可以使钢板得到最佳的组织类型和比例分配，并且使晶粒更加细化，从而有利于得到高强度和优良的-70℃低温韧性。

24、优选地，所述钢板的最大生产厚度为100mm。

25、优选地，步骤(3)中，第一阶段轧制的开轧温度为1050℃～1100℃，终轧温度为920℃～970℃；第二阶段轧制的开轧温度为840℃～880℃，终轧温度为800℃～820℃。

26、优选地，步骤(5)中，淬火加热温度880℃～930℃，保温时间1.5～3.0min/mm；回火加热温度620℃～680℃，保温时间3.5～5.0min/mm。

27、优选地，步骤(2)中，控制连铸坯c类偏析0.5级以下，疏松0.5级以下,钢中长条形mns夹杂物变性为球状cas夹杂物。

28、与现有技术相比，本发明的优点在于：通过设置c含量结合mn、ni、nb、ti的相互匹配，使用ca元素对夹杂物进行球化变性处理，解决钢板低碳当量和钢板高强韧性匹配的难题，再结合合理的控轧、控冷工艺制度以及合理的热处理工艺，使钢板微观组织达到适宜形貌的低碳贝氏体、多边形铁素体的合理搭配。

29、通过适当的连铸坯规格选择，严格合理的炼钢工艺、连铸坯质量控制工艺、钢板控轧、控冷工艺、淬火+回火热处理工艺，保证在大厚度、大单重条件下达到优良的低倍组织，控制连铸坯c类偏析0.5级以下疏松0.5级以下，使钢中长条形mns夹杂物变性为球状cas夹杂物，从而保证钢板心部低温韧性、整板的均匀性。最终获得最大厚度100mm的满足-70℃低温条件下的使用要求的高强度、高韧性11mnnidr钢板。

30、本发明的11mnnidr钢板综合性能优良，钢板的屈服强度≥400mpa，抗拉强度rm≥560mpa，-70℃横向冲击吸收能kv2平均≥100j的11mnnidr钢板，最大生产厚度可达100mm。增强了产品市场竞争力，填补了国内、国外生产空白，质量、性能指标达到并超过了-70℃低温使用条件钢板的技术要求。同时，本方法具有生产流程短工艺简单，成本较低，工艺参数可操作性强的优点。