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1、Q370R锅炉和压力容器用钢板的研制 【摘 要】采用包钢宽厚板先进的炼钢连铸、双机架轧制和热处理生产工艺路线，生产了两种不同化学成分的Q370R锅炉和压力容器用钢板。试验结果表明：包钢生产的压力容器Q370R性能优良、组织均匀，抗层状撕裂能力达到Z35要求；同时也研究了Ni对Q370R锅炉和压力容器用钢板力学性能的影响。 【关键词】锅炉和压力容器 Q370R 力学性能 Ni 对钢板性能的影响 1.前言 锅炉和压力容器用钢板是国民经济建设中一类重要的钢铁材料，普遍应用于工业与民用锅炉、化工原料储罐、石油和液化天然气储罐等承压容器方面[1,2]。特别是随着经济发展和能源需求的日益紧
2、张，作为战略物资的石油天然气储备量成为衡量各国经济持续发展能力的指标之一，我国也在陆续建设大型的石油和液化天然气储罐，由此带来对常温、低温环境下的锅炉和压力容器用钢板的需求量日渐增长，技术要求也逐步提高，我国已经分别对《GB713锅炉用钢板》、《GB6653压力容器用钢板》和《GB3531低温压力容器用低合金钢板》进行了整合及修订，还将对《GB19189压力容器用调质高强度钢板》进行修订。 目前，美国、日本、以及欧洲一些国家在锅炉和压力容器用钢行业内处于技术领先地位。近些年来，国内武钢、舞阳钢铁、宝钢、鞍钢等企业在此领域已达到或超过国外先进水平[3]。 GB713-2008锅炉和压力容器用
3、钢标准中的高钢级产品通过正火或正火＋回火工艺后，具有优良的综合力学性能，是石油化工装置中常用钢种之一，随着我国石油化工行业的发展，必定有着广阔的市场前景。随着国家石油战略贮备、大型和特大型石油化工项目、天然气产业等一大批建设工程的确立，市场对压力容器用高强度钢板需求巨大，有着广阔的市场前景。如能成功开发，对于改善包钢的品种结构，提升企业竞争力，增加经济效益都有极大的影响。 Q370R（原牌号为15MnNbR）钢是国内近年来研制出来的一种新型钢材，具有优良的综合性能， 其强度和韧性优于16MnR钢材，而焊接性能及抗硫化氢应力腐蚀性能与16MnR的相近， 成本与国外同性能材料相比要低很多， 用于
4、大型液化石油气球罐是比较理想的。因此，开发一种强度高于16MnR，且具有较高韧度、较好焊接性的正火压力容器用钢已成为行业的迫切需要。 本文根据包钢先进的宽厚板生产线，对Q370R压力容器用钢板进行了两种不同成分的设计，而且采用同样的工艺试制了两炉。对两炉不同成分的钢板，分别进行了各项性能检验和对比，以找到最佳的成分设计。 2.化学成分和工艺设计 2.1 成分设计 压力容器用钢板是一种用途非常特殊的专用钢板。用于制作压力容器等关键部位，承受一定压力，因而对安全可靠性和寿命等要求很高，这就决定了压力容器用钢板研制要遵循以下原则： (1) 具有符合标准要求的较高的强度和韧性。 (2) 具
5、有良好的内部质量。 (3) 具有良好的焊接性能和加工性能。 Q370R钢板的设计除遵循上述原则外，还必须满足低温冲击韧性和高温力学性能。因此，钢中加入Nb、V、Ti与碳、氮形成碳化物、氮化物及碳氮化物，有效延迟奥氏体形变后的再结晶时间，在控制轧制后使铁素体晶粒充分细化，显著提高强度和韧性，降低其脆性转变温度并改善焊接性能[4]。Ti的加入提高了晶粒粗化温度，防止在高输入热量的焊接过程中，在热影响区产生晶粒粗化的趋向，保证热影响区有较好的缺口韧性，提高了钢材的焊接性能[5]。加入Ni可以大大地改善钢板的低温韧性，降低韧脆转变温度[6]。同时，对有害元素P、S含量提出了严格的限定，提高钢水的洁
6、净度，改善钢板的力学性能。 根据GB 713-2008《锅炉和压力容器用钢板》要求，Q370R钢板的化学成分见表1，力学性能要求见表2,3。 表1 Q370R化学成（wt%） C Si Mn P S Nb Nb+V+Ti ≤0.18 ≤0.55 1.20~1.60 ≤0.025 ≤0.015 0.015~0.050 ≤0.12 表2 Q370R力学性能 厚度（mm） 屈服强度 （N/mm2） 抗拉强度 （N/mm2） 伸长率 （A%） 纵向冲击功 J（-20℃） 弯曲 180°,b=2a 交货状态 10~16 370 530~
7、630 ≥20 ≥34 d=2a 正火 ＞16~36 360 d=3a ＞36~60 340 520~620 表3 Q370R高温拉伸性能 厚度 mm 试验温度，℃ 200 250 300 350 400 450 屈服强度，N/mm2,不小于 ＞20~36 290 275 260 245 230 -- ＞36~60 280 270 255 240 225 -- 2.2 生产工艺流程 根据用户特殊性能要求，结合包钢宽厚板生产条件，采用的生产工艺流程为： 混铁炉→铁水脱硫→顶底复吹转炉冶炼→LF精炼→RH真空循环脱气→连
8、铸→加热→除鳞→粗轧→精轧→矫直→冷却→切割→抛丸→正火→取样检验→判定→入库→发货 包钢宽厚板生产线采用经过脱硫预处理的铁水和优质废钢作为原料，以高效顶底复吹、炉气自动分析以及动静态自动炼钢三项先进生产技术为保障进行转炉洁净钢的冶炼生产。通过优化钙处理操作和软吹工艺，进一步上浮排除钢中的非金属夹杂物，获得洁净钢质。RH工序采用循环深脱气工艺，在保证钢水温度稳定的前提下大幅降低氢、氧、氮等气体含量，减小有害气体对钢质的不利影响。 连铸机为直弧形连铸机，上装链式引锭杆、多点弯曲连续矫直技术、凝固末端动态轻压下以及优化的动态二冷技术，通过恒温、恒拉速工艺，减轻连铸坯中心偏析和中心疏松等缺陷；通
9、过结晶器保护渣的跟踪、改进和优化以及结晶器热成像仪的高效应用，减少铸坯表面裂纹以及振痕等表面质量缺陷。从而实现优质铸坯。 根据钢种特点和用途，采用优化的铸坯加热曲线充分保证钢坯加热温度和均热时间。加热温度控制在1180℃~1250℃，保证合金元素的化合物充分溶解。 轧制采用控轧控冷工艺以保证组织和晶粒的均匀。轧制时加大粗轧道次变形量，开轧温度为1160～1200℃，单道次相对压下率至少有两道次以上控制在25~40%。严格控制精轧各道次变形量，精轧开轧温度≤950 ℃，至少有两道压下率>20%以上，末道次压下率>10%。轧后钢板采用控制冷却，终冷温度≤700℃，得到晶粒细小的铁素体+珠光体组
10、织。 根据经验公式并结合现场生产实际，确定正火保温温度为860℃~950℃，保温时间根据钢板厚度的不同而不同。 3.试验结果与分析 本次试验采用两种成分，试制了10mm和60mm两个规格共12张钢板。钢板号依次为A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L，其中A、B、C、D、E、F为1#方案化学成分生产的钢板，G、H、I、J、K、L为2#方案化学成分生产的钢板。正火后取样检验了钢板的室温拉伸性能、高温拉伸性能、Z向拉伸性能、冲击性能、冷弯性能等主要强度以及塑性、韧性指标。显微组织采用2%硝酸酒精腐蚀金相试样，用ZEISS图象分析仪拍摄微观组织照片。 3.1 化学成分 根据压力容器
11、钢的客户需求，采用低碳成分设计并配以微合金技术，通过控轧和正火工艺生产的压力容器钢板具有钢质洁净、良好的冲击韧性和焊接性能等特性。包钢宽厚板生产线压力容器钢Q370R的两种成分设计见表4。 表4 压力容器钢Q370R的两种化学成分wt% 方案 C Si Mn P S Nb+V+Ti Ni 1# 0.18 0.30 1.52 0.010 0.003 ≤0.12 0 2# 0.17 0.30 1.48 0.015 0.003 ≤0.12 0.20 3.2 试验钢板的室温拉伸性能、高温拉伸性能及Z向拉伸性能分析 为检测试制钢板的拉伸性能，在钢板
12、头部的宽度方向1/4位置取样加工了常规拉伸试样、高温拉伸试样及Z向拉伸试样。拉伸试样断口均未出现分层及“白亮带”等脆性断口形貌。Z向拉伸断口呈出明显的缩颈，Z向断面收缩率都在55％以上，各项检测结果见表5~表7。 由表5~表7可以看出，试验钢板的拉伸性能完全符合GB 713-2008《锅炉和压力容器用钢板》对Q370R钢板的要求并有较大余量。10mm钢板的屈服强度余量为70~85N/mm2，抗拉强度余量为55~65N/mm2，延伸率余量为9~12％；60mm钢板的屈服强度余量为35~55N/mm2，抗拉强度余量为10~25N/mm2，延伸率余量为3.5~8％。Z向拉伸的断面收缩率≥56.2％
13、完全达到Z35要求并有较大富余。表6表明，1#方案60mm钢板在不同温度下的高温拉伸性能都能满足国标要求，且有较大富裕。 试验结果表明，根据本文设计的化学成分并采用合理的控轧控冷及正火工艺，满足《GB 713-2008锅炉和压力容器用钢板》的要求。由于钢中硫含量低，钢质纯净，夹杂物很少，保证了钢板具有良好的抗层状撕裂性能，厚度方向拉伸的断面收缩率远远超过了Z35的要求。 表5 压力容器钢Q370R常规拉伸性能 方案 规格(mm) 钢板号 屈服强度（N/mm2） 抗拉强度（N/mm2） 伸长率（A%） 1 10 A 440 590 32.0 B 450 59
14、0 30.0 C 455 605 29.5 2 10 G 440 585 30.0 H 450 595 29.0 I 445 590 29.0 1 60 D 385 545 28.0 E 375 535 27.5 F 380 535 28.0 2 60 J 390 540 23.5 K 395 545 27.5 L 375 525 24.0 表6 60mm厚钢板D的高温拉伸性能 高温拉伸温度(℃) 标准值(N/mm2) 实测值Rel(N/mm2) 高出标准要求(N/mm2) 300 2
15、55 340 85 400 225 315 90 400 225 320 95 400 225 310 55 400 225 300 75 400 225 300 75 400 225 300 75 450 -- 275 -- 450 -- 275 -- 表7 60mm厚压力容器Q370R厚度方向拉伸性能 钢板号 断面收缩率(A%) 1 2 3 平均 D 71.0 71.0 69.5 70.5 E 67.5 63.0 67.0 66.0 F 55.7 56.7 63.5 58.
16、6 J 68.2 69.1 70.4 69.2 K 61.0 60.0 56.2 59.0 L 57.5 63.0 62.0 61.0 3.3 试验钢板的冲击性能分析 为检测试制钢板的冲击韧性，在钢板头部的宽度1/4处取样加工了夏比V型冲击试样。冲击试验温度为0℃、-20℃、-40℃，10mm钢板采用5×10×55小尺寸试样，60mm钢板采用10×10×55的试样，冲击性能详见表8。 由表8可以看出，试验钢板的-40℃冲击吸收功也满足GB 713-2008《锅炉和压力容器用钢板》要求并有较大富余，达到低温压力容器要求。随冲击试验温度的降低，试验钢板的冲击吸收
17、功均降低；在-40℃以上冲击吸收功下降比较平缓，说明本次试验两种成分的韧脆转变温度低于-40℃。 另外，Ni在钢中为纯固溶元素，具有明显降低冷脆转折温度的作用。Ni与铁以互溶形式存在于α和γ铁相中，通过其在晶粒内的吸附作用细化铁素体晶粒，提高钢的冲击韧性。但同时Ni是扩大奥氏体元素，降低奥氏体的转变温度，从而影响到碳与合金元素的扩散速度，阻止奥氏体向珠光体转变，降低钢的临界冷却速度，可提高钢的淬透性，易使钢中出现贝氏体及马氏体。因此，控制合适的Ni含量，使其保持单一的铁素体+珠光体是改善韧性的关键[3]。 本次试验中Ni的加入量为≤0.20%。从两种成分的冲击性能对比来看，由于Ni的加入量
18、少，细化晶粒的作用不明显，从而对韧性的改善作用不明显。本次试验温度为0℃，-20℃，-40℃，没有达到钢板的韧脆转变温度，因此在本次试验中Ni对冲击性能的影响不明显，有待于进一步的试验。但本次试验结果表明1#方案的成分设计已经完全可以满足该钢种国标要求，且1#方案的成分设计比2#方案更加经济。 表8 压力容器Q370R冲击韧性 方案 厚度(mm) 钢板号 0℃冲击功值(J) -20℃冲击功值(J) -40℃冲击功值(J) 1 10 A 73.9 77.7 66.5 48.4 61.9 60.7 71.1 67.1 44.6 B 85.4 87.2
19、 90.2 66 59.5 71.6 50.6 45.7 86.9 C 76.5 75.3 87.6 84.3 88.6 70.9 45.7 49.8 45.1 2 10 G 79.9 87.1 82.1 70.8 90.8 70.2 52.5 43.6 57.9 H 88.2 81.2 80.3 74.7 87 86.2 49.5 56.9 42.9 I 45.6 47.5 50.3 34.5 42.2 48.4 33.8 47.6 40.5 1 60 D 242 184 245 1
20、68 168 181 161 163 179 E 162 166 162 158 173 165 163 159 178 F 175 166 168 156 170 152 154 186 181 2 60 J 216 215 213 187 163 216 162 221 224 K 208 177 177 198 158 167 173 173 166 L 215 161 167 201 168 169 183 175 169 3.4 金相分析 为确定控轧+正火工艺Q370
21、R钢板的微观组织，研究工艺和微观组织以及力学性能之间的关系，取金相试样用光学显微镜进行显微组织分析和晶粒度评级。表9为试验钢板金相组织显微分析和晶粒度评定的结果，图1分别为试验钢板的光学金相组织照片。 表9和图1的金相组织显微分析和晶粒度评定的结果表明：试验钢板的组织以F+P，带状组织3级，平均晶粒尺寸为8-10µm，晶粒比较细小、均匀，有利于获得良好的强韧性。晶粒细小、均匀可以防止塑性变形的不均匀性，减少应力集中，改善钢板的韧性。晶粒越细，则位错塞积的数目下降，不易产生应力集中，使解理断裂不易产生，因而韧性增高，其结果使钢的塑脆转变温度下降。 表9 不同成分Q370R金相组织 钢板号
22、 材料 规格 晶粒度（级） 平均晶粒尺寸（µm） 组 织 带状组织（级） A Q370R 10 10-11 10-8 F+P图1 3 G Q370R 10 10-11 10-8 F+P图2 3 a) A钢板 b) G钢板 图1 不同成分Q370R金相组织 另外，试验钢板力学性能检测结果全部合格，冷弯试样表面完好、无裂纹；对试验钢板按《GB/T 2970-2004 厚钢板超声波检验方法》进行了Ⅰ级探伤，缺陷波高为0，无裂纹、分层等内部缺陷，Ⅰ级探伤合格。 4.结论 ① 两
23、种设计方案试制的Q370R锅炉和压力容器用钢板各项性能符合国家标准，完全可以满足用户使用要求， 1#方案比2#方案的生产成本更低。 ② 本次试验表明，Q370R成分设计中Ni含量范围在0-0.20%时，对包钢宽厚板试制的Q370R韧性影响并不明显。 ③ 按现行工艺生产的Q370R钢板具有良好的抗层状撕裂性能，达到了Z35的要求。 参考文献 [1] 张朝生，新开发的高性能锅炉和压力容器用厚板[J]，宽厚板，2000, 6(6):35-39。 [2] 谢良法、赵文忠、吴道新，舞钢压力容器用钢板[J]，宽厚板.2003, 4(9):6-11。 [3] 顾天浩，新型锅炉和压力容器用钢板[J]，上海金属,1989 (4),15-18。 [4] 王祖宾，东涛等著，低合金高强度钢 [M]，北京:原子能出版社, 1996。 [5] 柴 锋，杨才福，张永权等，Al、Ti处理对低合金钢焊接粗晶区组织的影响[J]，钢铁,2007, 9(42):76-80。 [6] 王晓敏著吗，工程材料学[M]，哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2005。 535
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