QR锅炉和压力容器用钢板及研制.doc

531Q370R 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%）532C 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/mm 2） 抗拉强度（N/mm 2） 伸长率（A%） 纵向冲击功J（-20℃） 弯曲180°,b=2a 交货状态10~16 370 d=2a＞16~36 360 530~630＞36~60 340 520~620≥20 ≥34 d=3a 正火表 3 Q370R 高温拉伸性能试验温度，℃200 250 300 350 400 450厚度 mm屈服强度，N/mm 2,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 4533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 Ni1# 0.18 0.30 1.52 0.010 0.003 ≤0.12 02# 0.17 0.30 1.48 0.015 0.003 ≤0.12 0.203.2 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％，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/mm 2） 抗拉强度（N/mm 2） 伸长率（A%）A 440 590 32.0B 450 590 30.01 10C 455 605 29.5G 440 585 30.0H 450 595 29.02 10I 445 590 29.0D 385 545 28.0E 375 535 27.51 60F 380 535 28.0J 390 540 23.5K 395 545 27.52 60L 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/mm 2) 实测值 Rel(N/mm2) 高出标准要求(N/mm 2)300 255 340 85400 225 315 90400 225 320 95400 225 310 55400 225 300 75400 225 300 75400 225 300 75450 -- 275 --450 -- 275 --534表 7 60mm 厚压力容器 Q370R 厚度方向拉伸性能断面收缩率(A%)钢板号1 2 3 平均D 71.0 71.0 69.5 70.5E 67.5 63.0 67.0 66.0F 55.7 56.7 63.5 58.6J 68.2 69.1 70.4 69.2K 61.0 60.0 56.2 59.0L 57.5 63.0 62.0 61.03.3 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。