大厚度保高温抗拉强度钢板SA299GrB及其制备方法与流程

本发明属于特种钢板制造领域，具体涉及一种厚度185mm保高温抗拉强度钢板及其制造方法，用于锅炉筒体、封头的制备。
背景技术：
：SA299GrB钢板被广泛用于制造锅炉筒体、封头设备。目前我国经济高速发展，电力需求旺盛，对此，锅炉用钢板的需求量较大。这种钢板需要在高温、高压环境中服役，工作条件恶劣，因此要求具有较高的强度，尤其是高温抗拉强度以及与之匹配的良好的韧性。文献1（《电焊机》：2010年，40卷第二期，国产SA299特厚板性能试验研究）涉及到一种国产SA299钢板，厚度178mm，虽然厚度较大，但该钢种370℃高温拉伸不能满足ASME要求；文献2（《宽厚板》：2013年，19卷第一期，舞钢SA299GrA大厚度锅炉汽包用钢板的研制开发）研发了一种SA299GrA钢板，厚度165mm，但钢中Mo元素含量较高，Mo会导致焊缝热影响区发生石墨化倾向，恶化性能。目前，根据文献资料记载，此类钢种主要存在如下技术难题：1）ASMESA299/SA299M标准对该类钢板性能强制性要求部分仅为常温拉伸性能，产品性能指标不高，并不能很好的满足实际要求；2）目前国产180mm以上厚度规格的该种钢板SA299GrB尚未见文献报道，180mm以上规格SA299GrB钢板现在成为大型锅炉等装备制造业发展的限制性环节；3）目前文献及实物钢板的高温（350℃-375℃）抗拉强度，尤其是心部1/2处高温抗拉强度较低；4）该钢板，尤其是厚度大于100mm的钢板，化学成分设计中往往额外添加一定的Mo含量。锅炉用钢板是锅炉制造的核心材料，其厚度直接限制了锅炉装备大型化发展的趋势；钢板长时间在高温下使用，较低的高温抗拉强度或不稳定的高温抗拉强度，存在一定的安全隐患，且给锅炉产品设计人员带来诸多制约；锅炉在长期高温使用过程中，Mo钢在高温高压条件下，焊缝热影响区容易发生石墨化倾向，恶化设备安全性。技术实现要素：本发明基于SA299GrB钢板使用的特殊性，开发了一种大厚度钢板，公称厚度可达185mm；其常温抗拉强度为550-690MPa；A50延伸率≥19%；0℃横向冲击功≥41J；参考《ASME锅炉及压力容器规范国际性规范》中SA299钢种375℃高温抗拉强度要求517MPa，并在此基础上提高20MPa，即375℃高温抗拉强度≥537MPa；钢板厚度方向Z向性能≥25%；钢中不另外添加Mo元素，采用Cu等元素进行合金化，保证钢板强度等性能。本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种大厚度保高温抗拉强度钢板SA299GrB，该钢板厚度可达185mm，化学成分在ASMESA299/299M标准并结合ASMESA20/20M标准的基础上作进一步改进，按质量百分比计为C：0.23～0.26%，Si：0.15～0.40%，Mn：1.40～1.50%，P：≤0.008%，S：≤0.003%，Ni：0.20～0.30%，Cr：0.20～0.30%，Mo：≤0.06%，Cu：0.20～0.30%，V：≤0.001%，Nb：≤0.020%，Sb：≤0.003%，Sn：≤0.010%，As：≤0.012%，H：≤0.0002%，O：≤0.0020%，N：≤0.0120%，Alt：0.020～0.050%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。本发明的185mm厚度钢板，其常温抗拉强度550-690MPa，375℃高温抗拉强度≥537MPa，心部0℃横向夏比V型缺口冲击功≥41J，钢板厚度方向Z向性能≥25%，采用Cu、Cr等元素作为提供钢板抗拉强度的强化元素，而不额外添加Mo元素。本发明钢板化学成分的设计原理是C能够显著提高钢板的常温强度和高温强度，但是对塑性和韧性有不利影响；Si主要作为炼钢时的还原剂和脱氧剂使用，有一定的固溶强化作用，但含量过高会导致钢的低温韧性降低，且影响钢板涂覆性能，所以Si控制在0.15～0.4%；Mn通过固溶强化提高钢的强度，对钢板韧性也是有利的元素；Cr能提高钢的强度和回火稳定性，强烈抑制钢板石墨化趋势，但同时会降低钢的韧性和塑性；大厚度钢板连续空冷阶段，钢板心部冷却速率较慢，Cu在钢板中连续析出和转变，相界面处析出，强化铁素体，从而提高钢板强度。Cr+Cu复合强化，提高了钢板，尤其是心部的高温稳定性，弥补了Mo元素缺失导致的不足。Ni能够提高钢的韧性和塑性，同时也增加强度，本发明的Ni控制在0.20～0.30%之间；Mo存在于固溶体和碳化物中，可提高回火稳定性，但锅炉在长期高温使用过程中，Mo钢焊缝热影响区容易发生石墨化倾向，虽然Mo能够显著提高大厚度钢板的性能，但是作为锅炉材料时，容易导致锅炉设备恶化。本申请中的Mo是作为残余元素存在，不添加Mo元素；P、S是有害元素，P增加钢的脆性，降低钢的焊接性能，降低塑性和冷加工性能，S降低钢的延展性和韧性，在热加工过程中造成裂纹，故尽量减少P、S含量；Nb形成Nb（N,C）析出相提高再结晶温度，细化奥氏体晶粒，能有效提高钢的强度和韧性；Sb、Sn、As、Pb、Bi等是有害元素，容易在晶界偏析，降低钢的抗回火脆化性能，应尽量去除，控制在较低含量。O,N气体元素应尽量降低，提高钢的纯净度，降低夹杂物含量；H增加钢的氢脆倾向，应尽量降低其含量；Alt与氧有很强的亲和力主要作为脱氧剂加入，Alt与N形成的AlN可细化奥氏体晶粒。本发明的另一目的是提供上述大厚度保高温抗拉强度钢板SA299GrB的制造方法，主要步骤如下（1）冶炼：采用优质废钢，经电炉EAF冶炼：出钢温度1610～1650℃，转炉出钢P≤0.0050%；LF精炼：白渣保持时间不小于25min，总精炼时间不小于80min，钢水S≤0.003%时扒渣；VD真空脱气精炼：真空度≤67Pa，真空保持时间在20min以上后破空；模铸，制造出满足化学成分要求钢锭，钢锭大头厚度978mm，小头厚度780mm，确保轧成钢板后满足3倍压缩比；对铸坯加罩缓冷72小时以上，加罩是为了进一步降低钢坯中的H含量，缓冷结束后对铸坯表面带温清理；确保钢锭坯料表面无裂纹等影响钢板表面质量的缺陷存在。（2）轧制：创新性的采用双维度轧制开坯-全纵向轧制成材的两火生产工艺，该工艺主要特点为开坯阶段展宽与纵向轧制交替进行；成材阶段初始采用大压下量轧制，前3道次压下量≥30%，使轧制力渗透钢板心部，提高钢板心部性能，具体工艺如下：A开坯：钢锭开坯轧制加热在均热炉中进行，利用温控系统采用分段加热方式：总加热时间34h以上；预热段温度为室温～800℃，预热段升温时间不低于7h；闷炉保温5h±30min；再缓慢加热至1250℃，升温时间6h±30min，均热温度1150～1250℃，均热时间不低于16h，采用长时间加热的目的促进钢中化学成分的均匀性，减轻心部偏析情况，提高钢板心部性能；开轧温度为1050～1100℃，首道次展宽轧制压下量10%以上，随后采用纵轧方式，再接着展宽轧制，如此循环。该轧制模式有利于打断原始模铸形成的粗大的柱状晶，提高钢板心部的致密性，细化心部晶粒度；轧制完成后，加罩堆缓冷，缓冷48小时以上，钢板轧后缓冷的目的是进一步降低钢板中残留的H含量，减弱H的危害；B轧制成材：坯料采用常规加热方式，加热总时间400±20min，控制加热时间，防止晶粒异常长大；出炉后对钢坯进行粗轧与精轧的两阶段轧制，充分利用微合金元素的钉扎作用；粗轧开轧温度为1050～1100℃，前3道次单道次压下量≥30%，采用大压下量的目的是使轧制力渗透至钢板心部，提高钢板心部的致密性，细化心部晶粒度；终轧温度850～900℃，轧制完成后，采用水冷加速冷却至600±20℃，细化铁素体晶粒；钢板在表面温度100～200℃时下线；（3）热处理：钢板在台车炉中正火热处理，随炉升温，正火保温温度为860～890℃，保温时间为1.5～3min/mm，采用随炉升温方式，采用LQL加热曲线：第一阶段室温-650℃，升温速率70±5℃/h，第二阶段650℃-830℃，升温速率100±5℃/h；第三阶段850℃-目标温度，升温速率50±5℃/h，进入保温阶段。保证①在最合理的时间钢板完全奥氏体化②钢板整体温度均匀。随后空冷。采用LQL加热曲线能避免钢板表面产生热应力（钢板内外膨胀系数不一致），因为该热应力有可能导致钢板内部产生微裂纹缺陷，降低钢板性能。该热处理工艺目的是通过正火消除在控冷过程中产生的少量贝氏体与马氏体，获得理想的铁素体+珠光体的组织与均匀的性能，从而提高了冲击韧性，即获得钢板成品。与现有技术相比，本发明的特点在于：本发明SA299GrB钢板，厚度规格达到了185mm；不添加Mo，其含量属于残留；通过Cu-Cr复合强化，提高钢板常温强度；而且心部375℃高温抗拉强度≥537MPa；0℃横向夏比V型缺口冲击功≥41J；钢板全厚度方向Z向性能≥25%。与现有钢板制造工艺相比，本发明钢板的制造方法具有如下特点：1）利用LF+VD精炼工艺，采用钢锭生产铸坯，钢锭大头厚度978mm，小头厚度780mm，保证轧成钢板后有3倍以上压缩比；2）采用多级加热方式，尽量消除钢锭表面和心部之间的温差；采用双维度轧制开坯-全纵向轧制成材的两火生产工艺，提高钢板心部的致密性；3）利用台车炉加热，随炉加热，采用独特的LQL加热曲线。为了本申请描述的钢板，本发明优化了钢板的化学组分，精选废钢，严控浇铸工艺参数，所生产的钢锭具有低的中心偏析和中心疏松，内部质量良好。钢板轧制前对钢锭再加热，且采用多阶段加热方式，对于大厚度的钢锭而言，表面和心部的温差较大，温度随厚度呈梯度式变化，这也导致钢锭的晶相组织在厚度上存在差异，难以保证后期金属材料表里性能的均一，尤其是心部性能难以控制。采用多级加热方式，根据钢材的成分设计特点设置相应各阶段的加热温度和保温时间，尽量消除钢锭表面和心部之间的温差，保证最终钢板整体的性能稳定。另外，上述阶段加热方式是随之进行的高温大压下轧制的前提，都是为了消除表里差异、获得组织均匀的钢板，高温大压下充分保证轧制力能够渗透到坯料心部，确保厚钢板心部组织的细化，提高心部性能。本发明钢板的热处理工艺采用采用独特的LQL加热曲线；钢板以正火+空冷工艺热处理，而非采用喷雾冷却或水冷等加速冷却方式，可以保证钢板为铁素体+珠光体组织，有利于后续使用的焊接性能；另外，钢板表面硬度更均匀，在弯曲成筒或制作封头热成形过程中不容易产生加工裂纹。附图说明图1为本发明实施例1的钢板1/4厚度的金相组织；图2为本发明实施例1的钢板1/2厚度的金相组织。具体实施方式以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。实施例1本实施例的185mm厚度汽包板，其熔炼化学成分按质量百分比计为：C：0.26%，Si：0.30%，Mn：1.45%，P：0.006%，S：0.002%，Ni：0.25%，Cr：0.25%，Cu：0.25%，Mo：0.05%，Nb：0.0156%，Sb：0.0009%，Sn：0.002%，As：0.0042%，H：0.00009%，Alt：0.033%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。该钢板的制造工艺为：1）冶炼：采用优质废钢，电炉EAF冶炼；LF精炼；VD真空脱气精炼；模铸，制造出满足化学成分要求钢锭，钢锭大头厚度978mm，小头厚度780mm，保证轧成钢板后有3倍压缩比；对铸坯加罩缓冷96小时，进一步降低钢坯的H含量，缓冷结束后对铸坯表面带温清理，确保钢锭坯料表面无裂纹等影响钢板表面质量的缺陷存在。2）轧钢：钢锭加热在均热炉中，利用温控系统采用分段加热方式：总加热时间36h。开坯后的板坯在连续炉加热，总加热时间410min；采用双维度轧制开坯-全纵向轧制成材的两火生产工艺，轧板厚度187.3mm。轧制完成后，钢板在表面温度450℃时下线，加罩堆缓冷，缓冷52小时，钢板轧后缓冷的目的是充分降低钢板中残留的H含量，减弱H的危害。3）热处理：利用台车炉加热，随炉加热，采用独特的LQL加热曲线；正火加热温度为870℃，正火保温时间为1.7min/mm，出炉后在冷床空冷至180℃下线，即获得钢板成品。性能检验：性能检验包括交货态钢板性能、交货态+回火态钢板性能、交货态+模拟焊后热处理状态钢板性能，具体交货态+回火工艺、交货态+模拟焊后热处理工艺如下：交货态+回火工艺：样坯从钢板上取下，试样大小为555mm（轧制方向）*600mm（宽度方向）*185mm（厚度方向），在小炉子中640℃保温10小时，即实验室模拟回火热处理，然后再进行力学性能检验。交货态+模拟焊后热处理工艺：样坯从钢板上取下，试样大小为555mm（轧制方向）*600mm（宽度方向）*185mm（厚度方向）；在小炉子中585℃保温14小时，模拟钢板焊后热处理过程，然后再进行力学性能检验。检验证明，本实施例中的钢板试样力学性能温度且均匀，具体力学性能见表1、表2。交货态钢板金相组织见图1。表1钢板的常温横向、Z向拉伸、0℃冲击性能表2钢板的高温拉伸性能实施例2本实施例的185mm厚度汽包板，其化学成分按质量百分比计为：C：0.27%，Si：0.32%，Mn：1.47%，P：0.009%，S：0.002%，Ni：0.27%，Cr：0.25%，Cu：0.26%，Mo：0.04%，Nb：0.0156%，Sb：0.0009%，Sn：0.002%，As：0.0042%，H：0.00010%，Alt：0.033%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。该钢板的制造工艺为：1）冶炼：采用优质废钢，电炉EAF冶炼：出钢温度1623℃；LF精炼：白渣保持时间30min，总精炼时间90min；VD真空脱气精炼：真空保持时间在25min；模铸，制造出满足化学成分要求钢锭，钢锭大头厚度978mm，小头厚度780mm，保证轧成钢板后有3倍压缩比；对铸坯加罩缓冷102小时，进一步降低钢坯的H含量，缓冷结束后对铸坯表面带温清理，确保钢锭坯料表面无裂纹等影响钢板表面质量的缺陷存在。2）轧钢：钢锭加热在均热炉中，利用温控系统采用分段加热方式：总加热时间36h。开坯后的板坯在连续炉加热，总加热时间423min；采用双维度轧制开坯-全纵向轧制成材的两火生产工艺，轧板厚度187.0mm。轧制完成后，钢板在表面温度440℃时下线，加罩堆缓冷，缓冷60小时，钢板轧后缓冷的目的是充分降低钢板中残留的H含量，减弱H的危害。3）热处理：利用台车炉加热，随炉加热，采用独特的LQL加热曲线；正火加热温度为870℃，正火保温时间为1.7min/mm，出炉后在冷床空冷至170℃下线，即获得钢板成品。性能检验：性能检验包括交货态钢板性能、交货态+模拟热成型热处理+模拟热成型热处理+模拟焊后热处理状态钢板性能，具体交货态+模拟热成型热处理+模拟热成型热处理+模拟焊后热处理工艺如下：交货态+模拟热成型热处理+模拟热成型热处理+模拟焊后热处理工艺：样坯从钢板上取下，试样大小为555mm（轧制方向）*600mm（宽度方向）*185mm（厚度方向），在实验室小炉子中做热处理：1、930±10℃，保温2.5h，空冷2、930±10℃，保温2.5h，空冷3、610±5℃，保温8h，300℃以上升、降温速度≤78℃/h，300℃以下空冷。具体力学性能见表3、表4。表3钢板的常温横向、Z向拉伸、0℃冲击性能表4钢板的高温拉伸性能取样位置温度屈服强度,MPa抗拉强度,MPa375℃≥202≥537正火1/2板厚375℃281548正火+模拟热成型+模拟热成型+模拟焊后1/2板厚375℃276538实施例3本实施例公称厚度185mm厚度汽包板，其化学成分按质量百分比计为：C：0.25%，Si：0.25%，Mn：1.43%，P：0.010%，S：0.002%，Ni：0.29%，Cr：0.28%，Cu：0.20%，Mo：0.03%，Nb：0.0170%，Sb：0.0007%，Sn：0.002%，As：0.0040%，H：0.00009%，Alt：0.030%，余量为Fe及不可避免的杂质元素。该钢板的制造工艺为：1）冶炼：采用优质废钢，电炉EAF冶炼；LF精炼；VD真空脱气精炼；模铸，制造出满足化学成分要求钢锭，钢锭大头厚度978mm，小头厚度780mm，保证轧成钢板后有3倍压缩比；对铸坯加罩缓冷110小时，进一步降低钢坯的H含量，缓冷结束后对铸坯表面带温清理，确保钢锭坯料表面无裂纹等影响钢板表面质量的缺陷存在。2）轧钢：钢锭加热在均热炉中，利用温控系统采用分段加热方式：总加热时间36h。开坯后的板坯在连续炉加热，总加热时间426min；采用双维度轧制开坯-全纵向轧制成材的两火生产工艺，轧板厚度187.8mm。轧制完成后，钢板在表面温度400℃时下线，加罩堆缓冷，缓冷60小时，钢板轧后缓冷的目的是充分降低钢板中残留的H含量，减弱H的危害。3）热处理：利用台车炉加热，随炉加热，采用独特的LQL加热曲线；正火加热温度为870℃，正火保温时间为1.7min/mm，出炉后在冷床空冷至100℃下线，即获得钢板成品。性能检验：性能检验包括交货态钢板性能系列温度冲击、系列高温拉伸迁都。具体力学性能见表5、表6。表5钢板系列温度冲击性能表6钢板的高温拉伸性能180mm以上规格大厚度钢板力学性能中拉伸性能、冲击韧性性能难以平衡，尤其是外加了心部高温拉伸性能，使得钢板制造难度相当大。作为锅炉用钢板，通过实例，本发明钢板性能不仅满足正火交货状态的性能，试样经过回火、模拟热成型热处理、模拟焊后热处理以后的性能也能达到交货状态的性能要求，尤其是心部高温拉伸，完全满足要求，且有一定富余量。本发明生产的大厚度锅炉钢板的Z向性能达到了断面收缩率35%以上。结果表明本发明中利用钢锭生产的铸坯，对应的大厚度锅炉钢板不仅具有高的抗层状撕裂能力而且具有高的致密度，从而保证了钢板对心部性能的苛刻要求，从侧面也呼应了该钢板高温拉伸性能的优异性。当前第1页1 2 3