专利名称：一种﹣120℃下具有高韧性的压力容器用钢及生产方法
技术领域：
本发明涉及容器用合金钢及其生产方法，具体地属于一种低温压力容器钢及其生产方法，进一步地为适用于-120°c的压力容器钢及其生产方法。
背景技术：
在本发明提出之前，虽然已有Ni系低温钢的一些研究工作，其思维路线是随着温度的降低而添加的Ni的含量要随之增加的方式，这造成生产成本偏高。如，经检索，日本专利文献JP60059032公开了 “一种优异低温韧性和低屈强比高镍钢板及其制造方法”，其成分质量百分比为 C ≤ 0.03，Si:0.02 0.22，Mn:0.05 0.47，P ≤ 0.005，S ≤ 0.005，Ni:
7.5 12.0, Al:0.01 0.10，需要时可添加 C、Mn 或 Nb (0.005 0.03)或 V (0.005 0.03)等一种以上元素，其余为Fe和不可避免的杂质”。该文献所公开的钢种虽然可满足极低温度即-160°C使用环境要求，但其添加了 7.5^12.0的Ni，导致生产成本高昂，应用受到限制。还有如中国专利专利申请号为200810046958.9的文献，公开了“一种高韧性-110°c低温钢及其制造方法”，所涉及钢具有下列成分及质量百分比为C:0.02、.12，Si:0.10 0.35，Mn:0.30 0.80，P ≤ 0.015，S ≤ 0.010，Ni:3.20 3.80，Ti:0.005 0.05，Al:0.005 0.10，此外还含有 Nb ( 0.050，V ≤ 0.10，Cu ≤2.0, Mo ≤ 0.50，Zr≤0.04，RE ( 0.020中的两种或两种以上，其余为Fe和不可避免的杂质。该文献中虽然Ni含量较低，范围为3.2(Γ3.80%，但其适应温度只有-110°C，不能适用于更低温度环境下的压力容器的制作。日本专利JP7173534“一种含Ni高韧性低温钢板及其制造方法”，其成分质量百分比为 C:0.01 0.12，Si:0.10 0.30，Mn:0.Γ .0，P ≤ 0.010，S ≤ 0.005，Al:0.005 0.050，
N1-J.5 10.0，其余为Fe和不可避免的杂质。该文献中镍含量仍然较高，即在7.5 10.0%，
生产成本高昂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有低温容器用钢钢种的合金尤其是Ni含量偏高，温度与含Ni成反比关系的不足，提供一种_120°C下KV2不低于100J，横向裂纹厚度率CTR ( 3%，横向裂纹长度率CLR ( 10%，横向裂纹敏感率CSR ( 1.5%, Ni含量低，焊接性能优良的适于-120°C的压力容器钢及其生产方法。实现上述目的的措施:
一种-120°C下具有高韧性的压力容器用钢，其组分及重量百分比含量为:C<0.06，Si ( 0.05，Mn:0.4(Γθ.80，P ≤ 0.008，S≤ 0.003，Alt:0.015 0.050，Ni:3.00^3.80，Cu:0.10 0.30，Ti:0.008 0.025，N ≤ 0.004，此外还含有 Cr ≤0.50、Mo ≤ 0.50、Nb ≤ 0.040及Ca≤0.005中的一种或者两种以上，余量为Fe及不可避免的夹杂。—种-120°C下具有高韧性的压力容器用钢，其组分及重量百分比含量为:C:0.03 0.06，Si ≤ 0.05，Mn:0.50 0.80，P ≤ 0.008，S ≤ 0.003，Alt:0.015 0.050，Ni:3.00 3.60，Cu:0.10 0.30，Ti:0.008 0.025，N ≤ 0.004，Cr:0.10 0.40，Mo:0.20 0.40，
Ca:0.002^0.005，余量为Fe及不可避免的夹杂。一种-120°C下具有高韧性的压力容器用钢，其组分及重量百分比含量为:C ≤ 0.03，Si ( 0.05，Mn:0.40 0.70，P ≤ 0.008，S ≤ 0.003，Alt:0.015 0.050，Ni:3.20 3.80，Cu:0.10 0.30，Ti:0.008 0.025，N ≤ 0.004，Nb:0.020 0.040，Ca:
0.002、.005，余量为Fe及不可避免的夹杂。生产一种-120°C下具有高韧性的压力容器用钢的方法，其步骤为:
1)冶炼并连铸成坯:在LF炉中进行Ca处理，控制钢液中Ca在目标之内；控制RH真空处理时间不低于20分钟；
2)对铸坯加热，控制加热温度在120(Tl3(KrC，控制加热速率在扩12分钟/厘米；
3)进行第一阶段粗轧，控制本阶段的开轧温度不低于1130°C；
4)经第一次待温后，在开轧温度为1050°C 1080°C下进行第二阶段粗轧；
5)经第二次待温后，在开轧温度为930°C、60°C下进行精轧，控制终轧温度在74(T860°C，轧制道次数为5 9次；
6)根据钢板厚度进行热处理:
当钢板厚度在1(Γ20毫米时，采用正火+回火的方式进行，正火温度为85(T930°C，正火时间为(分钟):t+30，回火温度为60(T680°C，回火时间为(分钟):t+50 ；式中:t为钢板的
厚度，单位为毫米；
当钢板的厚度在大于20至不超过40毫米时，采用正火加快速冷却+回火的方式进行，正火温度为85(T930°C，正火时间为(分钟):t+30,回火温度为60(T680°C，回火时间为(分钟):t+50; 式中:t为钢板的厚度，单位为毫米；在快速冷却时返红温度控制在450^650 0C ；
当钢板厚度在大于40至不超过60毫米时，采用淬火+回火的方式进行，淬火温度为88(T920°C，淬火时间为(分钟):t+30，回火温度为60(T680°C，回火时间为(分钟):t+50 ；式中:t为钢板的厚度，单位为毫米；
7)待用。以下详述本发明钢的成分和主要生产工艺设定理由:
该钢最大难点是要确保同时具有优异的韧性(-120°C)、焊接性能和抗氢致开裂(HIC)性能。因此，炼钢时要严格控制钢水的纯净度，防止P、S含量对该钢抗硫化氢应力腐蚀性能的影响。Mn、Nb、Cu、T1、Ni的设计成分保证了钢的强度、韧性和焊接性能，其中Ni合金主要用来提高钢的低温韧性，Ti合金可以细化钢板焊接热影响区组织，提高韧性水平，Cu,Mo可以提高钢板SR后的性能稳定性。总的说来，采用N1、T1、Cu、Cr、Mo及其他元素的复合微合金化上，要充分发挥各元素的特点。设置P≤0.008%, S≤0.003%, N≤0.004%,主要是考虑到这几个元素对该钢低温韧性和抗氢致开裂(HIC)性能影响较大，要严格限制其含量。C:C是提高钢材强度最有效的元素，随着C含量的增加，钢中Fe3C增加，淬硬性也增加，钢的抗拉强度和屈服强度提高。但是，增加钢中C含量，钢的延伸率和冲击韧性下降，尤其是对低温韧性影响较大。因此，考虑到钢的低温韧性和焊接性能要求，采用低C设计将本发明钢的C含量应控制在0.06%以内。Si =Si与碳的亲和力很弱，在钢中不与碳化合，但能溶入铁素体，产生固溶强化作用，使得铁素体的强度和硬度提高，但塑性和韧性却有所下降。考虑到该钢主要是对钢板低温韧性要求较高，因此应选用低Si设计，本发明钢的Si含量控制在0.05%以内。Mn =Mn是提高钢的屈服强度和抗拉强度的主要元素之一，在低碳钢种可添加适量的Mn来提高钢板强度，且成本较低，故一般添加0.40%以上。但Mn元素是一种易偏析的元素，当偏析区Mn、C含量达到一定比例时，在钢材生产和焊接过程中会产生马氏体相，该相会表现出很高的硬度，对钢板低温韧性和抗氢致开裂性能有较大影响。同时，Mn含量高时会造成钢板过热敏感性增大，在稍有过热的情况下，晶粒就会发生粗化，对低温韧性影响较大。因此，综合考虑将Mn含量限定在0.409Γ0.80%范围内。Al:A1是钢中的主要脱氧元素，一定含量的Al还能细化钢板的晶粒，提高钢板的强度和韧性。但是当Al含量偏高时，易导致钢中夹杂增多，对钢的韧性不利，同时会降低钢的淬硬性和韧性，降低钢的抗氢致开裂性能。因此将本发明钢中Alt含量控制在
0.015% 0.050% 以内。Ni =Ni能与铁以任何比例互熔，通过细化铁素体晶粒来改善钢的低温韧性，可以明显降低钢板的低温韧脆转变温度。从·国内外同类钢种来看，3.00%的Ni含量是最基本的要求。低于这个数值，钢的使用温度达不到_120°C要求，但Ni含量太高就会增加冶炼难度，大幅提高生产成本。因此，本发明钢将Ni含量设定在3.009Γ3.80%。Ti =Ti是一种强烈的碳化物和氮化物形成元素，形成的TiN、Ti (CN)等粒子非常稳定，能够在形核时有效的阻止晶粒长大，因此能够细化晶粒，提高钢板的强度和韧性。但是，Ti对强度贡献不及Nb明显，同时过多的Ti所形成的碳化物会降低钢板低温韧性。钢板在焊接时Ti的作用也比较明显，能够有效细化焊接热影响区组织。考虑钢板低温韧性要求和对焊接性能的影响，设计Ti的含量时控制在0.0089Γ0.025%。Cu:Cu在钢中主要起沉淀强化作用，对钢在消应力热处理后的低温韧性有益，能提高此外还能提高钢材的抗疲劳裂纹扩展能力。但当Cu含量过高时，钢在轧制时易出现网状裂纹。综合考虑Cu对钢板综合力学性能和抗腐蚀性能的影响，将Cu含量控制在
0.10 0.30%OCr =Cr是在抗硫化氢腐蚀钢中常用的元素，在热处理下后可以得到稳定的组织，能够提高钢抗氢脆能力和抗硫化氢应力腐蚀性能。同时，考虑到合金成本和使用要求，将Cr含量控制在0.50%。Mo =Mo是有效提高钢板回火稳定性的元素，能够提高钢板强度和抗氢致开裂性能。如果添加量过高，会导致钢板低温韧性下降，因此，本发明钢Mo含量控制在0.50%以内。Nb =Nb是一种强碳化物形成元素，在钢中形成NbC、Nb (CN)等第二相质点，阻碍奥氏体晶粒的长大，细化晶粒，提高钢板的强度和低温韧性。Nb元素的作用温度要高于Ti和V,对钢板强度的贡献也大于Ti和V，其含量过高时易产生晶间裂纹。因此，综合考虑将本发明的Nb含量控制在0.040%以内。Ca =Ca是钢进行Ca处理时增加的元素，其含量不高时元素本身对钢板性能无明显影响，但经过Ca处理后，钢中夹杂物相貌发生变化，尺寸降低，球化率提高，等级下降，还有利于钢的抗硫化氢腐蚀性能。但考虑到Ca处理后钢中杂质元素增加，因此，加入量不宜过大，该钢将处理后Ca含量控制在0.005%以内。杂质元素和气体对抗硫化氢应力腐蚀钢性能的影响低温压力容器钢要确保在低温环境中的使用。钢中的杂质元素和气体对钢板的低温韧性影响较大，因此要尽可能的降低P、S、N的含量。P:P在钢中除了形成可引起钢红脆(热脆)和塑性降低的易熔共晶夹杂物外，还对氢原子重新组合过程起抑制作用，使得钢增氢效果增加，从而提高钢的脆性，降低低温韧性水平和抗氢致开裂性能。因此，对于该钢应将P控制在0.008%以内。S:S含量过高则会使钢板具有各向异性且韧性降低，使得钢的稳定性急剧恶化。因此，对于该钢应将S控制在0.003%以内。另外，该钢应尽量减少钢中气体含量，减小钢的偏析。同时，为了减少钢的时效影响，将N的含量控制在0.004%以内。生产工艺设定的理由
(I)炼钢工艺
本发明之所以在LF炉进行Ca处理及真空处理时间不低于20分钟:在LF炉进行Ca处理的目的就是以对夹杂物进行变性，并有效降低夹杂物尺寸，改变夹杂物的形状，并有利于钢的抗硫化氢腐蚀性能；在真空处理采用不低于20分钟，是为了降低钢中杂质及气体含量。(2)轧钢工艺
本发明在进行粗轧轧制时采取了两阶段轧制方式，即第一粗轧阶段一第一次待温一第二粗轧阶段一第二次待温，该种轧制工艺对提高钢板的低温韧性非常有益。粗轧时，还要根据成品钢板厚度，控制粗轧阶段轧制结束时中间坯的厚度。第一次待温，是为了确保避开混晶温度区间；第二次待温，是为了避开奥氏体部分再结晶区温度，使精轧在奥氏体未再结晶区进行。并使精轧终轧后，形变位错将发生回复和多边形化，从而细化组织，提高钢板的低温韧性，对钢的抗硫化氢腐蚀性能也有益。(3)加工、热处理工艺
由于该钢要在低温环境下长期使用，且对钢的抗氢致开裂性能要求较高，所以针对该钢的特点，同时考虑不同钢板厚度，而采用不同的热处理制度:当钢板的厚度在1(Γ20毫米时，采用正火+回火的方式进行，从而得到的金相组织是一种较稳定的铁素体+珠光体组织。当钢板的厚度在大于20至不超过40毫米时，采用正火加快速冷却+回火的方式进行，从而得到的金相组织是一种较稳定的铁素体+珠光体组织。当钢板厚度在大于40至不超过60毫米时，采用淬火+回火的热处理方式，从而得到的金相组织是一种较稳定的铁素体+贝氏体组织。本发明与现有技术相比，在_120°C下KV2不低于100J，横向裂纹厚度率CTR彡3%，横向裂纹长度率CLRS 10%，横向裂纹敏感率CSRS 1.5%，Ni含量低，焊接性能优良，且Ni用量少，成本相对较低， 更接近于大生产。
具体实施例方式下面对本发明予以详细描述:
表I为本发明各实施例及对比例的取值列表；
表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；表3为本发明实施例与对比钢种的热处理工艺列表；
表4为本发明实施例与对比钢种的力学检验结果；
表5为本发明实施例与对比钢种的抗硫化氢腐蚀检验结果。本发明各实施例按照以下步骤生产:
其步骤:
1)冶炼并连铸成坯:在LF炉中进行Ca处理，控制钢液中Ca在目标之内；控制RH真空处理时间不低于20分钟；
2)对铸坯加热，控制加热温度在120(Tl30(rC，控制加热速率在扩12分钟/厘米；
3)进行第一阶段粗轧，控制本阶段的开轧温度不低于1130°C；
4)经第一次待温后，在开轧温度为1050°C 1080°C下进行第二阶段粗轧；
5)经第二次待温后，在开轧温度为930°C、60°C下进行精轧，控制终轧温度在74(T860°C，轧制道次数为5 9次；
6)根据钢板厚度进行热处理:
当钢板厚度在1(Γ20毫米时，采用正火+回火的方式进行，正火温度为85(T930°C，正火时间为(分钟):t+30，回火温度为60(T680°C，回火时间为(分钟):t+50 ；式中:t为钢板的
厚度，单位为毫米；
当钢板的厚度在大于20至不超过40毫米时，采用正火加快速冷却+回火的方式进行，正火温度为85(T930°C，正火时间为(分钟):t+30,回火温度为60(T680°C，回火时间为(分钟):t+50; 式中:t为钢板的厚度，单位为毫米；在快速冷却时返红温度控制在450^650 0C ；
当钢板厚度在大于40至不超过60毫米时，采用淬火+回火的方式进行，淬火温度为88(T920°C，淬火时间为(分钟):t+30，回火温度为60(T680°C，回火时间为(分钟):t+50 ；式中:t为钢板的厚度，单位为毫米；
7)待用。 表I本发明实施例与对比钢种化学成分(wt%)
权利要求
1.一种-120°C下具有高韧性的压力容器用钢，其组分及重量百分比含量为:C 彡 0.06，Si ( 0.05，Mn:0.40 0.80，P 彡 0.008，S 彡 0.003，Alt:0.015 0.050，Ni:3.00 3.80，Cu:0.10 0.30，Ti:0.008 0.025，N 彡 0.004，此外还含有 Cr ( 0.50,Mo ^ 0.50,Nb ( 0.040及Ca < 0.005中的一种或者两种以上，余量为Fe及不可避免的夹杂。
2.一种-120°C下具有高韧性的压力容器用钢，其组分及重量百分比含量为:C:0.03 0.06，Si ( 0.05，Mn:0.50 0.80，P 彡 0.008，S 彡 0.003，Alt:0.015 0.050，Ni:3.00 3.60，Cu:0.10 0.30，Ti:0.008 0.025，N 彡 0.004，Cr:0.10 0.40，Mo:0.20 0.40，Ca:0.002^0.005，余量为Fe及不可避免的夹杂。
3.一种-120°C下具有高韧性的压力容器用钢，其组分及重量百分比含量为:C 彡 0.03，Si ( 0.05，Mn:0.40 0.70，P 彡 0.008，S 彡 0.003，Alt:0.015 0.050，Ni:3.20 3.80，Cu:0.10 0.30，Ti:0.008 0.025，N 彡 0.004，Nb:0.020 0.040，Ca:0.002、.005，余量为Fe及不可避免的夹杂。
4.产如权利要求1或2或3所述的一种-120°C下具有高韧性的压力容器用钢的方法，其步骤为: 1)冶炼并连铸成坯:在LF炉中进行Ca处理，控制钢液中Ca在目标之内；控制RH真空处理时间不低于20分钟； 2)对铸坯加热，控制加热温度在120(Tl3(KrC，控制加热速率在扩12分钟/厘米； 3)进行第一阶段粗轧，控制本阶段的开轧温度不低于1130°C； 4)经第一次待温后，在开轧温度为1050°C 1080°C下进行第二阶段粗轧； 5)经第二次待温后，在开轧温度为930°C、60°C下进行精轧，控制终轧温度在74(T860°C，轧制道次数为5 9次； 6)根据钢板厚度进行热处理: 当钢板厚度在1(Γ20毫米时，采用正火+回火的方式进行，正火温度为85(T930°C，正火时间为(分钟):t+30，回火温度为60(T680°C，回火时间为(分钟):t+50 ；式中:t为钢板的厚度，单位为毫米； 当钢板的厚度在大于20至不超过40毫米时，采用正火加快速冷却+回火的方式进行，正火温度为85(T930°C，正火时间为(分钟):t+30,回火温度为60(T680°C，回火时间为(分钟):t+50; 式中:t为钢板的厚度，单位为毫米；在快速冷却时返红温度控制在450^650 0C ； 当钢板厚度在大于40至不超过60毫米时，采用淬火+回火的方式进行，淬火温度为88(T920°C，淬火时间为(分钟):t+30,回火温度为60(T680°C，回火时间为(分钟):t+50 ； 式中:t为钢板的厚度，单位为毫米； 7)待用。
全文摘要
一种-120℃下具有高韧性的压力容器用钢，其组分及含量为C≤0.06，Si≤0.05，Mn0.40~0.80，P≤0.008，S≤0.003，Alt0.015~0.050，Ni3.00~3.80，Cu0.10~0.30，Ti0.008~0.025，N≤0.004，此外还含有Cr≤0.50、Mo≤0.50、Nb≤0.040及Ca≤0.005中的一种或者两种以上；工艺冶炼并连铸成坯；对铸坯加热；第一阶段粗轧；经第一次待温后进行第二阶段粗轧；经第二次待温后进行精轧；根据钢板厚度进行热处理；待用。本发明在-120℃下KV2不低于100J，横向裂纹厚度率CTR≤3%，横向裂纹长度率CLR≤10%，横向裂纹敏感率CSR≤1.5%，Ni含量低，焊接性能优良。
文档编号C22C38/16GK103088269SQ20131004699
公开日2013年5月8日 申请日期2013年2月6日 优先权日2013年2月6日
发明者刘文斌, 李书瑞, 董汉雄, 丁庆丰, 邹德辉, 王宪军, 郭斌, 习天辉, 洪霞 申请人:武汉钢铁(集团)公司