510MPa级抗氢致开裂压力容器用钢板及生产方法
【专利摘要】一种510MPa级抗氢致开裂压力容器用钢板及生产方法，属于压力容器用钢【技术领域】。钢板的化学成分重量百分数为：C：0.14％～0.19％，Si：0.30％～0.40％，Mn：1.2％～1.8％，P：≤0.008％，S：≤0.001％，其余为Fe和不可避免的杂质。通过C、Si、Mn三种合金元素的合理添加，严格控制杂质元素含量和铸坯质量，使用连铸坯进行生产，匹配相应的轧制工艺，经过正火热处理，在满足一般压力容器钢力学性能的基础上，屈服强度≥310MPa，抗拉强度≥510MPa，延伸率≥28％，-20℃冲击功≥150J；具有良好的抗氢致开裂性能，裂纹长度率≤5％，裂纹宽度率≤1.5％，裂纹敏感率≤0.2％。钢板规格10～100mm；具有制造流程短，生产成本低的优点。
【专利说明】51 OMPa级抗氢致开裂压力容器用钢板及生产方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于压力容器用钢【技术领域】，具体为涉及一种510MPa级抗氢致开裂压力 容器用钢板及生产方法，抗拉强度达到510MPa，并且经济、实用。
【背景技术】
[0002] 在石油化工领域，近年来随着石油质量向着含S化、重质化发展，使得人们对于H2S 腐蚀环境下用压力容器钢板的抗氢致开裂（HIC)性能提出了要求。氢制开裂是钢在湿硫化 氢环境中一种常见的破坏形式，H2S与钢表面发生反应产生的氢原子，氢原子向钢中扩散， 可能在钢中夹杂物、晶界、位错等位置聚集形成氢气从而萌生裂纹，当钢存在着硬相的珠光 体或贝氏体带状组织时，裂纹易于沿着硬质组织进行扩展，形成较大尺寸裂纹。所以对于抗 氢制开裂的容器钢，一方面需要严格控制夹杂物的数量和形态以降低裂纹萌生的可能，另 一方面需要控制心部中心偏析区域内的带状组织，抑制裂纹扩展。
[0003] 目前抗氢致开裂用钢主要集中在管线钢领域，一般为低碳、低锰合金成分体系， 通过降低C、Mn含量消除钢板带状组织，达到抗氢致开裂的目的。但降低C、Mn含量后， 为了保证钢板的强度，必须添加其他合金元素，这将引起生产成本的增加。如申请号 CN200510023651. 3、CN200410025585. 9涉及一种酸性环境用管线钢的制造方法，C含量为 0. 02?0. 055,添加 Nb、Ti、Mo、Cu、Ni多种合金元素，申请号CN200610016498. 6涉及一种 抗硫化氢应力腐蚀的石油钢管生产方法，C含量为0. 25?0. 32%，添加 Ni、Cr、Mo、Cu等多 种合金元素，使用淬火+回火工艺，这些专利在合金元素和生产工艺与本专利有显著差别。
[0004] 另外，部分抗氢致开裂用钢用于压力容器领域，采用中碳合金成分，为了保证良好 的中心质量，避免中心偏析的出现，多采用铸锭进行生产，但铸锭在中厚板生产企业中普及 率低，不能成为普通钢厂经济型的生产方法。申请号CN201110080746. 4涉及一种抗HIC铁 素体系耐热钢及其制备工艺，C含量0. 1-0. 15%，Mn :0.3?0.6%，添加 Cr、Mo合金元素， 采用正火+回火工艺生产。申请号CN201210055848. 5涉及一种抗氢致开裂压力容器钢及 其制造方法，C :0· 15 ?0· 25, Si :0· 10-0. 30%，Mn :1. O-L 6%，Mo :0· 35% -0· 60%，Ni : 0. 20% -0. 80%，采用模铸生产钢坯，钢板经过淬火+回火的调质工艺。这两个专利在合金 元素含量方法与本专利有明显区别，另外这两个专利均需要经过回火热处理，这样增加了 热处理流程，引起制造成本和生产周期的增加。
【发明内容】
[0005] 本发明的为目的在于提供一种510MPa级抗氢致开裂压力容器用钢板及生产方 法，通过C、Si、Mn三种合金元素的合理添加，使用连铸坯进行生产，严格控制杂质元素含 量和铸坯质量，匹配相应的轧制工艺，简单易操作的热处理工艺，在满足一般压力容器钢力 学性能的基础上（屈服强度彡330MPa，抗拉强度彡510MPa，延伸率彡28%，-20°C冲击功 多150J)具有良好的抗氢致开裂性能（裂纹长度率< 5%，裂纹宽度率< 1.5%，裂纹敏感 率彡0· 2% )。钢板规格IOmm?100mm。
[0006] 本发明的510MPa级抗氢致开裂压力容器用钢板的化学成分重量百分数为：C: 0· 14%?0· 19%，Si :0· 30%?0· 40%，Mn :1. 2%?1. 8%，P :彡 0· 008%，S :彡 0· 001%， 其余为Fe和不可避免的杂质。
[0007] 本发明仅添加低成本的C、Si、Mn作为合金元素以保证钢板强度，通过超低P、S杂 质含量保证钢液纯洁度，通过适当的轧制工艺获得均匀的珠光体+铁素体组织，通过合理 的正火热处理改善钢板的组织均匀性，并严格避免心部贝氏体硬相组织的形成。
[0008] C :主要起到固溶强化的作用，以保证钢的强度。但如果过多的加入C，使得珠光体 带状组织比例提高，不利于钢板的抗氢致开裂性能。另外，C是引起铸坯中心偏析的主要原 因，心部偏析区域内合金元素的富集将降低形成贝氏体硬相组织的形成临界冷速，从而促 进贝氏体的形成，使得钢板心部区域局部硬度，易于氢致裂纹的形成和扩展。所以本专利C 含量为〇. 14%?0. 19% .
[0009] Mn :在钢中起到固溶强化的作用，从而提高钢板强度。由于Mn为置换型固溶强化 元素，在钢中扩散困难，即使钢坯加热至完全奥氏体化温度以上，也无法消除其成分偏析， 在轧制过程中，由于贫Mn带与富Mn带的Ac3温度不同，贫Mn区域优先形成铁素体，并向周 围排碳，其他区域形成珠光体，从而形成带状组织。所以过多的Mn元素加入，将加重钢板带 状组织，不利于抗氢制开裂性能。同样，Mn是铸坯心部偏析的主要元素之一，过多的加入将 引起钢板心部局部形成贝氏体，从而引起硬度的增加，对钢板的抗氢致裂纹性能极其不利。 对于本专利Mn含量为1.2%?1.8%。
[0010] Si:为钢中重要的固溶强化元素，但过多的加入将引起塑性和韧性的降低，本专利 中Si含量为0. 30?0. 40。
[0011] S、P:为钢中的有害元素。P加剧H在晶界处聚集从而不利于钢的抗氢制开裂性能， 本发明P控制在0.008%以下。S易于与Mn元素结合形成MnS夹杂物。当铸坯存在中心偏 析时，中心位置的Mn、S含量将产生富集效应，增加 MnS夹杂物产生的可能，其在轧制过程中 形成条状夹杂物将严重影响钢板的抗氢制开裂性能。对于本专利S控制在0. 001 %以下。
[0012] 本发明的生产工艺如下：
[0013] 1)冶炼工艺
[0014] 铸坯生产采用铁水脱硫扒渣一转炉冶炼一LF精炼一RH精炼工艺路线。严格控制 板坯成分：C :0· 14%?0· 19%，Si :0· 30%?0· 40%，Mn :1· 2%?I. 8%，P :彡 0· 008%，S : 彡 0· 001%〇
[0015] 夹杂物是影响钢抗氢致裂纹的主要原因之一，本发明通过严格控制S含量，使硫 化物夹杂降低到较低水平，再通过合理的Ca/S比，使剩余的少量硫化物夹杂球化。本发明 中Ca/S为2. 0-2. 5之间，夹杂物水平A类彡0. 5, B类彡0. 5, C类彡0. 5, D类彡1. 0。
[0016] 钢坯连铸过程采用动态轻压下技术控制铸坯中心偏析。
[0017] 2)轧制
[0018] 两阶段轧制。粗轧开轧温度1050°C?1150°C，通过大压下量轧制发生回复及再结 晶，细化晶粒，总压下率大于60%。精轧阶段终轧温度800?830°C，待温厚度为板厚2?3 倍。钢中带状组织的形成原因在于不同区域内存在着成分差别，从而引起不同区域内奥氏 体向铁素体转变温度不同，贫Mn区域Ar3温度较高，富Mn区Ar3温度较低，所以贫Mn区将 优先析出铁素体，同时向富Mn区排C，从而形成带状组织。所以说贫Mn区和富Mn区的Ar3 差别是形成带状组织的根本原因。精轧阶段累计的变形能可以成为后续铁素体转变的驱动 力，使得贫Mn区域与富Mn区域内的相变温度差别减小，从而减弱带状组织。在钢的相变温 度之上而不过高的温度区域内进行轧制可以达到最佳效果，对于本发明，精轧终轧温度为 800 ?830。。。
[0019] 3)冷却工艺
[0020] 轧后钢板采用控制冷却工艺，冷却速度10?12°C /S
[0021] 4)热处理工艺
[0022] 采用正火热处理工艺，正火温度：830?950°C，保温时间IOmin?40min，保温时 间为钢板心部达到设计温度后开始计时的保持时间，正火后空冷。正火有利于组织均匀性 的提高，正火温度对晶粒度有明显的影响作用，正火温度过低不能满足组织均匀的要求，而 过高则易于使得晶粒过分长大。基体硬度是影响抗氢致开裂的重要因素之一，正火后采用 相对冷速较低的空冷方式可以避免钢板心部出现贝氏体硬相组织，正火后钢板组织为铁素 体+珠光体组织，见附图1。钢板硬度< 180HB。
[0023] 本发明生产的10?IOOmm规格钢板其抗拉强度彡510MPa，-20°C冲击功彡150J， 钢板硬度（HB) < 180。
[0024] 钢板按照NACE TM 0284《管道压力容器抗氢致开裂钢性能评价的试验方法》中的 A溶液对实施例进行抗氢制开裂性能检验。对于本发明实施例，裂纹长度率< 5%，裂纹宽 度率< 1. 5%，裂纹敏感率< 0. 2%，具有良好的抗氢致开裂性能。
[0025] 本发明的有益效果：
[0026] 仅采用经济的C、Si、Mn为主要的合金元素，通过合理的轧制和热处理工艺保证钢 板的强度，同时满足抗氢致开裂的性能，降低了抗氢制开裂的压力容器用钢板的生产成本。 采用连铸坯，经过一次正火热处理生产，缩短了生产周期，适合一般钢厂大批量生产。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图1为正火后钢板组织（铁素体+珠光体组织）。
【具体实施方式】
[0028] 依照本发明的生产方法生产的钢板的实施例如以下各表。表1为本发明实施例钢 的化学成分，表2为本发明实施例的工艺条件，表3为本发明实施例的力学性能，表4为本 发明实施例的抗氢制开裂性能。
[0029] 表1实施例化学成分，wt，％
[0030]
【权利要求】
1. 一种510MPa级抗氢致开裂压力容器用钢板，其特征在于：钢板化学成分重量百分 数为：(：：0.14%?0.19%，31:0.30%?0.40%，]\111:1.2%?1.8%，？ ：彡 0.008%，3:< 0.001 %，其余为Fe和不可避免的杂质。
2. -种权利要求1所述的压力容器用钢板的生产方法，其特征在于，生产工艺及控制 的技术参数如下： (1) 铸坯生产路线为：铁水脱硫扒渣一转炉冶炼一LF精炼一RH精炼一板坯连铸，保证 钢中Ca/S为2. 0?2. 5之间； (2) 控轧控冷工艺：采用两阶段控制轧制，终轧温度800?830°C，轧后钢板采用控轧 冷却工艺，冷却速度10?12°C /s ; (3) 热处理工艺：正火空冷，钢板正火加热温度830°C?950°C，保温时间10min-40min， 正火后采用空冷。
3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于，生产的钢板规格10?100mm，抗拉强度 彡510MPa，-20°C冲击功彡150J，钢板硬度HB彡180 ; 裂纹长度率< 5%，裂纹宽度率< 1. 5%，裂纹敏感率< 0. 2%。
【文档编号】C21D8/02GK104480384SQ201410715577
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月29日 优先权日:2014年11月29日
【发明者】隋鹤龙, 秦丽晔, 邹扬, 赵楠, 赵新宇, 李战军, 李家鼎, 刘美艳, 樊艳秋, 刘印良, 张学峰, 冯路路, 白学军, 刘建明, 张雪松 申请人:首钢总公司