一种低温压力容器钢板及其制造方法与流程

1.本发明涉及钢铁生产技术领域，特别是涉及一种低温压力容器钢板及其制造方法。


背景技术：

2.低温压力容器钢板广泛应用于建造液化石油气等低温储罐，该种钢板经钢厂热轧和正火热处理后交货，除了要求较高的强度等级之外，还需满足-40～50℃下的低温冲击韧性要求。低温储罐涉及大量的焊接加工工艺，为改善焊接区的性能和消除焊接残余应力，该储罐制造过程中需进行焊后热处理（pwht）。然而，经长时间pwht工艺后钢板的显微组织会发生粗化，将导致其强度和低温冲击韧性较正火态显著下降。随着低温工业设备安全标准的升级，客户往往对低温压力容器钢板的性能提出附加技术要求，即正火钢板经模拟pwht工艺后，其强度和冲击韧性仍需满足技术要求，这给现有生产技术带来新的挑战。
3.公告号为cn110088339a的专利发明了具有优异pwht抗力的压力容器钢板及其制造方法，其成分重量百分比为：c：0.10%～0.20%，si：0.15%～0.40%，mn：1.15%～1.50%，mo：0.45%～0.60%，cu：0.03%～0.30%，p≤0.025%，s≤0.025%，sol.al：0.005%～0.06%，cr：0.03%～0.30，nb：0.002%～0.025%，zr：0.002%～0.025%，其余为fe和不可避免的杂质；在820～950℃对经热轧的钢板进行正火热处理，之后在550～680℃对经冷却的钢板进行回火热处理；其在600～660℃（实施例均为630℃）进行最大60小时的焊后热处理后的抗拉强度为550mpa或更高，在-10℃的夏比冲击能量值为100j或更高。然而，该钢含有较多的贵重元素mo（0.45%～0.60%），此外，除正火热处理之外，还增加了回火热处理工序，这导致其生产成本偏高。
4.公告号为cn108431272a的专利发明了一种对pwht具有优异抗性的低温压力容器用钢板及其制造方法，所述钢板即使在580～640℃（实施例均为630℃）实施最长20小时的pwht，也保持拉伸强度大于等于600mpa或更高，在-110℃下的夏比冲击能量值也大于等于200j。然而，该钢含有大量的贵重元素ni（3.0%～4.0%）以及少量的贵重元素w（0.03%～0.25%），此外，对热轧钢板还采用了淬火+高温回火的热处理工序，其生产成本明显偏高。


技术实现要素：

5.本发明针对上述技术问题，克服现有技术的缺点，提供一种低温压力容器钢板，其化学成分及质量百分比为：c：0.13%～0.16%，si：0.30%～0.40%，mn：1.35%～1.50%，p≤0.010%，s≤0.005%，nb：0.015%～0.020%，ti：0.010%～0.015%，v：0.025%～0.035%，其余为fe和不可避免的杂质。
6.本发明进一步限定的技术方案是：前所述的一种低温压力容器钢板，其化学成分及质量百分比为：c：0.13%～0.14%，si：0.32%～0.35%，mn：1.36%～1.38%，p≤0.008%，s≤0.003%，nb：0.016%～0.020%，ti：0.013%～0.015，v：0.025%～0.028%，其余为fe和不可避免的杂质。
7.前所述的一种低温压力容器钢板，其化学成分及质量百分比为：c：0.15%～0.16%，si：0.33%～0.34%，mn：1.46%～1.50%，p≤0.010%，s≤0.005%，nb：0.017%～0.019%，ti：0.011%～0.014，v：0.030%～0.035%，其余为fe和不可避免的杂质。
8.本发明的另一目的在于提供一种低温压力容器钢板制造方法，包括以下步骤：冶炼和轧制：按成分要求冶炼钢水，连铸成板坯，将板坯加热到1150～1250℃，均热时间≥40min，然后进行两阶段轧制：第一阶段轧制最后二道次压下量≥30mm、压下率≥22%，终轧温度控制为1000～1100℃；第二阶段开轧温度和终轧温度均≤800℃，轧制到所需厚度，轧后采用acc层流冷却；热处理：将经轧制的钢板加热至870～910℃之间，保温时间控制在1.5min/mm
×
h+10～20min，h为钢板厚度；之后采用强制风冷方式，使钢板以5～15℃/s的冷却速率进行冷却。
9.前所述的一种低温压力容器钢板制造方法，连铸成260mm厚度的板坯。
10.前所述的一种低温压力容器钢板制造方法，热处理后钢板的组织为铁素体、珠光体+少量贝氏体。
11.本发明的有益效果是：（1）本发明钢板在奥氏体化后以较快速度冷却，使v元素大部分固溶在铁素体中起固溶强化作用，而快冷可细化铁素体和珠光体，并获得少量贝氏体，使钢板的强韧性优于传统的正火钢板；（2）本发明在pwht工艺时，铁素体中过饱和的v将以弥散vc的形式不断析出，或扩散至已析出相上形成稳定的（ti, nb, v）复合碳氮化物，使其抵抗粗化能力更强，可有效弥补析出相的粗化导致的基体强韧性的损失，使低温压力容器钢对pwht具有优异的抵抗力；（3）本发明制备工艺简单，成本低，适合大批量推广应用。
附图说明
12.图1为本发明钢板热处理后的光学显微组织照片；图2为实施例1中钢板热处理后铁素体中析出相的tem照片；图3为实施例1中钢板经pwht工艺后铁素体中析出相的tem照片；图4为经pwht工艺后铁素体中析出相的能谱分析。
具体实施方式
13.一种低温压力容器钢板，其化学成分及质量百分比为：c：0.13%～0.16%，si：0.30%～0.40%，mn：1.35%～1.50%，p≤0.010%，s≤0.005%，nb：0.015%～0.020%，ti：0.010%～0.015%，v：0.025%～0.035%，其余为fe和不可避免的杂质。
14.制造方法，包括以下步骤：冶炼和轧制：按成分要求冶炼钢水，连铸成260mm厚度的板坯，将板坯加热到1150～1250℃，均热时间≥40min，然后进行两阶段轧制：第一阶段轧制最后二道次压下量≥30mm、压下率≥22%，终轧温度控制为1000～1100℃；第二阶段开轧温度和终轧温度均≤800℃，轧制到所需厚度，轧后采用acc层流冷却；热处理：将经轧制的钢板加热至870～910℃之间，保温时间控制在1.5min/mm
×
h+
10～20min，h为钢板厚度；之后采用强制风冷方式，使钢板以5～15℃/s的冷却速率进行冷却。
15.机理：除c、si、mn等元素之外，压力容器钢中的微合金ti、nb、v对其强韧化起到关键作用，其中nb（c, n）及ti（c, n）在奥氏体中的固溶度积极低，其高温未溶的碳氮化物可阻止奥氏体粗化，而轧制过程和奥氏体
→
铁素体相变过程析中出的粒子能显著细化奥氏体/铁素体晶粒，并对铁素体晶粒产生强烈的沉淀强化效果；由于vc的固溶度积远高于nb、ti的碳氮化物，其在奥氏体中完全溶解，只有当钢处于较低温度时（＜800℃）才以vc形式在铁素体中大量析出。对压力容器正火钢而言，在奥氏体化后的空冷过程中铁素体中的将析出大量vc，从而起到强烈的沉淀强化作用。然而，在pwht工艺时，长时间的高温热处理（一般为600～630℃
×
8h）将使正火钢的显微组织，特别是已析出的nb（c, n）、ti（c, n）及vc发生粗化，这是导致其强度和低温冲击韧性较正火态显著下降的根本原因。
16.为克服上述不足，本发明采取的措施包括：
①
钢中除c、si、mn等元素之外，还包含微合金ti、nb、v，其中v的重量百分比为0.025～0.035%；
②
将经热轧钢板加热到奥氏体化温度（870～910℃），之后采用强制风冷方式，使钢板以5～15℃/s的冷却速率进行冷却（正火热处理时，钢板通常在空气中自然冷却，其冷却速率＜0.5℃/s），一方面可使vc来不及大量析出（v元素大部分固溶在铁素体中，起固溶强化作用），另一方面，快冷可细化铁素体和珠光体，并获得少量贝氏体，使基体得到足够的强韧性；
③
在pwht工艺时，铁素体中过饱和的v将以弥散vc的形式不断析出，或扩散至已析出相上形成稳定的（ti, nb, v）复合碳氮化物，使其抵抗粗化能力更强，可有效弥补因析出相粗化导致的基体强韧性的损失，使低温压力容器钢对pwht具有优异的抵抗力。
17.下面结合实施例对本发明及其效果作详细说明：（1）冶炼工艺中钢的实际化学成分如表1所示：表1 冶炼化学成分（%）（2）不同厚度热轧板的热处理工艺及力学性能如表2所示：表2 热处理工艺及力学性能
（3）不同厚度钢板的pwht工艺及力学性能如表3所示：表3 pwht工艺及力学性能由表1～3的实施例1～4可见，采用本发明的成分设计及热处理工艺，钢板在热处理后（供货态）及pwht工艺后，强度和冲击韧性均满足客户的加严技术标准（屈服强度≥345mpa，抗拉强度≥485mpa，延伸率≥22%，-50℃冲击功≥47j）。在pwht工艺后，钢板强度仅略有下降，表现出对pwht具有优异的抵抗力。
18.在对比例1中，热处理时采用空冷，其余工艺与发明例1完全相同。可见经pwht工艺后，钢板的强度和冲击韧性均显著下降，其中屈服强度已不能满足要求。在对比例2中，v元素添加量为0.010%，其余工艺与发明例1完全相同。可见经pwht工艺后，钢板的强度和冲击韧性均显著下降，其中屈服强度已不能满足要求。
19.综上所述，本发明针对c-mn系低温压力容器钢，采用了添加微合金ti、nb、v的合金成分设计（其中v：0.025%～0.035%）。在钢板制备时，将经热轧的钢板在870～910℃奥氏体化处理后以高于传统正火工艺的冷速冷却（5～15℃/s），使v元素大部分固溶在铁素体中起固溶强化作用，获得铁素体和珠光体+少量贝氏体组织（图1），使钢板的强韧性优于传统的低温压力容器用正火钢板（供货态）；在pwht工艺时，铁素体中过饱和的v以弥散vc的形式不断析出，或扩散至已析出相上形成稳定的（ti, nb, v）复合碳氮化物（对比图2和图3可知，pwht工艺后，铁素体中析出相颗粒更多，且颗粒粗化不明显），可有效弥补析出相的粗化导致的基体强韧性的损失，使低温压力容器钢对pwht具有优异的抵抗力。
20.除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。