耐低溫壓力容器用鋼15MnNiDR的開(kāi)發(fā)

宋苓芝， 劉志勇， 賈 旭

（河鋼股份有限公司唐山分公司， 河北 唐山 063000）

耐低溫壓力容器用鋼主要用于制造盛放低溫介質(zhì)的壓力容器，是目前中厚板高附加值的產(chǎn)品之一。因其特有的使用環(huán)境的特殊性，對(duì)鋼水潔凈度、表面質(zhì)量，耐低溫沖擊、無(wú)損探傷檢驗(yàn)等方面有著更高的要求。唐山中厚板材有限公司采取微合金化和控軋控冷相結(jié)合的工藝，開(kāi)發(fā)了耐低溫壓力容器用鋼15MnNiDR，該鋼的各項(xiàng)力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 耐低溫壓力容器用鋼的基本工藝流程

結(jié)合河鋼股份有限公司唐山分公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)唐鋼）中厚板公司現(xiàn)有的工藝裝備特點(diǎn)，確定如下工藝流程：鐵水預(yù)處理—120 t轉(zhuǎn)爐—120 t LF爐—RH真空處理—板坯連鑄機(jī)—步進(jìn)梁式加熱爐—3500單機(jī)架軋機(jī)—超快冷—矯直機(jī)—質(zhì)量檢驗(yàn)—判定—入庫(kù)。

2 工業(yè)性試制工藝

2.1 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

開(kāi)發(fā)鋼種的成分設(shè)計(jì)主要依據(jù)GB/T 3531—2014，添加微合金元素Ni進(jìn)行固溶強(qiáng)化，提高鋼的低溫沖擊韌性，Nb、V、Ti碳化物的沉淀析出強(qiáng)化，使原奧氏體晶粒保持細(xì)化，以保證正火后鐵素體晶粒充分細(xì)化。

1）Ni在鋼中為純固溶元素，它與鐵以互溶形式存在于α和γ鐵相中，通過(guò)其在晶粒內(nèi)的內(nèi)吸附作用細(xì)化鐵素體晶粒，提高鋼的沖擊韌性。但Ni也是擴(kuò)大奧氏體元素，可使相變點(diǎn)降低，提高鋼的淬透性，易使鋼中出現(xiàn)貝氏體或馬氏體。因此，控制合適的Ni含量，使其保持單一的鐵素體+珠光體是改善韌性的關(guān)鍵[1]。

2）Nb在鋼中的主要作用就是提高奧氏體的再結(jié)晶溫度，同過(guò)TMCP達(dá)到細(xì)化奧氏體晶粒的目的，起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用，進(jìn)而獲得良好的綜合機(jī)械性能，但當(dāng) w（Nb）＞0.03%時(shí)，強(qiáng)化效果就開(kāi)始降低[2]，開(kāi)發(fā)鋼種的w（Nb）設(shè)計(jì)為0.02%～0.03%。

3）Ti加入鋼中有兩個(gè)目的，即晶粒細(xì)化和析出強(qiáng)化。兩種作用都是由微合金碳化物、氮化物或碳氮化物的析出引起的。在低合金高強(qiáng)度鋼中加入微量Ti，可以提高鋼的強(qiáng)度，改善鋼的冷成型性能和焊接性能[3]?？紤]到Ti微合金化在提高強(qiáng)度方面的穩(wěn)定性，所開(kāi)發(fā)鋼種加入Ti的主要作用是細(xì)化晶粒，改善鋼焊接性能。

依據(jù)上述原則和標(biāo)準(zhǔn)要求，易焊接耐大氣腐蝕用鋼的設(shè)計(jì)成分，見(jiàn)表1。

2.2 TMCP設(shè)計(jì)

TMCP技術(shù)包括控制軋制和控制冷卻技術(shù)，其核心是晶粒細(xì)化和細(xì)晶強(qiáng)化[4]。控制冷卻作為一種廉價(jià)的工藝手段，在改善鋼板的組織狀態(tài)，提高性能方面愈來(lái)愈發(fā)揮出重要作用。控制冷卻可以防止奧氏體晶粒長(zhǎng)大，細(xì)化鐵素體晶粒；此外，還能減少網(wǎng)狀碳化物的析出、降低其級(jí)別、保持其碳化物的固溶狀態(tài)，達(dá)到固溶強(qiáng)化之目的。同時(shí)，控制冷卻在減少珠光體球團(tuán)尺寸、改善珠光體形貌和片層間距、提高性能等方面也能起到獨(dú)特的作用[5]。

結(jié)合唐鋼中厚板公司現(xiàn)有裝備特點(diǎn)主要工藝參數(shù)為：二次開(kāi)軋溫度不大于920℃，中間坯厚度不小于3倍成品厚度；軋后采用超快冷冷卻，終軋溫度為780～840℃。

2.3 生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量控制

轉(zhuǎn)爐煉鋼時(shí)采用頂?shù)讖?fù)吹方式，終點(diǎn)w（C）≥0.08%，終點(diǎn)w（P）≥0.015%，終點(diǎn)溫度不小于1650℃，冶煉采用高M(jìn)gO，低堿度，低FeO渣系，模型w(MgO)控制在10%，進(jìn)站根據(jù)轉(zhuǎn)爐包樣Als成分打鋁線(xiàn)，將鋁控制在目標(biāo)需求，確保精煉渣堿度目標(biāo)4.0以上軟吹時(shí)間不小于 8 min，m（Ca）/m（Als）≥0.04，RH真空處理，連鑄全程保護(hù)澆鑄，使用含銅鋼保護(hù)渣，通過(guò)采取穩(wěn)定拉速、嚴(yán)格控制鋼水過(guò)熱度等措施，鑄坯下線(xiàn)堆冷24 h后裝進(jìn)入蓄熱式步進(jìn)粱加熱爐，加熱溫度控制在1 200℃左右，采取控軋控冷工藝組織生產(chǎn)。正火加熱溫度780～840℃，加熱系數(shù)1.5。

3 實(shí)物水平分析

3.1 力學(xué)性能分析（見(jiàn)表2）

表2 力學(xué)性能

表2統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，板材物理性能良好，屈服強(qiáng)度、伸率均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，尤其是低溫沖擊值-50℃沖擊達(dá)到70 J以上。

3.2 金相組織及夾雜物分析

圖1 金相組織（200×）

圖1 是厚度方向1／4處、心部的金相組織照片，從圖中可以看出：該鋼近表的組織為多邊形鐵素體+珠光體混合組織，帶狀組織為A2.0級(jí)由于采用了Ti微合金化技術(shù)和控制軋制技術(shù)，顯微組織均較細(xì)小，晶粒度為11級(jí)，較未加Ti生產(chǎn)鋼種的組織晶粒度細(xì)化。

圖2表明試樣斷口均是韌性斷裂，斷口中存在大量的大而深的韌窩，表現(xiàn)出良好的沖擊韌性，其脆性轉(zhuǎn)變溫度在-50℃到-60℃之間。拉伸性能和沖擊性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 沖擊斷口

3.3 夾雜物大樣電解

對(duì)耐低溫壓力容器用鋼15MnNiDR進(jìn)行大樣電解，見(jiàn)下頁(yè)圖3。鑄坯1/2處黃白色不規(guī)則顆粒夾雜約85%，黑色不規(guī)則顆粒夾雜約10%，黃色球狀?yuàn)A雜物不足5%，粒徑主要為50～1 270 μm；鑄坯1/4處黑色不規(guī)則顆粒夾雜約65%，透明不規(guī)則顆粒夾雜約25%，黑黃色球狀?yuàn)A雜物不足10%，粒徑主要為50～600 μm；鑄坯邊部黃白色不規(guī)則顆粒夾雜約85%，黑色不規(guī)則顆粒夾雜約10%，黃色球狀?yuàn)A雜物不足 5%，粒徑主要為 50～700 μm。

3.4 夾雜物掃描電鏡分析

使用SEM掃描電鏡和EDS能譜儀分析大型夾雜，結(jié)果如下：

大型夾雜第一類(lèi)為不規(guī)則塊狀，見(jiàn)下頁(yè)圖4，約占75%，粒徑主要分布在50～120 μm，其中約70%含有La、Ce、Na、K等元素，分析來(lái)源為中包覆蓋劑卷入鋼水中。

大型夾雜第二類(lèi)為不規(guī)則塊狀，見(jiàn)下頁(yè)圖5，約占20%，粒徑主要分布在 50～120 μm，主要成分為SiO2，分析來(lái)源為引流砂粘附中間包覆蓋劑，結(jié)晶器保護(hù)渣。

圖3 大樣電解夾雜物形貌

圖4 第一類(lèi)大型夾雜形貌成分

圖5 第二類(lèi)大型夾雜形貌成分

圖6 第三類(lèi)大型夾雜形貌成分

大型夾雜第三類(lèi)為球狀，見(jiàn)圖6，占比不足5%，粒徑主要分布在50～400 μm，成分為Al2O3-CaO，分析來(lái)源為脫氧產(chǎn)物沾附鋼包渣。

4 夾雜物控制

由示蹤和大樣電解試驗(yàn)可知，連鑄過(guò)程中保護(hù)澆鑄很好，鋼中夾雜物以脫氧產(chǎn)物Al2O3為主的復(fù)合夾雜物和以卷渣為主的外來(lái)夾雜。針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)LF底吹氬流量、精煉渣系進(jìn)行優(yōu)化。

4.1 LF底吹氬優(yōu)化

LF原有精煉過(guò)程送電加熱、合金化期間底吹流量為500～600 L/min，脫硫期間底吹流量為1 450～1 550 L/min，軟吹期間底吹流量為300 L/min。

圖7 LF鋼包混勻效果分析

由水模試驗(yàn)可知，見(jiàn)圖7及圖8，原底吹流量普遍偏大，發(fā)生卷渣的臨界氣量為100 L/min，氣量在50～150 L/min內(nèi)，混勻時(shí)間隨氣量增大而迅速減?。辉?50～250 L/min內(nèi)，混勻時(shí)間隨其增大降幅明顯變緩；在250～600 L/min內(nèi)，混勻時(shí)間隨其增加降幅進(jìn)一步變緩；在600～900 L/min內(nèi)，隨其增加，混勻時(shí)間緩慢降低；超過(guò)900 L/min之后，隨氣量增加，混勻時(shí)間幾乎不變。夾雜物去除率隨氣量增大呈先增大后減小規(guī)律，因此工藝調(diào)整為送電加熱期間：300～400 L/min，合金化期間：400～500 L/min，增碳、脫硫：800～900 L/min，喂線(xiàn)及軟吹期間：60 L/min。

圖8 吹氣量對(duì)夾雜物去除的影響

4.2 LF精煉渣優(yōu)化

原有精煉渣存在的主要問(wèn)題是精煉渣成分波動(dòng)較大，堿度偏低，精煉渣吸附夾雜效果差。在原有精煉渣成分為基礎(chǔ)，通過(guò)調(diào)整精煉渣m（CaO）/m（SiO2）、渣中Al2O3含量、FeO含量和渣量等參數(shù)來(lái)優(yōu)化精煉渣成分，提高吸附夾雜物的能力。具體措施如下：

1）爐渣中SiO2的含量控制在7%～8%。

2）強(qiáng)化對(duì)爐渣和鋼水的脫氧，向爐渣中加入擴(kuò)散脫氧劑，使渣中w（FeO+MnO）達(dá)到1%甚至0.5%以下，控制鋼中酸溶鋁含量，使鋼水中氧活度控制在3×10-6以下。

3）在一次供電15 min分鐘內(nèi)形成白渣。

4）精煉出站前喂鈣線(xiàn)，控制鋼中m(Ca)：m(Al)為0.04～0.10，使夾雜物變性成低熔點(diǎn)鈣鋁酸鹽。

5）優(yōu)化后LF爐目標(biāo)渣成分：w(CaO)為50%～60%，w(Al2O3)為 25%～30%，w（MgO）為 6%～9%，w（SiO2）為 7%～8%，w(TFe+MnO)≤1%，精煉渣堿度在6～8左右，由文獻(xiàn)可知，該成分有利于吸附夾雜，對(duì)冶煉Al鎮(zhèn)靜鋼尤為有效。

4 結(jié)論

1）開(kāi)發(fā)的耐低溫壓力容器用鋼15MnNiDR成分設(shè)計(jì)及生產(chǎn)工藝合理可行，產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）開(kāi)發(fā)的耐低溫壓力容器用鋼15MnNiDR低溫沖擊值達(dá)到70 J（-50℃）以上。

3）進(jìn)行了耐低溫壓力容器用鋼15MnNiDR的大樣電解及掃描電鏡分析，在工藝上對(duì)夾雜物進(jìn)行控制，取得了良好的效果。

4）開(kāi)發(fā)的耐低溫壓力容器用鋼15MnNiDR，對(duì)企業(yè)提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力和經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。