壓力容器用DIWA373鋼板的研制

供稿|石莉，曹殿正，林明新，張萌 / SHI li, CAO Dian-zheng, LIN Ming-xin, ZHANG Meng

內(nèi)容導(dǎo)讀

DIWA373主要用于制造高溫高壓容器，如火力發(fā)電超臨界機(jī)組中的鍋爐汽包、汽水分離器、蒸汽發(fā)生器等。現(xiàn)代壓力容器設(shè)備日益向大型化及高參數(shù)化發(fā)展，對(duì)鋼板的厚度要求也越來(lái)越高，如何獲得高品質(zhì)的低屈強(qiáng)比高強(qiáng)特厚鋼板已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。舞鋼結(jié)合自身設(shè)備，通過(guò)合理的成分設(shè)計(jì)，采取控軋控冷及亞溫淬火等工藝控制，成功開(kāi)發(fā)出了厚度為170 mm具有良好綜合力學(xué)性能及內(nèi)部質(zhì)量的低屈強(qiáng)比DIWA373鋼板。結(jié)果表明：鋼板探傷級(jí)別滿(mǎn)足NB/T47013-2015標(biāo)準(zhǔn)I級(jí)；鋼板各處組織均勻細(xì)小，表層以回火馬氏體組織為主，內(nèi)部以回火貝氏體組織為主；鋼板厚度方向各處性能指標(biāo)均符合技術(shù)要求，并有一定的富裕量。

DIWA373屬于德國(guó)狄林根公司生產(chǎn)的鋼種，主要用于制造高溫高壓容器，如火力發(fā)電超臨界機(jī)組中的鍋爐汽包、汽水分離器、蒸汽發(fā)生器等元件。高溫高壓容器所選鋼材，其性能對(duì)保證設(shè)備安全運(yùn)行至關(guān)重要，不僅要具有足夠高的強(qiáng)度、塑性和韌性，還要保證良好的焊接性能、較低的屈強(qiáng)比等[1]。傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)型鋼材對(duì)于強(qiáng)度的需求已不成問(wèn)題，但其屈強(qiáng)比高和焊接性能差等缺點(diǎn)，尤其是高的屈強(qiáng)比嚴(yán)重制約了這類(lèi)板材的應(yīng)用。同時(shí)，現(xiàn)代壓力容器設(shè)備日益向大型化及高參數(shù)化發(fā)展，對(duì)鋼板的厚度要求也越來(lái)越高。因此，如何獲得高品質(zhì)的低屈強(qiáng)比高強(qiáng)特厚鋼板已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

本文介紹了舞鋼結(jié)合自身設(shè)備，通過(guò)合理的成分設(shè)計(jì)及關(guān)鍵生產(chǎn)工藝控制，成功開(kāi)發(fā)出了厚度170 mm的具有良好綜合力學(xué)性能的DIWA373鋼板，鋼板滿(mǎn)足屈強(qiáng)比≤0.84。

主要技術(shù)要求

根據(jù)VDTUV377/1及設(shè)備制造廠的采購(gòu)技術(shù)要制訂了超大厚度DIWA373鋼板的技術(shù)要求。

化學(xué)成分

DIWA373鋼板的化學(xué)成分要求如表1所示。

力學(xué)性能

超大厚度DIWA373鋼板交貨狀態(tài)下(Q+T)的力學(xué)性能應(yīng)滿(mǎn)足表2的要求。

超聲波探傷要求

鋼板按NB/T47013—2015標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行100%超聲波無(wú)損檢測(cè)，I級(jí)合格。

表1 鋼板的化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 鋼板的力學(xué)性能要求

化學(xué)成分及關(guān)鍵工藝設(shè)計(jì)

化學(xué)成分設(shè)計(jì)

合理的化學(xué)成分設(shè)計(jì)對(duì)保證鋼板力學(xué)性能、焊接性能及降低成本都至關(guān)重要。本文采取低碳高錳的設(shè)計(jì)原則，同時(shí)加入適量的Ni、Cu、Mo、Nb合金元素。C、Mn為主要強(qiáng)化元素，考慮到焊接性及低溫韌性C含量不宜過(guò)高，而Mn元素除強(qiáng)化外，還起到輕微細(xì)化組織及防止熱脆性的作用。Cu在一定溫度下保溫可以析出ε-Cu粒子，產(chǎn)生時(shí)效硬化作用[2]。此外，Cu還可以顯著提高鋼板的耐腐蝕性，但是Cu易在軋制過(guò)程中產(chǎn)生銅脆現(xiàn)象，因此必須加入Cu含量1.5倍的Ni，以防止銅脆產(chǎn)生[3]。Ni元素也可以起到提高基體韌性的作用。Mo元素可以提高鋼板的熱強(qiáng)性，同時(shí)也抑制奧氏體的分解，有利于貝氏體或馬氏體組織的形成。Nb為強(qiáng)碳化物形成元素，其擁有最強(qiáng)的晶粒細(xì)化作用及一定的沉淀強(qiáng)化作用。最后還要控制鋼中的P、S、夾雜物、氣體等有害物質(zhì)，以確保鋼板純凈度。

工藝路線

初煉→LF精煉→VD真空脫氣→模鑄→鋼錠加熱→軋制→淬火→回火→探傷→性能檢驗(yàn)→切割定尺→判定入庫(kù)。

軋制工藝

采取兩階段控制軋制及控制冷卻工藝。兩階段控制軋制可起到細(xì)化晶粒、應(yīng)變誘導(dǎo)微合金元素Nb析出的作用?？刂评鋮s通過(guò)控制起始冷卻溫度起到控制組織構(gòu)成及其尺寸的作用。具體工藝參數(shù)執(zhí)行：Ⅰ階段開(kāi)軋溫度1050～1100℃，晾鋼厚度220mm；II階段開(kāi)軋溫度≤900℃，終軋溫度800～820℃；軋后小水量冷卻，開(kāi)冷溫度750～780℃，終冷溫度580～630℃。

熱處理工藝

調(diào)質(zhì)處理(Q+T)是低合金高強(qiáng)鋼常用的熱處理工藝，可以獲得高強(qiáng)度的馬氏體或貝氏體組織，然而其屈強(qiáng)比大、韌性差。屈強(qiáng)比越大，鋼板屈服后的塑性變形越小，越易發(fā)生斷裂。采取亞溫淬火+回火的熱處理工藝，可有效改善鋼板的屈強(qiáng)比及韌性，尤其是低溫韌性。亞溫淬火的加熱溫度比常規(guī)淬火低，其奧氏體晶粒相對(duì)細(xì)??；同時(shí)亞溫淬火奧氏體化不完全，存在未溶的鐵素體及碳化物，未溶鐵素體可阻礙奧氏體晶界的遷移從而抑制奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，而未溶的碳化物降低了奧氏體中的碳含量，使得相變后鐵素體組織體積分?jǐn)?shù)增大；實(shí)驗(yàn)鋼種加入了一定的Nb元素，亞溫淬火時(shí)鋼中的Nb(C、N)粒子溶解有限，未溶的Nb(C、N)粒子可有效地釘扎位錯(cuò)及奧氏體晶界，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的作用。細(xì)化晶粒是同時(shí)提高鋼板強(qiáng)度和塑韌性的有效方法，另外總晶界面積的增多可使單位面積上的有害元素減小，有效地減弱了有害元素的偏聚。而硬度低塑性好的鐵素體組織存在及其體積分?jǐn)?shù)的增大能有效防止應(yīng)力集中及阻礙裂紋的擴(kuò)展，從而使鋼板的韌性提高、屈強(qiáng)比降低。

亞溫淬火溫度以略低于臨界奧氏體化溫度為最佳，較低的加熱溫度會(huì)因鋼中存在大塊狀鐵素體組織而惡化鋼的性能。因此，采取的熱處理工藝為：淬火，加熱溫度850～860℃，保溫時(shí)間2 min，水冷；回火，加熱溫度(640±5)℃，保溫時(shí)間4 min，空冷。

實(shí)物質(zhì)量與分析

對(duì)試制的厚度170 mm的DIWA373鋼板進(jìn)行成分、力學(xué)性能檢驗(yàn)以及組織觀察。取樣方法及試樣制備應(yīng)符合EN10028-1—2007的規(guī)定，常溫拉伸、高溫拉伸、夏比沖擊、Z向拉伸實(shí)驗(yàn)方法分別按EN10002-1—2001、EN10002-5—1991、EN10045-1—1990及EN10164—2004標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，試樣經(jīng)體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精腐蝕后在金相顯微鏡及掃描電鏡下進(jìn)行組織觀察。

化學(xué)成分

通過(guò)冶煉的精確控制，實(shí)物鋼板的化學(xué)成分如表3所示。各元素的化學(xué)成分均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，且有害元素P、S含量控制在較低水平。

力學(xué)性能

為了分析該超大厚度鋼板的力學(xué)性能及其厚度方向性能的均勻性，分別在鋼板上下表面，上下厚1/4，厚1/2處取樣進(jìn)行力學(xué)檢驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4和表5。

鋼板內(nèi)部(上下1/4及1/2)力學(xué)性能相近，屈服強(qiáng)度至少高出標(biāo)準(zhǔn)120 MPa，而抗拉強(qiáng)度均處于中線，塑韌性處于優(yōu)異水平。由于受冷卻條件等因素的影響，該170 mm超大厚度鋼板表層力學(xué)性能與內(nèi)部有一定的差異，表層強(qiáng)度偏高、塑韌性偏低，但是差距并不大且其指標(biāo)均在技術(shù)要求范圍之內(nèi)?？偠灾?，結(jié)合表2可知，該實(shí)物鋼板具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。

表3 實(shí)物鋼板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表4 實(shí)物鋼板室溫拉伸及高溫拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表5 實(shí)物鋼板Z向拉伸及夏比沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

超聲波檢驗(yàn)

實(shí)物鋼板經(jīng)100%超聲波檢驗(yàn)，結(jié)果滿(mǎn)足NB/T47013—2015標(biāo)準(zhǔn)I級(jí)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)部質(zhì)量良好。

組織觀察

圖1為交貨狀態(tài)鋼板不同厚度位置的金相顯微組織。鋼板上下表面的組織為回火馬氏體+少量回火貝氏體組織，晶粒度9級(jí)；內(nèi)部(板厚上下1/4及1/2)組織為回火貝氏體+少量鐵素體組織，晶粒度8.5～8級(jí)。

通過(guò)掃描電鏡觀察更高倍次的顯微組織，如圖2，可明顯看出表層組織中的第二相尺寸偏小且分布更加彌散，內(nèi)部組織中存在未溶的鐵素體和先共析鐵素體組織且心部含量較1/4處偏多、尺寸偏大。

造成鋼板厚度方向組織差異的原因有兩點(diǎn)：鋼板冷卻時(shí)冷卻速率不同為主要原因，表層冷速較大；其次鋼板厚度太大，亞溫淬火時(shí)奧氏體化溫度表層較內(nèi)部偏高，即奧氏體化程度高些。

結(jié)束語(yǔ)

(1) 舞陽(yáng)鋼廠結(jié)合自身設(shè)備，通過(guò)合理的成分設(shè)計(jì)、并采取控軋控冷及亞溫淬火等工藝，成功開(kāi)發(fā)出了厚度170 mm具有良好綜合力學(xué)性能及內(nèi)部質(zhì)量的DIWA373鋼板，同時(shí)鋼板滿(mǎn)足屈強(qiáng)比≤0.84。

(2) 該試制鋼板各處組織均勻細(xì)小，表層以回火馬氏體組織為主，內(nèi)部以回火貝氏體組織為主。鋼板厚度方向性能雖有差異但差距并不大，且無(wú)論表層還是內(nèi)部性能指標(biāo)均符合技術(shù)要求。