210 mm厚度Q345R壓力容器特厚板的研制

黃建華

(南京鋼鐵股份有限公司高端鋼鐵材料江蘇省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210035)

引 言

壓力容器是發(fā)電、化工、石油等行業(yè)的重要組成部件。隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展,壓力容器日趨大型化,承載高壓化，近年來(lái)隨著高壓容器的廣泛使用,對(duì)壓力容器的安全性提出了更高的要求。因此，制造這些裝備須使用大單重(30 t)的特厚鋼板(100 mm以上)。Q345R是GB713-2014標(biāo)準(zhǔn)中的低合金高強(qiáng)度鋼種,主要用于低中壓和常溫壓力容器[1-3]。

南京鋼鐵股份有限公司現(xiàn)有煉鋼設(shè)備有3座150噸轉(zhuǎn)爐、3座LF爐、2座RH爐精煉設(shè)備、3臺(tái)連鑄機(jī)，可生產(chǎn)坯料厚度150-320 mm，最大單重達(dá)到67噸；軋鋼設(shè)備有3500 mm爐卷軋機(jī)和5 m寬厚板軋機(jī)，熱處理設(shè)備有淬火機(jī)和正火爐等。為了進(jìn)一步提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,公司通過對(duì)成分的優(yōu)化設(shè)計(jì),冶煉、澆注、坯料焊接、軋制等關(guān)鍵工藝的控制,進(jìn)行了多次生產(chǎn)試驗(yàn),最終研發(fā)成功滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的210 mm厚度Q345R特厚容器板。

1 210 mm厚度Q345R主要標(biāo)準(zhǔn)要求

Q345R化學(xué)成分(熔煉分析)、力學(xué)性能、Z向性能和高溫拉伸性能要求分別如表1-4所示。

表1 Q345R化學(xué)成分/%

表2 Q345R力學(xué)性能

表3 Z向性能要求

表4 Q345R高溫力學(xué)性能要求(厚度>150-210 mm)

2 工藝路線

Q345R的工藝路線如下：倒罐站→成分驗(yàn)收→鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐→LF+RH→連鑄→坯料焊接→坯料驗(yàn)收入爐→加熱→粗除鱗→軋制→控冷→熱矯直→冷床空冷→熱軋標(biāo)識(shí)→熱軋檢驗(yàn)→切割→探傷→拋丸→正火→熱矯直→熱處理后檢驗(yàn)→判定→標(biāo)識(shí)→入庫(kù)

3 成分設(shè)計(jì)、冶煉和軋制工藝

3.1 化學(xué)成分的確定

特厚鋼板的成分設(shè)計(jì),必須保證鋼板強(qiáng)度和良好低溫韌性的合理匹配,同時(shí)要求低的碳當(dāng)量以保證其焊接性能。在普通C、Mn鋼的基礎(chǔ)上,添加適量的微合金元素V、Nb、Ti及提高韌性的元素Ni,通過微合金元素碳氮化物的析出強(qiáng)化和細(xì)化晶粒作用,保證了Q345R的高強(qiáng)度、高韌性和優(yōu)良的焊接性能,最終的化學(xué)成分如表5所示。

表5 Q345R化學(xué)成分/%

3.2 冶煉及連鑄工藝

壓力容器鋼內(nèi)部質(zhì)量要求高,冶煉時(shí)要盡量降低有害元素P、S含量。采用鐵水預(yù)處理脫硫,使入爐鐵水S質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.003%,入爐廢鋼選用優(yōu)質(zhì)邊角料,轉(zhuǎn)爐采用優(yōu)質(zhì)石灰,使用擋渣錐減少下渣量,加強(qiáng)轉(zhuǎn)爐吹煉終點(diǎn)控制,降低P含量。LF爐采用大渣量操作,控制加熱次數(shù)在3次以內(nèi),嚴(yán)格執(zhí)行吹氬制度,使鋼水成分均勻,鋼水中的夾雜物充分上浮。RH爐真空度≤0.3 kPa，保持時(shí)間≥12 min；為了保證鋼板內(nèi)部質(zhì)量良好,必須保證坯料有>3.0的壓縮比。連鑄坯厚度320 mm，連鑄結(jié)束后吊緩冷坑中進(jìn)行堆垛緩冷,緩冷時(shí)間>48 h。坯料緩冷結(jié)束后，坯料檢驗(yàn)合格，選2塊坯料進(jìn)行坯料焊接，焊接成640 mm的坯料進(jìn)行軋制。

3.3 軋制及熱處理工藝

3.3.1 加熱工藝

坯料的最高加熱溫度決定著奧氏體的原始晶粒度大小和合金元素的固溶程度,直接關(guān)系到鋼板的最終性能。鋼中添加Nb、V、Ti微合金元素,Nb、V形成的碳氮化物質(zhì)點(diǎn)阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大,奧氏體粗化溫度在1200-1280 ℃。因此,在保證較低軋制變形抗力的前提下,考慮到實(shí)際均熱爐爐溫與坯料時(shí)間存在一定的溫差,確定坯料出鋼溫度1160-1200 ℃。

3.3.2 軋制工藝

210 mm厚度特厚板,采用控制軋制,由于中間坯厚度大,采用粗軋大壓下的原則。為使厚度方向晶粒尺寸均勻,在軋制過程中應(yīng)合理控制每道次壓下量及軋制速度,在奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制時(shí),應(yīng)使形變?cè)诤穸确较虺浞譂B透至中心部分,以充分進(jìn)行奧氏體再結(jié)晶,達(dá)到晶粒尺寸均勻細(xì)化[4]。因此,采用高溫低速大壓下工藝,充分發(fā)揮5 m軋機(jī)軋制力12000 t的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)軋件溫度在940 ℃以上時(shí),單道次壓下量控制在40-55 mm,軋制線速度控制在1.4-1.9 m/s,，鋼板軋后空冷。

3.3.3 軋后堆垛緩冷工藝

鋼板下線后進(jìn)行堆垛緩冷,釋放殘余應(yīng)力,以及改善鋼板中心線區(qū)域的組織結(jié)構(gòu),堆冷溫度大于400 ℃以實(shí)現(xiàn)熱擴(kuò)散處理，去除金屬中擴(kuò)散的[H],提高鋼板的塑韌性。

3.3.4 熱處理工藝的制定

特厚鋼板軋制后,為了保證鋼板優(yōu)良的綜合力學(xué)性能,進(jìn)一步細(xì)化晶粒,提高低溫韌性。對(duì)鋼板進(jìn)行正火處理,低合金高強(qiáng)度鋼正火保溫溫度為:AC3+(30-50)℃,相變的AC3一般采用公式AC3=910-203w(C)1/2+44.7w(Si)-15.2w(Ni)+104w(V)+31.5w(Mo)+13.1w(W)進(jìn)行計(jì)算,確定正火工藝如表6所示。

表6 Q345R正火工藝

4 試軋后鋼板檢測(cè)結(jié)果及分析

鋼板力學(xué)性能結(jié)果如表7-9所示,金相檢測(cè)結(jié)果如表10所示,金相圖片如圖1所示。由表7可知鋼板屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度富余量都在50 MPa以上,沖擊功平均150 J，此性能完全達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求且富余量較大，由表10可知夾雜物含量為2.5級(jí)別以下,晶粒度7.5級(jí),由圖1可知，鋼板的組織為鐵素體+珠光體。鋼板逐張進(jìn)行100%超聲檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果符合NB/T47013.3-2015中第1號(hào)修改單規(guī)定的Ⅰ級(jí)要求。

表7 Q345R常規(guī)力學(xué)性能

表8 Q345R高溫拉伸性能/MPa

表9 Z向性能

表10 Q345R金相檢測(cè)結(jié)果

圖1 210 mm Q345R鋼板金相圖片

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)通過添加適量V、Nb、Ti等微合金元素的成分設(shè)計(jì)，320 mm的坯料真空焊接確保軋制的壓縮比,軋制嚴(yán)格執(zhí)行高溫低速大壓下工藝,保證了軋后鋼板良好的內(nèi)部質(zhì)量,正火處理后，力學(xué)性能滿足要求，內(nèi)部質(zhì)量探傷符合NB/T47013.3-2015中第1號(hào)修改單規(guī)定的Ⅰ級(jí)要求。

(2)210 mm厚度Q345R的成功開發(fā),提高了南京鋼鐵股份有限公司具備生產(chǎn)國(guó)標(biāo)GB/T713-2014中Q345R厚板的能力,提高了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。