大型3.5%Ni型低溫超純凈鋼鍛件的工藝與性能

杜軍毅

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川德陽 618000)

0 引言

近年來，隨著大型乙烯、液化天然氣、海洋裝備等新型清潔能源產業(yè)的發(fā)展，低溫容器成為壓力容器行業(yè)重要分支，有力地推動了低溫領域的技術進步。3.5%Ni型鋼因其在-120～-80 ℃具有良好的低溫韌性，成為石油、空分制氧、液化天然氣儲罐以及大型乙烯裝置低溫壓力容器的主要用鋼。

3.5%Ni鋼屬體心立方晶格鐵素體型金屬材料，能否均質、有效滿足-100 ℃低溫韌性KV2指標，成為3.5%Ni制造的關鍵難題和低溫容器安全使用的最為重要的指標。由于該類鋼冶煉、軋制、鍛造和熱處理技術難度較高，長期以來，含鎳低溫鋼主要由日本、德國、美國等少數(shù)幾個國家制造[1-4]。國產-100 ℃以下低溫用鋼制造領域，研發(fā)上相對緩慢，直至2011年后才得到了實際應用，目前，主要限制于100 mm以下板焊容器制造和150 mm鋼板研發(fā)，大鍛件研究屬全新領域[5-9]。

為承制大型低溫容器及其關鍵大鍛件，投制了1支69 t鋼包精煉、真空除氣+真空澆注鋼錠，鍛透壓實后，制造出?1 520 mm×295 mm(壁厚)×2 500 mm(高度)、重量33 t的試驗筒體鍛件。通過連續(xù)冷卻轉變曲線、工藝參數(shù)測試研究，制定出合理的、窄范圍操作的熱處理工藝參數(shù)，經(jīng)制造、解剖、檢驗，該筒體鍛件的化學成分和力學性能均滿足設備的技術要求，且成分和力學性能的均勻性良好。通過近幾年的研制，生產了多套滿足不同應用介質的低溫容器及其大鍛件。

1 研制的主要技術要求

容器外殼鋼采用3.5%Ni鍛件制造，并應具有高的低溫韌性、適當強度及均質性，同時焊接性能良好。

1.1 化學成分

鍛件的化學成分應符合表1規(guī)定。

表1 3.5%Ni鋼鍛件的化學成分要求Tab.1 Chemical composition requirements of 3.5%Ni steel forgings %

1.2 力學性能

(1) 調質后，在鍛件t×2t位置取樣，經(jīng)(600±5) ℃×12 h最大模擬焊后熱處理(max.PWHT)后，鍛件的室溫拉伸性能應滿足：抗拉強度Rm=485～655 MPa，屈服強度Rp0.2≥260 MPa，伸長率A≥22%，斷面收縮率Z≥35%； 鍛件-100 ℃夏比V型沖擊性能應滿足：KV2≥48 J(3個試樣平均值)，KV2≥34 J(單個試樣最小值)，硬度值不超過237HBW(t×2t中t表示最近的熱處理表面距離最高拉應力區(qū)的距離，本文為20 mm；t×2t表示截取的試樣縱軸離鍛件最近的熱處理表面至少等于t(20 mm)，且試樣長度的中線到其他熱處理表面至少為2t(40 mm))。

(2)為考核母材鍛件力學性能的均勻性，分別在水口端t×2t,t×1/2T部位，以及冒口端距離筒體外表面T×1/4T,T×1/2T,T×3/4T的部位，相對180°取樣進行檢驗(t×1/2T部位表示取試樣的縱向軸線距筒體外表面的距離至少應為壁厚的1/2，試樣的有效部分距離熱處理端面的距離至少為t(20 mm)；T×1/4T表示取試試樣的縱向軸線距筒體外表面的距離至少應為壁厚的1/4，試樣的有效部分距離熱處理端面的距離至少為T；T×1/2T，T×3/4T以此類推；T為鍛件壁厚，本文鍛件實際厚度為290 mm)。

1.3 晶粒度

按ASTM E 112法測定晶粒度，鍛件奧氏體晶粒度應為5級以上(含5級)。

1.4 夾雜物

按照 GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》規(guī)定的 B 法進行非金屬夾雜物評定，鍛件的硫化物類(A 類)、氧化鋁類(B 類)、硅酸鹽類(C 類)及球狀氧化物類(D 類)、單顆粒球狀類(DS 類)均不得大于 1.5 級，且應滿足A+C≤2.0，B+D≤2.0，A+B+C+D+DS≤4.5 級。

2 研制過程

2.1 工藝流程

3.5%Ni低溫鋼試驗筒體鍛件工藝流程如下： 冶煉→鍛造→鍛后熱處理→粗加工以及性能熱處理前的超聲檢測→切環(huán)、工藝參數(shù)試驗→性能熱處理→性能檢驗與解剖→加工超聲檢測→研制報告。

2.2 冶煉工藝要點

首件試制的鋼錠重量為69 t，為滿足低溫韌性要求，提高厚壁鍛件的淬透性，保證鍛件的力學性能，采取了以下化學成分內控和冶煉工藝措施。

2.2.1 化學成分控制

碳以相變強化和固溶強化的形式提高鋼的屈服強度和抗拉強度，但卻降低了鋼的韌性，同時有可能惡化鋼的焊接性能[10-11]。為滿足-100 ℃低溫厚壁容器的鍛件以及焊縫的力學性能，必須對碳含量進行控制，研究及工程實踐表明：C含量必須控制在0.12%以下。

為了提高鋼的低溫韌性、彌補降碳量引起的強度損失，將鎳含量控制在3.5%～3.75%，適量提高鋼中Mn含量，兼顧強度和補償韌性[12]。已有文獻表明[13]： Ni,Mn,C 元素對3.5%Ni 鋼的強度貢獻可達到308 MPa。為減少厚壁、冷卻條件等對淬透性的影響，試驗還添加Mo,V等微合金化元素，并降低P,S元素至痕跡含量，以提高材料的強韌性。

2.2.2 鋼的冶煉

鋼水采用堿性電爐粗煉出P含量達到0.002%以下的鋼水，通過倒包方式將鋼渣分離，徹底去除氧化渣； 鋼水兌入鋼包精煉爐后，造高堿度、高溫還原渣，進行Si,Al脫氧降低鋼水中O含量至0.0012%；通過真空處理，有效降低鋼液中的H含量。真空后，加入微合金化元素，通過對微合金化元素控制進行精心設計，對氣體元素N的控制、對易氧化元素Al控制作了嚴格的要求。溫度合適后進行真空澆注，使鋼達到高純凈鋼的要求。

2.3 鍛造工藝要點

使用120MN水壓機進行3.5%Ni鋼錠鍛造，鍛造溫度為1 250～800 ℃。為減少Ni元素顯微偏析帶來的低溫沖擊性能波動，鍛坯進行了長時間的高溫擴散加熱；通過采取鐓粗、大直徑?jīng)_子沖孔、拔長相結合的鍛造工藝，實現(xiàn)特大壁厚鍛件心部的鍛透壓實。試驗筒體分四火完成：第一火：壓鉗口、倒棱、錯底;第二火：鐓拔下料，進行寬砧拔長、倒八方→滾圓、下料;第三火：鐓粗和沖孔;第四火：擴孔和拔長，進行預擴孔、馬杠直接拔長→出成品。

2.4 鍛件的熱處理

3.5%Ni鋼屬熱處理敏感性鋼種。為改善熱鍛粗大組織、細化3.5%Ni鋼鍛坯晶粒，實施了鍛后熱處理工藝。鍛件鍛后空冷，使過冷奧氏體組織完成轉變，隨后進行了正火、回火處理。在980 ℃以下正火和650 ℃以下回火。之后，3.5%Ni鋼試驗筒體鍛件粗加工至：內徑?1 520 mm×295 mm(壁厚)×2 500 mm(高度)，按照ASME第八卷2分冊及SA-388要求對整個鍛件體積進行超聲波縱波和橫波檢測，且對所有表面按ASME第二卷SA-275的要求采用濕式連續(xù)發(fā)進行磁粉檢測。檢驗結果沒有缺陷顯示，因此，證明鍛件的質量較好。

2.4.1 鋼的連續(xù)冷卻轉變CCT曲線測定

采用鍛件水口端試料，在LINSEIS L78熱膨脹相變儀測定了鋼的鍛件相變點及連續(xù)冷卻轉變CCT曲線，如圖1所示。

A.奧氏體;F.鐵素體圖1 3.5%Ni低溫鋼連續(xù)冷卻轉變曲線Fig.1 Continuous cooling transition curve of 3.5%Ni cryogenic steel

該鋼種的CCT曲線呈現(xiàn)以下特征：(1)奧氏體化開始溫度(Ac1)為680 ℃，奧氏體化終了溫度(Ac3)為815 ℃；(2)合金經(jīng)860 ℃完全奧氏體化以后，冷卻速度在10 ℃/s以下時，主要為鐵素體+少量珠光體轉變，電子顯微鏡下顯微組織為鐵素體+少量(殘余奧氏體+珠光體)，這說明該鋼為鐵素體型鋼。

2.4.2 鋼的熱處理參數(shù)工藝的確定

性能熱處理前，在試驗筒節(jié)水口端切取試樣，在型號為MRⅡ的模擬熱處理爐中，進行不同的奧氏體化溫度、淬火速度和不同的回火溫度、時間下進行試驗，其力學性能結果如圖2～5所示。

(a)強度

(b)低溫韌性圖2 不同奧氏體化溫度后以85 ℃/min冷卻速率對鋼的強度、低溫韌性影響Fig.2 Influence of 85 ℃/min cooling rate on strength and low-temperature toughness of steel at different austenitizing temperatures

(a)強度

(b)低溫韌性圖3 不同奧氏體化溫度后以20 ℃/min冷卻速率對鋼的強度、低溫韌性影響Fig.3 Influence of 20 ℃/min cooling rate on strength and low-temperature toughness of steel at different austenitizing temperatures

圖4 不同回火溫度對鋼的強度影響Fig.4 Influence of different tempering temperature on steel strength

(a)強度

(b)低溫韌性圖5 不同回火參數(shù)與強度和低溫韌性的關系Fig.5 Relationship between different tempering parameters and strength & low-temperature toughness

由圖5可以看出，從820～1 030 ℃奧氏體范圍內，鋼的強度隨著淬火溫度的提高呈線形提高，尤以室溫屈服強度ReL明顯。材料的抗拉強度由520 MPa上升至580 MPa，而屈服強度則由320 MPa上升至460 MPa；而鋼的韌性隨著淬火溫度的提高，鋼的韌性呈拋物線變化，當正火溫度從820 ℃升高到880 ℃時韌性有了大幅提高。當達到1 000 ℃以后，鋼的韌性下降很快，KV2值下降至20 J以下。

同時，奧氏體溫度、回火參數(shù)(溫度和時間)，尤其是奧氏體化后的冷卻速度對鋼的強度和低溫沖擊產生很大的影響，但其對強度、韌性影響規(guī)律不變。結合鋼的晶粒度試驗變化規(guī)律，3.5%Ni鋼鍛件淬火溫度應當在840～900 ℃。

鋼鍛件不同回火溫度對強度影響試驗可以看出，在400～640 ℃回火溫度范圍內，隨著回火溫度的提高，鋼的強度呈線形緩慢下降趨勢變化；達到640 ℃以后，隨著回火溫度的進一步提高，鋼的強度陡然提高。如果以回火參數(shù)Larson-Miller參數(shù)式P=T(20+lgt)×10-3來表述與強度、韌性的關系，其最佳P值為18.4～19.4之間。當回火溫度達到670 ℃時，材料的屈服強度ReL提高至440 MPa，抗拉強度提高至600 MPa的異常效果。

說明3.5%Ni鋼在640 ℃以下回火穩(wěn)定性較高，最佳回火溫度應在600～640 ℃，最佳回火參數(shù)P值為18.4～19.4。但當回火溫度達到670 ℃以上時，可能使材料的韌性惡化。

2.4.3 鍛件的熱處理參數(shù)工藝的確定

根據(jù)試驗結果：3.5%Ni鋼是以鐵素體組織為基底的鋼種，為獲得良好的綜合力學性能，合理地選擇熱處理參數(shù)(奧氏體化溫度和淬火冷卻速度)尤為重要。提高鍛件冷卻速率可以使有限的強化產物組織轉變,奧氏體化后的冷卻速率越大，獲得沖擊韌性最大值的回火條件就向高溫和長時間方向擴大，并且沖擊韌性值也提高。因此，為了確保厚壁3.5%Ni鋼鍛件的沖擊韌性指標，3.5%Ni鋼試驗筒體鍛件的性能熱處理為820～890 ℃保溫至完全奧氏體化以后，在大型水槽中強冷至80 ℃以下，之后在600～640 ℃溫度進行回火。

3 鍛件的解剖檢測結果

性能熱處理后，分別在3.5%Ni鋼試驗筒體鍛件水口端、冒口端切取試環(huán)進行理化性能檢驗，其檢驗結果如下。

3.1 化學成分

試驗筒體不同部位的化學成分結果見表2。

表2 試驗筒體不同部位的化學成分Tab.2 Chemical composition of different location of test cylinder (%)

3.2 力學性能

在試驗筒體上水冒口兩端制取試樣，經(jīng)過最大模擬焊后熱處理(max.PWHT)后，進行不同層位、不同試驗方向的室溫拉伸試驗和-100 ℃夏比沖擊性能試驗以及硬度試驗，其硬度為HB154～HB163,平均值為HB161,各部位室溫拉伸和-100 ℃夏比沖擊性能試驗結果如圖6,7所示。

(a)縱向拉伸

(b)縱向沖擊圖6 試驗筒體鍛件水口端縱向拉伸和沖擊性能試驗結果Fig.6 Test results of longitudinal tensile and impact performance of the nozzle end of the test cylinder forgings

(a)冒口端縱向和橫向拉伸結果

(b)冒口端-100 ℃夏比沖擊圖7 試驗筒體冒口端縱、橫向拉伸和-100 ℃夏比沖擊性能試驗結果Fig.7 Test results of longitudinal and transverse tensile and Charpy impact performance at -100 ℃ of top end of test cylinder

3.3 金相試驗

從試驗筒體上水冒口兩端不同部位制取試樣，按技術條件要求分別進行顯微組織、奧氏體晶粒度、非金屬夾雜物測定。其非金屬夾雜物粗系、細系檢測結果為0.5～1級；奧氏體晶粒度為7.5～8.5級，顯微組織為鐵素體+少量(珠光體+碳化物)，如圖8，9所示。

圖8 試驗筒體各部位晶粒度試驗結果Fig.8 Grain size test results of various parts of the test cylinder

(a)OM 200×

(b)SEM 10 000×圖9 3.5%Ni鋼鍛件調質后顯微組織Fig.9 Microstructure of 3.5%Ni steel forging after quenching and tempering

3.4 上平臺吸收能量及韌脆轉變溫度試驗

在試驗筒體冒口端不同層位制取試樣，經(jīng)過最大模擬焊后熱處理(max.PWHT)后，在-40～-140 ℃的溫度下，進行縱向的上平臺吸收能量及鋼的韌脆轉變溫度試驗，其結果如表3所示。

表3 試驗筒體的上平臺沖擊吸收能量及韌脆轉變溫度試驗結果Tab.3 Test results of upper platform absorb energy and ductile brittle transition temperature of test cylinder

4 結果分析與產品驗證

4.1 結果分析

從表1～3和圖6～9可看出，試驗筒體鍛件的各項性能指標滿足鍛件技術條件的要求。

從表2可以看出，試驗筒體鍛件各部位的化學元素的偏差很小，磷、硫、銅、氧等有害元素含量低，各化學元素成分含量達到了設計要求，為獲得優(yōu)質性能鍛件打下基礎。 從圖6可以看出，試驗筒體鍛件各部位的力學性能均明顯高于鍛件技術條件的要求，其中，t×2t與T×1/4T部位ReL最低值為428,367 MPa，t×2t與T×1/4T部位Rm最低值也有530,519 MPa。不但鋼的強度指標理想(如冒口T×1/4T部位ReL平均值為384 MPa,內外層平均偏差值不超過5%) ，而且韌塑性指標良好。同時，同一截面上不同部位、不同方向的力學性能相近，沒有明顯的差異，說明鍛件均質性高，表現(xiàn)出優(yōu)良的綜合力學性能。

試驗筒體不同部位的硬度值為156HBW～166HBW，滿足技術條件要求，波動非常小。圖8，圖9以及非金屬夾雜物的試驗結果表明，試驗筒體鍛件各部位的顯微組織相同，晶粒細小，按照McQuaid-Ehn法測定的奧氏體晶粒度均為7.5～8.5級。鋼中非金屬夾雜物為0.5～1.0級，證明鍛件的均質性及純潔性好。從表3可看出，試驗筒體鍛件的上平臺沖擊吸收能量達到261 J以上，性能良好，確保了筒體鍛件有充足的安全裕度，其韌脆轉變溫度在-92～-102 ℃，與-100 ℃沖擊韌性測試結果對比，其結果相互印證。

4.2 產品驗證

2014年，某公司研制出12臺低溫滌氣器全套大鍛件，該容器每臺由2個封頭和1件筒體組成，內壁堆焊E309+E316L，容器筒體圖紙尺寸為：?1506 mm×245 mm(壁厚)×3 996 mm(長度)，封頭設計圖紙尺寸為SR808×最小厚度135 mm。2016年2月～2019年10月,又采用相同規(guī)格的大鍛件成功制造出用于國外工程的6臺注射氣體壓縮吸入洗滌器，見圖10。

(a)

5 結論

(1) 3.5%Ni鋼鍛件試驗研究表明，所研發(fā)的3.5%Ni純凈鋼筒體鍛件是成功的，提出了煉鋼、鍛造和熱處理工藝方案是合理的。

(2) 鋼的CCT曲線、臨界點測定，以及熱處理工藝參數(shù)研究表明：3.5%Ni鋼鍛件最佳的淬火溫度為820～890 ℃，最佳回火參數(shù)P值介于18.4～19.4之間。在640 ℃以下具有較高的回火穩(wěn)定性，當回火溫度達到670 ℃以上時，可能使材料的韌性惡化。

(3) 試驗筒體的解剖數(shù)據(jù)表明：各項理化性能指標滿足技術條件要求，鍛件性能優(yōu)良、各向異性小、晶粒細小，具有優(yōu)良的韌脆轉變上平臺吸收能量及韌脆轉變溫度，表現(xiàn)出優(yōu)良的綜合性能。通過近幾年的推廣應用，所研發(fā)的3.5%Ni型低溫壓力容器鋼及配套制造工藝參數(shù)完成滿足-80～-101 ℃大型厚壁低溫容器鍛件的要求，其研制水平達到國際先進水平。