多功能儲罐用13MnNi6-3鋼的研制與開發(fā)

牟 毓， 謝章龍， 洪 君

（南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035）

引 言

近年來碳排放管制和30.60戰(zhàn)略的實施，液氨作為未來潛在的清潔能源越來越被船舶等行業(yè)看重，造船廠已開始承接可以裝液氨、丙烷、丁烷、丙烯和LPG等多種低溫介質(zhì)的儲罐，實現(xiàn)單罐多功能化使用。而13MnNi6-3是0.5%鎳低溫容器用鋼，通常被廣泛用來制作丙烷等液化石油氣儲罐，因而在開發(fā)多功能低溫儲罐用13MnNi6-3鋼時，兼顧液氨儲罐的特性，控制鋼板的屈服強(qiáng)度上限，降低焊接接頭的裂紋敏感性；同時13MnNi6-3的服役條件通常在-42.09 ℃左右，鋼板母材性能與焊接接頭的性能在同等溫度條件下差異較大，為確保儲罐在服役條件下穩(wěn)定安全運行，對儲罐建造鋼材有更高要求，需在-60 ℃溫度下鋼板母材和焊接性能均具有良好的強(qiáng)韌性。因此，要求13MnNi6-3的力學(xué)性能及焊接接頭在-60 ℃時具有適中的強(qiáng)度，良好的低溫韌性和低裂紋敏感性［1-2］。

為了滿足客戶需求，結(jié)合南鋼現(xiàn)有的設(shè)備裝備能力，成功開發(fā)了在-60 ℃條件下服役的多功能低溫儲罐用13MnNi6-3鋼。本文通過優(yōu)化13MnNi6-3鋼板的化學(xué)成分及各道生產(chǎn)工藝，評估了鋼板的內(nèi)部質(zhì)量、拉伸性能、低溫沖擊性能及焊接接頭力學(xué)性能，結(jié)果表明13MnNi6-3鋼板具有良好的綜合力學(xué)性能及優(yōu)良的焊接性能。

1 材料設(shè)計

因客戶要求13MnNi6-3鋼板的屈服強(qiáng)度≤450 MPa，同時為滿足鋼板的-60 ℃低溫沖擊韌性，≥12 mm鋼板沖擊均值≥80 J，8～12 mm鋼板沖擊均值≥60 J，所以要盡量減少組織中珠光體的含量，所以降低C含量，并通過增加適度的Mn含量提高強(qiáng)度，以滿足鋼板的強(qiáng)度要求，尤其是屈服強(qiáng)度要求，Ni是奧氏體相區(qū)元素，可以擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，降低奧氏體轉(zhuǎn)變溫度，阻止奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變，降低鋼的臨界冷卻速率，提高鋼的淬透性，同時Ni的晶格常數(shù)與γ-Fe相近，可形成連續(xù)的固溶體，明顯降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度，添加Nb和V元素可起到細(xì)化晶粒的作用，對于低溫容器鋼，當(dāng)磷含量大于0.015%時，磷的偏析程度急劇增加，所以磷含量是越低越好，S在鋼中主要以MnS形式存在，MnS為塑性夾雜物，熱軋時MnS變形比與鋼相同，導(dǎo)致鋼板出現(xiàn)各向異性，即鋼板非軋制方向性能顯著低于軋制方向性能，氫在液態(tài)鋼中的溶解度比在固態(tài)鋼中的鋼大得多，隨著溫度的降低H的溶解度降低，氫原子向鑄坯或鋼板中某些缺陷區(qū)域聚集，并形成氫氣，一旦此處的氫分壓超過結(jié)合強(qiáng)度就會產(chǎn)生裂紋或者擴(kuò)展已有缺陷，所以為了提高鋼水的純凈度，提高鋼板內(nèi)部質(zhì)量，設(shè)計了低P、低S成分，13MnNi6-3內(nèi)控目標(biāo)成分如表1所示。

表1 13MnNi6-3化學(xué)成分設(shè)計

為確保13MnNi6-3具有較高的強(qiáng)度和優(yōu)良的-60 ℃低溫沖擊韌性，采用控制軋制及正火加回火熱處理工藝，得到細(xì)小均勻的鐵素體+少量珠光體組織，以此來保證鋼板的-60 ℃低溫沖擊韌性以及焊接接頭的-60 ℃低溫沖擊韌性。根據(jù)E10028-4標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)協(xié)議對13MnNi6-3鋼的性能要求，13MnNi6-3鋼的性能指標(biāo)如表2所示。

表2 13MnNi6-3力學(xué)性能要求

2 工藝方案

13MnNi6-3的主要工藝流程：轉(zhuǎn)爐→LF+RH→連鑄→加熱→軋制→控冷→矯直→剪切→探傷→拋丸→正火→回火→檢驗→入庫。

通過嚴(yán)格控制P和S含量以提高鋼水的純凈度，需在鐵水預(yù)處理時控制S含量，減少精煉時脫S的任務(wù)。在煉鋼過程中采用轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹，控制P和C含量及出鋼溫度，尤其控制P的含量。在精煉過程中要采用大渣量操作，造白色泡沫渣深度脫S，同時要兼顧渣的堿度，保證渣的流動性，采用鋼包喂鈣線的操作，對MnS等夾雜物進(jìn)行球化處理，通過RH真空脫氣、喂絲后靜攪等工藝，保證鋼水中的H等有害氣體盡量被去除，鋼水中夾雜物充分上浮，減少夾雜物數(shù)量，尤其是大夾雜物的數(shù)量，為保證鋼水中的夾雜物充分上浮，在靜攪時延長靜攪時間，確保靜攪時間≥15 min。13MnNi6-3屬于包晶鋼，在澆鑄時保持結(jié)晶器液面穩(wěn)定，控制二冷水，避免13MnNi6-3出現(xiàn)鑄坯裂紋，尤其是角裂紋，同時采用保護(hù)澆注及輕壓下，減輕鑄坯偏析及疏松。

13MnNi6-3鎳含量0.5%左右，鋼質(zhì)發(fā)粘，板坯在加熱時鋼板表面氧化鐵皮較多且難以去除，同時為了保證鋼板表面質(zhì)量及板型，要合理控制鑄坯均熱段溫度及總在爐時間，避免氧化鐵皮過厚不好去除，也為板坯除磷減輕壓力［4］。在軋制時通常采用兩道次除磷，去除板坯表面氧化皮，進(jìn)一步保證板坯表面質(zhì)量。采用兩階段控制軋制（奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制及奧氏體未再結(jié)晶區(qū)軋制）工藝，在粗軋時保證大壓下，確保坯料心部有足夠變形量，在未再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行多道次軋制，二階段開軋溫度≤990 ℃，終軋溫度≤870 ℃，在保證板型的條件下終軋溫度盡量低，在冷卻時少量澆水，將返紅溫度控制在700 ℃以上，以得到細(xì)小均勻的軋態(tài)組織，軋制后的鋼板進(jìn)行溫矯以保證板型，≥25 mm鋼板后進(jìn)入緩冷坑進(jìn)行緩冷，消除鋼板內(nèi)應(yīng)力及擴(kuò)氫，使鋼板中的氫等有害氣體逸出，改善鋼板內(nèi)部質(zhì)量。

通過正火+回火熱處理可進(jìn)一步改善鋼板組織，因客戶對13MnNi6-3的屈服強(qiáng)度上限有要求，需適當(dāng)提高回火溫度，同時有利于鋼板的低溫沖擊韌性。探傷后的鋼板進(jìn)行拋丸，然后正火熱處理，要嚴(yán)格控制正火溫度，以防止鋼板晶粒變大或出現(xiàn)晶粒不均勻現(xiàn)象，根據(jù)試驗性能結(jié)果，13MnNi6-3的正火溫度是870～920 ℃，空冷至室溫然后進(jìn)行回火熱處理，消除鋼板中的內(nèi)應(yīng)力［5］。為進(jìn)一步提高鋼板的-60 ℃沖擊性能及控制鋼板的屈服強(qiáng)度，對13MnNi6-3鋼的回火工藝進(jìn)行了優(yōu)化，回火溫度是590～630 ℃，最終得到鐵素體+珠光體組織，

3 試制結(jié)果分析

3.1 常規(guī)力學(xué)性能檢測結(jié)果

對試制的10 mm和30 mm鋼板進(jìn)行力學(xué)性能檢驗，檢測結(jié)果如表3所示。10 mm鋼板的屈服強(qiáng)度 為400～410 MPa，抗 拉 強(qiáng) 度 為503～531 MPa，30 mm鋼板的屈服強(qiáng)度為378～395 MPa，抗拉強(qiáng)度是501～520 MPa，根據(jù)經(jīng)驗，薄板的強(qiáng)度較高，所以為保證屈服強(qiáng)度均＜450 MPa，與30 mm鋼板相比，10 mm鋼板的回火溫度較高，回火時間較長；13MnNi6-3的-60 ℃低溫沖擊性能要求≥80 J，但為了儲罐能在服役條件下穩(wěn)定運行，設(shè)計材料時給低溫沖擊值留較大富余量， 10 mm鋼板（7.5 mm×10 mm×55mm沖擊試樣）的-60 ℃沖擊功平均值是189～203 J，30 mm鋼板（10 mm×10 mm×55 mm沖擊試樣的-60 ℃沖擊功平均值是297～314 J，10 mm和30 mm鋼板的冷彎試樣無裂紋，彎曲性能合格。試制的10 mm和30 mm規(guī)格的13MnNi6-3鋼的拉伸及沖擊指標(biāo)富余量充足，冷彎無裂紋，滿足EN10028-4標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)協(xié)議要求。

表3 13MnNi6-3力學(xué)性能檢測結(jié)果

3.2 低溫拉伸性能

鋼板的服役溫度條件低于-43 ℃，同時根據(jù)客戶的需求，需評估30 mm厚度鋼板低溫性能，按照GB/T 13239—2006《金屬低溫拉伸試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行-60 ℃低溫拉伸試驗，鋼板取橫向試樣，結(jié)果如表4所示。

表4 13MnNi6-3低溫拉伸性能檢測結(jié)果

據(jù)文獻(xiàn)［4］所述，鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨溫度降低而提高，而斷面纖維率隨溫度降低而降低，同時也說明了鋼板的塑性隨溫度降低而下降。所以與常溫拉伸性能相比，低溫拉伸鋼板的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有增加，即在使用條件下鋼板強(qiáng)度的余量更大，雖低溫拉伸鋼板的延伸率有所下降，但仍高于EN10028-4：2017標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)協(xié)議要求的22%。

3.3 13MnNi6-3鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度

為確保鋼板能夠在服役時安全運行，通過做13MnNi6-3鋼板在-80～20 ℃溫度區(qū)間的沖擊試驗，摸索出鋼板的韌脆轉(zhuǎn)變溫度范圍，其韌脆性轉(zhuǎn)變曲線如圖1所示。從圖1（a）可以看出，當(dāng)溫度從20℃降至-60 ℃時，鋼板的沖擊功均在200 J，此時曲線較為平直，說明在此溫度范圍內(nèi)鋼板沖擊功波動不大；當(dāng)溫度降至-70 ℃時，鋼板沖擊功在180～200 J之間；當(dāng)溫度降到-80 ℃時，鋼板沖擊功突然降到40 J左右。從圖1（b）可以看出，當(dāng)溫度從20 ℃降至-60 ℃時，鋼板的沖擊功均在280 J以上；當(dāng)溫度降到-70 ℃時，鋼板沖擊功在200～250 J之間，當(dāng)溫度降到-80 ℃時，鋼板沖擊功在50 J左右。綜上所述，當(dāng)溫度≥-70 ℃時，鋼板的沖擊功遠(yuǎn)大于國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)協(xié)議中的要求，說明13MnNi6-3鋼板完全可以在-60 ℃的低溫溫度條件下服役，滿足多功能儲罐的設(shè)計和供貨要求。

圖1 系列沖擊溫度的韌脆性轉(zhuǎn)變曲線

3.4 探傷檢測結(jié)果

采用間隙式探傷方法對試制的厚度為10 mm和30 mm 的13MnNi6-3鋼板進(jìn)行超聲波自動探傷，根據(jù)探傷結(jié)果顯示，鋼板內(nèi)部未見明顯缺陷，按照標(biāo)準(zhǔn)NB/T 47013評級均可達(dá)I級要求，說明試制的13MnNi6-3鋼板內(nèi)部無裂紋及大的夾雜等缺陷。

3.5 金相檢測結(jié)果

試制鋼板的光學(xué)顯微組織如圖2所示。13MnNi6-3鋼的室溫組織是鐵素體+少量珠光體組織，晶粒整體均勻細(xì)小，10 mm鋼板的偏析帶比30 mm鋼板的偏析帶嚴(yán)重，且偏析帶較寬，由于熱處理時10 mm鋼板的回火溫度比30 mm鋼板的回火溫度高，且回火時間長，10 mm鋼板中存在的析出碳化物較少，組織中存在大量白色塊狀鐵素體，有利于降低鋼板屈服強(qiáng)度，使10 mm鋼板的屈服強(qiáng)度≤450 MPa，同時為保證鋼板屈服強(qiáng)度≥355 MPa，組織中存在一定量的珠光體組織。

圖2 鋼板金相組織

按照GB/T10561 A法評級圖分別對試制的13MnNi6-3鋼板進(jìn)行評定，夾雜物檢測結(jié)果如表5所示。鋼板中存在B類（氧化鋁類）、D類（球狀氧化物類）的非金屬夾雜物，均是0.5級，鋼板中Ds類（單顆粒球狀類）夾雜物0.5級，說明試樣中均存在少量細(xì)小的夾雜物，完全滿足技術(shù)協(xié)議要求。

表5 13MnNi6-3夾雜檢測結(jié)果

4 鋼板焊接性能

按照NB/T 47014的標(biāo)準(zhǔn)，分別采用焊條電弧焊（SMAW）和埋弧焊（SAW）兩種焊接方法對30 mm鋼板進(jìn)行焊接試驗，坡口型式為X型。手工焊條采用京雷直徑為Φ3.2 mm的GER-N27焊條，埋弧焊（SAW）采用伯樂直徑為Φ3.2 mm的T Union SA Ni2焊絲，配套焊劑采用UV C 421 TT-LE，焊條電弧焊（SMAW）的熱輸入能量是20 kJ/cm，埋弧焊（SAW）的熱輸入能量是18 kJ/cm，焊縫平行于軋制方向，分別焊評板上取拉伸、彎曲和沖擊試樣，試樣方向為橫向，X型缺口分別位于熔敷金屬（WM）、熔合線（FL）和距熔合線1，2和5 mm位置。30 mm鋼板的焊接接頭宏觀形貌如圖3所示。

圖3 焊接接頭宏觀形貌

拉伸及側(cè)彎試驗結(jié)果如表6、圖4和圖5所示?？梢钥闯?，手工焊和埋弧焊的拉伸斷口均不在焊縫處，說明焊縫處的拉伸性能優(yōu)于母材拉伸性能，焊接接頭的彎曲試樣無裂紋，彎曲性能合格，滿足性能要求。

表6 13MnNi6-3焊后拉伸及彎曲檢測結(jié)果

圖4 焊接接頭拉伸試件形貌

圖5 焊接接頭彎曲試件形貌

手工電弧焊和埋弧焊的焊接接頭各個位置的-60 ℃沖擊功如表7所示。熔敷金屬及及熔合線-60 ℃沖擊性能略低，手工電弧焊熔融金屬區(qū)的沖擊功最低，埋弧焊FL處的沖擊功最低，但相差均不大，焊條電弧焊的焊接試板的距離熔合線5 mm的-60 ℃沖擊功略低于母材，埋弧焊焊接試板的距離熔合線5 mm的-60 ℃沖擊功與母材的-60 ℃沖擊功相當(dāng)，但沖擊功均滿足技術(shù)協(xié)議需求。

表7 13MnNi6-3焊后沖擊檢測結(jié)果

對手工電弧焊來講，焊接接頭的硬度值表8所示。母材硬度（HV10）范圍是153～159 HV，硬度最低，熱影響區(qū)硬度（HV10）范圍是163～204 HV，熔敷金屬硬度（HV10）范圍是202～207 HV。對埋弧焊來講，母材硬度（HV10）范圍是154～167 HV，硬度最低，熱影響區(qū)硬度（HV10）范圍是155～202 HV，熔敷金屬硬度（HV10）范圍 是189～217 HV，可以看出，焊縫位置的硬度最高，但低于245 HV。一般認(rèn)為（HV10）超過350 HV時具有一定的裂紋敏感性，說明30 mm 13MnNi6-3鋼板的焊接接頭裂紋敏感性不強(qiáng)，同時裝液氨的儲罐硬度不超過245 HV［5］，以避免儲罐液氨應(yīng)力腐蝕開裂，13MnNi6-3鋼板的焊接接頭硬度也滿足要求。

表8 13MnNi6-3焊后硬度檢測結(jié)果

5 結(jié) 論

（1）通過合理的成分設(shè)計，優(yōu)化煉鋼、熱軋及熱處理工藝，成功開發(fā)出13MnNi6-3多功能儲罐用鋼板，試驗結(jié)果表明，13MnNi6-3鋼板組織均勻細(xì)小，具有較高的強(qiáng)度和良好的低溫沖擊韌性，且屈服強(qiáng)度＜450 MPa，鋼板具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，完全滿足供貨要求。

（2）30 mm鋼板焊接實驗結(jié)果表明，鋼板焊接接頭各個位置的-60 ℃低溫沖擊性能優(yōu)異，焊接接頭彎曲無裂紋，焊接接頭硬度較低，裂紋敏感性不強(qiáng)，鋼板具有良好的焊接性能。