承压设备用5 mm超薄X7Ni9钢板叠轧工艺.pdf

压 力 容 器第 41 卷第 2 期2024 年 2 月 81 收稿日期：2023-12-18 修稿日期：2024-01-21doi：10 3969/j issn 1001-4837 2024 02 011制 造 与 安 装承压设备用5 mm 超薄 X7Ni9钢板叠轧工艺马吉力1，侯敬超2，龙 杰1，吴艳阳1（1.舞阳钢铁有限责任公司，河南平顶山 462500；2.湖南华菱湘潭钢铁有限公司，湖南湘潭 411100）摘 要：介绍了采用叠轧工艺生产的5mm 超薄 X7Ni9钢板的技术要求、工序工艺控制点及实物质量，通过合理控制坯料成分、坯料复合、轧制及热处理工艺，采用叠轧工艺成功生产出5mm 超薄 X7Ni9钢板，叠轧钢板厚度及不平度均能满足EN10029：2010厚度大于等于3mm 的热轧钢板的尺寸、外形及允许偏差标准要求，钢板性能良好，拉伸性能据标准值有较大的富余量，显微组织中存在的逆转奥氏体可确保钢板具有良好的低温冲击性能。关键词：X7Ni9钢板；叠轧；热处理；不平度；逆转奥氏体中图分类号：TH142；TG142.33；TG335.5 文献标志码：B Stacked rolling process of 5 mm ultra-thin X7Ni9 steel plate for pressure equipmentMAJili1，HOUJingchao2，LONGJie1，WUYanyang1（1.WuyangIronandSteelCo.，Ltd.，Pingdingshan 462500，China；2.HunanValinXiangtanIron&SteelCo.，Ltd.，Xiangtan 411100，China）Abstract：Thetechnicalrequirements，processcontrolpoints，andphysicalqualityofthe5mmultra-thinX7Ni9steelplateproducedbyWugangusingthestackedrollingprocesswereintroduced Byreasonablycontrollingthecompositionofthebillet，billetcompositing，rolling，andheattreatmentprocess，WugangCompanysuccessfullyproduced5mmultra-thinX7Ni9steelplatesusingthestackedrollingprocess BoththethicknessandunevennessofthestackedrolledsteelplatecanmeettherequirementsofEN10029：2010“hot-rolledsteelplate3mmthickorabove-Tolerancesondimensionsandshape”Thesteelplatehasgoodperformance，andthereisalargemarginoftensileperformancefromthestandardvalue Thepresenceofreverseausteniteinthemicrostructureensuresgoodlow-temperatureimpactperformanceoftheplateKey words：X7Ni9steelplate；stackedrolling；heattreatment；unevenness；reverseaustenite0 引言天然气作为公认的环保型能源1-2，被大量应用到工业生产及运输之中。由于天然气大量储存在深海或地下，其开采及运输成为限制天然气应用的关键因素。同质量的天然气转变成液态后，体积变为原来的1/600，以便于天然气的运输，液化天然气的储存温度要达到-165，因此，天然气储存容器的材料需要在-165以下仍具有良好强韧性配比。X7Ni9钢作为超低温环境用钢3-4，其在-196环境下仍具有良好的冲击性能，同时具备优良的机械加工性能，因此是首选的液化天然气储罐用钢。近年来，随着液化天然气储罐制备工艺逐步成熟，超薄 X7Ni9钢板市场需求量逐渐增大，但对于宽厚钢板生产企业而言，由于受到轧机生产工艺及设备精度的限制，超薄规格钢板的轧制受到影响。为了适应市场的需求，并更好地挖掘设备潜力，本文采用叠轧工艺试制厚度5mm的 X7Ni9钢板。1 钢板技术要求根据 EN10028-4：2017承压用扁平钢产品第4部分：具有规定低温性能的镍合金钢标准，82PRESSURE VESSEL TECHNOLOGYVol.41，No.2，2024并参照常规 X7Ni9钢板采购规范，制定了技术条件，主要要求如下。钢板成分在满足 EN10028-4：2017标准要求的前提下，对 P，S 等元素进行了限定，如表1所示。钢板的力学性能应符合表2要求。钢板的力学性能检验方法符合表3要求。表1 钢板化学成分 Tab.1 Chemicalcompositionofsteelplate%元素CSiMnPSNiVMoCrCuAltCr+Mo+Cu数值 0.10 0.100.35 0.300.80 0.008 0.0058.510.00.01 0.08 0.25 0.350.0200.50表2 钢板力学性能要求Tab.2 Mechanicalpropertyrequirementsofsteelplate检验项目常温拉伸-196冲击试验Rm/MPaReH/MPaA（%）冲击吸收能量/J冲击试样尺寸/（mmmmmm）性能要求68082058520100101055847.510.055.05451055表3 钢板力学性能检验方法Tab.3 Testmethodformechanicalpropertiesofsteelplates试验项目试验标准试样位置试样状态室温拉伸EN10028-1：2017承压用扁平钢产品 第1部分：一般要求原厚交货态夏比冲击试验（V 形缺口，-196）表面2mm 以内交货态2 钢板试制工序及工艺要点2.1 试制工序采用1块200mm1180mm2300mm（厚度宽度 长度，下同）坯料开坯到55mm1700mm4400mm，之 后 切 割 成2块55mm1700mm2200mm 的坯料，上下层复合后采用叠轧工艺生产2块5mm2500mm12000mm 规格 X7Ni9钢板，具体工艺流程如下：100t电炉初炼90t精炼炉精炼100t真空炉脱气连铸（200mm1180mm2300mm）开 坯（55mm1700mm4400mm）坯 料 切割（2块，55mm1700mm2200mm）坯 料复 合（110mm1700mm2200mm）喷 涂 防氧化涂料坯料加热轧制（10mm2500mm12000mm）热处理上下分离（2块，5mm2500mm12000mm）切割取样性能检验。2.2 冶炼工序由于 X7Ni9钢板常用于制造液化天然气（LNG）储罐，使用温度-165左右，设计温度达到-196，需要钢板具有足够的强度，并且在-196条件下仍具有足够的冲击韧性储备值，同时考虑到叠轧生产9Ni 钢板的特殊性，钢板在冶炼过程中应注意以下方面。首先，钢板 P 含量控制在较低的水平，电炉采用低 P 出钢，控制电炉出钢 P 0.003%，无渣出钢，精炼炉采用避渣操作，必要时进行脱 P 处理，确保在成品 P 含量在0.008%以下；其次，要严格控制夹杂物含量，精炼补合金前要充分脱氧，白渣保持时间超过25min，真空过程中，氩气充分搅拌，真空后进行812min镇静处理；最后，为保证铸坯良好的表面及内部质量，必须保证在铸机最佳状态下生产，浇铸时过热度控制在1535，控制结晶器液面稳定在3mm 以内，防止卷渣，坯料下线后堆冷48h 后。2.3 坯料复合工序坯料开坯切割后进行复合处理，与复合坯不同的是，叠轧工艺生产的钢板轧后需要上下分离，为此，上下层坯料复合过程中，坯料之间要均匀喷涂隔离剂，避免轧制过程中上下层粘结在一起，隔离剂采用 MgO-CaO 混合物。坯料四边进行焊接处理，焊缝宽度40mm 左右，要求焊缝无分层缺陷，焊缝提供的咬合力可以有效避免轧制过程中上下层分离。喷涂隔离剂及焊缝区域见图1。由于隔离剂含有一定的水分，轧制过程中水分气化，导致坯料在加热过程中产生鼓包缺陷，轧制过程中钢板会产生板型缺陷，甚至会造成轧制放炮，导致钢板无法轧成，有一定的安全隐患，因此在焊接上下层坯料过程中，需要在四边分别留下气孔，保83马吉力，等：承压设备用5 mm 超薄 X7Ni9钢板叠轧工艺证加热过程中水气通过气孔排出，气孔见图2。图1 隔离剂及焊缝区域示意Fig.1 Schematicdiagramofisolationagentandweldarea图2 气孔外观Fig.2 Poreimage2.4 轧制坯料复合后，上下表喷涂防氧化涂料，之后装炉加热轧制。为避免涂料脱落及坯料加热变形，坯料的加热温度不宜过高，但由于 X7Ni9坯料的Ni 含量较高，加热温度过低或在炉时间过短，会造成 Ni 元素无法充分固溶，因此，坯料加热温度控制在12201260，在炉时间控制在34h。坯料出炉后，首先采用高压水除鳞，之后直接转运至粗轧机轧制。由于复合坯料仅四边焊接固定，中间采用隔离剂隔开，粗轧压下量过大极易造成上下坯料分离，钢板轧废，因此钢板轧制过程中控制压下量不超过10mm。由于轧制压下量过小，会增加轧制道次，延长轧制时间，轧制后期坯料温降大，可能会造成坯料因温度过低无法轧成，因此轧制过程中需要关闭轧辊冷却水。钢板轧后带温矫直，之后上冷床冷却。2.5 热处理由于钢板厚度较小，为保证钢板低温冲击性能稳定性，钢板热处理采用淬火+两相区淬火+回火（QLT）工艺5生产，有研究6表明，X7Ni9钢的 AC1温度为645，AC3温度为730，为保证钢板充分奥氏体化且合金元素充分固溶，钢板淬火温度定到790820，淬火后得到马氏体组织。X7Ni9钢板在两相区淬火加热过程中，发生马氏体向奥氏体转变，将产生大量位错、孪晶等缺陷，这些缺陷最终被奥氏体承载，使得材料储存能增大；随后在两相区冷却过程中，形成的奥氏体由于先前累积的缺陷和储存能的增大，使得马氏体形核点增多，两相区热处理得到的马氏体晶粒更小，因此，控制两相区淬火温度650680。9Ni 钢在回火过程中，淬火时形成的马氏体转变成奥氏体，称为逆转奥氏体7-8，为形成逆转奥氏体，回火温度必须超过逆转奥氏体的转变点，因此钢板回火温度控制在550580。2.6 钢板精整首先对钢板进行探伤，确定切割线，切割线应在探伤线以内515mm 左右，钢板切定尺需采用剪切，不建议采用火焰切割或等离子切割，因为钢板中间为分离状态，采用火焰切割或等离子切割时，只能切割上层钢板，下层钢板难以切透。钢板切割后，钢板上下层处于分离状态，之后采用真空吸盘分离上下层钢板。3 叠轧工艺对钢板性能的影响及组织分析3.1 常规力学性能针对叠轧 X7Ni9钢板，对上下层钢板沿长度方向两端、L/4处、L/2处、3L/4处分别取样进行常规拉伸性能及-196冲击性能试验。3.1.1 常温拉伸性能图3示出钢板常温拉伸性能分布。可以看出，钢板拉伸性能均能满足 EN10028-4：2017要求，并且钢板整板质量稳定性较好。（a）上层钢板（b）下层钢板图3 钢板常温拉伸性能Fig.3 Tensilepropertiesofsteelplatesatroomtemperature84PRESSURE VESSEL TECHNOLOGYVol.41，No.2，20243.1.2 低温冲击性能图4示出钢板-196冲击性能。可以看出，钢板性能均满足 EN10028-4：2017要求。图4 钢板-196冲击性能Fig.4 Steelplateimpactpropertyat-1963.2 显微组织图5示出钢板的 SEM 照片。可以看出，上下层钢板均为回火马氏体+逆转奥氏体组织，呈点状、短棒状及长条状的逆转奥氏体均匀分布于原奥氏体晶界及马氏体板条束之间。分布于晶界及马氏体板条束之间的逆转奥氏体能够有效改善钢板的低温冲击韧性9。（a）上层钢板（b）下层钢板图5 钢板显微组织Fig.5 Microstructureofsteelplate有研究10表明，逆转奥氏体中富集了 C、N 等元素，能净化基体，软化基体组织，提高基体的韧性和塑性；同时，裂纹扩展过程中，尖端的应力集中可以通过逆转奥氏体的“TRIP”效应而得到松弛，使扩展功增加，从而提高钢材的韧性；BILMES 等11-12认为，当裂纹扩展至逆转奥氏体时，在裂纹尖端应力的作用下，逆转奥氏体转变为马氏体，相变产生的体积膨胀可以缓解裂纹尖端的应力集中，并且能够促使裂纹闭合，从而提高裂纹扩展功，改善钢板的冲击性能。4 叠轧工艺对厚度及板形的影响4.1 厚度为更加准确地了解叠轧钢板的厚度分布，上下层钢板均沿长度方向随机量取20个点测定厚度，图6示出叠轧钢板厚度分布。可以看出，叠轧钢板上层钢板厚度最大5.30mm，最小5.03mm，下层钢板厚度最大5.83mm，最小5.61mm，上下层钢板厚度均可以满足 EN10029：2010标准厚度大于等于3mm 的热轧钢板的尺寸、外形及允许偏差标准 C 类厚度公差要求。上层钢板平均厚度5.15mm，下层钢板平均厚度5.72mm，下层钢板厚度要稍厚于上层钢板，造成上述差异的原因是轧机属于上压下轧制，上工作辊的轧制力稍大于下工作辊，轧制过程造成坯料上层压下量稍大于下层，因此造成上层钢板变形量更大，厚度稍薄于下层。图6 钢板厚度分布Fig.6 Steelplatethicknessdistribution4.2 不平度图7示出叠轧钢板不平度分布，钢板热处理后进行冷矫，之后测定钢板不平度，上下层钢板均沿长度方向随机取10个点测定不平度。（a）上层钢板85马吉力，等：承压设备用5 mm 超薄 X7Ni9钢板叠轧工艺（b）下层钢板图7 钢板不平度分布Fig.7 Unevennessdistributionofsteelplates从图7可以看出，上层钢板的不平度为13mm/1000mm 及24mm/2000mm，下层钢板的不平度分别为12mm/1000mm 及24mm/2000mm，钢板整体不平度良好，满足 EN10029：2010标准厚度大于等于3mm 的热轧钢板的尺寸、外形及允许偏差标准 ClassNTypeH 要求。5 结语通过合理控制坯料成分、坯料复合、轧制及热处理工艺，成功生产出叠轧5mm超薄X7Ni9钢板。叠轧钢板厚度及不平度均能满足 EN10029：2010标准厚度大于等于3mm 的热轧钢板的尺寸、外形及允许偏差要求，钢板性能良好，拉伸性能距标准值有较大的富余量，显微组织中存在的逆转奥氏体，确保钢板具有良好的低温冲击性能。参考文献：1 黄金祥，张国栋，杨国强 X7Ni9钢制 LNG 运输船液货舱焊接工艺及应用 J 压力容器，2019，36（7）：18-23HUANGJX，ZHANGGD，YANGGQ WeldingprocessandapplicationofcargotankforX7Ni9steelLNGcarrierJ PressureVesselTechnology，2019，36（7）：18-232 黄金祥，侯延斌 P690QL1钢制 LPG 船 C 型舱消应力热处理研究 J 压力容器，2022，39（8）：22-27HUANGJX，HOUYB.StudyonstressreliefheattreatmentoftypeCtankofP690QL1steelLPGcarrierJ PressureVesselTechnology，2022，39（8）：22-273 郭鹰，杨尚玉，周聪，等 LNG 储罐用9Ni 钢-196焊缝断裂韧性及断口分析 J 压力容器，2022，39（11）：9-15GUOY，YANGSY，ZHOUC，etal 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作者简介：马吉力（1984），男，高级工程师，主要从事先进钢铁材料研究等工作，通信地址：462500河南省舞钢市湖滨大道西段舞阳钢铁有限责任公司，E-mail：。本文引用格式：马吉力，侯敬超，龙杰，等 承压设备用5mm 超薄 X7Ni9钢板叠轧工艺J 压力容器，2024，41（2）：81-86MAJL，HOUJC，LONGJ，etal Stackedrollingprocessof5mmultra-thinX7Ni9steelplateforpressureequipmentJ PressureVesselTechnology，2024，41（2）：81-8613 HOSSAINS，TRUMANCE，SMITHDJ Generationofresidualstressandplasticstraininafracturemechanicsspecimentostudytheformationofcreepdamageintype316stainlesssteelJ Fatigue&FractureofEngineeringMaterials&Structures，2011，34（9）：654-66614 SONG X M，WANG G Z，XUAN F Z，et alInvestigationofresidualstresseffectsoncreepcrackinitiationandgrowthusinglocalout-of-planecompressionJ EngineeringFractureMechanics，2015，149：45-5715 HUANGY，ZHOUW ImpactsofresidualstressesonJ-integralforclampedSE（T）specimenswithweldcenterlinecracksJ TheoreticalandAppliedFractureMechanics，2020，107：10251116 SONGTK，KIMYJ，NIKBINK，etal ApproximateJestimatesforcircumferentialcrackedpipesunderprimaryandsecondarystressesJ 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NumericalcalculationofresidualstresscorrectedJ-integralusingAbaqusC/33rdASMEInternationalConferenceonOcean，OffshoreandArcticEngineering，2014：V005T03A03323 LIFZ，SHIHCF，NEEDLEMANA Acomparison ofmethodsforcalculatingenergy-releaseratesJ EngineeringFractureMechanics，1985，21（2）：405-421 作者简介：李一义（1972），男，工程师，主要研究方向为超临界发电机组设备安全评价，通信地址：350500福建省福州市福建华电可门发电有限公司，E-mail：。通信作者：张朱武（1984），男，教授，主要研究方向为过程装备安全评价与失效分析，通信地址：350108福建省福州市福州大学城乌龙江北大道2号，E-mail：。本文引用格式：李一义，王芳，黄逸，等 残余应力对 P91钢断裂行为的影响J 压力容器，2024，41（2）：28-36LIYY，WANGF，HUANGY，etal.EffectofresidualstressonthefracturebehaviorofP91steelJ PressureVesselTechnology，2024，41（2）：28-36（上接第36页）