低温压力容器用钢板的检试验结果浅析.pdf

23南钢科技与管理2023年第2 期低温压力容器用钢板的检试验结果浅析乔鹏飞！闫旭强！周玉伟？（1.科技质量部；2.新材料研究院）摘要：为了加快低温压力容器用钢国产化研发，某钢厂借助科研院所、高校等外部研发资源进行新材料的研发，并与产业链下游用户进行应用推广合作，成功开发出一种厚度6-5 0 mm低温压力容器钢板。系列检测试验结果表明：某钢厂研制的低温压力容器用钢在纯净度、组织控制、强度和低温韧性等实物性能优良，满足LNG储罐等低温环境用钢的供货技术要求，具备工程应用条件。关键词：压力容器用钢奥氏体固溶处理Analysis on Test Results of Low Temperature Pressure Vessel SteelQIAO PengfeilYAN XuqiangZHOU Yuwei?(1.Sci-tech and Quality Department;2.New Materials Research Institute)Abstract:In order to accelerate the domestic R&D of low-temperature pressure vessel steel,a steel factory has conduc-ted the new materials R&D with the supports of external R&D resources like scientific research institutes and universi-ties.Meantime,the factory also works with its downstream users of the industrial chain for application promotion,who fi-nally developed a low-temperature pressure vessel steel plate with thickness ranges from 6-50mm.The results of a seriesof inspections and tests indicate that the low-temperature pressure vessel steel developed by that steel factory performedwell in several aspects such as purity,organization control,strength,and low-temperature toughness.The properties ofthe steel plate are excellent enough to meet the supply technical requirements of low-temperature environment steel suchas LNG storage tanks,possessing the engineering application conditions.Keywords:Pressure Vessel Steel,Austenite,Solution Treatment前言我国已成为天然气、乙烯等基础原燃料的最大需求国家，进口增长将在相当长一段时间内客观存在，推动了LEG、L NG 超低温储运容器建造的快速增长。但是传统超低温容器用钢如瓦钢（36%Ni）、奥氏体不锈钢（10%Ni）等镍含量高。而我国属于“贫镍”国家，镍金属对外依存度超过6 0%，镍资源的战略重要性再次呈现在我们面前。因此，低温储罐用钢的低镍化代表了基础原燃料和清洁能源高效储运产业链关键材料的发展方向。1生产工艺及控制1.1炼钢生产为了提高低温压力容器用钢冶炼纯净度，使用低P、低S、低As铁水，要求P0.115%,S0.030%，As0.010%。铁水温度1330。铁水预处理是在铁水包中采用Mg-CaO混合喷吹方式进行脱硫，采用低脱硫模式，处理后S0.003%。选用正常周转钢包，保证底吹透气性良好。钢包装人铁水、废钢，并加人适量镍板、铜板。转炉终点温度控制在16 30-16 7 0，终点成分控制目标：242023年第2 期南钢科技与管理0.20.3C,P0.006、S0.0 0 4。出钢过程严禁下渣，采用滑板挡前渣。出钢后加精炼渣，加铝脱氧，每100ppm氧加30 kg铝块。钢包吊运至LF工位进行加热。根据钢包顶渣化渣情况，适量加人部分萤石。加人铝丝、铝线、石灰、萤石等进行脱氧、造渣。合金化用料包括金属锰、微碳铬铁等。钢水净空、温度满足条件时，转至RH进行真空处理。设备循环率可达135 min，处理时间15 min，真空度3.0 mbar。合金化完成后终点氧含量喂入纯钙线，进行钙处理。钙处理后，钢水静搅15 min，每隔一定时间安排一次测温并统计降温规律，根据钢水温降、包壁温度和液相线温度确定吊包温度和吊包时机。表1为生产成分数据。表1成分（质量分数%）元素CMnSiPSCrCuNiVAltBN成分0.4123.480.1670.0100.00423.530.330.530.110.0250.00100.033连铸生产使用的装备为直结晶器连续弯曲连续矫直弧形板坏连铸机，可实现全程保护浇注、液面自动控制，并可以通过轻压下控制偏析和疏松。根据低温压力容器用钢板厚度需求，连铸生产厚度目标为2 6 0 mm,浇注过热度控制在15 2 0。低过热度控制有利于提升连铸坏内部质量，是连铸质量控制的关键。低温压力容器用钢浇注全程对中间包进行吹氩保护。因低温压力容器用钢合金含量高、液相线低，因此结晶器保护渣使用了低熔点保护渣。根据凝固特性及传热特性，开发了专用的二次冷却配水模型并配合适中拉速，控制最佳坏壳生长速率和生长均匀性。在凝固末端采用轻压下，控制坏料心部偏析和疏松质量。连铸坏在线火焰切割定尺，并取样低倍样块。坏料下线后进缓冷坑，通过缓冷降低坏料在冷却过程中因热应力导致的开裂风险，提高成材率，经过多次现场生产工艺优化，低温压力容器用钢连铸料表面无纵裂、横裂、横向凹陷、横向渗钢、夹渣等缺陷。按照YB/T4003一2 0 16 标准进行低倍检验，连铸坏中心偏析为C0.5级，中心疏松为0.5 级；无中间裂纹、角部裂纹、三角区裂纹、氧化铝夹杂、蜂窝气泡、白亮带等缺陷。坏料低倍检验照片如图1所示。所生产的低温压力容器用钢连铸坏料质量优良。图1连铸坏料低倍照片1.2轧钢生产低温压力容器用钢合金含量高，高温变形抗力大于普通低合金钢，同时作为奥氏体钢，需要进行固溶处理以抑制粗大碳化物析出。不锈钢等奥氏体钢采用了离线热处理工艺，流程长、效率低。在某钢厂进行10 5 0 mm厚低温压力容器用钢轧钢。采用步进式连续炉进行坏料加热，总在炉时间系数1.2 1.8 min/mm，出钢温度12 0 0 12 2 0。开轧温度10 2 0 10 5 0，终轧温度8 5 0 90 0。轧制后采用超快冷设备进行在线直接固溶处理，人水温度8 0 0 8 30，返红温度30 0。对钢板表面进行检查，无裂纹、气泡、结疤、折叠和夹杂等对使用有害的缺陷，目视无可见的分层2023年第2 期25南钢科技与管理采用超声波探伤对钢板进行无损检测，达到NB/T47013.3标准1级。为了更加稳定地控制薄规格低温压力容器用钢轧制温度，使用开坏坏料以卷轧平板方式生产6 mm厚钢板。卷筒温度设定为930，轧制结束后层流冷却至45 0 以下实现在线固溶处理。2产品组织与性能分析2.1显微组织对30 mm厚度规格钢板的金相组织进行观察，组织照片如图2 所示。钢板组织为单一奥氏体组织。202图2金相组织(a、b)2.2组织热稳定性分析使用BruckD8变温X射线衍射仪进行变温XRD实验。在2 0 mm厚钢板上取样，通过拉伸试验施加预形变的方式，对不同样品分别施加5%、15%、25%、35%的真应变，再从施加了预形变的样品上加工出尺寸为8 x8x2mm的变温XRD实验用样品。同时也在无形变的低温压力容器用钢钢板上加工出变温XRD实验用样品。变温XRD实验的温度从室温连续变化到-2 5 8，控温精度1，每隔2 0 进行一次XRD实验。图3(a-e）分别为无形变以及形变5%、15%、25%、35%的低温压力容器用钢样品变温XRD实验测得的XRD谱线。由实验结果可见：钢板在-2 5 8 仍然保持全奥氏体组织，未出现马氏体；即使是经受较大的形变之后的奥氏体组织，仍然具有高的热稳定性，深冷至超低温环境中仍然不发生马氏体转变。这种低温压力容器用钢的高稳定性奥氏体组织，使得钢板在超低温环境下仍然具有优良的力学性能。140014001400120012001.3X)10001000880080060060060040040040060708090100304708901003040607080901003040202020无形变样品变温(a)形变5%样品变温(b)形变15%样品变温（c)120X1200100010008008006004004005070809030405060809010040601002020形变2 5%样品变温（d)形变35%样品变温（e）图3低温压力容器用钢样品变温XRD谱线262023年第2 期南钢科技与管理2.3力学性能对典型厚度规格低温压力容器用钢板的拉伸及弯曲性能进行测试，数据见表2 所示。低温压力容器用钢钢板的屈服强度在40 0 MPa以上。抗拉强度及断后伸长率高，抗拉强度在8 0 0 95 0 MPa之间,断后伸长率在35%以上。对典型厚度规格低温压力容器用钢板的冲击性能进行测试，数据见表3所示。低温压力容器用钢在-196 具有优良的冲击韧性。对比纵向和横向冲击试验结果可见，纵向冲击吸收能量高于横向冲击吸收能量。表2典型厚度规格低温压力容器用钢的拉伸与弯曲试验数据室温拉伸试验厚度规格弯曲试验钢板部位试样方向R.,0.2Amm试样位置180b=2a D=3aMPaMPa%横向全厚度45785851.5合格头部纵向全厚度45085752.5合格20横向全厚度46286549.5合格尾部纵向全厚度45285351.5合格表3典典型厚度规格低温压力容器用钢的冲击试验数据-196冲击厚度规格试验钢板部位试样方向mmKV,数值1KV2数值2KV2数值3KV,均值试样位置JJJJ横向近表97909694头部纵向近表14315013414220横向近表79918786尾部纵向近表1371361281342.4冲击韧性随温度的变化在30 mm厚低温压力容器用钢钢板头部和尾部的1/4T厚度位置取横向及纵向冲击试样，进行室温、-8 0、-10 0、-16 3、-196 的系列温度的冲击试验。所得数据见表4。由实验数据可见，钢板头部和尾部的冲击功接近，横向冲击功低于纵向。不同温度下的断面纤维率均为10 0%，随试验温度降低，冲击功近似呈线性规律降低（见图4），并未出现数值陡降，可见并未发生韧脆转变。常规冲击200180160140“120100806040200400-40-80-120-160-200温度，图4钢板头部横向冲击功随温度的变化27南钢科技与管理2023年第2 期表4系列温度冲击试验CVN冲击试验钢板方向冲击功(KV2,J)纤维断面率(FA,%)侧膨胀值(LE,mm)部位温度()1AVE1AVE1AVE纵向L2552462422481001001001002.022.021.921.99头横向T1741681671701001001001001.371.501.401.4220纵向L2792692692721001001001001.961.891.911.92尾横向T1831761831811001001001001.681.601.721.67纵向L2192092252181001001001001.761.831.761.78头横向T1371471501451001001001001.261.211.231.23-80纵向L2192402542381001001001002.141.781.711.88尾横向T1511501491501001001001001.381.461.591.48纵向L2072122142111001001001001.641.631.751.67头横向T1451431331401001001001001.421.341.161.31-100纵向L2122282102171001001001002.231.751.561.85尾横向T1471471481471001001001001.261.331.131.24纵向L1931741771811001001001001.391.371.401.39头横向T1171181141161001001001000.800.780.800.79-163纵向L1982071811951001001001001.401.391.321.37尾横向T1201161141171001001001000.870.990.810.89纵向L1581551541561001001001001.221.161.231.20头横向T939395941001001001000.820.840.810.82-196纵向L1651661741681001001001001.321.331.161.27尾横向T113961131071001001001000.820.890.950.892.5CTOD特征值对3 0 mm厚低温压力容器用钢母材进行-1 6 5 低温条件下的CTOD试验，具体样品信息如表5所示。表5样品状态样品规格热输人值试样编号钢板厚度(mm)样品状态(厚x宽长/mm）(kJ/cm)1-33030 x60 x300/母材预制疲劳裂纹参数：频率f=8Hz,应力比R=0.1,波形为正弦波，最后阶段最大疲劳载荷Fmx=20kN。试验温度为-1 6 5。加载速率为1.5 mm/min。加载时间和试验中初始应力强度因子增长速率（见表6）。三点弯曲试样跨距S为2 1 6 mm。试样采用整体刀口设计，即乙=0。表6加载时间和初始应力强度因子增长速率试样加载时间初始应力强度因子编号(s)增长速率K(MPa/m/s)13691.8824341.7133922.01282023年第2 期南钢科技与管理实验数据见表7 所示。在母材试样1 3 的加载过程中，张开量达到最大量程5.0 0 mm时，仍未发载荷下降，停止试验并以当前载荷计算CTOD特征值。裂纹长度测量数据见表8。表7试验数据厚度宽度CTOD特征值试样编号缺口位置(mm)(mm)d.(mm)d.(mm)d.(mm)127.0054.34/1.496BS227.2054.20/1.563BS327.3554.10/1.410BS表：裂纹长度测量数据测量长度(mm)裂纹长度ao试样编号ala2a3a4asa6aa8ag(mm)126.8227.2427.6627.9828.0427.9827.8427.6627.2227.68226.7627.3627.7627.8827.9627.9227.8827.3226.8427.61326.9827.6227.7827.8827.9627.8627.5827.2626.9827.62根据ISO12135:2016、I SO 1 5 6 5 3:2 0 1 8 的有效性检验标准,见表9。以上试样的CTOD特征值均有效。表9有效性检验aminamax(amax-amin)/aoamin-ana试样编号ao/W(mm)(mm)(mm)(%)(mm)127.680.5126.8228.044.412.62227.610.5126.7627.964.352.61327.620.5126.9827.963.552.983结论某钢厂开发了一种奥氏体低温钢的生产工艺，实现了工业化生产，生产效率高，具有良好的推广应用价值。所生产的奥氏体低温钢板具有以下显著特点：（1)化学成分以C、M n、C r 为主要合金元素，合金成本低。（2)生产工艺上无需离线热处理，生产效率高。（3)显微组织为全奥氏体,形变产生位错和李晶而不发生马氏体转变，组织稳定性高。（4)强塑性匹配好，低温下具有优良的冲击韧性、断裂韧性，综合力学性能优良。以奥氏体低温钢为代表的新一代节镍型超低温容器用钢产业化，将为我国能源和化工行业高效储运产业链提供高品质、节约型关键材料，填补我国低成本超低温容器用钢的空白。实现目标产品的国产化和自主保障，创造显著的经济效益。同时，也将助力我国清洁能源产业快速发展，为我国实现“双碳战略目标作出积极贡献。