CN102732792B - 一种厚度≥100毫米的临氢容器用钢及其生产方法 - Google Patents

Abstract

一种厚度≥100毫米的临氢容器用钢及其生产方法，其组分及(wt%)为：C：0.08～0.12%、Si：0.05～0.12%、Mn:0.30～0.45%、P:≤0.012%、S:≤0.010%、Cr：2.10～2.25%、Ni：≤0.18%、Mo：0.95～1.10%、Cu：≤0.12%、Sn：≤0.005%、As：≤0.004%、Sb：≤0.003%、N：≤0.008%,O≤0.003%；回火脆化敏感性系数J=(Si+Mn)(P+Sn)×10000≤80；工艺：电炉冶炼；钢水预热；LF炉处理；扒渣；VD真空炉处理；喂入Si—Ca线；再次吹氩；连铸；堆冷至室温；进行电渣重熔冶炼并抽锭；模冷；坑冷；铸坯加热；分段轧制；空冷；正火+回火热处理；待用。本发明钢板厚度在100～150毫米，且钢纯度高、钢锭表面光滑、还能满足力学性能要求。

Description

一种厚度≥100毫米的临氢容器用钢及其生产方法

技术领域

本发明涉及压力容器钢及其生产方法，具体属于一种厚度≥100毫米的临氢容器用钢及其生产方法。

背景技术

压力容器钢用途极广，被广泛用于石油、化工、电站、锅炉等行业，一般用于制作反应器、热换器、分离器、导气管、锅炉汽包等。12Cr2Mo1R临氢容器钢主要用于加氢反应器,它是现代炼油工业的重大关键设备，其通常是在高温高压、临氢、有硫化氢等腐蚀介质的恶劣工作条件下运行。因此需要抗回火脆化能力、抗氢浸蚀能力强的原材料来制作加氢反应器。

由于压力容器在高温、高压与加氢条件下工作，对材料纯净度、抗脆化能力、内部质量等一系列主要技术指标要求极为苛刻。制造加氢反应器装置使用大单重超厚（大于100mm）钢板的需求量也越来越大，为降低各种装置的制造成本，这些装置都趋向于大型化；为提高大型装置的安全可靠性，对使用的钢板质量要求越来越严格。从目前特厚板生产的方式来讲，除了采用原有的锻造法之外，还有比较流行的连铸法。但是连铸生产受技术条件的限制无法生产厚度过大的特厚板，目前世界上最大的转炉连铸板坯厚度为390mm，由于转炉连铸坯内部偏析和压缩比的限制，只能生产厚度小于100mm的特厚板。

中国专利号为201010598263.9的专利文献，公开了一种在优质铁水、KR铁水预处理、100吨顶底复吹转炉、吹氩处理、LF炉精炼、模铸浇注、步进式加热炉、3800mm轧机、ACC层流冷却、11辊热矫直机、堆冷、调质、精整、外检、探伤、入库的工艺顺序下生产大厚度Cr-Mo系12Cr2Mo1R容器钢及其生产方法,其化学成分及质量百分比（%）C：0.10～0.14、Si：0.20～0.50、Mn:0.30～0.60、P:≤0.018、S:≤0.010、Cr：2.0～2.50、Ni：≤0.20、Mo：0.90～1.10、Als：≤0.040。但是该专利中利用了转炉冶炼+模铸浇注的方式炼钢，虽然保证了大单重钢板有足够的压下量和成材原料，但是无法保证高纯度，并且模铸浇注成材率较低，操作环境较差。同时该专利实例中提供的钢的化学成分无法满足临氢钢回火脆化敏感性系数（J系数）指标，因此无法作为临氢钢使用。

发明内容

本发明要解决的问题是临氢钢回火脆化敏感性系数（J系数）高，钢的洁净差，模铸浇注成材率较低的问题，提供一种回火脆化敏感性系数J= (Si+ Mn)( P+ Sn)×10000≤100J，钢水的洁净度较高，金属组织和化学成分均匀，钢板厚度大于100毫米的临氢容器用钢及其生产方法。

实现上述目的的措施：

一种厚度≥100毫米的临氢容器用钢，其组分及重量百分比含量为：C：0.08～0.12%、Si：0.05～0.12%、Mn:0.30～0.45%、P:≤0.012%、S:≤0.010%、Cr：2.10～2.25%、Ni：≤0.18%、Mo：0.95～1.10%、Cu：≤0.12%、Sn：≤0.005%、As：≤0.004%、Sb：≤0.003%、N：≤0.008%,O≤0.003%,其余为Fe和不可避免的杂质；并应满足回火脆化敏感性系数J= (Si+ Mn)( P+ Sn)×10000≤80。

生产一种厚度≥100毫米的临氢容器用钢的方法，其步骤：

1）进行电炉冶炼，控制出钢温度在1620～1640℃；

2）将钢水预热3～5分钟；

3）进行LF炉处理：按照45～70Kg/吨钢加入活性石灰，按照0.03～0.05Kg/吨钢加入硅钙或硅铁粉，按照0.015～0.025Kg/吨钢加入AD15脱氧剂；

4）进行扒渣，控制钢水中Si的重量百分比含量在：0.05～0.15%；

5）在VD真空炉中进行真空处理及吹氩，按照80～100ml/分钟吹入氩气；控制真空度不超过67Pa,并进行至少25分钟的保压，真空处理时间不少于25分钟并同时停止吹氩气；

6）按照2.7～3.0米/吨钢一次性喂入Si—Ca线；

7）进行再次吹氩，按照80～100ml/分钟吹入，吹氩时间不低于8分钟；

8）进行连铸，控制拉坯速度在1.6～1.7米/分钟，并控制铸坯厚度不少于150毫米；

9）堆冷至室温；

10）采用低频双极串联板坯电渣炉进行电渣重熔冶炼并抽锭：

a)将由电炉冶炼的铸坯进行拼接装入电渣炉，并形成自耗极回路；并将预熔渣按照20～30Kg/吨钢装入电渣炉的结晶器中；

b）进行抽锭并同时采用保护罩进行缓冷：当电渣炉中的钢水液面高度达到60～＜70毫米时，抽锭速度控制在3.5～＜4.5毫米/分钟；当电渣炉中的钢水液面高度达到70～＜80毫米时，抽锭速度控制在4.5～＜6.5毫米/分钟；当电渣炉中的钢水液面高度达到80毫米及以上后，抽锭速度控制在6.5～8.5毫米/分钟； 

c）当抽锭速度控制在7.5～8.5毫米/分钟时，进行重熔，并按照32～36g/分钟加入铝粒直至重熔结束；

d）进行补缩，当自耗电极融化到长度剩余300～350毫米时进行补缩，并控制此时抽锭速度在6.5～7.5毫米/分钟直至重熔结束成为铸坯，并继续缓冷；

在重熔中，控制钢水中的A、B、C及D夹杂总量≤1.5级，O≤0.003%，N≤0.007%;

11)进行模冷，模冷时间为2～2.5个小时；

12）将铸坯置入缓冷坑进行冷却，时间不少于48个小时；

13）对铸坯加热，控制均热温度在1200～1260℃，控制加热速率在11～13分钟/厘米，最终加热温度控制在1180～1230℃；

14）进行分段轧制：控制粗轧段的开轧温度在1070～1130℃，精轧段的开轧温度在890～910℃，终轧温度在860～880℃，精轧开轧厚度在220～240毫米，精轧末三道次总压下率不低于30%；

15）进行空冷，空冷至680～720℃；

16）采用正火+回火热处理，控制正火温度在910～930℃，正火时间在150～200分钟；回火温度在690～710℃，回火时间在160～240分钟；

17）待用。    

本发明中各组分及主要工艺的作用及控制的理由：

C：C是钢种不可缺少的提高钢材强度的元素之一，碳含量每增加0.10%抗拉强度大约提高60MPa，屈服极限大约提高20～30MPa。随着碳含量的增加，钢种Fe3C增加，淬硬性也增加，钢的抗拉强度和屈服极限会提高，而塑性和韧性指标会下降，焊接性能变差。而本钢种适用于加氢反应器等设备，不仅要求一定的强度，而且主要需要优异的韧性指标和焊接性能。所以规定C含量偏低，下限为0.05%，上限为0.12%。在此范围内，不仅保证了钢的强度并适合生产操作，跟保证了该钢种的使用性能。

Si：Si主要以固溶强化形式提高钢材强度，也是钢种的脱氧元素。但是如果钢中Si含量较高,则会引起面缩率下降,特别是冲击韧性下降明显,同时对钢的焊接性也不利,而本钢种主要用来制作加氢反应器等设备,Si高也不利于抗氢腐蚀,因此将Si含量选择在0.05%～0.15%。

Mn: 在确保钢的强度和韧性方面，Mn是不可缺少的元素。而低锰对于钢种焊缝金属的韧性是有利的，因此将Mn的含量选择在0.30～0.60%。

P、S: 控制P ≤0.012%、S≤.010%，这是由于只有冶炼纯净钢，才能保证本发明钢的综合性能。

Cr：将Cr的含量选择在2.10～2.50%，是因为Cr能提高钢板淬透性，使得铁素体相变明显右移，扩宽贝氏体相变的冷速区间，促进中温转变组织的形成，提高钢板屈服强度。

Ni： Ni具有强化作用，加入1%的Ni可提高钢材强度20MPa。Ni还能显著地改善钢材的韧性，特别是低温韧性。钢种加入Ni,无论是基材还是模拟焊接热影响区都明显地提高了低温韧性.但含量过高时,除增加生产成本外,还造成钢板氧化铁皮难以脱落,故上限控制在≤0.20%。 

Mo：Mo的含量选择在0.95～1.10%，是因为Mo能提高钢板淬透性，使得铁素体相变明显右移，扩宽贝氏体相变的冷速区间，促进中温转变组织的形成，提高钢板屈服强度。

Cu： Cu含量控制在≤0.18%，是因为Cu为奥氏体形成元素,在扩大奥氏体相区的同时也在回火过程中促进了奥氏体的形成及稳定化。Ni同时改善钢的低温韧性也提高钢的强度，但是当Ni含量过高时会使得钢板的淬透性和淬硬性增加，使得钢板HAZ韧性降低，恶化钢板的焊接性能。少量的Cu的存在可以明显提高钢的腐蚀电位，从而提高钢材的耐腐蚀性能。同时当Cu的含量达到一定程度时，ε-Cu的析出物会提高钢板的强度.但是Cu的含量高于0.18%时，会引起钢的热脆现象，恶化钢板表面质量。

Sn：Sn、As和Sb元素对于该发明为有害元素，该三种元素对于本发明钢种的回火脆性影响很大，因此对于这三种元素进行了上限限制。

N：≤0.008%,钢种N元素对于钢板的韧性影响较大，因此做了上限的限制。

本发明与现有转炉技术相比，生产的钢具有纯度高、硫含量低、非金属夹杂物少、钢锭表面光滑、结晶均匀致密、金属组织和化学成分均匀、生产的钢板厚度可在100～150毫米，还能完全满足市场对临氢容器用钢的力学性能要求。

附图说明

 附图为本发明的金相组织图。

具体实施方式

下面对本发明予以详细描述：

表1为本发明各实施例及对比例的取值列表；

表2为本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表；

表3为本发明各实施例及对比例性能检测情况列表；

表4 为本发明各实施例及对比例高温拉伸力学性能检验结果。

本发明各实施例按照以下步骤生产：

其步骤：

1）进行电炉冶炼，控制出钢温度在1620～1640℃；

2）将钢水预热3～5分钟；

3）进行LF炉处理：按照45～70Kg/吨钢加入活性石灰，按照0.03～0.05Kg/吨钢加入硅钙或硅铁粉，按照0.015～0.025Kg/吨钢加入AD15脱氧剂；

4）进行扒渣，控制钢水中Si的重量百分比含量在：0.05～0.15%；

5）在VD真空炉中进行真空处理及吹氩，按照80～100ml/分钟吹入氩气；控制真空度不超过67Pa,并进行至少25分钟的保压，真空处理时间不少于25分钟并同时停止吹氩气；

6）按照2.7～3.0米/吨钢一次性喂入Si—Ca线；

7）进行再次吹氩，按照80～100ml/分钟吹入，吹氩时间不低于8分钟；

8）进行连铸，控制拉坯速度在1.6～1.7米/分钟，并控制铸坯厚度不少于150毫米；

9）堆冷至室温；

10）采用低频双极串联板坯电渣炉进行电渣重熔冶炼并抽锭：

a)将由电炉冶炼的铸坯进行拼接装入电渣炉，并形成自耗极回路；并将预熔渣按照20～30Kg/吨钢装入电渣炉的结晶器中；

b）进行抽锭并同时采用保护罩进行缓冷：当电渣炉中的钢水液面高度达到60～＜70毫米时，抽锭速度控制在3.5～＜4.5毫米/分钟；当电渣炉中的钢水液面高度达到70～＜80毫米时，抽锭速度控制在4.5～＜6.5毫米/分钟；当电渣炉中的钢水液面高度达到80毫米及以上后，抽锭速度控制在6.5～8.5毫米/分钟； 

c）当抽锭速度控制在7.5～8.5毫米/分钟时，进行重熔，并按照32～36g/分钟加入铝粒直至重熔结束；

d）进行补缩，当自耗电极融化到长度剩余300～350毫米时进行补缩，并控制此时抽锭速度在6.5～7.5毫米/分钟直至重熔结束成为铸坯，并继续缓冷；

在重熔中，控制钢水中的A、B、C及D夹杂总量≤1.5级，O≤0.003%，N≤0.007%;

11)进行模冷，模冷时间为2～2.5个小时；

12）将铸坯置入缓冷坑进行冷却，时间不少于48个小时；

13）对铸坯加热，控制均热温度在1200～1260℃，控制加热速率在11～13分钟/厘米，最终加热温度控制在1180～1230℃；

14）进行分段轧制：控制粗轧段的开轧温度在1070～1130℃，精轧段的开轧温度在890～910℃，终轧温度在860～880℃，精轧开轧厚度在220～240毫米，精轧末三道次总压下率不低于30%；

15）进行空冷，空冷至680～720℃；

16）采用正火+回火热处理，控制正火温度在910～930℃，正火时间在150～200分钟；回火温度在690～710℃，回火时间在160～240分钟；

17）待用。   

表1  本发明各实施例及对比例的组分取值列表（一）

表1  本发明各实施例及对比例的组分取值列表（二）

表2    本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表(一)

表2    本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表(二)

表2    本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表(三)

表2    本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表(四)

表2    本发明各实施例及对比例的主要工艺参数列表（五)

表3为本发明各实施例及对比例力学性能检验结果列表

表4  本发明各实施例及对比例的高温拉伸力学性能检验结果列表

 注：对比例1及2为采用转炉冶炼的情况。

众所周知，钢板厚度越大，则力学性能越难以保证。但从表3及表4可看出，对比例1及2与本发明相比，虽然力学性能相差不大，但厚度却大不相同，最厚可达150毫米。这就说明，本发明在保证力学性能满足新的市场需求的前提下，又满足了用户需要钢板厚度大于100毫米以上的新的需求。

Claims (1)

1.生产一种厚度≥100毫米的临氢容器用钢的方法，其步骤：

1）进行电炉冶炼，控制出钢温度在1620～1640℃；

2）将钢水预热3～5分钟；

3）进行LF炉处理：按照45～70Kg/吨钢加入活性石灰，按照0.03～0.05Kg/吨钢加入硅钙或硅铁粉，按照0.015～0.025Kg/吨钢加入AD15脱氧剂；

4）进行扒渣，控制钢水中Si的重量百分比含量在：0.05～0.15%；

5）在VD真空炉中进行真空处理及吹氩，按照80～100ml/分钟吹入氩气；控制真空度不超过67Pa,并进行至少25分钟的保压，真空处理时间不少于25分钟并同时停止吹氩气；

6）按照2.7～3.0米/吨钢一次性喂入Si—Ca线；

7）进行再次吹氩，按照80～100ml/分钟吹入，吹氩时间不低于8分钟；

8）进行连铸，控制拉坯速度在1.6～1.7米/分钟，并控制铸坯厚度不少于150毫米；铸坯的组分及重量百分比含量为：C：0.08～0.12%、Si：0.05～0.12%、Mn:0.30～0.45%、P:≤0.012%、S:≤0.010%、Cr：2.10～2.25%、Ni：≤0.18%、Mo：0.95～1.10%、Cu：≤0.12%、Sn：≤0.005%、As：≤0.004%、Sb：≤0.003%、N：≤0.008%,O≤0.003%,其余为Fe和不可避免的杂质；并应满足回火脆化敏感性系数J= (Si+ Mn)( P+ Sn)×10000≤80；

9）堆冷至室温；

10）采用低频双极串联板坯电渣炉进行电渣重熔冶炼并抽锭：

a)将由电炉冶炼的铸坯进行拼接装入电渣炉，并形成自耗极回路；并将预熔渣按照20～30Kg/吨钢装入电渣炉的结晶器中；

b）进行抽锭并同时采用保护罩进行缓冷：当电渣炉中的钢水液面高度达到60～＜70毫米时，抽锭速度控制在3.5～＜4.5毫米/分钟；当电渣炉中的钢水液面高度达到70～＜80毫米时，抽锭速度控制在4.5～＜6.5毫米/分钟；当电渣炉中的钢水液面高度大于或等于80毫米时，抽锭速度控制在6.5～8.5毫米/分钟； 

c）当抽锭速度控制在7.5～8.5毫米/分钟时，进行重熔，并按照32～36g/分钟加入铝粒直至重熔结束；

d）进行补缩，当自耗电极融化到长度剩余300～350毫米时进行补缩，并控制此时抽锭速度在6.5～7.5毫米/分钟直至重熔结束成为铸坯，并继续缓冷；

在重熔中，控制钢水中的A、B、C及D夹杂总量≤1.5级，O≤0.003%，N≤0.007%;

11)进行模冷，模冷时间为2～2.5个小时；

12）将铸坯置入缓冷坑进行冷却，时间不少于48个小时；

13）对铸坯加热，控制均热温度在1200～1260℃，控制加热速率在11～13分钟/厘米，最终加热温度控制在1180～1230℃；

14）进行分段轧制：控制粗轧段的开轧温度在1070～1130℃，精轧段的开轧温度在890～910℃，终轧温度在860～880℃，精轧开轧厚度在220～240毫米，精轧末三道次总压下率不低于30%；

15）进行空冷，空冷至680～720℃；

16）采用正火+回火热处理，控制正火温度在910～930℃，正火时间在150～200分钟；回火温度在690～710℃，回火时间在160～240分钟；

17）待用。

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