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CN116043130B - 一种模焊性能优良的经济型700MPa级储罐钢板及其制造方法 - Google Patents

一种模焊性能优良的经济型700MPa级储罐钢板及其制造方法 Download PDF

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CN116043130B CN202211462557.8A CN202211462557A CN116043130B CN 116043130 B CN116043130 B CN 116043130B CN 202211462557 A CN202211462557 A CN 202211462557A CN 116043130 B CN116043130 B CN 116043130B
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Abstract

本发明涉及一种模焊性能优良的经济型700MPa级储罐钢板及其制造方法，化学成分按质量百分比计为C：0.10～0.20％，Si：0.30～0.50％，Mn：1.40～2.00％，P≤0.007％，S≤0.002％、Nb+Ti：0.010～0.050％，其中Nb：0～0.030％、Ti：0～0.020％、Cr：0.15～0.30％，余量为Fe及不可避免的杂质元素，同时满足：碳当量CEV＝C+Mn/6+(Mo+V+Cr)/5+(Ni+Cu)/15≤0.47％，式中元素符号代表对应元素的质量百分含量，式中Mo、V、Ni、Cu为残余元素，5≤w(Cr)/w(Nb+Ti)≤10。组织为回火索氏体+回火贝氏体，晶粒度达到8级以上。板厚1/4处横向冲击功‑70℃KV2≥100J；模焊处理后性能要求同母材。该钢板不仅具有强度高、优良的模焊后低温冲击韧性和易焊接等特性，而且生产流程短、成本低廉、市场竞争优势明显。

Description

一种模焊性能优良的经济型700MPa级储罐钢板及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种模焊性能优良的储罐用钢板及其制造方法，属于铁基合金及其冶炼方法领域。
背景技术
近年来，国内外大量石化、天然气项目相继实施，大型钢制存储罐需求量显著上升，调质钢板因具有良好的强韧性匹配越来越受到业内青睐。同时，随着设备不断朝着大型化、轻量化、高参数化发展，同时保证设备安全、稳定运行，良好的低温冲击韧性和焊接性显得尤为关键。目前，大型储罐用钢板的强度普遍在600MPa级，适用于-70℃环境下700MPa级的储罐用钢板未涉及，因此，开发能够批量稳定生产的低成本低服役温度的高强储罐钢板将具有十分广阔的市场前景。
专利文献(公开号CN111621723A)公开了一种焊接性和抗疲劳特性优良的700MPa级低温调质钢板，其抗拉强度控制在790～830MPa，屈服强度控制在640～690MPa，-60℃下的低温冲击功在200J以上，但其Cu、Ni和Mo等贵重金属均有添加，元素成分的成本较高，且未提及模焊后的力学性能。
专利文献(公开号CN108660383A)申请了一种适用于-100℃的无镍经济型低温钢板及其制造方法，其采用热轧态或正火态或正火+回火态交货，-100℃冲击功达到60J以上，但其强度只有400～500MPa，对于行业使用而言明显偏低，导致设备壁厚增加，不利于加工制造和储罐的大型化的使用要求。
专利文献(公开号CN107974625A)公布了一种LPG船储罐用高韧性低温钢板的生产方法，其采用正火+回火热处理工艺来生产，屈强比低，-80℃低温冲击功达到100J以上，生产的钢板性能稳定、具有良好的强韧性匹配，但其Ni合金元素添加过多，生产成本大幅提升。
综上所述，现有高强度低温钢板大都通过添加贵重Ni合金以降低材料的韧脆转变温度，或采用低碳+控轧工艺生产，这么方式获得的储罐用钢板的强度偏低或者合金成本偏高，同时无法保证钢板模焊后的低温冲击韧性，不利于提升产品的综合市场竞争力。
发明内容
本发明的目的是要提供一种模焊性能优良的经济型700MPa级储罐钢板及其制造方法，所述钢板不仅兼顾了700MPa级的高强度、优良的模焊后低温冲击韧性和易焊接等特性，而且生产流程短、成本低廉、市场竞争优势明显，无需明显提高产品的生产成本。
本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种模焊性能优良的经济型700MPa级储罐钢板，钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.10～0.20％，Si：0.30～0.50％，Mn：1.40～2.00％，P≤0.007％，S≤0.002％、Nb+Ti：0.010～0.050％，其中Nb：0～0.030％、Ti：0～0.020％、Cr：0.15～0.30％，余量为Fe及不可避免的杂质元素，同时满足：碳当量CEV＝C+Mn/6+(Mo+V+Cr)/5+(Ni+Cu)/15≤0.47％，式中元素符号代表对应元素的质量百分含量，式中Mo、V、Ni、Cu为残余元素，5≤w(Cr)/w(Nb+Ti)≤10。
进一步地，所述钢板的组织为回火索氏体+回火贝氏体，晶粒度达到8级以上。钢板的屈服强度≥600MPa，抗拉强度Rm≥700MPa，断后伸长率A≥16％，板厚1/4处横向冲击功-70℃KV2≥100J；模焊处理后性能要求同母材，其中模焊工艺：升温至560℃，保温3小时，300℃以上控制升降温速率≤100℃/h，300℃以下出炉空冷，循环3次。
本发明中C、Si、Mn、P、S、Nb、Ti、Cr等元素的设置原理阐述如下：
C是提高钢板强度最经济的元素，本发明提高强度的主要思路就是增加C含量，但含量过高会导致塑性、冲击韧性的降低，同时焊接裂纹敏感性增大，焊接过程中容易产生裂纹。为了保证母材具有良好的强韧性匹配及可焊性等，因此本发明钢C的含量为0.10～0.20％。
Si通过固溶强化能提高钢板及焊接接头的强度，当Si含量大于0.50％时，钢板和焊接接头韧性会显著降低，同时形成的坚硬硅酸盐夹杂物容易造成钢板表面缺陷，Si的含量为0.30～0.50％。
Mn是提高钢板强度的常用元素，适量的Mn可替代C元素来提高钢板及焊接接头的强度和改善韧性。随着Mn含量的增加，可提高钢中奥氏体的稳定性，降低临界冷却速度，强化铁素体，显著提高淬透性，同时可使淬火后回火过程中组织分解转变速度减慢，提高回火组织稳定性，但含量过高将使钢在高温下晶粒粗化，降低钢板及焊接接头的韧性和可焊性，因此本发明钢Mn的含量为1.40％～2.00％。
P、S作为杂质元素在钢中是不可避免的，但其对钢板的加工性、尤其是模焊后低温冲击韧性是有害的，其含量越低越好，因此本发明钢P的含量≤0.007％，S的含量≤0.002％。
Nb能在非再结晶区轧制时引入大量高密度位错和畸变区，促进形成更多的相变核心，从而细化奥氏体组织。同时形成碳氮化物，在奥氏体晶界的铁素体中沉淀析出，在轧制过程中能抑制奥氏体的再结晶并阻止晶粒长大，从而起到细化铁素体晶粒的作用，提高钢的强度和韧性。Ti能形成高温氧化物，在焊接接头中作为针状铁素体的形核质点，促进针状铁素体形成，显著改善焊接热影响区低温冲击韧性。另外，回火过程中，由于Nb和Ti的析出物对位错的钉扎作用，可以有效阻碍位错运动，延缓基体的回复，减少位错密度的降低，使钢板韧性大幅改善的同时，强度不至于显著降低。若加入过多，不仅增加成本，而且析出物数量和尺寸增大，会导致钢的韧性尤其是薄规格钢板的韧性降低。因此，本发明钢Nb+Ti≤0.05％，同时进一步要满足5≤w(Cr)/w(Nb+Ti)≤10，在本申请中，Cr主要通过促进马氏体、板条贝氏体的形成，保证钢板的强度；Nb+Ti主要是通过细化轧制过程中晶粒的大小，保证钢板的韧性(强度贡献有限)，通过该公式的设置能使钢板具有合理的强韧性匹配，同时降低合金成本，提高产品元素成本的经济性。
Cr可促进钢中马氏体、板条贝氏体等硬相组织形成，与铁形成连续固溶体，固溶强化基体，提高钢板的强度和硬度。同时，还可提高钢的回火稳定性和细化晶粒，尤其是改善模焊后钢板的力学性能，防止强度大幅下降，但其含量过高时，会促进形成过多的硬相组织，降低钢的韧性和塑性。因此，本发明钢Cr的含量为0.15～0.30％。
上述钢板的制造方法包括如下工序：铁水预处理→转炉冶炼(初炼)→(钢包炉)精炼→真空处理(软吹)→连铸→铸坯加热→控制轧制→控制冷却→堆缓冷→回火→探伤→性能检验，具体阐述如下：
步骤一、钢水冶炼和铸坯浇铸：按钢板的元素成分设计冶炼钢水，将钢水浇铸成铸坯，铸坯(优选堆垛)缓冷。
步骤二、控制轧制：将连铸坯加热至1180～1240℃，高温段均热时间不少于90min，使Nb、Ti充分固溶，在后续轧制过程中弥散析出，细化初始奥氏体晶粒，为最终钢板获得良好的强韧性打下基础。铸坯出炉后经高压水除鳞去除表面氧化铁皮，采用两阶段轧制：初轧采用少道次大压下量，初轧开轧温度为1000～1080℃，终轧温度控制在980～1040℃，保证至少2道次的压下率≥12％，精轧待温厚度≥3.0H，H为成品钢板厚度，以增大轧制变形量，能有效通过形变细化奥氏体晶粒，大幅增加组织中的位错密度，进一步提高基体强度。终轧温度控制在Ac3以上，使控制冷却前钢板组织处于完全奥氏体化，在后续的冷却过程中转变为马氏体+板条贝氏体组织。最终轧制成12～36mm厚成品钢板。
步骤三、控制冷却：轧后控制冷却，冷却速度控制为15～30℃/s，冷却到200℃以下，得到马氏体+板条贝氏体组织。
步骤四、回火热处理：进行500～600℃回火处理，使控冷后的组织发生转变，得到回火索氏体+回火贝氏体组织，同时消除应力，组织晶粒度8级以上。
优选地，步骤一中，钢水冶炼涉及铁水预处理、初炼、精炼、真空处理，真空处理后软吹15分钟以上；浇铸采用连铸工艺，连铸时控制拉速在0.45～0.55m/min，控制过热度在10～30℃，浇铸成300mm以上厚度的连铸板坯，铸坯进行堆垛缓冷。
优选地，步骤二中，控制轧制的终轧温度为900～940℃。
本发明采用更为简洁的C-Mn-Cr化学成分设计加控轧、控制冷却+回火工艺生产。冶炼时保证钢水的纯净度，如采用优质废钢和KR铁水预处理，严格控制有害元素和杂质元素含量，控制转炉扒渣后[P]≤0.005％并从炉底进行吹氩处理；精炼时，通过Al线脱氧并适当调节用于搅动钢水的氩气流量，促进氧化铝等絮状大颗粒夹杂上浮。加脱硫剂进一步深脱硫，控制[S]≤0.002％，并严格控制合金及辅料中杂质元素和有害元素含量。在制备方法中重视晶粒细化，并在最后进行500～600℃回火处理，使产品钢板屈服强度≥600MPa，抗拉强度Rm≥700MPa，断后伸长率A≥16％，板厚1/4处横向冲击功-70℃KV2≥100J。模焊处理后性能要求同母材(模焊工艺：升温至560℃，保温3小时，300℃以上控制升降温速率≤100℃/h，300℃以下出炉空冷，循环3次)。产品微观组织为回火索氏体+回火贝氏体。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)一方面加入经济的Cr元素，提高基体淬透性，另一方面依靠设备的冷却能力，通过加大冷却速度，在轧后空冷得到马氏体+板条贝氏体组织，从而提高基体强度。减少了Ni、Mo、V等贵重合金的使用，实现了“以水代合金”。
(2)与传统的离线淬火工艺相比，通过采用300mm以上厚连铸坯，同时控制精轧待温厚度≥3.0H，增大第二阶段轧制的形变量，在基体中引入了大量的位错，进一步提高了回火前钢板的强度。
(3)本申请成本低廉，生产流程短，同时具有良好的模焊后力学性能，可以替代现有服役温度-40℃至-70℃的钢种，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明实施例2的32mm厚钢板板厚1/4处金相组织中回火索氏体+回火贝氏体的示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本实施例和对比例的熔炼化学成分见表1(wt％)，剩余为Fe及不可避免的杂质元素。
表1
元素 C Si Mn P S Nb+Ti Cr Ni B Cr/(Nb+Ti) CEV
实施例1 0.16 0.35 1.52 0.005 0.001 0.034 0.20 / 0.0005 5.88 0.46
实施例2 0.15 0.34 1.51 0.006 0.002 0.030 0.28 / 0.0004 9.33 0.47
对比例 0.08 0.25 1.45 0.012 0.006 0.050 0.05 0.32 0.0013 1.00 0.41
上述实施例和对比例均在转炉冶炼，再经钢包炉深脱硫和精炼处理，最后至真空炉进行脱气，软吹15分钟以上，使大颗粒夹杂物充分上浮去除，并保证成分、温度均匀，然后经轻压下和全过程保护浇注成300mm以上连铸板坯。
将连铸板坯加热至1180～1240℃，总在炉时间≥240min，高温段均热时间≥90min，出炉后经高压水除鳞，除尽铸坯表面氧化铁皮；然后进行两阶段轧制，初轧开轧温度为1000～1080℃，终轧温度控制在980～1040℃，保证有2道次压下率≥12％；精轧待温厚度≥3.0H(H为成品钢板厚度，)终轧温度控制在900～940℃，轧制成12～36mm厚成品钢板，轧后进行控制冷却，冷却速度控制为15～30℃/s，钢板下线后堆缓冷，最后进行500～600℃回火处理。
表2为各实施例和对比例主要轧制、控冷和回火工艺参数。
表2
热处理后的钢板，在板厚1/4处取横向样加工成拉伸试样、冲击试样，并进行力学性能测试，检测结果见表3。
表3
对钢板进行模焊处理(模焊工艺：升温至560℃，保温2小时，300℃以上控制升降温速率≤100℃/h，300℃以下出炉空冷，循环3次)后进行拉伸、冲击性能检测，结果见表4。
表4实施例和对比例钢板模焊后力学性能对比
由表3、表4可见，本发明实施例试验钢板强度明显高于对比例，-70℃低温冲击功水平相近，但经过模焊处理后，对比例冲击功不稳定，单值最低仅为19J，而本发明实施例冲击功虽有所下降，但仍维持在100J以上。
该发明不仅保证了钢板具有高的强度，还具有稳定的模焊后低温冲击韧性。本发明均可在冶金企业中厚板厂实施，工艺流程简单，可操作性强且成本低廉，可应用于石油、化工等行业建造大型储罐。
除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种模焊性能优良的经济型700MPa级储罐钢板，其特征在于：钢板的化学成分按质量百分比计为C：0.10～0.20%，Si：0.30～0.50%，Mn：1.40～2.00%，P≤0.007%，S≤0.002%、Nb+Ti：0.010～0.050%，其中Nb：0～0.030%、Ti：0～0.020%、Cr：0.15～0.30%，余量为Fe 及不可避免的杂质元素，同时满足：碳当量CEV=C+Mn/6+(Mo+V+Cr)/5+(Ni+Cu)/15≤0.47%，式中元素符号代表对应元素的质量百分含量，式中Mo、V 、Ni、Cu为残余元素， 5≤w(Cr)/w(Nb+Ti)≤10，组织为回火索氏体+回火贝氏体，晶粒度达到8级以上；
钢板是由如下步骤制造的：
步骤一、钢水冶炼和铸坯浇铸：按钢板的元素成分设计冶炼钢水，将钢水浇铸成铸坯，铸坯缓冷；
步骤二、控制轧制：将连铸坯加热至1180～1240℃，高温段均热时间不少于90min，使Nb、Ti充分固溶，铸坯出炉后经高压水除鳞去除表面氧化铁皮，采用两阶段轧制：初轧采用少道次大压下量，初轧开轧温度为1000～1080℃，终轧温度控制在980～1040℃，保证至少2道次的压下率≥12%，精轧待温厚度≥3.0H，H为成品钢板厚度，终轧温度控制在Ac3以上，使控制冷却前钢板组织处于完全奥氏体化，最终轧制成12～36mm厚成品钢板；
步骤三、控制冷却：轧后控制冷却，冷却速度控制为15～30℃/s，冷却到200℃以下，得到马氏体+板条贝氏体组织；
步骤四、回火热处理：进行500～600℃回火处理，使控冷后的组织发生转变，得到回火索氏体+回火贝氏体组织，同时消除应力，组织晶粒度8级以上。
2.根据权利要求1所述的模焊性能优良的经济型700MPa级储罐钢板，其特征在于：钢板的屈服强度≥600MPa，抗拉强度Rm≥700MPa，断后伸长率A≥16%，板厚1/4处横向冲击功-70℃KV2≥100J；模焊处理后性能要求同母材，其中模焊工艺：升温至560℃，保温3小时，300℃以上控制升降温速率≤100℃/h，300℃以下出炉空冷，循环3次。
3.一种制造权利要求1所述模焊性能优良的经济型700MPa级储罐钢板的方法，其特征在于：
步骤一、钢水冶炼和铸坯浇铸：按钢板的元素成分设计冶炼钢水，将钢水浇铸成铸坯，铸坯缓冷；
步骤二、控制轧制：将连铸坯加热至1180～1240℃，高温段均热时间不少于90min，使Nb、Ti充分固溶，铸坯出炉后经高压水除鳞去除表面氧化铁皮，采用两阶段轧制：初轧采用少道次大压下量，初轧开轧温度为1000～1080℃，终轧温度控制在980～1040℃，保证至少2道次的压下率≥12%，精轧待温厚度≥3.0H，H为成品钢板厚度，终轧温度控制在Ac3以上，使控制冷却前钢板组织处于完全奥氏体化，最终轧制成12～36mm厚成品钢板；
步骤三、控制冷却：轧后控制冷却，冷却速度控制为15～30℃/s，冷却到200℃以下，得到马氏体+板条贝氏体组织；
步骤四、回火热处理：进行500～600℃回火处理，使控冷后的组织发生转变，得到回火索氏体+回火贝氏体组织，同时消除应力，组织晶粒度8级以上。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤一中，钢水冶炼涉及铁水预处理、初炼、精炼、真空处理，真空处理后软吹15分钟以上；浇铸采用连铸工艺，连铸时控制拉速在0.45～0.55m/min，控制过热度在10～30℃，浇铸成300mm以上厚度的连铸板坯，铸坯进行堆垛缓冷。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤二中，控制轧制的终轧温度为900～940℃。
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