專利名稱：大型球罐鋼成份及熱處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制造大型球罐用鋼，特別是高屈服強(qiáng)度(σa≥460MPa)球罐鋼成份及其熱處理方法。
在冶金、化工、石油等行業(yè)使用的氧氣球罐、乙烯球罐、液化氣球罐等必需裝備中，使用高屈服強(qiáng)度(σa≥460MPa)鋼材成為制造大型球罐的發(fā)展方向，以利于擴(kuò)大貯存容量，提高工作能力、減少壁厚、降低自重，而在球罐制造過(guò)程中需要由同等強(qiáng)度和韌性級(jí)別的板材和鍛件通過(guò)焊接完成，目前的460MPa級(jí)屈服強(qiáng)度的球罐鋼板及鍛件需由兩種鋼號(hào)或兩種成份的鋼材制造，這是由于板材寬度大、截面厚度較小(約40mm)，正火之后單張板材冷卻速度較快，晶粒細(xì)，而大型鍛件截面寬度約為250mm，直徑1m，體積較大，正火后冷卻速度較慢，晶粒粗大，且在整個(gè)橫截面內(nèi)組織、機(jī)械性能的均勻一致性差，因此大型鍛件為適應(yīng)上述熱處理制度的需要，需對(duì)成份進(jìn)行調(diào)整，增加提高淬透性的元素如Ni、Cr、Mo、B等，造成冶煉工藝復(fù)雜，成本提高。而在制造大型球罐鋼的焊接過(guò)程中，板材與鍛件的成份差異造成了焊接預(yù)熱溫度不同，因而會(huì)影響焊接區(qū)的質(zhì)量。因此在現(xiàn)有技術(shù)中大型球罐的鋼板和鍛件是由兩種成份的鋼材制造的，例如德國(guó)統(tǒng)一的DINEN 10028-3-1992《壓力容器扁平軋件》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定P460 NL 1鋼種只適用于軋件(≤150mm厚)，沒有規(guī)定可同樣適用配套鍛件，也需要由其它鋼號(hào)或成份配套，其成份為C≤0.20，Si≤0.6，Mn1.00～1.70，P≤0.025，S≤0.015，AlT≥0.020，Cn≤0.70，Ni≤0.80，Cr≤0.30，Mo≤0.1，V≤0.20，Ti≤0.03，W≤0.025，并指出其熱處理為正火，當(dāng)正火品性能不好時(shí)可根據(jù)需要回火，但具體工藝并來(lái)提及。而日本專利平2-11721公開了一種《耐應(yīng)力腐蝕性優(yōu)異的液氨用低溫壓力容器鋼材的制造方法》，是將成份為C0.03～0.16，Si0.01～0.55，Mn0.8～1.6，P＜0.03，S＜0.025，以及Cu＜0.5，Ni＜0.5，Cr＜0.5，Mo＜0.5中的至少一種，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)的鋼經(jīng)過(guò)鍛造后進(jìn)行熱處理，但具體熱處理工藝未見提及。另外由于鍛材要求淬透性高，將該成份應(yīng)用于板材會(huì)造成強(qiáng)度超出上限，而韌性下降，力學(xué)性能的匹配不好。因此在現(xiàn)有技術(shù)中還沒有找到一種460MPa屈服強(qiáng)度的鋼種可同時(shí)用于制造球殼鋼板和鍛件。
本發(fā)明的目的之一是得到一種大型球罐鋼成份，可同時(shí)應(yīng)用于制造球殼鋼板和鍛件。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是得到一種上述鋼種的熱處理工藝以保證獲得所需的組織和力學(xué)性能。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的一種大型球罐鋼，其成份(wt％)為C0.08～0.18，Si0.01～0.5，Mn0.08～1.65，P≤0.025，S≤0.015，AlT≤0.060，Cu0.50～1.0，Ni0.30～1.00，Nb0.01～0.05，V0.08～0.16，N0.01～0.02，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
該球罐鋼成份的最佳值為C0.08～0.15，Si0.01～0.5，Mn1.00～1.65，P≤0.020，S≤0.015，AlT0.010～0.030，Cu0.50～0.70，Ni0.30～0.80，V0.08～0.15，Nb0.01～0.05，N0.01～0.02，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。該合金還含有Cr≤0.30，Mo≤0.30。
一種大型球罐鋼的熱處理工藝，當(dāng)制品為板材時(shí)，首先進(jìn)行正火處理即加熱到910±15℃，保溫一段時(shí)間后空冷，然后經(jīng)回火處理于540～600℃保溫一段時(shí)間后空冷，上述保溫時(shí)間為每毫米板厚1.5～2.0分鐘。當(dāng)制品為鍛件時(shí)，其正火處理為出爐后強(qiáng)制冷卻。
下面對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳述。
本發(fā)明通過(guò)對(duì)球罐鋼合金成份的設(shè)計(jì)、改進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)用同一成份制造460MPa級(jí)屈服強(qiáng)度的寬厚板和鍛件，同時(shí)配合熱處理工藝使鍛件可以正火＋回火狀態(tài)交貨，而不必采用現(xiàn)有技術(shù)中復(fù)雜的調(diào)質(zhì)處理。
本發(fā)明對(duì)合金成份的改進(jìn)主要通過(guò)Cu、Ni、Cr、Mo、V、N等元素的調(diào)整完成，使該成份不僅適用于鋼板，也適用于厚截面的鍛件，下面分別介紹各個(gè)合金元素的作用C0.08～0.18，可提高合金強(qiáng)度，＜0.08強(qiáng)度較低，＞0.18影響可焊性。
Si0.01～0.5，固溶強(qiáng)化元素，冶煉時(shí)進(jìn)行脫氧，＜0.01使強(qiáng)度降低，＞0.5影響韌性。
Mn0.08～1.65，固溶強(qiáng)化元素，可提高鋼的強(qiáng)度，＜0.08強(qiáng)度不好，＞1.65影響韌性。
P≤0.025，造成偏析，因此只規(guī)定上限。
S≤0.015，過(guò)高形成夾雜物。
Al≤0.060，脫氧劑，＞0.06則形成過(guò)多夾雜物，影響性能。
Cu0.50～1.0，當(dāng)Cu在鋼中含量＜0.30時(shí)起固溶強(qiáng)化作用，超過(guò)0.30時(shí)，會(huì)析出ε-Cu球形粒子，起彌散強(qiáng)化作用，可提高屈服強(qiáng)度，為提高耐大氣腐蝕性的必要元素。
Ni0.30～1.0提高淬透性，細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)度、韌性，＜0.30作用不明顯，＞1.00則成本增加過(guò)高。
Cr≤0.30，Mo≤0.30，可提高淬透性，當(dāng)＞0.30時(shí)，造成鋼脆化，焊接時(shí)冷裂。
Nb0.01～0.05，V0.08～0.16，Nb、V為微合金化元素，可形成Nb(C、N)、V(C、N)彌散粒子，提高屈服強(qiáng)度，過(guò)高則效果的改進(jìn)不明顯，但成本增加過(guò)高，同時(shí)影響鋼焊接的熱影響區(qū)韌性。
N0.01～0.02，做為合金元素參與形成彌散粒子，過(guò)高則影響鋼的應(yīng)變時(shí)效性能。
從以上成份可以看出，本發(fā)明的鋼種為含銅鋼，為銅-時(shí)效硬化鋼，加入銅的目的，是可在后來(lái)的時(shí)效處理中使鋼中彌散析出ε-Cu圓形粒子沉淀相(≤100nm)，以提高鋼的屈服強(qiáng)度，這樣可降低鋼中碳含量，改善鋼的可焊性。過(guò)去人們一直認(rèn)為鋼中銅含量過(guò)高(＞0.5％)，會(huì)造成銅裂，事實(shí)上這是由于鋼中存在著As等有害元素與銅化合造成的，本發(fā)明由于鋼水本身純凈，可在銅含量達(dá)到0.5～1.0時(shí)不發(fā)生銅裂現(xiàn)象。同時(shí)，再經(jīng)微合金化元素Nb、V處理，鋼中析出的Nb(C、N)、V(C、N)粒子既細(xì)化鐵素體晶粒，可使屈服強(qiáng)度大幅度提高，從而保證獲得460MP以上的屈服強(qiáng)度(上屈服點(diǎn))。另外，加入適當(dāng)?shù)腘i、Cr、Mo提高了鋼的固溶強(qiáng)化作用，增大了鋼的淬透性。
將上述化學(xué)成份的合金經(jīng)配料、冶煉、澆注、軋制或鍛造后，得到所需的板材或鍛件后空冷，其熱處理工藝分別為板材熱處理由于軋后的板材表面晶粒細(xì)，中間晶粒粗，厚度橫截面性能不均勻，需進(jìn)行如下熱處理正火處理加熱到910±15℃進(jìn)行奧氏體化，保溫時(shí)間為每毫米板厚1.5～2.0分鐘，然后空冷，在此溫度范圍和保溫時(shí)間內(nèi)由于AlN、Nb(C、N)粒子仍存在，奧氏體晶粒仍保持細(xì)小，空冷后可得到細(xì)小的鐵素體＋貝氏體晶粒。
回火處理加熱到540～600℃，保溫時(shí)間為每毫米板厚1.5～2.0分鐘，進(jìn)行時(shí)效處理，可使ε-Cu粒子析出，但保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成過(guò)時(shí)效會(huì)使ε-Cu粒子生長(zhǎng)過(guò)大。
鍛件熱處理基本與板材相同，只是由于鍛件本身厚度大，需在正火處理出爐后采用風(fēng)冷式噴水霧進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，以提高鍛件的冷卻速度。
下面結(jié)合效果介紹本發(fā)明的實(shí)施例。
1、煉鋼煉鋼方法由生產(chǎn)者自己決定，但為鎮(zhèn)靜鋼，鋼中應(yīng)含有足夠的固氮元素，本實(shí)施例采用轉(zhuǎn)爐煉鋼，化學(xué)成份如表1示。
2、澆鑄模鑄，Ar氣保護(hù)，可澆鑄板材鑄錠及鍛件鑄錠。
3、初軋鋼錠加熱溫度1250～1280℃，初軋開坯，坯厚250～300mm，寬度≤1600mm，軋后空冷，火割分塊，可用作板坯，也可用作鍛坯。
4、鋼板軋制板坯加熱溫度1220～1250℃。粗軋開軋溫度≥1150℃，橫向粗軋壓下比≥50％，終了溫度≥1000℃，軋后待溫到950～920℃開始精軋，精軋為縱軋，壓下比≥40％，終軋溫度≥850℃，軋后空冷。
5、板材熱處理正火處理910±15℃×保溫時(shí)間，出爐后空冷。
回火處理540～600℃×保溫時(shí)間，出爐后空冷。
保溫時(shí)間為每毫米板厚1.5～2.0分鐘，在?；癄t中進(jìn)行。
6、鍛造在快鍛設(shè)備上完成鍛造。
鍛坯加熱溫度1220～1250℃。開鍛溫度≥1150℃，預(yù)鍛成圓餅，主截面高度對(duì)成品件高度之比大于1.6倍?；貭t加熱(≤1100℃)，二次鍛造一火完成，終鍛溫度≤850℃，鍛后空冷。
7、鍛件熱處理正火處理910±15℃×保溫時(shí)間，出爐后風(fēng)冷或水霧冷卻。
回火處理540～600℃×保溫時(shí)間，空冷。
保溫時(shí)間為每毫米板厚1.5～2.0分鐘。
上述制品的適用范圍為鋼板厚度≤50mm，鍛件直徑≤1200mm，厚度≤250mm。
經(jīng)上述實(shí)施方法制造的板材和鍛件其性能為鋼板σa為485～530MPa，σb為595～630MPa，σ5為26～33％，-10℃Akv縱向?yàn)?12～236J，橫向?yàn)?00～142J，-60℃Akv縱向129～170J，橫向?yàn)?1～64J，180℃寬冷彎完好。夏氏V型缺口試樣NDT溫度低于100℃。落錘試驗(yàn)P1試樣NDT溫度低于-65℃，橫向低于-60℃。鋼板對(duì)應(yīng)變時(shí)效不敏感，消應(yīng)力處理后性能穩(wěn)定，交變狀態(tài)及消應(yīng)力處理狀態(tài)斷裂韌性優(yōu)良，抗疲勞裂紋擴(kuò)展速率da/dN良好。
鍛件在嚴(yán)于鍛件標(biāo)準(zhǔn)JB4726-94，JB4727-94取樣標(biāo)準(zhǔn)下，σa為480～490MPa，σb為590～600MPa，σ5為27～37％，-10℃Akv為176～199J，-40℃Akv為111～146J。經(jīng)超聲波探傷后，鍛件達(dá)ID級(jí)(最高級(jí))水平。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明在合金成份上進(jìn)行了調(diào)整、改進(jìn)，如表1示，并配合相應(yīng)的熱處理工藝，表2中列出了本發(fā)明與對(duì)比例工藝特征、力學(xué)性能的對(duì)比，這樣，可使鋼中碳含量降低，實(shí)現(xiàn)以銅降碳，提高可焊性，同時(shí)經(jīng)時(shí)效處理析出的ε-Cu彌散粒子可使鋼的屈服強(qiáng)度提高，可用同一爐鋼水制造出同等性能要求的球殼鋼板和鍛件，而無(wú)需采用兩個(gè)鋼種，既簡(jiǎn)化冶煉工藝、降低成本，又可保證球罐焊接區(qū)質(zhì)量。
表1
表2
*日本專利特開平2—1172權(quán)利要求
1.一種大型球罐鋼，其特征是化學(xué)成份(wt％)為C0.08～0.18，Si0.01～0.5，Mn0.05～1.65，P≤0.025，S≤0.015，AlT≤0.060，Cu0.50～1.0，Ni0.30～1.00，Nb0.01～0.05，V0.08～0.16，N0.01～0.02，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球罐鋼，其特征是所述的化學(xué)成份的最佳值為C0.08～0.15，Si0.01～0.5，Mn1.00～1.65，P≤0.020，S≤0.01 5，AlT0.010～0.030，Cu0.50～0.70，Ni0.30～0.80，V0.08～0.15，Nb0.01～0.05，N0.01～0.02，其余為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的球罐鋼，其特征是該合金還含有Cr≤0.30，Mo≤0.30。
4.一種大型球罐鋼的熱處理工藝，其特征是當(dāng)制品為板材時(shí)，首先進(jìn)行正火處理即加熱至910±15℃，保溫一段時(shí)間后空冷，然后經(jīng)回火處理于540～600℃保溫一段時(shí)間后空冷，上述保溫時(shí)間為每毫米板厚1.5～2.0分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱處理工藝，其特征是當(dāng)所述的制品為鍛件時(shí)，其正火處理為出爐后強(qiáng)制冷卻。
全文摘要
本發(fā)明為一種大型球罐鋼成份和熱處理工藝，其成份為C0.08～0.18，Si0.01～0.5，Mn0.08～1.65，P≤0.025，S≤0.015，Al
文檔編號(hào)C22C38/16GK1116249SQ9510499
公開日1996年2月7日 申請(qǐng)日期1995年5月19日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月19日
發(fā)明者張永嘉 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵(集團(tuán))公司