高韌性低溫鋼09MnNiDR試制

康文舉

（1.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京　100081；2.南陽(yáng)漢冶特鋼有限公司，河南　南陽(yáng)　474500）

高韌性低溫鋼09MnNiDR試制

康文舉

（1.北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院，北京100081；2.南陽(yáng)漢冶特鋼有限公司，河南南陽(yáng)474500）

開(kāi)展低溫壓力容器用09MnNiDR鋼板在漢冶特鋼的試制及相關(guān)的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明其產(chǎn)品具有良好的低溫韌性和強(qiáng)度匹配，鋼質(zhì)純凈，內(nèi)部質(zhì)量好，夾雜物含量低。同時(shí)，研究了化學(xué)成分和生產(chǎn)工藝對(duì)低溫韌性的影響。

低溫壓力容器用鋼；09MnNiDR；產(chǎn)品試制

09MnNiDR鋼為鐵素體+少量珠光體型低溫用低合金鋼，要求具有良好的低溫沖擊韌性，主要用于石油、化工設(shè)備、電站等行業(yè)設(shè)備關(guān)鍵部位，如反應(yīng)器、換熱器、分離器、油氣罐、液化氣罐、核能反應(yīng)堆壓力殼、鍋爐汽包和水電站高壓水管等，對(duì)性能及內(nèi)部質(zhì)量要求極其苛刻。本文著重介紹南陽(yáng)漢冶特鋼09MnNiDR鋼板生產(chǎn)工藝及實(shí)物質(zhì)量，并探討了化學(xué)成分和熱處理工藝對(duì)該鋼種性能的影響。

1　主要技術(shù)要求

本次試制采用GB 3531-2014標(biāo)準(zhǔn)，與GB 3531-2008標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，本標(biāo)準(zhǔn)對(duì)硫元素進(jìn)一步進(jìn)行了嚴(yán)控，沖擊值也由34J提高到60J，具體如下。

1.1化學(xué)成分

化學(xué)成分（熔煉分析）應(yīng)符合GB 3513-2014標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（見(jiàn)表1）。

1.2鋼板的力學(xué)性能

鋼板的力學(xué)性能見(jiàn)表2。

1.3冶煉方法

采用轉(zhuǎn)爐+爐外精煉冶煉。

1.4交貨狀態(tài)

正火或正火+回火。

1.5超聲檢測(cè)

逐張進(jìn)行超聲波檢測(cè)內(nèi)部質(zhì)量。

2　工藝路線

鐵水脫硫→LD冶煉→LF精煉→VD真空脫氣→連鑄澆注→鋼坯清理→加熱→除鱗→軋制→ACC→矯直→堆冷→表面檢查→探傷→熱處理→性能檢測(cè)→精整→入庫(kù)。

表1　09MnNiDR鋼的化學(xué)成分

表2　09MnNiDR鋼板的力學(xué)性能

表3　09MnNiDR成分設(shè)計(jì)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

3　工藝設(shè)計(jì)

3.1成分設(shè)計(jì)

09MnNiDR鋼為鐵素體+少量珠光體型低溫用鋼。為保證鋼的韌性指標(biāo)，需盡量減少脆性組織珠光體含量，因此C含量不宜過(guò)高。Mn主要是通過(guò)固溶強(qiáng)化來(lái)提高鋼材的強(qiáng)度，在C含量比較低的情況下，Mn是保證鋼材強(qiáng)度的重要元素，因此Mn元素根據(jù)鋼板厚度需控制在標(biāo)準(zhǔn)中上限。Ni在鋼中為純固溶元素，具有明顯降低冷脆轉(zhuǎn)折溫度的作用。但同時(shí)Ni是擴(kuò)大奧氏體元素，降低奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度，從而影響到碳與合金元素的擴(kuò)散速度，阻止奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變，降低鋼的臨界冷卻速度，可提高鋼的淬透性，易使鋼中出現(xiàn)貝氏體及馬氏體［1］。因此，控制合適的Ni含量，使其保持單一的鐵素體+珠光體是改善韌性的關(guān)鍵。為了達(dá)到較好的細(xì)化晶粒效果，在鋼中適當(dāng)添加Nb元素，同時(shí)盡量減少鋼中有害元素P、S含量，具體成分設(shè)計(jì)見(jiàn)表3。

3.2冶煉及澆鑄工藝

為保證09MnNiDR鋼板內(nèi)部質(zhì)量和低溫韌性，必須在冶煉過(guò)程保證低的P、S、As、Sn等有害元素含量。采用KR鐵水預(yù)脫硫是必要的，可大大減輕后續(xù)轉(zhuǎn)爐和精煉任務(wù)，轉(zhuǎn)爐廢鋼采用優(yōu)質(zhì)邊角料，避免外來(lái)夾雜物進(jìn)入鋼中污染鋼水，確保出鋼碳控制在0.035%～0.055%，出鋼P(yáng)≤0.008%，出鋼過(guò)程合金化采取低碳錳鐵或金屬錳以盡量減少增C；LF精煉過(guò)程采用大渣量操作，要求精煉結(jié)束的終渣為流動(dòng)性良好、黏度合適的泡沫白渣，同時(shí)采用鋼包喂Ca線的方式，對(duì)夾雜物進(jìn)行鈣化變性處理。VD爐保壓時(shí)間大于15min，要求氫含量低于2mg/kg；澆注過(guò)程采取保護(hù)澆注、電磁攪拌、輕壓下等技術(shù)確保鑄坯質(zhì)量。

3.3加熱、軋制

對(duì)于該鋼種來(lái)說(shuō)，如何保證表面質(zhì)量是一大難題，由于該鋼種含Ni元素較高，加熱后氧化鐵皮較多難以去除，需重點(diǎn)控制加熱爐內(nèi)氧化氛圍，嚴(yán)格控制加熱溫度和加熱時(shí)間，為后續(xù)除鱗環(huán)節(jié)減輕壓力。

軋制環(huán)節(jié)采取二階段軋制，為保證特厚板芯部變形滲透，充分壓合原始鑄坯內(nèi)部疏松等缺陷，一階段軋制溫度980℃以上，單道次壓下量控制在30～50mm，一階段軋制最后三道次壓下率大于15%。二階段為避免混晶且保持較細(xì)小的晶粒，開(kāi)軋溫度≤920℃，終軋溫度≤820℃且軋后快速入ACC進(jìn)行冷卻，返紅溫度低于680℃，對(duì)厚度大于60mm的特厚板可進(jìn)行二次進(jìn)入ACC冷卻，避免厚度方向溫度不均勻造成性能差異大。

3.4熱處理

選取100mm鋼板試樣進(jìn)行系列正火試驗(yàn)（900、920、940、960℃），其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4　不同正火溫度下鋼板性能

由表4可知，隨著正火溫度的提高，鋼板抗拉強(qiáng)度逐步下降，屈強(qiáng)比有升高趨勢(shì)，沖擊韌性在940℃以上時(shí)開(kāi)始逐步變差，920℃正火時(shí)綜合性能最好，此時(shí)實(shí)際的韌脆轉(zhuǎn)變溫度在-90℃以下。

表5　09MnNiDR實(shí)際熔煉化學(xué)成分Wt

4　試制結(jié)果分析

4.1鋼板化學(xué)成分

鋼的實(shí)際熔煉化學(xué)成分見(jiàn)表5。由表5可知，實(shí)際冶煉P、S含量較低，為低溫韌性打下基礎(chǔ)。

氣體含量分析，對(duì)鋼板取樣做了氣體含量分析，結(jié)果如表6所示。

表6　對(duì)鋼板氣體含量檢測(cè)結(jié)果Wt

4.2機(jī)械性能檢測(cè)結(jié)果

按照GB 3531-2014中相關(guān)要求對(duì)試制的09MnNiDR鋼板進(jìn)行性能檢測(cè)，結(jié)果如表7所示。

從表7力學(xué)性能檢測(cè)可知，一是南陽(yáng)漢冶特鋼生產(chǎn)的09MnNiDR鋼板具有良好的強(qiáng)韌性匹配，熔煉號(hào)100508生產(chǎn)鋼板-90℃沖擊功可達(dá)200J以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)要求，同時(shí)該鋼具有良好的抗層狀撕裂能力，Z向性能可滿足Z35，各相指標(biāo)富余量較大。

二是熔煉號(hào)100509爐次生產(chǎn)鋼板，屈服和抗拉強(qiáng)度較熔煉號(hào)100508爐次鋼板稍高，但沖擊韌性值稍差，雖然滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但韌脆轉(zhuǎn)變溫度在-90～-80℃。分析原因在于100509爐次碳含量較高，顯微組織中珠光體含量較高所致，這在表7中高倍檢測(cè)結(jié)果可以證明。因此，對(duì)特厚板（大于60mm）的成分控制需特別關(guān)注，盡量降低碳含量，同時(shí)增加錳和鎳含量彌補(bǔ)降碳帶來(lái)的強(qiáng)度損失。

三是沖擊斷口檢測(cè)。鋼板各個(gè)厚度的沖擊試樣如圖1所示，并用SEM觀察了09MnNiDR鋼板的沖擊試樣斷口形貌，結(jié)果如圖2所示。對(duì)于沖擊斷口，主要分為裂紋起裂區(qū)，裂紋擴(kuò)展區(qū)和尾部減切區(qū)。而對(duì)于韌性斷口，還出現(xiàn)較明顯的側(cè)邊減切唇。從圖2可知，幾乎在整個(gè)沖擊斷口的所有部位都是韌性斷裂方式，甚至在裂紋擴(kuò)展區(qū)，也是以細(xì)小的韌窩狀斷口為主。

圖1　09MnNiDR沖擊試樣斷口

圖2　09MnNiDR沖擊斷口的形貌

四是無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度特性。本實(shí)驗(yàn)在試樣上堆焊脆性焊道，測(cè)試試樣在落錘的沖擊力作用下，脆性裂紋起裂且傳播到試樣的一個(gè)端部時(shí)，試樣對(duì)應(yīng)的斷裂溫度，以考核試驗(yàn)鋼的韌脆轉(zhuǎn)變特性，這是因?yàn)閿嗔褱囟仍礁弑碚?/p>

表7　09MnNiDR機(jī)械性能實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)

表8　09MnNiDR鋼板NDT試驗(yàn)結(jié)果

4.3超聲波探傷檢測(cè)

按GB/T 4730.3標(biāo)準(zhǔn)逐張鋼板進(jìn)行超聲波探傷檢測(cè)，全部合一級(jí)。

4.4高倍檢測(cè)結(jié)果

分別取熔煉號(hào)100508和100509爐次中100mm鋼板做高倍檢測(cè)，具體見(jiàn)表9和圖4。

從表9數(shù)據(jù)和圖4結(jié)果看出，鋼中內(nèi)部夾雜物級(jí)別較低，夾雜物總級(jí)別在2.0以下，經(jīng)正火后晶粒細(xì)小，達(dá)10.0級(jí)以上，組織主要是鐵素體+珠光體，其中100509爐次珠光體比例達(dá)20%，一定程度上說(shuō)明了100509爐次沖擊值材料抵抗脆性裂紋傳播的能力越大。

表9　09MnNiDR鋼板高倍檢測(cè)數(shù)據(jù)

依據(jù)GB/T6803-2008《鐵素體鋼的無(wú)塑性轉(zhuǎn)變溫度落錘試驗(yàn)方法》中落錘試驗(yàn)，落錘點(diǎn)必須在脆性焊道上來(lái)形成裂紋源，對(duì)2種厚度鋼板進(jìn)行了表層取樣的落錘試驗(yàn)。所有試樣均為P2試樣，試驗(yàn)時(shí)打擊能量為400J。保溫儀器為3102-1低溫儀，落錘試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為ZCJ2203。-70℃的試驗(yàn)條件是，液氮加工業(yè)酒精為低溫介質(zhì)，試樣過(guò)冷度1～2℃，保溫45min。落錘試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表8和圖3。結(jié)果表明，所有試樣在-70℃均未出現(xiàn)脆性裂紋擴(kuò)展，表明試驗(yàn)鋼板NDT溫度均低于-70℃。

圖3　實(shí)驗(yàn)后NDT試樣

通過(guò)對(duì)鋼板做拉伸試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)，表明鋼板力學(xué)性能優(yōu)良，且力學(xué)性能均勻性較好；通過(guò)對(duì)鋼板厚度方向拉伸表明，鋼板厚度方向性能優(yōu)良；通過(guò)對(duì)鋼板做落錘試驗(yàn)表明鋼板具有優(yōu)良的低溫?cái)嗔秧g性。低于100508爐次的原因。

圖4　鋼板高倍金相組織

5　結(jié)論

①通過(guò)進(jìn)行科學(xué)合理的成分設(shè)計(jì)以及嚴(yán)格的冶煉、澆鑄、軋制及熱處理過(guò)程的工藝控制，成功地試制了低溫壓力容器用09MnNiDR鋼板，該鋼板鋼質(zhì)純凈，內(nèi)部質(zhì)量良好，具有較高的強(qiáng)度、低溫韌性及抗層狀撕裂能力。

②隨著正火溫度的提高，鋼板抗拉強(qiáng)度逐步下降，屈強(qiáng)比有升高趨勢(shì)，沖擊韌性在940℃以上時(shí)開(kāi)始逐步變差，920℃正火時(shí)綜合性能最好，此時(shí)實(shí)際的韌脆轉(zhuǎn)變溫度在-90℃以下。

③對(duì)特厚板生產(chǎn)時(shí)，成分控制需特別關(guān)注，盡量降低碳含量增加鋼板韌性，同時(shí)增加錳和鎳含量彌補(bǔ)降碳帶來(lái)的強(qiáng)度損失。

［1］龍杰，莫德敏.舞鋼低溫高韌性壓力容器用鋼板［J］.寬厚板，2002（5）：12-15.

Trial Production of High Toughness and Low Temperature Steel 09MnNiDR

Kang Wenju
（1.Metallurgical and Ecological Engineering School，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083；2.Nanyang Hanye Special Iron and Steel Co．Ltd．，Nanyang Henan 474500）

Trial Production and relevant experimental study of the low temperature pressure vessel 09MnNiDR steel plate in Hanye special steel was made.The results showed that the product had excellent low temperature toughness and strength matching，pure steel，good quality，low inclusion content.On the other hand，the effects of chemical composition and production process on the low temperature toughness were studied.

cryogenic pressure vessel steel plate；09MnNiDR；trial production

TF762

A

1003-5168（2016）07-0122-04

2016-06-05

康文舉（1977-），男，碩士，工程師，主任，研究方向：特厚板研究。