210 mm厚度Q345R壓力容器特厚板的研制

黃建華

(南京鋼鐵股份有限公司高端鋼鐵材料江蘇省重點實驗室， 江蘇 南京 210035)

引 言

壓力容器是發電、化工、石油等行業的重要組成部件。隨著科學技術和工業的發展,壓力容器日趨大型化,承載高壓化，近年來隨著高壓容器的廣泛使用,對壓力容器的安全性提出了更高的要求。因此，制造這些裝備須使用大單重(30 t)的特厚鋼板(100 mm以上)。Q345R是GB713-2014標準中的低合金高強度鋼種,主要用于低中壓和常溫壓力容器[1-3]。

南京鋼鐵股份有限公司現有煉鋼設備有3座150噸轉爐、3座LF爐、2座RH爐精煉設備、3臺連鑄機，可生產坯料厚度150-320 mm，最大單重達到67噸；軋鋼設備有3500 mm爐卷軋機和5 m寬厚板軋機，熱處理設備有淬火機和正火爐等。為了進一步提高市場競爭力,公司通過對成分的優化設計,冶煉、澆注、坯料焊接、軋制等關鍵工藝的控制,進行了多次生產試驗,最終研發成功滿足標準要求的210 mm厚度Q345R特厚容器板。

1 210 mm厚度Q345R主要標準要求

Q345R化學成分(熔煉分析)、力學性能、Z向性能和高溫拉伸性能要求分別如表1-4所示。

表1 Q345R化學成分/%

表2 Q345R力學性能

表3 Z向性能要求

表4 Q345R高溫力學性能要求(厚度>150-210 mm)

2 工藝路線

Q345R的工藝路線如下：倒罐站→成分驗收→鐵水預處理→轉爐→LF+RH→連鑄→坯料焊接→坯料驗收入爐→加熱→粗除鱗→軋制→控冷→熱矯直→冷床空冷→熱軋標識→熱軋檢驗→切割→探傷→拋丸→正火→熱矯直→熱處理后檢驗→判定→標識→入庫

3 成分設計、冶煉和軋制工藝

3.1 化學成分的確定

特厚鋼板的成分設計,必須保證鋼板強度和良好低溫韌性的合理匹配,同時要求低的碳當量以保證其焊接性能。在普通C、Mn鋼的基礎上,添加適量的微合金元素V、Nb、Ti及提高韌性的元素Ni,通過微合金元素碳氮化物的析出強化和細化晶粒作用,保證了Q345R的高強度、高韌性和優良的焊接性能,最終的化學成分如表5所示。

表5 Q345R化學成分/%

3.2 冶煉及連鑄工藝

壓力容器鋼內部質量要求高,冶煉時要盡量降低有害元素P、S含量。采用鐵水預處理脫硫,使入爐鐵水S質量分數低于0.003%,入爐廢鋼選用優質邊角料,轉爐采用優質石灰,使用擋渣錐減少下渣量,加強轉爐吹煉終點控制,降低P含量。LF爐采用大渣量操作,控制加熱次數在3次以內,嚴格執行吹氬制度,使鋼水成分均勻,鋼水中的夾雜物充分上浮。RH爐真空度≤0.3 kPa，保持時間≥12 min；為了保證鋼板內部質量良好,必須保證坯料有>3.0的壓縮比。連鑄坯厚度320 mm，連鑄結束后吊緩冷坑中進行堆垛緩冷,緩冷時間>48 h。坯料緩冷結束后，坯料檢驗合格，選2塊坯料進行坯料焊接，焊接成640 mm的坯料進行軋制。

3.3 軋制及熱處理工藝

3.3.1 加熱工藝

坯料的最高加熱溫度決定著奧氏體的原始晶粒度大小和合金元素的固溶程度,直接關系到鋼板的最終性能。鋼中添加Nb、V、Ti微合金元素,Nb、V形成的碳氮化物質點阻止奧氏體晶粒長大,奧氏體粗化溫度在1200-1280 ℃。因此,在保證較低軋制變形抗力的前提下,考慮到實際均熱爐爐溫與坯料時間存在一定的溫差,確定坯料出鋼溫度1160-1200 ℃。

3.3.2 軋制工藝

210 mm厚度特厚板,采用控制軋制,由于中間坯厚度大,采用粗軋大壓下的原則。為使厚度方向晶粒尺寸均勻,在軋制過程中應合理控制每道次壓下量及軋制速度,在奧氏體再結晶區軋制時,應使形變在厚度方向充分滲透至中心部分,以充分進行奧氏體再結晶,達到晶粒尺寸均勻細化[4]。因此,采用高溫低速大壓下工藝,充分發揮5 m軋機軋制力12000 t的優勢，當軋件溫度在940 ℃以上時,單道次壓下量控制在40-55 mm,軋制線速度控制在1.4-1.9 m/s,，鋼板軋后空冷。

3.3.3 軋后堆垛緩冷工藝

鋼板下線后進行堆垛緩冷,釋放殘余應力,以及改善鋼板中心線區域的組織結構,堆冷溫度大于400 ℃以實現熱擴散處理，去除金屬中擴散的[H],提高鋼板的塑韌性。

3.3.4 熱處理工藝的制定

特厚鋼板軋制后,為了保證鋼板優良的綜合力學性能,進一步細化晶粒,提高低溫韌性。對鋼板進行正火處理,低合金高強度鋼正火保溫溫度為:AC3+(30-50)℃,相變的AC3一般采用公式AC3=910-203w(C)1/2+44.7w(Si)-15.2w(Ni)+104w(V)+31.5w(Mo)+13.1w(W)進行計算,確定正火工藝如表6所示。

表6 Q345R正火工藝

4 試軋后鋼板檢測結果及分析

鋼板力學性能結果如表7-9所示,金相檢測結果如表10所示,金相圖片如圖1所示。由表7可知鋼板屈服強度和抗拉強度富余量都在50 MPa以上,沖擊功平均150 J，此性能完全達到國家標準要求且富余量較大，由表10可知夾雜物含量為2.5級別以下,晶粒度7.5級,由圖1可知，鋼板的組織為鐵素體+珠光體。鋼板逐張進行100%超聲檢測，檢測結果符合NB/T47013.3-2015中第1號修改單規定的Ⅰ級要求。

表7 Q345R常規力學性能

表8 Q345R高溫拉伸性能/MPa

表9 Z向性能

表10 Q345R金相檢測結果

圖1 210 mm Q345R鋼板金相圖片

5 結束語

(1)通過添加適量V、Nb、Ti等微合金元素的成分設計，320 mm的坯料真空焊接確保軋制的壓縮比,軋制嚴格執行高溫低速大壓下工藝,保證了軋后鋼板良好的內部質量,正火處理后，力學性能滿足要求，內部質量探傷符合NB/T47013.3-2015中第1號修改單規定的Ⅰ級要求。

(2)210 mm厚度Q345R的成功開發,提高了南京鋼鐵股份有限公司具備生產國標GB/T713-2014中Q345R厚板的能力,提高了市場競爭力。