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.南陽漢冶特鋼有限公司，河南　南陽　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.南陽漢冶特鋼有限公司，河南南陽474500）

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

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，對性能及內(nèi)部質(zhì)量要求極其苛刻。本文著重介紹南陽漢冶特鋼09MnNiDR鋼板生產(chǎn)工藝及實物質(zhì)量，并探討了化學(xué)成分和熱處理工藝對該鋼種性能的影響。

1　主要技術(shù)要求

本次試制采用GB 3531-2014標準，與GB 3531-2008標準對比，本標準對硫元素進一步進行了嚴控，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標準規(guī)定（見表1）。

1.2鋼板的力學(xué)性能

鋼板的力學(xué)性能見表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

逐張進行超聲波檢測內(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→精整→入庫。

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（質(zhì)量分數(shù)）

3　工藝設(shè)計

3.1成分設(shè)計

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，需盡量減少脆性組織珠光體含量，因此C含量不宜過高。Mn主要是通過固溶強化來提高鋼材的強度，在C含量比較低的情況下，Mn是保證鋼材強度的重要元素，因此Mn元素根據(jù)鋼板厚度需控制在標準中上限。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Ni是擴大奧氏體元素，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。為了達到較好的細化晶粒效果，在鋼中適當(dāng)添加Nb元素，同時盡量減少鋼中有害元素P、S含量，具體成分設(shè)計見表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，避免外來夾雜物進入鋼中污染鋼水，確保出鋼碳控制在0.035%～0.055%，出鋼P≤0.008%，出鋼過程合金化采取低碳錳鐵或金屬錳以盡量減少增C；LF精煉過程采用大渣量操作，要求精煉結(jié)束的終渣為流動性良好、黏度合適的泡沫白渣，同時采用鋼包喂Ca線的方式，對夾雜物進行鈣化變性處理。VD爐保壓時間大于15min，要求氫含量低于2mg/kg；澆注過程采取保護澆注、電磁攪拌、輕壓下等技術(shù)確保鑄坯質(zhì)量。

3.3加熱、軋制

對于該鋼種來說，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，需重點控制加熱爐內(nèi)氧化氛圍，嚴格控制加熱溫度和加熱時間，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小的晶粒，開軋溫度≤920℃，終軋溫度≤820℃且軋后快速入ACC進行冷卻，返紅溫度低于680℃，對厚度大于60mm的特厚板可進行二次進入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鋼板試樣進行系列正火試驗（900、920、940、960℃），其試驗結(jié)果見表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，鋼板抗拉強度逐步下降，屈強比有升高趨勢，沖擊韌性在940℃以上時開始逐步變差，920℃正火時綜合性能最好，此時實際的韌脆轉(zhuǎn)變溫度在-90℃以下。

表5　09MnNiDR實際熔煉化學(xué)成分Wt

4　試制結(jié)果分析

4.1鋼板化學(xué)成分

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

氣體含量分析，對鋼板取樣做了氣體含量分析，結(jié)果如表6所示。

表6　對鋼板氣體含量檢測結(jié)果Wt

4.2機械性能檢測結(jié)果

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

從表7力學(xué)性能檢測可知，一是南陽漢冶特鋼生產(chǎn)的09MnNiDR鋼板具有良好的強韌性匹配，熔煉號100508生產(chǎn)鋼板-90℃沖擊功可達200J以上，遠遠高于標準要求，同時該鋼具有良好的抗層狀撕裂能力，Z向性能可滿足Z35，各相指標富余量較大。

二是熔煉號100509爐次生產(chǎn)鋼板，屈服和抗拉強度較熔煉號100508爐次鋼板稍高，但沖擊韌性值稍差，雖然滿足標準要求，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中高倍檢測結(jié)果可以證明。因此，對特厚板（大于60mm）的成分控制需特別關(guān)注，盡量降低碳含量，同時增加錳和鎳含量彌補降碳帶來的強度損失。

三是沖擊斷口檢測。鋼板各個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。對于沖擊斷口，主要分為裂紋起裂區(qū)，裂紋擴展區(qū)和尾部減切區(qū)。而對于韌性斷口，還出現(xiàn)較明顯的側(cè)邊減切唇。從圖2可知，幾乎在整個沖擊斷口的所有部位都是韌性斷裂方式，甚至在裂紋擴展區(qū)，也是以細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

四是無塑性轉(zhuǎn)變溫度特性。本實驗在試樣上堆焊脆性焊道，測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端部時，試樣對應(yīng)的斷裂溫度，以考核試驗鋼的韌脆轉(zhuǎn)變特性，這是因為斷裂溫度越高表征

表7　09MnNiDR機械性能實際檢測數(shù)據(jù)

表8　09MnNiDR鋼板NDT試驗結(jié)果

4.3超聲波探傷檢測

按GB/T 4730.3標準逐張鋼板進行超聲波探傷檢測，全部合一級。

4.4高倍檢測結(jié)果

分別取熔煉號100508和100509爐次中100mm鋼板做高倍檢測，具體見表9和圖4。

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

表9　09MnNiDR鋼板高倍檢測數(shù)據(jù)

依據(jù)GB/T6803-2008《鐵素體鋼的無塑性轉(zhuǎn)變溫度落錘試驗方法》中落錘試驗，落錘點必須在脆性焊道上來形成裂紋源，對2種厚度鋼板進行了表層取樣的落錘試驗。所有試樣均為P2試樣，試驗時打擊能量為400J。保溫儀器為3102-1低溫儀，落錘試驗機型號為ZCJ2203。-70℃的試驗條件是，液氮加工業(yè)酒精為低溫介質(zhì)，試樣過冷度1～2℃，保溫45min。落錘試驗結(jié)果見表8和圖3。結(jié)果表明，所有試樣在-70℃均未出現(xiàn)脆性裂紋擴展，表明試驗鋼板NDT溫度均低于-70℃。

圖3　實驗后NDT試樣

通過對鋼板做拉伸試驗、沖擊試驗，表明鋼板力學(xué)性能優(yōu)良，且力學(xué)性能均勻性較好；通過對鋼板厚度方向拉伸表明，鋼板厚度方向性能優(yōu)良；通過對鋼板做落錘試驗表明鋼板具有優(yōu)良的低溫斷裂韌性。低于100508爐次的原因。

圖4　鋼板高倍金相組織

5　結(jié)論

①通過進行科學(xué)合理的成分設(shè)計以及嚴格的冶煉、澆鑄、軋制及熱處理過程的工藝控制，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，鋼板抗拉強度逐步下降，屈強比有升高趨勢，沖擊韌性在940℃以上時開始逐步變差，920℃正火時綜合性能最好，此時實際的韌脆轉(zhuǎn)變溫度在-90℃以下。

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

［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。