國內某鋼廠壓力容器用鋼Q345R生產淺析

陳源昊

（南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210000）

壓力容器因其工作過程中需承受內部或外部介質的壓力，故其對安全性有較高要求。壓力容器廣泛應用于石油化工行業、科研軍工、能源等行業，其具體產品包含鍋爐、油氣儲罐、反應器、氣包、氣瓶等[1]。由此帶來對壓力容器用鋼板需求量越來越大，技術要求也逐漸增大。且高強高韌以及良好的耐腐蝕性、焊接性能、冷成型性能是此鋼板必須具備的。Q345R系列低合金高強鋼具有良好的綜合力學性能和工藝性能，是我國目前用途最廣、應用量最大的壓力容器專用鋼板[2]。TMCP生產的鋼板具有良好的沖擊韌性，同時降低鋼材的碳當量，改善其焊接性能，通過軋后冷卻工藝的改進與優化實現低成本減量化生產。本文論證了厚度規格為16mm~50mm正火態壓力容器用Q345R的試制工藝。

1 技術要求與成分設計

壓力容器用Q345R系列鋼板要求良好的強韌性及優良的焊接性能，參照GB713-2008標準要求，Q345R性能要求如表1所示，為滿足此性能要求，該廠進行了合理的成分設計并結合TMCP工藝進行了試制，采用了低碳高錳的成分設計，低碳保證產品鋼材的塑性及焊接性能，高錳可實現細化珠光體晶粒及增加珠光體量改善產品鋼材的強韌性，同時消除S元素對鋼材的不利影響；并增加微合金元素Nb，其與C、N元素結合，形成的碳化物及氮化物可以有效組織奧氏體晶粒的長大，從而改善焊接性能。同時通過冶金工藝控制有害元素S、P的含量，S含量控制在0.015%以內，P含量控制在0.025%以內，綜合上述分析，參照GB713-2008要求，Q345R化學成分設計如表2所示。

表1 Q345R的力學性能要求

表2 Q345R的設計成分（Wt/%）

2 超快速冷卻設備及生產工藝

為滿足生產工藝需求，根據現有生產線的具體情況，國內某中厚板廠先進控制冷卻裝置具體布置形式如圖1所示，超快速冷卻裝置入口距離軋機中心線59m；設備主體長度長度27m；預矯直機速度范圍涵蓋0.3m/s~2.0m/s，矯直后鋼板的不平度小于10mm/m。通過自動化系統控制實現冷卻工藝的快速調整，可保證壓力容器用鋼Q345R優良力學性能的實現，設備全貌如圖2所示，主要由1套4700四輥軋機，預矯直機、先進控制冷卻裝置以及鋼板表面質量檢測裝置與預矯直機組成。其中此四輥軋機最大軋制速度可以達到11m/s以上，最大軋制力可達80000KN。

為獲得TMCP下Q345R優良的強韌性，針對厚度規格在15mm~50mm的鋼板，為防止原始奧氏體的長大，合理的加熱溫度應該控制在1100℃~1200℃，加熱時間控制在8min/cm~16min/cm，均熱時間大于1.4min/cm，保證鋼板均熱性在15℃以內。采用粗軋奧氏體再結晶區配合精軋奧氏體未再結晶區的控制軋制工藝可實現Q345R要求的組織性能；精軋開軋溫度控制在980℃±15℃，精軋終軋溫度控制在820℃±30℃，軋后冷卻速度＞6℃/s，返紅溫度控制在665℃±20℃。

圖1 超快速冷卻系統布置形式

圖2 設備全貌

3 組織及力學性能

選取厚度規格為20mm及40mm的試驗鋼板，在其表面截取若干試樣，經研磨、機械拋光后腐蝕，用顯微鏡觀察試樣熱軋態及正火態的顯微組織，試樣的熱軋態及正火態光學金相顯微組織結構如圖3及圖4所示。其主要組織是由鐵素體+珠光體組成，TMCP的主要方法就是利用控制軋制參數細化奧氏體晶粒，使得奧氏體在轉變過程中形成細化的鐵素體晶粒和細小的珠光體球團；利用控制冷卻工藝細化鐵素體晶粒，減小珠光體片層間距，抑制碳化物高溫下的析出。進而獲得良好的強韌性與焊接性能。

經上述軋制工藝后并進行900℃下保溫10min的正火處理，以獲得均勻的組織結構，消除內部殘余應力。正火可以消除熱軋態的魏氏組織，同時改善軋制狀態下奧氏體的加工硬化狀態，從而減少因奧氏體向鐵素體轉變帶來的位錯密度的增加，提高鋼的塑性及韌性，同時正火態相較熱軋態晶粒大小更加均勻。晶粒細化帶來的細晶強化也是正火后鋼板韌性得到提升的主要原因。

選取厚度規格為20mm及40mm的熱軋態及正火態試驗鋼板，取樣測定其力學性能，5個試樣強度、延伸率及沖擊性能如圖5所示，試樣力學性能數據分布如表3及表4所示。

圖3 熱軋態Q345R金相組織

圖4 正火態Q345R金相組織

圖5 20mm、40mm厚度熱軋態及正火態Q345R鋼板試樣

可以看出按照上述的成分設計及TMCP工藝，無論熱軋態還是正火態，均可滿足GB713-2008的力學性能要求，且有較大富余，同時因正火后消除了熱軋態的魏氏組織同時均勻晶粒大小，使得正火態Q345R相較熱軋態屈服強度及抗拉強度略有降低，塑性及抗沖擊性能得到提升。Q345R鋼板優良的強韌性來源于低碳及微合金化的成分設計并結合TMCP工藝，通過細晶及沉淀強化的方式提高其綜合力學性能，晶粒細化是目前行業內唯一既能提高強度又能改善韌性的手段。一方面可以使微合金元素析出釘扎奧氏體晶界，細化組織大小，另一方面又通過微合金元素提高了未再結晶溫度，使得在精軋過程中可以施加更大的軋制變形量，使得奧氏體更加扁平化，轉變后組織更加細化。

表3 Q345R熱軋態試驗鋼板的力學性能

表4 Q345R正火態試驗鋼板的力學性能

4 結論

該中厚板廠利用合理的TMCP工藝及成分設計，實現了高性能壓力容器用鋼Q345R的量產試制，得到的Q345R強度、延伸率以及抗沖擊性能均滿足GB713-2008要求，且存在較大富余，豐富了行業內壓力容器用鋼的生產工藝及經驗。