15MnNiNbDR低溫壓力容器用鋼生產工藝與組織性能

邢夢楠，胡昕明，白玉璞，歐陽鑫，王 儲，賈春堂

(1.海洋裝備用金屬材料及其應用國家重點實驗室，遼寧鞍山 114009；2.鞍鋼集團 鋼鐵研究院，遼寧鞍山 114009)

0 引言

隨著我國石油化學工業的迅速發展，涉及到的液化、分離和液化氣體的生產、貯運及應用已成為熱點問題[1-2]。由于液態氣體和液化石油氣的諸多優點以及廣闊的市場前景,大大推動了低溫壓力容器[3]、低溫球形儲罐和高參數低溫圓筒形容器在石油、化工領域的應用[4-10]。但由于此類低溫容器具有低溫和高壓的特點，所以對低溫壓力容器用鋼提出了更高的性能組織要求[10]。

-50 ℃低溫高性能鋼15MnNiNbDR現納入GB 3531—2014《低溫壓力容器用鋼板》標準中，已成為我國低溫壓力容器的主要鋼種之一。15MnNiNbDR屬低溫壓力容器用低合金鋼，要求在低溫條件下具有良好的低溫韌性和焊接性能，并具有更高的強度級別。-50 ℃的15MnNiNbDR已成功在石化領域的低溫壓力容器、低溫球形儲罐和高參數低溫圓筒形容器等重要設備與工程中得到應用，完全具備替代國外同類產品的能力，目前的市場需求量較大。

1 技術要求

15MnNiNbDR鋼板在GB 3531—2014中要求的化學成分見表1。表2列出交貨狀態及力學性能參數。

表1 15MnNiNbDR鋼熔煉化學成分Tab.1 Melting chemical composition of 15MnNiNbDR steel %

表2 15MnNiNbDR鋼板力學性能和冷彎性能Tab.2 Mechanical properties and cold bending properties of 15MnNiNbDR steel plate

2 工藝設計

2.1 工藝流程

生產15MnNiNbDR的工藝流程為：鐵水預處理→轉爐冶煉→LF→真空脫氣(RH或VD)→連鑄→板坯加熱→軋制→熱處理→精整→探傷及力學性能檢驗→入庫。

2.2 成分設計

低合金15MnNiNbDR鋼要求在低溫條件下具有良好的低溫韌性和焊接性能，以及更高的強度級別。在成分設計方面，C元素能提高鋼的淬透性，固溶于基體的C起到顯著的固溶強化作用[11]，有利于形成高強度的顯微組織，但含量過高，會造成鋼板韌塑性能的明顯下降。因此在保證鋼板強度的前提下，控制C含量在不大于0.18%的范圍內，使鋼材具有優異的韌性和焊接性能。

Mn元素是鋼中常用的脫硫劑，適量Mn與S形成的化合物MnS減少S造成的熱脆，改善硫化物夾雜的性能；Mn能和O形成MnO，從而在鋼中起到脫氧劑的作用；Mn元素能顯著提高鋼的淬透性，并能夠改善組織的韌性。在成分設計時，將Mn含量上限設定在1.20%～1.60%范圍內。

Si作為鋼中較為常見的合金元素，對鋼水有良好的脫氧和脫硫作用；在鋼中添加適當的Si，能夠提高鋼中鐵素體和奧氏體的硬度和強度，其作用較Mn,Ni,Cr,W,Mo,V等更強；Si能提高鋼的彈性極限、屈服強度和屈服比以及疲勞強度和疲勞比，且在低合金鋼中能提高強度、改善局部腐蝕抗力[12]。

根據微合金化設計的思路，在鋼中添加Nb,V等微合金化元素，通過第二相的沉淀析出強化來保證鋼材良好的強韌性匹配。

2.3 軋制及加熱工藝

鋼板軋制采用二階段控軋工藝(再結晶區軋制+未再結晶區軋制)，軋后鋼板進行熱矯直后空冷。厚度大于30 mm的鋼板軋制后，為改善成品鋼板內在質量，減少坯料偏析、夾雜物、氫的控制能力不足等影響成品內部質量的問題出現，選擇采用堆垛緩冷工藝。堆垛溫度為300～400 ℃，堆垛時間≥16 h，拆垛后進行表面火焰清理及檢查。

2.4 熱處理工藝

根據GB 3531—2014規定，對熱軋態的鋼板進行正火或正火+回火的熱處理工藝。鋼板熱處理選擇在輥底式熱處理爐中進行，正火溫度控制在900～940 ℃區間，然后經過連續式熱處理機組進行回火，以使鋼板均勻受熱與冷卻，回火后板形平整。

3 實物質量分析

3.1 成品成分分析

根據市場需求及應用情況，本次試制選擇對厚度10,30,60 mm的鋼板進行試制。對試制的3個厚度規格的15MnNiNbDR鋼板進行成品分析，成品實際化學成分如表3所示。結果表明，試制鋼板P,S元素含量控制合理，其他元素含量亦控制在期望值范圍內。

表3 15MnNiNbDR鋼板化學成分(熔煉分析)Tab.3 Chemical composition of 15MnNiNbDR steel plate (melting analysis) %

3.2 金相組織

對厚度10,30，60 mm鋼板進行金相組織檢驗，為典型的鐵素體+珠光體組織，見圖1～6。

圖1 10 mm鋼板表面金相組織Fig.1 10 mm steel plate surface metallographic structure

圖2 10 mm鋼板板厚T/2處金相組織Fig.2 Metallographic structure of 10 mm steel plate at T/2

圖3 30 mm鋼板板厚T/4處金相組織Fig.3 Metallographic structure of 30 mm steel plate at T/4

從試制鋼板的金相組織可以看出，試驗中根據微合金化原理加入的微合金元素Nb和V，有效地細化了組織的晶粒，10 mm和30 mm鋼板表面和心部組織差別不大，晶粒尺寸均勻細小，其中10 mm鋼板晶粒度可達11級；60 mm鋼板心部和表面組織晶粒度大小差異尚在可接受范圍，試制鋼板總體性能較為理想。

圖4 30 mm鋼板板厚T/2處金相組織Fig.4 Metallographic structure of 30 mm steel plate at T/2

圖5 60 mm鋼板板厚T/4處金相組織Fig.5 Metallographic structure of 60 mm steel plate at T/4

3.3 力學性能

針對低溫壓力容器用鋼在實際應用時需滿足：良好的低溫韌性和焊接性能、較高強度級別、良好的組織性能均勻性等要求，選擇對鋼板橫、縱兩個方向性能參數進行測試。

在厚度為10,30，60 mm的鋼板上分別取橫向、縱向拉伸和沖擊試樣。拉伸試驗在型號Zwick600試驗機上進行，鋼板力學性能見表4。10 mm沖擊試樣鋼板為表層取樣，30 mm和60 mm鋼板為板厚1/4部位取樣，試驗按照GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》在ZBC2602全自動沖擊試驗機上進行，試驗過冷度為1～2 ℃，沖擊性能見表5。

表4 15MnNiNbDR鋼板力學性能Tab.4 Mechanical properties of 15MnNiNbDR steel plate

由表4可以看出，試制的15MnNiNbDR三種不同厚度鋼板，強度隨著試制鋼板厚度的增大略有下降，延伸率則呈現上升趨勢，但鋼板交貨狀態的強度、塑性指標均達到表2規定值及GB 3531—2014要求。30 mm和60 mm厚度規格鋼板表面處較T/2處的下屈服強度、抗拉強度略高，斷后伸長率差別不大，且均滿足GB 3531—2014要求。

表5 試制15MnNiNbDR鋼板沖擊性能Tab.5 Impact properties of trial-produced 15MnNiNbDRsteel plate

由表5可以看出，在試驗溫度下，30 mm厚試制鋼板較10 mm和60 mm鋼板沖擊韌性略高，試制鋼板有較低的韌脆轉變溫度，試制鋼板低溫韌性優異。圖7示出-50 ℃鋼板沖擊試樣斷口形貌，表明試樣為韌性斷裂，斷口處有深度大數量多的韌窩，試樣沖擊性能良好。根據試驗結果，3個厚度鋼板在低溫條件下，沖擊韌性均符合表2所提出的交貨態要求。

圖7 -50 ℃鋼板沖擊試樣斷口形貌

對厚度30 mm和60 mm鋼板進行落錘試驗，試樣橫向取樣。試驗通過在試樣上堆焊脆性焊道，在動載落錘沖擊下，測定脆性裂紋起裂并傳播到試樣的一個端部時斷裂對應的溫度，它表征了材料在一定的溫度下抵抗脆性裂紋傳播的能力。落錘試驗按照GB/T 6803—2008《鐵素體鋼的無塑性轉變溫度落錘試驗方法》進行。按照標準試驗方法，落錘試樣必須在鋼板的軋制表面堆焊裂紋源，為了了解鋼板中心部位抵抗脆性裂紋傳播的能力，對30 mm鋼板表層及60 mm鋼板表層、T/2心部進行落錘試驗。試驗結果見表6。

上述結果表明，30 mm和60 mm厚鋼板不同位置無塑性轉變溫度均低于-70 ℃，鋼板在低溫條件下具有優秀的抵抗脆性裂紋傳播的能力。厚度60 mm鋼板心部的無塑性轉變溫度與表層取樣的無塑性轉變溫度基本相當。

表6 鋼板落錘試驗結果Tab.6 Drop weight test results of steel plate

圖8為透射電鏡下試驗鋼板微觀組織形貌照片。試驗鋼板組織中碳化物主要以粒狀形態存在，尺寸在50～200 nm之間，均勻彌散于基體中。能譜分析結果顯示，碳化物中合金元素主要是Nb,V和少量Mn元素。顆粒狀細小碳化物均勻彌散于基體組織中，細化了晶粒，對鋼板性能起到了有效的強化作用。

(a)

4 結語

(1)根據試制的15MnNiNbDR鋼化學成分要求，采用RH或VD真空處理等先進冶煉工藝得到的鋼質純凈度高，符合要求。對厚度10,30，60 mm鋼板實物進行各項性能檢驗結果表明，該鋼具有良好的強韌性匹配，完全能夠滿足石化領域相關低溫設備設計要求。

(2)不同厚度15MnNiNbDR鋼板韌脆轉變溫度均低于-50 ℃的設計要求，厚度30 mm和60 mm鋼板不同位置無塑性轉變溫度均低于-70 ℃，鋼板具有優秀的低溫抵抗脆性裂紋傳播的能力。

(3)15MnNiNbDR鋼板低溫性能試驗研究結果表明，試制厚度規格的鋼板的低溫韌性良好，符合低溫壓力容器用低合金鋼的工藝要求。