新型液化天然氣儲(chǔ)罐用低鎳鋼開發(fā)研究★

孟傳峰，王育田，王彩煥，馬有光，高佳春

（山西太鋼不銹鋼股份有限公司，山西 太原 030003）

隨著國內(nèi)對(duì)清潔能源天然氣的需求大幅增加，LNG儲(chǔ)罐的建造數(shù)量達(dá)到近200個(gè)，超溫鋼板的需求量達(dá)到40萬t以上。降低LNG儲(chǔ)罐建造成本，開發(fā)低鎳鋼板已成為9Ni鋼的一個(gè)重要發(fā)展方向[1]。

在超低溫環(huán)境下，低鎳鋼材料必須滿足強(qiáng)度高、超低溫韌性優(yōu)異、焊接性能良好、抗裂紋擴(kuò)展能力強(qiáng)等指標(biāo)。其中，低溫韌性是最核心指標(biāo)，影響該指標(biāo)的因素主要有鋼質(zhì)純凈度、微合金化、鑄態(tài)組織、控制軋制、兩相區(qū)熱處理等方面[2]。

1 新型液化天然氣儲(chǔ)罐用鋼化學(xué)成分優(yōu)化設(shè)計(jì)

不同化學(xué)成分對(duì)低鎳鋼性能的影響如圖1—圖3所示。

圖1 鋼中w（C）、w（P）與低溫韌性關(guān)系

圖2 鋼中w（S）與低溫韌性關(guān)系

圖3 鋼中w（P）、w（S）、w（N）、w（AI）與塑性關(guān)系

由圖1—圖3可知，降低w（P）、w（S）、w（N）、w（Al）等對(duì)提升材料低溫韌性、塑性具有重要意義，由此確定鋼中w（P）≤20×10-6、w（S）≤20×10-6、w（P）+w（S）+w（N）+w（O）+w（H）≤100×10-6，以達(dá)到降低鋼中夾雜物、五害元素等目標(biāo)。

通過中試試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出低鎳鋼的成分體系：w（C）=0.05%，w（Si）=0.05%，w（Mn）=0.80%，w（P）=0.002%，w（S）=0.002%，w（Ni）=6.5%，適當(dāng)添加鉻、鉬、鈦。

2 超低w（P）、w（S）工藝技術(shù)研究

通過研究鋼水在鋼包中的脫磷反應(yīng)（見圖4）以及精煉過程中的脫硫反應(yīng)規(guī)律（見下頁圖5），為開發(fā)w（P）、w（S）均低于20×10-6的冶煉新方法奠定了基礎(chǔ)。

圖4 鋼包脫磷率

圖5 鋼包脫硫渣系（LF精煉）

由圖4可知，采用轉(zhuǎn)爐初脫磷+鋼包造氧化渣深脫磷的新工藝技術(shù)，應(yīng)用強(qiáng)氧化性、高堿度、流動(dòng)性良好的強(qiáng)脫磷專用渣系（深色區(qū)域），可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)w（P）≤20×10-6，最低w（P）達(dá)到5×10-6，并杜絕了鋼水回磷問題，實(shí)現(xiàn)深脫磷的目標(biāo)。

由圖5可知，還原渣堿度控制在6.5左右；渣中w（FeO）控制在≤0.40%，LF進(jìn)站渣樣（圓點(diǎn)）熔點(diǎn)約為1700℃，LF出站渣樣（方形點(diǎn)）熔點(diǎn)約為1500℃，避免了造高黏度、高熔點(diǎn)渣，還原渣的脫氧效果和脫硫效果良好。w（S）穩(wěn)定在≤20×10-6，最低w（S）達(dá)到5×10-6。解決了轉(zhuǎn)爐出鋼帶渣回磷的固有難題，穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)了w（P）、w（S）均≤20×10-6，最低達(dá)到5×10-6的超潔凈水平，該工藝技術(shù)還實(shí)現(xiàn)了影響超低溫韌性關(guān)鍵元素w（P）＋w（S）＋w（H）＋w（N）＋w（O）≤0.0065%的高水平穩(wěn)定控制，滿足了LNG儲(chǔ)罐節(jié)鎳鋼極低w（P）、w（S）的要求。

3 鋼中非金屬夾雜物控制技術(shù)研究

為了提升鋼質(zhì)純凈度，降低鋼中非金屬夾雜物，開展不同喂硅鈣線工藝試驗(yàn)。未喂硅鈣線的鋼中存在較多的Al2O3夾雜物，水口易結(jié)瘤，如圖6所示；RH真空處理后喂2 m/t硅鈣線，鋼中存在球狀復(fù)合夾雜物，如圖7所示；進(jìn)RH工序前喂2 m/t硅鈣線，鋼中未見夾雜物，如圖8所示。

圖6 未雜喂物硅 鈣線夾

圖7 RH后喂2 m/t硅鈣線球狀復(fù)合夾雜物

圖8 RH前喂2 m/t硅鈣線基本無夾雜物

4 鑄坯預(yù)防裂紋控制技術(shù)

鎳鋼在700～900℃脆化溫度區(qū)間內(nèi)矯直極易產(chǎn)生裂紋，因此，采取950℃高溫出坯的措施來預(yù)防鑄坯裂紋，而較高拉速和較弱的二冷冷卻是高溫出坯首要的技術(shù)條件[3]。此外，因鎳鋼鑄坯直接空冷，鑄坯表面易形成馬氏體和貝氏體組織而產(chǎn)生較大的相變應(yīng)力，會(huì)使表面和皮下產(chǎn)生裂紋，因此，鑄坯拉出后要及時(shí)緩冷。

5 工業(yè)化冶煉和連鑄質(zhì)量

在山西太鋼不銹鋼股份有限公司成功冶煉和連鑄了1爐低鎳鋼，其化學(xué)成分及氣體含量如表1—表4所示。節(jié)鎳鋼低倍組織如圖9所示。

表1 低鎳鋼化學(xué)成分 %

表2 低鎳鋼w（P）、w（S）及氣體含量 ×10-6

表3 低鎳鋼非金屬夾雜物

表4 低鎳鋼低倍組織評(píng)級(jí)

圖9 節(jié)鎳鋼低倍組織

經(jīng)國家鋼鐵材料測試中心、鋼研納克檢測技術(shù)股份有限公司的第三方檢測得出，低鎳鋼連鑄坯中w（P）、w（S）低，非金屬夾雜物少，低倍組織的質(zhì)量良好，達(dá)到試制目標(biāo)要求。鋼中w（P）、w（S）達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

6 兩相區(qū)熱處理工藝研究

兩相區(qū)淬火處理是在第一次淬火后回火前進(jìn)行的雙相區(qū)處理，目的是使組織分布更加彌散、均勻。有學(xué)者研究認(rèn)為[4-5]，亞溫淬火能夠有效細(xì)化晶粒，在回火后能有效提高低溫韌性逆轉(zhuǎn)變奧氏體的體積分?jǐn)?shù)，并可提高抗回火脆性。文獻(xiàn)[6]發(fā)現(xiàn)，在回火處理之前加入一次兩相區(qū)淬火的亞溫淬火工藝可顯著改善9Ni鋼的低溫韌性。低鎳鋼熱處理試驗(yàn)結(jié)果表明：二次淬火溫度升高，強(qiáng)度隨之增加，同時(shí)伸長率隨之降低，硬度與強(qiáng)度變化規(guī)律一致；二次淬火后試樣的伸長率以及-196℃下沖擊功隨淬火溫度的升高而降低；二次淬火使得一次淬火后的殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槎未慊瘃R氏體，增加了在隨后的回火過程中產(chǎn)生的逆轉(zhuǎn)奧氏體的含量，從而使得低溫沖擊韌性有所提升。不同二次淬火工藝下的力學(xué)性能如表5所示。

表5 不同二次淬火工藝下的力學(xué)性能

結(jié)合一次淬火、二次淬火、回火工藝不同組合試驗(yàn)，確定了工業(yè)化的二次淬火溫度為720℃。并試制出6～50 mm厚的7Ni鋼板，力學(xué)性能指標(biāo)與9Ni鋼相當(dāng)，但合金成本可降低20%以上。

7 結(jié)論

1）通過中試試驗(yàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)出低鎳鋼的化學(xué)成分：w（C）=0.05%，w（Si）=0.05%，w（Mn）=0.80%，w（P）=0.002%，w（S）=0.002%，w（Ni）=6.5%，適當(dāng)添加鉻、鉬、鈦。

2）通過對(duì)超低磷、硫含量控制、鋼中非金屬夾雜物控制研究，開發(fā)出極低磷硫含量控制新工藝技術(shù)，完成工業(yè)化冶煉和連鑄，鋼中w（P）、w（S）均≤20×10-6，為材料獲得優(yōu)異的低溫韌性奠定基礎(chǔ)。鋼中w（P+S+H+N+O）達(dá)到65×10-6，超純凈工藝技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

3）通過兩相區(qū)熱處理工藝研究，工業(yè)化試制的低鎳鋼板的力學(xué)性能與9Ni鋼基本相當(dāng)，同時(shí)可降低20%以上的貴重合金成本。