張健蘋 王慧萍 田恩華

從專利技術看JFE低溫壓力容器用鋼的發(fā)展

張健蘋 王慧萍 田恩華

（國家知識產(chǎn)權局專利局專利審查協(xié)作河南中心，河南鄭州450000）

本文以JFE低溫壓力容器用鋼的專利申請為研究對象，對其近年來的技術發(fā)展作了梳理，并針對JFE低溫壓力容器用鋼的成分設計、熱處理工藝進行了分析，明確了JFE近期研究的熱點領域為HIC、CTOD性能，對國內(nèi)企業(yè)的生產(chǎn)、研發(fā)具有一定的借鑒意義。

低溫壓力容器用鋼；JFE；專利分析

壓力容器通常指最高允許工作壓力≥0.1MPa的容器[1]，GB150.3-2001《壓力容器》附錄E[2]中規(guī)定，設計溫度低于或等于-20℃的鋼制壓力容器為低溫壓力容器。隨著石油化工、船舶工程、海洋工程等行業(yè)的發(fā)展，以及低溫技術的進步，低溫壓力容器用鋼的需求不斷增長，并且對其力學性能與焊接性能提出了更高的要求[3]。

目前，我國相關制造行業(yè)蓬勃發(fā)展，對低溫壓力容器用鋼的需求量也與日俱增。目前，國內(nèi)低溫壓力容器用鋼與國外先進企業(yè)相比，在生產(chǎn)成本、低溫韌性指標、焊接性能、探傷合格率等方面還存在一定差距。

1 低溫壓力容器用鋼專利重要申請人

杰富意（JFE）鋼鐵株式會社是世界大型鋼鐵企業(yè)之一，其多項技術處于國際領先水平。其在低溫壓力容器用鋼領域較早開始了專利布局。從其專利技術的演進可了解JFE在低溫壓力容器用鋼領域的研究過程及現(xiàn)狀，對國內(nèi)鋼鐵企業(yè)的相關研究工作具有一定借鑒意義。

本文以德溫特（DWPI）數(shù)據(jù)庫收錄的世界各國的專利文獻為基礎，檢索低溫壓力容器用鋼的專利申請，截至2016年6月1日已公開的專利文獻申請共162件；其中JFE申請量為25件。

圖1 JFE低溫壓力容器用鋼技術發(fā)展路線

2 JFE低溫壓力容器用鋼技術發(fā)展路線

圖1為JFE低溫壓力容器用鋼技術發(fā)展路線，以下將結合圖1對JFE低溫壓力容器用鋼的技術演進進行分析。

2000年以前JFE已開始在低溫壓力容器用鋼領域進行專利申請。2000年至2004年，其專利申請顯著增加，主要針對屈服強度420MPa的鋼板。鋼板采用TMCP/DQ_T工藝生產(chǎn)，主要關注元素為Al、Ti、B、N。該階段申請的專利公開的低溫壓力容器用鋼板厚度為50～70mm，-40℃沖擊功為100J以上，并重點關注了焊縫區(qū)域的低溫韌性。

2005年至2006年JFE的專利申請主要添加元素除Al、Ti、B外，還添加了Nb、Cr、Mo等，獲得了貝氏體為主的顯微組織，-40℃低溫韌性為100J以上，屈服強度達到510MPa。

2007年至2010年，其主要添加元素僅包含Al、N，鋼板顯微組織為鐵素體貝氏體復合組織，屈服強度達到490MPa。該階段低溫溫度等級提高至-80℃級，并對鋼板的冷卻工藝和顯微組織進行了改進。其采用TMCP工藝進行冷卻，加速冷卻過程中進行一次或多次保持工藝，得到鐵素體貝氏體復合組織。

2010至2014年，JFE的專利申請在添加Al、N的基礎上，在鋼板中還添加了Nb、Ti、Ca或Ni、B等合金元素，并結合回火工藝，獲得了-40℃具有100J以上沖擊韌性的鋼板。其中部分專利文獻還關注了CTOD性能。

2014年后，其鋼板一般具有-40℃大于200J的沖擊韌性，并重點關注HAZ低溫韌性、CTOD特性，主要成分設計采用TiN強化的基礎上添加Ca、Al等合金元素，并可選地采用450～650℃高溫回火的熱處理工藝。

3 JFE低溫壓力容器用鋼專利技術特點

由其技術演進過程可知，JFE對低溫壓力容器用鋼的研究呈現(xiàn)明顯的階段性。在早期（2000年—2004年）其采用TMCP工藝，并采用Al、Ti、B、N進行強化，獲得低溫沖擊韌性-40℃大于100J的鋼板；中期（2007年—2010年）主要采用Al、N進行強化，并結合冷卻工藝的改進，獲得具有鐵素體貝氏體復合組織的-80℃級低溫壓力容器用鋼；近年來（2014年后）主要采用Ti、N、Al進行強化，并添加一定量的Ca元素，可選地引入高溫回火工藝，獲得了-40℃沖擊功大于200J的低溫壓力容器用鋼板。

在性能指標上，除了常規(guī)的強度、沖擊韌性等指標，JFE還尤其關注鋼材的HIC、CTOD特性。由于CTOD試驗使用疲勞預置裂紋，因此極微小的區(qū)域都可進行韌性評價。為對CTOD等性能進一步控制，JFE還提出了以下控制指標：

ACR={[Ca]-(0.18+130×[Ca]×[O])}/1.25/[S]……（1）

HCS=5.5[C]4/3+15[P]+0.90[Mn]+0.12[Ni]+0.53[Mo]……（2）

ACR值表示對硫化物形態(tài)控制有效的Ca與S的原子濃度之比，可以通過該值推定硫化物的形態(tài)，其值設為0～1。HCS是容易富集的成分構成的中心偏析部硬度指標，其值設為2.5以下。

與國內(nèi)標準相比，JFE對P、S等殘余元素的控制更為嚴格，并充分利用N、B元素的強化作用，提高了低溫壓力容器用鋼的低溫溫度等級或強度等級；與新日鐵相比，JFE使用的合金元素Ni的量較少，顯著降低了成本。JFE通過精確控制Al、N、B添加，減少貴重合金元素Ni、Mo、Nb、Ti的使用，在保證鋼板力學性能、低溫性能的情況下顯著降低了生產(chǎn)成本，其成分設計思路值得借鑒。

4 結語

作為行業(yè)內(nèi)的領先企業(yè)，JFE的研發(fā)方向在一定程度上反映了低溫壓力容器用鋼的技術發(fā)展趨勢。對Al、N、B元素含量進行精確控制是JFE低溫壓力容器用鋼成分設計的顯著特點，并通過優(yōu)化的控軋控冷或熱處理工藝實現(xiàn)對鋼材性能的控制。目前HAZ低溫韌性的研究已日趨成熟，以JFE為代表的國外大型鋼鐵企業(yè)已將研究重心更多地轉移至HIC、CTOD特性上。國內(nèi)企業(yè)可更多地針對新興的HIC、CTOD等研究熱點進行相關實驗研究工作，盡早進行專利布局，并進行技術創(chuàng)新。

[1]石莉.亞溫正火對A516壓力容器力學性能和焊接性能的影響[D].沈陽：東北大學，2013.

[2]GB150-2011《壓力容器》[S].北京：中國國家標準化管理委員會，2011.

[3]張勇.低溫壓力容器用鋼的現(xiàn)狀與發(fā)展概況[J].壓力容器，2006，23（4）：31～34.

The Development of Steels used for Low Temperature Pressure Vessel of JFE by Patent Analysis

Zhang Jianping,Wang Huiping1,Tian Enhua
(Patent Examination Cooperation Center of The Patent Office,SIPO,Henan Zhengzhou 450000)

This article works on the patents of JFE to research the development of the steels used for low tempera?ture pressure vessel.The analysis is focused on the composition design and the heat treatment process.The result shows that HIC and CTOD have been the hotspots nowadays,which is of significance to the production and re?search of the domestic enterprises.

low temperature pressure vessel steels;JFE;patent analysis.

2017年河南省各省轄市及直管縣（市）專利申請量統(tǒng)計表（5月）

2017年河南省各省轄市及直管縣（市）專利授權量統(tǒng)計表（5月）

TG142.1+4

A

1003-5168(2017)05-0061-02

2017-4-23

張健蘋（1988-），男，碩士，研究方向：發(fā)明專利實質(zhì)審查；王慧萍（1987-），女，碩士，研究方向：發(fā)明專利實質(zhì)審查工作(等同于第一作者）；田恩華（1989-），男，碩士，研究方向：發(fā)明專利實質(zhì)審查。