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        壓力容器用DIWA373鋼板的研制

        2019-10-31 01:45:24供稿石莉曹殿正林明新張萌SHIliCAODianzhengLINMingxinZHANGMeng
        金屬世界 2019年5期
        關(guān)鍵詞:力學(xué)性能

        供稿|石莉,曹殿正,林明新,張萌 / SHI li, CAO Dian-zheng, LIN Ming-xin, ZHANG Meng

        內(nèi)容導(dǎo)讀

        DIWA373主要用于制造高溫高壓容器,如火力發(fā)電超臨界機(jī)組中的鍋爐汽包、汽水分離器、蒸汽發(fā)生器等?,F(xiàn)代壓力容器設(shè)備日益向大型化及高參數(shù)化發(fā)展,對鋼板的厚度要求也越來越高,如何獲得高品質(zhì)的低屈強(qiáng)比高強(qiáng)特厚鋼板已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。舞鋼結(jié)合自身設(shè)備,通過合理的成分設(shè)計,采取控軋控冷及亞溫淬火等工藝控制,成功開發(fā)出了厚度為170 mm具有良好綜合力學(xué)性能及內(nèi)部質(zhì)量的低屈強(qiáng)比DIWA373鋼板。結(jié)果表明:鋼板探傷級別滿足NB/T47013-2015標(biāo)準(zhǔn)I級;鋼板各處組織均勻細(xì)小,表層以回火馬氏體組織為主,內(nèi)部以回火貝氏體組織為主;鋼板厚度方向各處性能指標(biāo)均符合技術(shù)要求,并有一定的富裕量。

        DIWA373屬于德國狄林根公司生產(chǎn)的鋼種,主要用于制造高溫高壓容器,如火力發(fā)電超臨界機(jī)組中的鍋爐汽包、汽水分離器、蒸汽發(fā)生器等元件。高溫高壓容器所選鋼材,其性能對保證設(shè)備安全運(yùn)行至關(guān)重要,不僅要具有足夠高的強(qiáng)度、塑性和韌性,還要保證良好的焊接性能、較低的屈強(qiáng)比等[1]。傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)型鋼材對于強(qiáng)度的需求已不成問題,但其屈強(qiáng)比高和焊接性能差等缺點(diǎn),尤其是高的屈強(qiáng)比嚴(yán)重制約了這類板材的應(yīng)用。同時,現(xiàn)代壓力容器設(shè)備日益向大型化及高參數(shù)化發(fā)展,對鋼板的厚度要求也越來越高。因此,如何獲得高品質(zhì)的低屈強(qiáng)比高強(qiáng)特厚鋼板已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

        本文介紹了舞鋼結(jié)合自身設(shè)備,通過合理的成分設(shè)計及關(guān)鍵生產(chǎn)工藝控制,成功開發(fā)出了厚度170 mm的具有良好綜合力學(xué)性能的DIWA373鋼板,鋼板滿足屈強(qiáng)比≤0.84。

        主要技術(shù)要求

        根據(jù)VDTUV377/1及設(shè)備制造廠的采購技術(shù)要制訂了超大厚度DIWA373鋼板的技術(shù)要求。

        化學(xué)成分

        DIWA373鋼板的化學(xué)成分要求如表1所示。

        力學(xué)性能

        超大厚度DIWA373鋼板交貨狀態(tài)下(Q+T)的力學(xué)性能應(yīng)滿足表2的要求。

        超聲波探傷要求

        鋼板按NB/T47013—2015標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行100%超聲波無損檢測,I級合格。

        表1 鋼板的化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

        表2 鋼板的力學(xué)性能要求

        化學(xué)成分及關(guān)鍵工藝設(shè)計

        化學(xué)成分設(shè)計

        合理的化學(xué)成分設(shè)計對保證鋼板力學(xué)性能、焊接性能及降低成本都至關(guān)重要。本文采取低碳高錳的設(shè)計原則,同時加入適量的Ni、Cu、Mo、Nb合金元素。C、Mn為主要強(qiáng)化元素,考慮到焊接性及低溫韌性C含量不宜過高,而Mn元素除強(qiáng)化外,還起到輕微細(xì)化組織及防止熱脆性的作用。Cu在一定溫度下保溫可以析出ε-Cu粒子,產(chǎn)生時效硬化作用[2]。此外,Cu還可以顯著提高鋼板的耐腐蝕性,但是Cu易在軋制過程中產(chǎn)生銅脆現(xiàn)象,因此必須加入Cu含量1.5倍的Ni,以防止銅脆產(chǎn)生[3]。Ni元素也可以起到提高基體韌性的作用。Mo元素可以提高鋼板的熱強(qiáng)性,同時也抑制奧氏體的分解,有利于貝氏體或馬氏體組織的形成。Nb為強(qiáng)碳化物形成元素,其擁有最強(qiáng)的晶粒細(xì)化作用及一定的沉淀強(qiáng)化作用。最后還要控制鋼中的P、S、夾雜物、氣體等有害物質(zhì),以確保鋼板純凈度。

        工藝路線

        初煉→LF精煉→VD真空脫氣→模鑄→鋼錠加熱→軋制→淬火→回火→探傷→性能檢驗(yàn)→切割定尺→判定入庫。

        軋制工藝

        采取兩階段控制軋制及控制冷卻工藝。兩階段控制軋制可起到細(xì)化晶粒、應(yīng)變誘導(dǎo)微合金元素Nb析出的作用??刂评鋮s通過控制起始冷卻溫度起到控制組織構(gòu)成及其尺寸的作用。具體工藝參數(shù)執(zhí)行:Ⅰ階段開軋溫度1050~1100℃,晾鋼厚度220mm;II階段開軋溫度≤900℃,終軋溫度800~820℃;軋后小水量冷卻,開冷溫度750~780℃,終冷溫度580~630℃。

        熱處理工藝

        調(diào)質(zhì)處理(Q+T)是低合金高強(qiáng)鋼常用的熱處理工藝,可以獲得高強(qiáng)度的馬氏體或貝氏體組織,然而其屈強(qiáng)比大、韌性差。屈強(qiáng)比越大,鋼板屈服后的塑性變形越小,越易發(fā)生斷裂。采取亞溫淬火+回火的熱處理工藝,可有效改善鋼板的屈強(qiáng)比及韌性,尤其是低溫韌性。亞溫淬火的加熱溫度比常規(guī)淬火低,其奧氏體晶粒相對細(xì)??;同時亞溫淬火奧氏體化不完全,存在未溶的鐵素體及碳化物,未溶鐵素體可阻礙奧氏體晶界的遷移從而抑制奧氏體晶粒的長大,而未溶的碳化物降低了奧氏體中的碳含量,使得相變后鐵素體組織體積分?jǐn)?shù)增大;實(shí)驗(yàn)鋼種加入了一定的Nb元素,亞溫淬火時鋼中的Nb(C、N)粒子溶解有限,未溶的Nb(C、N)粒子可有效地釘扎位錯及奧氏體晶界,從而達(dá)到細(xì)化晶粒的作用。細(xì)化晶粒是同時提高鋼板強(qiáng)度和塑韌性的有效方法,另外總晶界面積的增多可使單位面積上的有害元素減小,有效地減弱了有害元素的偏聚。而硬度低塑性好的鐵素體組織存在及其體積分?jǐn)?shù)的增大能有效防止應(yīng)力集中及阻礙裂紋的擴(kuò)展,從而使鋼板的韌性提高、屈強(qiáng)比降低。

        亞溫淬火溫度以略低于臨界奧氏體化溫度為最佳,較低的加熱溫度會因鋼中存在大塊狀鐵素體組織而惡化鋼的性能。因此,采取的熱處理工藝為:淬火,加熱溫度850~860℃,保溫時間2 min,水冷;回火,加熱溫度(640±5)℃,保溫時間4 min,空冷。

        實(shí)物質(zhì)量與分析

        對試制的厚度170 mm的DIWA373鋼板進(jìn)行成分、力學(xué)性能檢驗(yàn)以及組織觀察。取樣方法及試樣制備應(yīng)符合EN10028-1—2007的規(guī)定,常溫拉伸、高溫拉伸、夏比沖擊、Z向拉伸實(shí)驗(yàn)方法分別按EN10002-1—2001、EN10002-5—1991、EN10045-1—1990及EN10164—2004標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,試樣經(jīng)體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精腐蝕后在金相顯微鏡及掃描電鏡下進(jìn)行組織觀察。

        化學(xué)成分

        通過冶煉的精確控制,實(shí)物鋼板的化學(xué)成分如表3所示。各元素的化學(xué)成分均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,且有害元素P、S含量控制在較低水平。

        力學(xué)性能

        為了分析該超大厚度鋼板的力學(xué)性能及其厚度方向性能的均勻性,分別在鋼板上下表面,上下厚1/4,厚1/2處取樣進(jìn)行力學(xué)檢驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4和表5。

        鋼板內(nèi)部(上下1/4及1/2)力學(xué)性能相近,屈服強(qiáng)度至少高出標(biāo)準(zhǔn)120 MPa,而抗拉強(qiáng)度均處于中線,塑韌性處于優(yōu)異水平。由于受冷卻條件等因素的影響,該170 mm超大厚度鋼板表層力學(xué)性能與內(nèi)部有一定的差異,表層強(qiáng)度偏高、塑韌性偏低,但是差距并不大且其指標(biāo)均在技術(shù)要求范圍之內(nèi)??偠灾?,結(jié)合表2可知,該實(shí)物鋼板具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。

        表3 實(shí)物鋼板的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

        表4 實(shí)物鋼板室溫拉伸及高溫拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        表5 實(shí)物鋼板Z向拉伸及夏比沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        超聲波檢驗(yàn)

        實(shí)物鋼板經(jīng)100%超聲波檢驗(yàn),結(jié)果滿足NB/T47013—2015標(biāo)準(zhǔn)I級的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn),內(nèi)部質(zhì)量良好。

        組織觀察

        圖1為交貨狀態(tài)鋼板不同厚度位置的金相顯微組織。鋼板上下表面的組織為回火馬氏體+少量回火貝氏體組織,晶粒度9級;內(nèi)部(板厚上下1/4及1/2)組織為回火貝氏體+少量鐵素體組織,晶粒度8.5~8級。

        通過掃描電鏡觀察更高倍次的顯微組織,如圖2,可明顯看出表層組織中的第二相尺寸偏小且分布更加彌散,內(nèi)部組織中存在未溶的鐵素體和先共析鐵素體組織且心部含量較1/4處偏多、尺寸偏大。

        造成鋼板厚度方向組織差異的原因有兩點(diǎn):鋼板冷卻時冷卻速率不同為主要原因,表層冷速較大;其次鋼板厚度太大,亞溫淬火時奧氏體化溫度表層較內(nèi)部偏高,即奧氏體化程度高些。

        結(jié)束語

        (1) 舞陽鋼廠結(jié)合自身設(shè)備,通過合理的成分設(shè)計、并采取控軋控冷及亞溫淬火等工藝,成功開發(fā)出了厚度170 mm具有良好綜合力學(xué)性能及內(nèi)部質(zhì)量的DIWA373鋼板,同時鋼板滿足屈強(qiáng)比≤0.84。

        (2) 該試制鋼板各處組織均勻細(xì)小,表層以回火馬氏體組織為主,內(nèi)部以回火貝氏體組織為主。鋼板厚度方向性能雖有差異但差距并不大,且無論表層還是內(nèi)部性能指標(biāo)均符合技術(shù)要求。

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