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(guò)程中需承受內(nèi)部或外部介質(zhì)的壓力，故其對(duì)安全性有較高要求。壓力容器廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)、科研軍工、能源等行業(yè)，其具體產(chǎn)品包含鍋爐、油氣儲(chǔ)罐、反應(yīng)器、氣包、氣瓶等[1]。由此帶來(lái)對(duì)壓力容器用鋼板需求量越來(lái)越大，技術(shù)要求也逐漸增大。且高強(qiáng)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(qiáng)鋼具有良好的綜合力學(xué)性能和工藝性能，是我國(guó)目前用途最廣、應(yīng)用量最大的壓力容器專(zhuān)用鋼板[2]。TMCP生產(chǎn)的鋼板具有良好的沖擊韌性，同時(shí)降低鋼材的碳當(dāng)量，改善其焊接性能，通過(guò)軋后冷卻工藝的改進(jìn)與優(yōu)化實(shí)現(xiàn)低成本減量化生產(chǎn)。本文論證了厚度規(guī)格為16mm~50mm正火態(tài)壓力容器用Q345R的試制工藝。

1 技術(shù)要求與成分設(shè)計(jì)

壓力容器用Q345R系列鋼板要求良好的強(qiáng)韌性及優(yōu)良的焊接性能，參照GB713-2008標(biāo)準(zhǔn)要求，Q345R性能要求如表1所示，為滿足此性能要求，該廠進(jìn)行了合理的成分設(shè)計(jì)并結(jié)合TMCP工藝進(jìn)行了試制，采用了低碳高錳的成分設(shè)計(jì)，低碳保證產(chǎn)品鋼材的塑性及焊接性能，高錳可實(shí)現(xiàn)細(xì)化珠光體晶粒及增加珠光體量改善產(chǎn)品鋼材的強(qiáng)韌性，同時(shí)消除S元素對(duì)鋼材的不利影響；并增加微合金元素Nb，其與C、N元素結(jié)合，形成的碳化物及氮化物可以有效組織奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，從而改善焊接性能。同時(shí)通過(guò)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(nèi)，P含量控制在0.025%以內(nèi)，綜合上述分析，參照GB713-2008要求，Q345R化學(xué)成分設(shè)計(jì)如表2所示。

表1 Q345R的力學(xué)性能要求

表2 Q345R的設(shè)計(jì)成分（Wt/%）

2 超快速冷卻設(shè)備及生產(chǎn)工藝

為滿足生產(chǎn)工藝需求，根據(jù)現(xiàn)有生產(chǎn)線的具體情況，國(guó)內(nèi)某中厚板廠先進(jìn)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(jī)中心線59m；設(shè)備主體長(zhǎng)度長(zhǎng)度27m；預(yù)矯直機(jī)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(guò)自動(dòng)化系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)冷卻工藝的快速調(diào)整，可保證壓力容器用鋼Q345R優(yōu)良力學(xué)性能的實(shí)現(xiàn)，設(shè)備全貌如圖2所示，主要由1套4700四輥軋機(jī)，預(yù)矯直機(jī)、先進(jìn)控制冷卻裝置以及鋼板表面質(zhì)量檢測(cè)裝置與預(yù)矯直機(jī)組成。其中此四輥軋機(jī)最大軋制速度可以達(dá)到11m/s以上，最大軋制力可達(dá)80000KN。

為獲得TMCP下Q345R優(yōu)良的強(qiáng)韌性，針對(duì)厚度規(guī)格在15mm~50mm的鋼板，為防止原始奧氏體的長(zhǎng)大，合理的加熱溫度應(yīng)該控制在1100℃~1200℃，加熱時(shí)間控制在8min/cm~16min/cm，均熱時(shí)間大于1.4min/cm，保證鋼板均熱性在15℃以內(nèi)。采用粗軋奧氏體再結(jié)晶區(qū)配合精軋奧氏體未再結(jié)晶區(qū)的控制軋制工藝可實(shí)現(xiàn)Q345R要求的組織性能；精軋開(kāi)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(tǒng)布置形式

圖2 設(shè)備全貌

3 組織及力學(xué)性能

選取厚度規(guī)格為20mm及40mm的試驗(yàn)鋼板，在其表面截取若干試樣，經(jīng)研磨、機(jī)械拋光后腐蝕，用顯微鏡觀察試樣熱軋態(tài)及正火態(tài)的顯微組織，試樣的熱軋態(tài)及正火態(tài)光學(xué)金相顯微組織結(jié)構(gòu)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(shù)細(xì)化奧氏體晶粒，使得奧氏體在轉(zhuǎn)變過(guò)程中形成細(xì)化的鐵素體晶粒和細(xì)小的珠光體球團(tuán)；利用控制冷卻工藝細(xì)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(jìn)而獲得良好的強(qiáng)韌性與焊接性能。

經(jīng)上述軋制工藝后并進(jìn)行900℃下保溫10min的正火處理，以獲得均勻的組織結(jié)構(gòu)，消除內(nèi)部殘余應(yīng)力。正火可以消除熱軋態(tài)的魏氏組織，同時(shí)改善軋制狀態(tài)下奧氏體的加工硬化狀態(tài)，從而減少因奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變帶來(lái)的位錯(cuò)密度的增加，提高鋼的塑性及韌性，同時(shí)正火態(tài)相較熱軋態(tài)晶粒大小更加均勻。晶粒細(xì)化帶來(lái)的細(xì)晶強(qiáng)化也是正火后鋼板韌性得到提升的主要原因。

選取厚度規(guī)格為20mm及40mm的熱軋態(tài)及正火態(tài)試驗(yàn)鋼板，取樣測(cè)定其力學(xué)性能，5個(gè)試樣強(qiáng)度、延伸率及沖擊性能如圖5所示，試樣力學(xué)性能數(shù)據(jù)分布如表3及表4所示。

圖3 熱軋態(tài)Q345R金相組織

圖4 正火態(tài)Q345R金相組織

圖5 20mm、40mm厚度熱軋態(tài)及正火態(tài)Q345R鋼板試樣

可以看出按照上述的成分設(shè)計(jì)及TMCP工藝，無(wú)論熱軋態(tài)還是正火態(tài)，均可滿足GB713-2008的力學(xué)性能要求，且有較大富余，同時(shí)因正火后消除了熱軋態(tài)的魏氏組織同時(shí)均勻晶粒大小，使得正火態(tài)Q345R相較熱軋態(tài)屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度略有降低，塑性及抗沖擊性能得到提升。Q345R鋼板優(yōu)良的強(qiáng)韌性來(lái)源于低碳及微合金化的成分設(shè)計(jì)并結(jié)合TMCP工藝，通過(guò)細(xì)晶及沉淀強(qiáng)化的方式提高其綜合力學(xué)性能，晶粒細(xì)化是目前行業(yè)內(nèi)唯一既能提高強(qiáng)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(xì)化組織大小，另一方面又通過(guò)微合金元素提高了未再結(jié)晶溫度，使得在精軋過(guò)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(zhuǎn)變后組織更加細(xì)化。

表3 Q345R熱軋態(tài)試驗(yàn)鋼板的力學(xué)性能

表4 Q345R正火態(tài)試驗(yàn)鋼板的力學(xué)性能

4 結(jié)論

該中厚板廠利用合理的TMCP工藝及成分設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了高性能壓力容器用鋼Q345R的量產(chǎn)試制，得到的Q345R強(qiáng)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(yè)內(nèi)壓力容器用鋼的生產(chǎn)工藝及經(jīng)驗(yàn)。