張德勇，馮仰峰，李維娟，許繼勇，李 偉，楊志強(qiáng)

（1. 五礦營口中板有限責(zé)任公司遼寧省中厚板專業(yè)技術(shù)創(chuàng)新中心，遼寧 營口 115000；2. 遼寧科技大學(xué)，遼寧 鞍山 1140000）

隨著石化工業(yè)的發(fā)展，新工藝、新設(shè)備不斷出現(xiàn)，對(duì)壓力容器的用材的成分設(shè)計(jì)、力學(xué)性能等方面都做了更高的要求。石油、化工等企業(yè)對(duì)壓力容器的用材不僅要求一定的強(qiáng)度，還要保證鋼材有足夠的塑性及低溫韌性。通常將各種液化石油氣、液氨、液氧、液氮等生產(chǎn)、儲(chǔ)存容器和輸送管道以及在寒冷地區(qū)服役的設(shè)備，稱為低溫容器，制造這些容器所用的鋼，統(tǒng)稱為低溫鋼。低溫鋼一般分為無鎳鋼合有鎳鋼，無鎳鋼一般指細(xì)晶粒鋼和低溫高強(qiáng)度鋼，其使用溫度在-60℃以上；有鎳鋼是指在鋼中加入合金元素鎳，使其固溶于鐵素體，使基體的低溫韌性得到顯著的改善，改變體心立方晶格的金屬材料共有的低溫轉(zhuǎn)脆現(xiàn)象，其使用溫度可達(dá)到-196℃以下,隨著石油、化工設(shè)備大型化及氣體的液化，分離、貯運(yùn)及應(yīng)用在各國已很普遍，這些低溫技術(shù)和設(shè)備的開發(fā)促進(jìn)了低溫壓力容器用鋼的發(fā)展[1-3]。

16MnDR在主要元素C-Mn基礎(chǔ)上，添加微合金元素Nb、Ti，采用潔凈度鋼冶煉技術(shù)，通過控軋控冷及正火處理后得到的一種低溫韌性良好的鋼種，其最低溫度可達(dá)-40℃，在石油、化工等行業(yè)應(yīng)用比較廣泛[4]。對(duì)于厚度為6mm-10mm的薄規(guī)格鋼板板形及沖擊性能很難保證客戶要求，本文主要研究探討薄規(guī)格16MnDR鋼板軋制及熱處理工藝。

1 工藝過程

1.1 冶煉

合金在轉(zhuǎn)爐出鋼時(shí)或者在LF精煉爐時(shí)加入，RH真空保壓時(shí)間≥12min，出鋼前進(jìn)行鈣處理，喂線后靜吹氬時(shí)間≥7min，連鑄實(shí)行全過程保護(hù)澆注，中間包過熱度≤30℃，微合金鋼在連鑄生產(chǎn)時(shí)容易產(chǎn)生角部裂紋，適當(dāng)加入Ti合金由于氮優(yōu)先與鈦反應(yīng)，減少低溫時(shí)Nb（C,N）和AlN的析出物，使Nb、Ti微合金鋼在860℃-Ar3溫度區(qū)間內(nèi)塑性得到保證，為連鑄生產(chǎn)降低裂紋提供條件。

煉鋼生產(chǎn)板坯厚度為250mm，軋制成品厚度為6-10mm，化學(xué)成分要求及實(shí)際控制范圍見表1。

表1 16MnDR化學(xué)成分（重量百分比，%）

1.2 軋制與熱處理

1.2.1 加熱

對(duì)連鑄坯加熱的作用主要是為滿足后續(xù)軋制需要，加熱的主要目的是：

（1）加熱可以減小鋼板內(nèi)部變形力，提高韌性，使鑄坯在較高溫軋制時(shí)有利于鋼板的塑性加工。

（2）鑄坯內(nèi)外部溫度不均勻軋制時(shí)會(huì)使其內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，加熱可以使鑄坯內(nèi)外部溫度均勻化，避免軋件內(nèi)部出現(xiàn)熱應(yīng)力。

（3）通過加熱的擴(kuò)散作用使鑄坯的不均勻組織和非金屬夾雜物可以得到改善。

但在加熱時(shí)一定要控制好加熱溫度和加熱時(shí)間，主要有兩方面考慮，一方面要考慮微合金鋼合金元素的的固溶，以微合金碳氮化物的全固溶溫度來制定加熱溫度，另一方面要考慮防止在加熱階段晶粒過度長大及加熱時(shí)間過長發(fā)生過熱、過燒等缺陷，綜上分析制定加熱工藝見表2：

表2 加熱爐加熱工藝

1.2.2 軋制

兩階段控制軋制主要分為奧氏體再結(jié)晶區(qū)控制軋制和奧氏體未再結(jié)晶區(qū)控制軋制，控制軋制可以減輕甚至消除一部分帶狀組織，在奧氏體再結(jié)晶區(qū)控制軋制時(shí)，通過對(duì)加熱時(shí)產(chǎn)生的粗大奧氏體晶粒進(jìn)行反復(fù)軋制和反復(fù)再結(jié)晶，會(huì)使奧氏體晶粒變的細(xì)化，而且在軋制過程中通過組織內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不斷變化，會(huì)使枝晶偏析度降低，同時(shí)合金元素也趨向均勻化。在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)控制軋制時(shí)，由于奧氏體晶粒尺寸的不斷變化，使晶體內(nèi)部產(chǎn)生很多高密度位錯(cuò)帶，同時(shí)畸變能也顯著增加，導(dǎo)致奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變提前進(jìn)行，減小了富錳帶和貧錳帶的相變溫度差，偏析部分結(jié)晶趨向于同步進(jìn)行，使帶狀組織減輕。同時(shí)控制冷卻也能減輕帶狀組織，主要原因是隨著溫度的快速降低，碳原子從貧錳區(qū)域逃離還沒有完成，奧氏體就已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體，因此鐵素體和珠光體的條帶狀分布情況不會(huì)出現(xiàn)，因?yàn)楸敬卧囼?yàn)采用10mm厚度規(guī)格，ACC冷卻采用空冷[5]。

在軋制薄規(guī)格鋼板時(shí)，溫度控制很重要，首先確保粗軋開軋溫度，板坯在加熱爐出爐后快速送往粗軋機(jī)軋制，盡量減少輸送輥道的通過時(shí)間，其次軋制過程中要減少溫降，輥道冷卻水、軋機(jī)工作輥及支承輥冷卻水相應(yīng)減小，確保精軋終軋溫度，最后確保軋制后的板形，選擇合適的工作輥和支承輥初始輥形能夠提高中厚板軋機(jī)板凸度和板形控制能力，另外在精軋最后三四道次采用最佳的彎輥力。因薄規(guī)格鋼板冷降快，冷卻方式采用空冷，綜上考慮軋制工藝參數(shù)見表3

表3 軋制工藝參數(shù)

1.2.3 正火熱處理

16MnDR按國標(biāo)GB/T3531-2014要求需正火交貨，正火溫度需加熱到Ac3溫度以上，正火的主要目的是鋼板加熱到完全奧氏體化后可以得到均勻的鐵素體合珠光體組織，消除組織中一些粗大的晶粒，還可以改善組織中產(chǎn)生的帶狀，以提高鋼板的韌性。

薄規(guī)格鋼板正火后存在的最主要問題就是鋼板板形不良，會(huì)發(fā)生浪瓢、橫瓢現(xiàn)象，鋼板經(jīng)熱處理出爐后，由于鋼板內(nèi)部組織由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和珠光體，由面心立方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)，會(huì)使鋼板內(nèi)部產(chǎn)生組織應(yīng)力和鋼板因熱脹冷縮產(chǎn)生熱應(yīng)力，這種內(nèi)應(yīng)力不均勻的分布在鋼板的各個(gè)位置，會(huì)對(duì)鋼板產(chǎn)生拉力和壓力，當(dāng)拉力和壓力超過鋼板的“彈性力”（“彈性力”在這里指的是鋼板不發(fā)生變形最大應(yīng)力）極限時(shí)，鋼板會(huì)發(fā)生變形，鋼板越薄其“彈性力”越小，鋼板冷卻的越快，產(chǎn)生的應(yīng)力也越大，因此薄規(guī)格鋼板在正火后極易發(fā)生瓢曲現(xiàn)象，所以薄規(guī)格鋼板正火最主要的問題是消除鋼板內(nèi)應(yīng)力 [6-11]，本文采用的熱處理爐共24個(gè)區(qū)，經(jīng)過試驗(yàn)得出鋼板在加熱13-18區(qū)達(dá)到目標(biāo)溫度890℃，之后19-24區(qū)燒嘴關(guān)閉，保證出爐溫度≤450℃，出爐板形良好，熱處理工藝參數(shù)見表4。

采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。計(jì)數(shù)資料采用x2檢驗(yàn)，計(jì)量資料采用t檢驗(yàn)。以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表4 熱處理工藝參數(shù)

備注：其中保溫時(shí)間8-10min。

16MnDR薄規(guī)格鋼板入爐前不平度為20mm/2m，按此工藝正火出爐后板形不平度為4mm/2m，見圖1。

圖1 16MnDR薄規(guī)格鋼板熱處理前后板形情況

2 生產(chǎn)結(jié)果

2.1 力學(xué)性能

取樣進(jìn)行力學(xué)性能檢驗(yàn)，各指標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)果見表5、圖2。

圖2 16MnDR軋制的力學(xué)性能

表5 16MnDR軋制的力學(xué)性能

由表中數(shù)據(jù)可以看出：

（1）16MnDR屈服強(qiáng)度352-392，平均372MPa，抗拉強(qiáng)度505-551MPa，平均抗拉強(qiáng)度535MPa，強(qiáng)度上下富余量較大，能滿足后續(xù)深加工產(chǎn)品的力學(xué)性能要求。

（2）16MnDR伸長率平均≥28%，沖擊吸收功65-131，平均88J，對(duì)沖擊功余量尚可，韌性能滿足要求。

2.2 組織情況

檢驗(yàn)鋼板組織為均勻的鐵素體+少量珠光體為主，晶粒度9級(jí)，帶狀組織1.0-2.0級(jí)?？梢娡ㄟ^控制軋制溫度及合理的熱處理工藝，可以得到均勻的組織。鋼板厚度1/4位置典型組織及帶狀情況見圖3。

圖3 16MnDR的顯微組織

3 結(jié)論

（1）通過合理的成分設(shè)計(jì)，嚴(yán)格的工藝控制，并采用控軋軋制技術(shù)，鋼板組織為典型的鐵素體加珠光組織體，帶狀控制良好，滿足鋼板的產(chǎn)品強(qiáng)韌性和綜合力學(xué)性能；

（2）軋制薄規(guī)格鋼板要采用合適的溫度控制、輥形控制、彎輥力控制機(jī)人員及操作控制。

（3）采用合理的熱處理工藝可以有效改善薄規(guī)格鋼板正火后的板形和平直度。