杜軍毅

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川德陽 618000)

0 引言

近年來，隨著大型乙烯、液化天然氣、海洋裝備等新型清潔能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，低溫容器成為壓力容器行業(yè)重要分支，有力地推動了低溫領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。3.5%Ni型鋼因其在-120～-80 ℃具有良好的低溫韌性，成為石油、空分制氧、液化天然氣儲罐以及大型乙烯裝置低溫壓力容器的主要用鋼。

3.5%Ni鋼屬體心立方晶格鐵素體型金屬材料，能否均質(zhì)、有效滿足-100 ℃低溫韌性KV2指標(biāo)，成為3.5%Ni制造的關(guān)鍵難題和低溫容器安全使用的最為重要的指標(biāo)。由于該類鋼冶煉、軋制、鍛造和熱處理技術(shù)難度較高，長期以來，含鎳低溫鋼主要由日本、德國、美國等少數(shù)幾個國家制造[1-4]。國產(chǎn)-100 ℃以下低溫用鋼制造領(lǐng)域，研發(fā)上相對緩慢，直至2011年后才得到了實際應(yīng)用，目前，主要限制于100 mm以下板焊容器制造和150 mm鋼板研發(fā)，大鍛件研究屬全新領(lǐng)域[5-9]。

為承制大型低溫容器及其關(guān)鍵大鍛件，投制了1支69 t鋼包精煉、真空除氣+真空澆注鋼錠，鍛透壓實后，制造出?1 520 mm×295 mm(壁厚)×2 500 mm(高度)、重量33 t的試驗筒體鍛件。通過連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線、工藝參數(shù)測試研究，制定出合理的、窄范圍操作的熱處理工藝參數(shù)，經(jīng)制造、解剖、檢驗，該筒體鍛件的化學(xué)成分和力學(xué)性能均滿足設(shè)備的技術(shù)要求，且成分和力學(xué)性能的均勻性良好。通過近幾年的研制，生產(chǎn)了多套滿足不同應(yīng)用介質(zhì)的低溫容器及其大鍛件。

1 研制的主要技術(shù)要求

容器外殼鋼采用3.5%Ni鍛件制造，并應(yīng)具有高的低溫韌性、適當(dāng)強度及均質(zhì)性，同時焊接性能良好。

1.1 化學(xué)成分

鍛件的化學(xué)成分應(yīng)符合表1規(guī)定。

表1 3.5%Ni鋼鍛件的化學(xué)成分要求Tab.1 Chemical composition requirements of 3.5%Ni steel forgings %

1.2 力學(xué)性能

(1) 調(diào)質(zhì)后，在鍛件t×2t位置取樣，經(jīng)(600±5) ℃×12 h最大模擬焊后熱處理(max.PWHT)后，鍛件的室溫拉伸性能應(yīng)滿足：抗拉強度Rm=485～655 MPa，屈服強度Rp0.2≥260 MPa，伸長率A≥22%，斷面收縮率Z≥35%； 鍛件-100 ℃夏比V型沖擊性能應(yīng)滿足：KV2≥48 J(3個試樣平均值)，KV2≥34 J(單個試樣最小值)，硬度值不超過237HBW(t×2t中t表示最近的熱處理表面距離最高拉應(yīng)力區(qū)的距離，本文為20 mm；t×2t表示截取的試樣縱軸離鍛件最近的熱處理表面至少等于t(20 mm)，且試樣長度的中線到其他熱處理表面至少為2t(40 mm))。

(2)為考核母材鍛件力學(xué)性能的均勻性，分別在水口端t×2t,t×1/2T部位，以及冒口端距離筒體外表面T×1/4T,T×1/2T,T×3/4T的部位，相對180°取樣進(jìn)行檢驗(t×1/2T部位表示取試樣的縱向軸線距筒體外表面的距離至少應(yīng)為壁厚的1/2，試樣的有效部分距離熱處理端面的距離至少為t(20 mm)；T×1/4T表示取試試樣的縱向軸線距筒體外表面的距離至少應(yīng)為壁厚的1/4，試樣的有效部分距離熱處理端面的距離至少為T；T×1/2T，T×3/4T以此類推；T為鍛件壁厚，本文鍛件實際厚度為290 mm)。

1.3 晶粒度

按ASTM E 112法測定晶粒度，鍛件奧氏體晶粒度應(yīng)為5級以上(含5級)。

1.4 夾雜物

按照 GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》規(guī)定的 B 法進(jìn)行非金屬夾雜物評定，鍛件的硫化物類(A 類)、氧化鋁類(B 類)、硅酸鹽類(C 類)及球狀氧化物類(D 類)、單顆粒球狀類(DS 類)均不得大于 1.5 級，且應(yīng)滿足A+C≤2.0，B+D≤2.0，A+B+C+D+DS≤4.5 級。

2 研制過程

2.1 工藝流程

3.5%Ni低溫鋼試驗筒體鍛件工藝流程如下： 冶煉→鍛造→鍛后熱處理→粗加工以及性能熱處理前的超聲檢測→切環(huán)、工藝參數(shù)試驗→性能熱處理→性能檢驗與解剖→加工超聲檢測→研制報告。

2.2 冶煉工藝要點

首件試制的鋼錠重量為69 t，為滿足低溫韌性要求，提高厚壁鍛件的淬透性，保證鍛件的力學(xué)性能，采取了以下化學(xué)成分內(nèi)控和冶煉工藝措施。

2.2.1 化學(xué)成分控制

碳以相變強化和固溶強化的形式提高鋼的屈服強度和抗拉強度，但卻降低了鋼的韌性，同時有可能惡化鋼的焊接性能[10-11]。為滿足-100 ℃低溫厚壁容器的鍛件以及焊縫的力學(xué)性能，必須對碳含量進(jìn)行控制，研究及工程實踐表明：C含量必須控制在0.12%以下。

為了提高鋼的低溫韌性、彌補降碳量引起的強度損失，將鎳含量控制在3.5%～3.75%，適量提高鋼中Mn含量，兼顧強度和補償韌性[12]。已有文獻(xiàn)表明[13]： Ni,Mn,C 元素對3.5%Ni 鋼的強度貢獻(xiàn)可達(dá)到308 MPa。為減少厚壁、冷卻條件等對淬透性的影響，試驗還添加Mo,V等微合金化元素，并降低P,S元素至痕跡含量，以提高材料的強韌性。

2.2.2 鋼的冶煉

鋼水采用堿性電爐粗煉出P含量達(dá)到0.002%以下的鋼水，通過倒包方式將鋼渣分離，徹底去除氧化渣； 鋼水兌入鋼包精煉爐后，造高堿度、高溫還原渣，進(jìn)行Si,Al脫氧降低鋼水中O含量至0.0012%；通過真空處理，有效降低鋼液中的H含量。真空后，加入微合金化元素，通過對微合金化元素控制進(jìn)行精心設(shè)計，對氣體元素N的控制、對易氧化元素Al控制作了嚴(yán)格的要求。溫度合適后進(jìn)行真空澆注，使鋼達(dá)到高純凈鋼的要求。

2.3 鍛造工藝要點

使用120MN水壓機進(jìn)行3.5%Ni鋼錠鍛造，鍛造溫度為1 250～800 ℃。為減少Ni元素顯微偏析帶來的低溫沖擊性能波動，鍛坯進(jìn)行了長時間的高溫擴散加熱；通過采取鐓粗、大直徑?jīng)_子沖孔、拔長相結(jié)合的鍛造工藝，實現(xiàn)特大壁厚鍛件心部的鍛透壓實。試驗筒體分四火完成：第一火：壓鉗口、倒棱、錯底;第二火：鐓拔下料，進(jìn)行寬砧拔長、倒八方→滾圓、下料;第三火：鐓粗和沖孔;第四火：擴孔和拔長，進(jìn)行預(yù)擴孔、馬杠直接拔長→出成品。

2.4 鍛件的熱處理

3.5%Ni鋼屬熱處理敏感性鋼種。為改善熱鍛粗大組織、細(xì)化3.5%Ni鋼鍛坯晶粒，實施了鍛后熱處理工藝。鍛件鍛后空冷，使過冷奧氏體組織完成轉(zhuǎn)變，隨后進(jìn)行了正火、回火處理。在980 ℃以下正火和650 ℃以下回火。之后，3.5%Ni鋼試驗筒體鍛件粗加工至：內(nèi)徑?1 520 mm×295 mm(壁厚)×2 500 mm(高度)，按照ASME第八卷2分冊及SA-388要求對整個鍛件體積進(jìn)行超聲波縱波和橫波檢測，且對所有表面按ASME第二卷SA-275的要求采用濕式連續(xù)發(fā)進(jìn)行磁粉檢測。檢驗結(jié)果沒有缺陷顯示，因此，證明鍛件的質(zhì)量較好。

2.4.1 鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變CCT曲線測定

采用鍛件水口端試料，在LINSEIS L78熱膨脹相變儀測定了鋼的鍛件相變點及連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變CCT曲線，如圖1所示。

A.奧氏體;F.鐵素體圖1 3.5%Ni低溫鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線Fig.1 Continuous cooling transition curve of 3.5%Ni cryogenic steel

該鋼種的CCT曲線呈現(xiàn)以下特征：(1)奧氏體化開始溫度(Ac1)為680 ℃，奧氏體化終了溫度(Ac3)為815 ℃；(2)合金經(jīng)860 ℃完全奧氏體化以后，冷卻速度在10 ℃/s以下時，主要為鐵素體+少量珠光體轉(zhuǎn)變，電子顯微鏡下顯微組織為鐵素體+少量(殘余奧氏體+珠光體)，這說明該鋼為鐵素體型鋼。

2.4.2 鋼的熱處理參數(shù)工藝的確定

性能熱處理前，在試驗筒節(jié)水口端切取試樣，在型號為MRⅡ的模擬熱處理爐中，進(jìn)行不同的奧氏體化溫度、淬火速度和不同的回火溫度、時間下進(jìn)行試驗，其力學(xué)性能結(jié)果如圖2～5所示。

(a)強度

(b)低溫韌性圖2 不同奧氏體化溫度后以85 ℃/min冷卻速率對鋼的強度、低溫韌性影響Fig.2 Influence of 85 ℃/min cooling rate on strength and low-temperature toughness of steel at different austenitizing temperatures

(a)強度

(b)低溫韌性圖3 不同奧氏體化溫度后以20 ℃/min冷卻速率對鋼的強度、低溫韌性影響Fig.3 Influence of 20 ℃/min cooling rate on strength and low-temperature toughness of steel at different austenitizing temperatures

圖4 不同回火溫度對鋼的強度影響Fig.4 Influence of different tempering temperature on steel strength

(a)強度

(b)低溫韌性圖5 不同回火參數(shù)與強度和低溫韌性的關(guān)系Fig.5 Relationship between different tempering parameters and strength & low-temperature toughness

由圖5可以看出，從820～1 030 ℃奧氏體范圍內(nèi)，鋼的強度隨著淬火溫度的提高呈線形提高，尤以室溫屈服強度ReL明顯。材料的抗拉強度由520 MPa上升至580 MPa，而屈服強度則由320 MPa上升至460 MPa；而鋼的韌性隨著淬火溫度的提高，鋼的韌性呈拋物線變化，當(dāng)正火溫度從820 ℃升高到880 ℃時韌性有了大幅提高。當(dāng)達(dá)到1 000 ℃以后，鋼的韌性下降很快，KV2值下降至20 J以下。

同時，奧氏體溫度、回火參數(shù)(溫度和時間)，尤其是奧氏體化后的冷卻速度對鋼的強度和低溫沖擊產(chǎn)生很大的影響，但其對強度、韌性影響規(guī)律不變。結(jié)合鋼的晶粒度試驗變化規(guī)律，3.5%Ni鋼鍛件淬火溫度應(yīng)當(dāng)在840～900 ℃。

鋼鍛件不同回火溫度對強度影響試驗可以看出，在400～640 ℃回火溫度范圍內(nèi)，隨著回火溫度的提高，鋼的強度呈線形緩慢下降趨勢變化；達(dá)到640 ℃以后，隨著回火溫度的進(jìn)一步提高，鋼的強度陡然提高。如果以回火參數(shù)Larson-Miller參數(shù)式P=T(20+lgt)×10-3來表述與強度、韌性的關(guān)系，其最佳P值為18.4～19.4之間。當(dāng)回火溫度達(dá)到670 ℃時，材料的屈服強度ReL提高至440 MPa，抗拉強度提高至600 MPa的異常效果。

說明3.5%Ni鋼在640 ℃以下回火穩(wěn)定性較高，最佳回火溫度應(yīng)在600～640 ℃，最佳回火參數(shù)P值為18.4～19.4。但當(dāng)回火溫度達(dá)到670 ℃以上時，可能使材料的韌性惡化。

2.4.3 鍛件的熱處理參數(shù)工藝的確定

根據(jù)試驗結(jié)果：3.5%Ni鋼是以鐵素體組織為基底的鋼種，為獲得良好的綜合力學(xué)性能，合理地選擇熱處理參數(shù)(奧氏體化溫度和淬火冷卻速度)尤為重要。提高鍛件冷卻速率可以使有限的強化產(chǎn)物組織轉(zhuǎn)變,奧氏體化后的冷卻速率越大，獲得沖擊韌性最大值的回火條件就向高溫和長時間方向擴大，并且沖擊韌性值也提高。因此，為了確保厚壁3.5%Ni鋼鍛件的沖擊韌性指標(biāo)，3.5%Ni鋼試驗筒體鍛件的性能熱處理為820～890 ℃保溫至完全奧氏體化以后，在大型水槽中強冷至80 ℃以下，之后在600～640 ℃溫度進(jìn)行回火。

3 鍛件的解剖檢測結(jié)果

性能熱處理后，分別在3.5%Ni鋼試驗筒體鍛件水口端、冒口端切取試環(huán)進(jìn)行理化性能檢驗，其檢驗結(jié)果如下。

3.1 化學(xué)成分

試驗筒體不同部位的化學(xué)成分結(jié)果見表2。

表2 試驗筒體不同部位的化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of different location of test cylinder (%)

3.2 力學(xué)性能

在試驗筒體上水冒口兩端制取試樣，經(jīng)過最大模擬焊后熱處理(max.PWHT)后，進(jìn)行不同層位、不同試驗方向的室溫拉伸試驗和-100 ℃夏比沖擊性能試驗以及硬度試驗，其硬度為HB154～HB163,平均值為HB161,各部位室溫拉伸和-100 ℃夏比沖擊性能試驗結(jié)果如圖6,7所示。

(a)縱向拉伸

(b)縱向沖擊圖6 試驗筒體鍛件水口端縱向拉伸和沖擊性能試驗結(jié)果Fig.6 Test results of longitudinal tensile and impact performance of the nozzle end of the test cylinder forgings

(a)冒口端縱向和橫向拉伸結(jié)果

(b)冒口端-100 ℃夏比沖擊圖7 試驗筒體冒口端縱、橫向拉伸和-100 ℃夏比沖擊性能試驗結(jié)果Fig.7 Test results of longitudinal and transverse tensile and Charpy impact performance at -100 ℃ of top end of test cylinder

3.3 金相試驗

從試驗筒體上水冒口兩端不同部位制取試樣，按技術(shù)條件要求分別進(jìn)行顯微組織、奧氏體晶粒度、非金屬夾雜物測定。其非金屬夾雜物粗系、細(xì)系檢測結(jié)果為0.5～1級；奧氏體晶粒度為7.5～8.5級，顯微組織為鐵素體+少量(珠光體+碳化物)，如圖8，9所示。

圖8 試驗筒體各部位晶粒度試驗結(jié)果Fig.8 Grain size test results of various parts of the test cylinder

(a)OM 200×

(b)SEM 10 000×圖9 3.5%Ni鋼鍛件調(diào)質(zhì)后顯微組織Fig.9 Microstructure of 3.5%Ni steel forging after quenching and tempering

3.4 上平臺吸收能量及韌脆轉(zhuǎn)變溫度試驗

在試驗筒體冒口端不同層位制取試樣，經(jīng)過最大模擬焊后熱處理(max.PWHT)后，在-40～-140 ℃的溫度下，進(jìn)行縱向的上平臺吸收能量及鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度試驗，其結(jié)果如表3所示。

表3 試驗筒體的上平臺沖擊吸收能量及韌脆轉(zhuǎn)變溫度試驗結(jié)果Tab.3 Test results of upper platform absorb energy and ductile brittle transition temperature of test cylinder

4 結(jié)果分析與產(chǎn)品驗證

4.1 結(jié)果分析

從表1～3和圖6～9可看出，試驗筒體鍛件的各項性能指標(biāo)滿足鍛件技術(shù)條件的要求。

從表2可以看出，試驗筒體鍛件各部位的化學(xué)元素的偏差很小，磷、硫、銅、氧等有害元素含量低，各化學(xué)元素成分含量達(dá)到了設(shè)計要求，為獲得優(yōu)質(zhì)性能鍛件打下基礎(chǔ)。 從圖6可以看出，試驗筒體鍛件各部位的力學(xué)性能均明顯高于鍛件技術(shù)條件的要求，其中，t×2t與T×1/4T部位ReL最低值為428,367 MPa，t×2t與T×1/4T部位Rm最低值也有530,519 MPa。不但鋼的強度指標(biāo)理想(如冒口T×1/4T部位ReL平均值為384 MPa,內(nèi)外層平均偏差值不超過5%) ，而且韌塑性指標(biāo)良好。同時，同一截面上不同部位、不同方向的力學(xué)性能相近，沒有明顯的差異，說明鍛件均質(zhì)性高，表現(xiàn)出優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。

試驗筒體不同部位的硬度值為156HBW～166HBW，滿足技術(shù)條件要求，波動非常小。圖8，圖9以及非金屬夾雜物的試驗結(jié)果表明，試驗筒體鍛件各部位的顯微組織相同，晶粒細(xì)小，按照McQuaid-Ehn法測定的奧氏體晶粒度均為7.5～8.5級。鋼中非金屬夾雜物為0.5～1.0級，證明鍛件的均質(zhì)性及純潔性好。從表3可看出，試驗筒體鍛件的上平臺沖擊吸收能量達(dá)到261 J以上，性能良好，確保了筒體鍛件有充足的安全裕度，其韌脆轉(zhuǎn)變溫度在-92～-102 ℃，與-100 ℃沖擊韌性測試結(jié)果對比，其結(jié)果相互印證。

4.2 產(chǎn)品驗證

2014年，某公司研制出12臺低溫滌氣器全套大鍛件，該容器每臺由2個封頭和1件筒體組成，內(nèi)壁堆焊E309+E316L，容器筒體圖紙尺寸為：?1506 mm×245 mm(壁厚)×3 996 mm(長度)，封頭設(shè)計圖紙尺寸為SR808×最小厚度135 mm。2016年2月～2019年10月,又采用相同規(guī)格的大鍛件成功制造出用于國外工程的6臺注射氣體壓縮吸入洗滌器，見圖10。

(a)

5 結(jié)論

(1) 3.5%Ni鋼鍛件試驗研究表明，所研發(fā)的3.5%Ni純凈鋼筒體鍛件是成功的，提出了煉鋼、鍛造和熱處理工藝方案是合理的。

(2) 鋼的CCT曲線、臨界點測定，以及熱處理工藝參數(shù)研究表明：3.5%Ni鋼鍛件最佳的淬火溫度為820～890 ℃，最佳回火參數(shù)P值介于18.4～19.4之間。在640 ℃以下具有較高的回火穩(wěn)定性，當(dāng)回火溫度達(dá)到670 ℃以上時，可能使材料的韌性惡化。

(3) 試驗筒體的解剖數(shù)據(jù)表明：各項理化性能指標(biāo)滿足技術(shù)條件要求，鍛件性能優(yōu)良、各向異性小、晶粒細(xì)小，具有優(yōu)良的韌脆轉(zhuǎn)變上平臺吸收能量及韌脆轉(zhuǎn)變溫度，表現(xiàn)出優(yōu)良的綜合性能。通過近幾年的推廣應(yīng)用，所研發(fā)的3.5%Ni型低溫壓力容器鋼及配套制造工藝參數(shù)完成滿足-80～-101 ℃大型厚壁低溫容器鍛件的要求，其研制水平達(dá)到國際先進(jìn)水平。