高性能特殊容器鋼板的開發生產

員強鵬，孫 乾，程欣麗，張金波，陳 萌，王治中

（1 南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035；2 山東鋼鐵股份有限公司萊蕪分公司，山東 濟南 271104；3 山東藍天商旅車業有限公司，山東 濟南 271104）

1 前言

壓力容器、發電鍋爐等機械裝備是石油化工、能源傳輸、動力供應等領域的關鍵設備，其高效率的工作運轉直接決定了企業的生產運營；因其長時間服役于高溫、高壓、腐蝕等惡劣環境，在承受靜載荷的同時，承受著服役環境或突發應急情況等（如突發斷電，高頻率開、關機，高速、大范圍的環境溫度波動）綜合因素帶來的交變載荷，對其制造鋼鐵基體材料提出了越來越高的性能要求［1-2］。鍋爐及壓力容器用鋼板是壓力容器、發電鍋爐等專用裝備制造中最為關鍵的鋼鐵材料。鍋爐鍋殼、鍋筒、集箱端蓋、支吊架等核心零部件均采用高品質低合金耐熱容器鋼板制造。因裝備服役環境的特殊性，對容器鋼板的性能除了常規的高強韌性，還需要個性化的低溫沖擊韌性、耐熱性、耐蝕性、抗疲勞性等力學及工藝性能［3］。

13MnNiMoR 是高品質容器板的典型牌號，屬于低碳低合金高強度細晶粒鋼，是GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》標準中的典型牌號。因其自身具備較好的高溫強度、塑韌性及易焊接性，廣泛應用于高端壓力容器和鍋爐汽包的制造，已成為當下全球制造鍋爐汽包制造市場上最閃亮的鋼種［4］。本文結合某鋼企高品質容器鋼板生產實際，對高性能低合金容器13MnNiMoR 鋼板的開發生產，作了簡要概述，其容器板在實現性能優化的基礎上，簡化生產組織，降低生產成本，具備較強的應用價值。

2 產品性能要求

在GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》標準要求基礎上，加嚴了有害元素限制，結合客戶要求，制定技術協議。對鋼板化學成分要求、力學性能要求分別如表1、表2所示。

表1 化學成分要求（質量分數） %

表2 力學性能要求

3 成分設計與工藝控制

3.1 成分設計

國內電力行業對清潔、節能、環保電力能源的綜合利用與開發的不斷發展，節能型鍋爐汽包鋼板得到廣泛應用，其中13MnNiMoR 普遍應用于鍋爐汽包、石化容器制造，市場需求量極度攀升，但13MnNiMoR 開發生產存在一定技術難點，如連鑄坯易產生裂紋、鋼板氧化鐵皮不易脫落等［5］。為保證鋼板開發成功，實現量產，分析了C、Si、Mn、P、S、Ni、Cr、Mo等成分元素對鋼板強韌性、斷后伸長率、沖擊韌性等力學性能的綜合影響，進行成分方案設計。制定轉爐冶煉過程控制，LF精煉軟吹氬處理、喂線微合金化操作，RH 精煉真空脫氣處理，板坯連鑄穩定澆注，板坯熱裝加熱、控軋控冷、熱處理工藝等一系列工藝制度。其生產工藝為：KR 鐵水預處理→頂底復吹轉爐雙渣冶煉→LF →RH →板坯連鑄→鑄坯緩冷→鑄坯清理→寬厚板軋制→緩冷→切割→探傷→拋丸→正火+回火→取樣→檢驗判定→齊頭入庫→發貨。

主要元素作用及配比依據。C 是鋼基體的強化元素，提升強度及淬透性，但影響焊接性能及低溫韌性，故選擇低碳設計。Si 是常見脫氧元素，并能提高鋼基體的強度，穩定鐵素體相，但Si 含量過高可引起組織粗化，降低細晶強化效果。Mn 與Fe原子半徑相近，可固溶于Fe基體中，提高奧氏體穩定性，增加鋼基體強韌性，但含量過高會造成焊接熱影響區性能下降。P 元素嚴重損害鋼基體韌塑性，S元素損害鋼的韌塑性，二者均是冶煉中有害元素。Nb 可有效提高軋制過程中鋼板的再結晶溫度，細化晶粒，改善鋼的低溫韌性，形成細小彌散的N 化物第二相，可抑制原始奧氏體晶粒長大，顯著提高鋼板焊接熱影響區性能［6-7］。Cr能顯著提高鋼的強度，并大幅提升鋼的淬透性，但會降低塑性和韌性。Ni能夠和Fe無限固溶，擴大奧氏體區，穩定奧氏體，降低臨界轉變溫度，降低鋼中各元素的擴散速率，提高淬透性。Cr 可以顯著提高強度、硬度和耐磨性，提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性，使A3和A1 溫度升高，GS 線向左上方移動，但會降低塑韌性。Mo可細化鋼的晶粒，提高淬透性與熱強性能，高溫時維持住基體強度，具有極強的抗蠕變能力［8］。綜上所述，鋼板的設計化學成分如表3 所示（其中Ni、Cr、Mo適量）。

表3 化學成分設計（質量分數） %

3.2 生產工藝控制

冶煉、連鑄工藝控制要點。（1）鐵水預處理：采用低硫、低磷鐵水，將高爐鐵水預脫S，提高入轉爐鐵水純凈度，將鐵水S控在0.015%以內。（2）冶煉：預處理鐵水進轉爐初煉，嚴格控制鐵水Sb、Bi、Sn、Pb等有害元素，加優質廢鋼，終點成分、終點溫度、出鋼脫氧制度嚴格按規程管控。（3）精煉：采用LF精煉進一步脫硫、脫氧、去夾雜，全程底吹氬攪拌，氬氣壓力、流量以渣面輕微翻動不露鋼水為宜，保證夾雜物上浮；通電加熱開始時采用高電壓、低電流長弧，爐渣化好后采用低電壓、高電流埋弧作業。精煉時間≥45 min（含軟吹時間≥5 min）。（4）RH 精煉：采用真空環流脫氣處理，保證真空度在140 Pa內，時間10～15 min，純脫氣時間≥5 min，確保脫氫、脫氮效果，RH 尾端喂納米高鈣線100～150 m，軟吹12 min 以上，RH 精煉全周期≥45 min。（5）連鑄；采用板坯全程保護澆鑄，選用包晶鋼保護渣，配合非正弦振動模式的結晶器振動，保證澆鑄時鑄坯與結晶器壁的順滑，避免黏結，用以得到較好的鑄坯表面質量；鑄坯末端開啟輕壓下，減少鑄坯收縮空隙，防止晶間富集溶質向鑄坯中心橫向流動；嚴控過熱度，中間包鋼液溫度與鋼液相線溫度之差控制在10～20 ℃。

加熱、軋制工藝控制要點：（1）加熱；可消除鑄坯缺陷及應力，優化組織及夾雜物形態，爐內為還原性或中性氣氛，防止鑄坯氧化，總在爐時間控在10～16 min，出鋼溫度控在1 200～1 240 ℃，均熱時間≥1.4 min，溫度均勻性≤5 ℃，促進組織均勻化及碳化物溶解。（2）軋制；采用≥1 000 ℃的完全再結晶區粗軋+開軋溫度900～980 ℃的未再結晶區精軋的兩階段控軋工藝，中間坯待溫厚度控制在2.0～3.0倍成品厚度，粗軋采用大壓下模式，采用大軋制力，有促進變形滲透，降低原始組織晶粒度，細化晶粒，促進心部組織與其他組織的一致性。（3）冷卻；軋后鋼板立即進行超快冷冷卻，冷速為7～10 ℃/s，終冷溫度為600～650 ℃，加速冷卻后上冷床待溫，期間鋼板反紅溫度控在650～700 ℃，鋼板經冷床緩慢冷卻后進行溫矯直。

熱處理工藝控制要點：為保證鋼板質量，需對其進行正火處理，正火溫度為Ac3＋（30～50 ℃），保溫時間15 min，正火可起到消除鋼板組織應力，減輕厚度方向混晶現象，均勻晶粒度的作用；為達到較好的表面質量，熱處理前對鋼板表面進行拋丸處理。結合鋼板成分可計算得出Ac3溫度點。

4 鋼板質量與性能

4.1 力學性能

按照工藝規程生產的高品質低合金容器鋼板表面質量較好，力學性能優異，綜合性能達到用戶使用要求，其中屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率、0 ℃沖擊值均值分別為556.3 MPa、645.2 MPa、23.78%、258.8 J，力學性能實例如表4所示。

表4 力學性能實例表

4.2 Z向拉伸性能

鋼板沿厚度方向的受力性能（主要為延性性能）稱為Z向性能。鍋爐汽包、石化容器制造等重要焊接結構用鋼，不僅要求沿鋼板長度、寬度方向上具備優秀的機械性能，同時對鋼板厚度方向（即Z向）性能也要求具備較好的抗層狀撕性能。鋼板的Z向性能一般通過試樣拉伸試驗獲得，常用斷面收縮率進行表征。

任取兩張13MnNiMoR 鋼板在其頭部、尾部分別取樣，加做Z向拉伸性能試驗，結果滿足GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》標準要求，具體Z向性能統計于表5。

表5 Z向拉伸性能實例表

4.3 硬度檢驗

硬度測試能直觀反映出鋼板不同批次、不同位置（寬度、厚度、長度）上的性能波動差異，是較為經濟高效的一種物理檢驗方法，為準確表征鋼板性能，選取不同生產批次的兩塊同規格鋼板進行布氏硬度檢驗，參照GB/T 231.1—2018《金屬材料布氏硬度試驗第1 部分：試驗方法》。試驗參數：D=10 mm，P=3 000 kgf，T=20 s，進行布氏硬度檢驗，結果可知，所得容器板硬度值均集中在203～259 HBW，波動范圍小，鋼板通條性能穩定性較好。

4.4 夾雜物分析

夾雜物含量是鋼鐵冶煉純凈度把控的重要指標，夾雜物數量、形態、組成等對鋼基體性能影響極大；帶狀組織是表征鋼板沿厚度方向成分、組織均勻性的重要參數，組織形態與晶粒度等級（晶粒尺寸大小）決定了鋼板強韌性等力學指標，并對彎折、焊接等加工性能有重要影響，對產品鋼板抽樣檢驗，其夾雜物含量、實際晶粒度情況，匯總于表6。

表6 晶粒度及夾雜物統計

4.5 組織分析

高品質13MnNiMoR低合金容器鋼板的組織以貝氏體為主；鋼板的表表面、厚度1/4、厚度心部組織區別不大，晶粒度7級，力學性能優異，典型金相組織照片，如圖1所示。

圖1 20 μm標尺下的金相組織

5 結語

采用低碳、高錳、微鈮+中鎳、鉬、鉻的成分體系設計，成功開發出高端壓力容器、鍋爐汽包制造用13MnNiMoR 系列鋼板。該鋼板組織以貝氏體為主，晶粒均勻細小，兼顧強韌性及抗層狀撕裂性能，并擁有良好低溫韌性，力學性能均達到或超過GB 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》標準要求，滿足客戶使用要求，在實現性能優化效果的同時，簡化生產組織，具備較強的工業實踐價值。