Q370R锅炉和压力容器用钢板的研制
【摘 要】采用包钢宽厚板***的炼钢连铸、双机架轧制和热处理生产工艺路线，生产了两种不同化学成分的Q370R锅炉和压力容器用钢板。试验结果表明：包钢生产的压力容器Q370R性能优良、***均匀，抗层状撕裂能力达到Z35要求；同时也研究了Ni对Q370R锅炉和压力容器用钢板力学性能的影响。
【关键词】锅炉和压力容器 Q370R 力学性能 Ni 对钢板性能的影响
1.前言
锅炉和压力容器用钢板是国民经济建设中一类重要的钢铁材料，普遍应用于工业与民用锅炉、化工原料储罐、石油和液化***储罐等承压容器方面[1,2]。特别是随着经济发展和能源需求的日益紧张，作为战略物资的石油***储备量成为衡量各国经济持续发展能力的指标之一，我国也在陆续建设大型的石油和液化***储罐，由此带来对常温、低温环境下的锅炉和压力容器用钢板的需求量日渐增长，技术要求也逐步提高，我国已经分别对《GB713锅炉用钢板》、《GB6653压力容器用钢板》和《GB3531低温压力容器用低合金钢板》进行了整合及修订，还将对《GB19189压力容器用调质高强度钢板》进行修订。
目前，美国、日本、以及欧洲一些***在锅炉和压力容器用钢行业内处于***地位。近些年来，国内武钢、舞阳钢铁、宝钢、鞍钢等企业在此领域已达到或超过国外***水平[3]。
GB713-2008锅炉和压力容器用钢标准中的高钢级产品通过正火或正火＋回火工艺后，具有优良的综合力学性能，是石油化工装置中常用钢种之一，随着我国石油化工行业的发展，必定有着广阔的市场前景。随着***石油战略贮备、大型和特大型石油化工项目、***产业等一大批建设工程的确立，市场对压力容器用高强度钢板需求巨大，有着广阔的市场前景。如能成功开发，对于改善包钢的品种结构，提升企业竞争力，增加经济效益都有极大的影响。
Q370R（原牌号为15MnNbR）钢是国内近年来研制出来的一种新型钢材，具有优良的综合性能， 其强度和韧性优于16MnR钢材，而焊接性能及抗***应力腐蚀性能与16MnR的相近， 成本与国外同性能材料相比要低很多， 用于大型液化***球罐是比较理想的。因此，开发一种强度高于16MnR，且具有较高韧度、较好焊接性的正火压力容器用钢已成为行业的迫切需要。
本文根据包钢***的宽厚板生产线，对Q370R压力容器用钢板进行了两种不同成分的设计，而且采用同样的工艺试制了两炉。对两炉不同成分的钢板，分别进行了各项性能检验和对比，以找到***佳的成分设计。
2.化学成分和工艺设计
2.1 成分设计
压力容器用钢板是一种用途非常特殊的专用钢板。用于制作压力容器等关键部位，承受一定压力，因而对安全可靠性和寿命等要求很高，这就决定了压力容器用钢板研制要遵循以下原则：
(1) 具有符合标准要求的较高的强度和韧性。
(2) 具有良好的内部质量。
(3) 具有良好的焊接性能和加工性能。
Q370R钢板的设计除遵循上述原则外，还必须满足低温冲击韧性和高温力学性能。因此，钢中加入Nb、V、Ti与碳、氮形成碳化物、氮化物及碳氮化物，有效延迟奥氏体形变后的再结晶时间，在控制轧制后使铁素体晶粒充分细化，显著提高强度和韧性，降低其脆性转变温度并改善焊接性能[4]。Ti的加入提高了晶粒粗化温度，防止在高输入热量的焊接过程中，在热影响区产生晶粒粗化的趋向，保证热影响区有较好的缺口韧性，提高了钢材的焊接性能[5]。加入Ni可以大大地改善钢板的低温韧性，降低韧脆转变温度[6]。同时，对***元素P、S含量提出了严格的限定，提高钢水的洁净度，改善钢板的力学性能。
根据GB 713-2008《锅炉和压力容器用钢板》要求，Q370R钢板的化学成分见表1，力学性能要求见表2,3。
表1 Q370R化学成（wt%）
|
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Nb |
Nb+V+Ti |
|
≤0.18 |
≤0.55 |
1.20~1.60 |
≤0.025 |
≤0.015 |
0.015~0.050 |
≤0.12 |
表2 Q370R力学性能
|
厚度（mm） |
屈服强度 （N/mm2） |
抗拉强度 （N/mm2） |
伸长率 （A%） |
纵向冲击功 J（-20℃） |
弯曲 180°,b=2a |
交货状态 |
|
10~16 |
370 |
530~630 |
≥20 |
≥34 |
d=2a |
正火 |
|
＞16~36 |
360 |
d=3a |
||||
|
＞36~60 |
340 |
520~620 |
表3 Q370R高温拉伸性能
|
厚度 mm |
试验温度，℃ |
|||||
|
200 |
250 |
300 |
350 |
400 |
450 |
|
|
屈服强度，N/mm2,不小于 |
||||||
|
＞20~36 |
290 |
275 |
260 |
245 |
230 |
-- |
|
＞36~60 |
280 |
270 |
255 |
240 |
225 |
-- |
2.2 生产工艺流程
根据用户特殊性能要求，结合包钢宽厚板生产条件，采用的生产工艺流程为：
混铁炉→铁水脱硫→顶底复吹转炉冶炼→LF精炼→RH真空循环脱气→连铸→加热→除鳞→粗轧→精轧→矫直→冷却→切割→抛丸→正火→取样检验→判定→入库→发货
包钢宽厚板生产线采用经过脱硫预处理的铁水和优质废钢作为原料，以***顶底复吹、炉气自动分析以及动静态自动炼钢三项***生产技术为保障进行转炉洁净钢的冶炼生产。通过优化钙处理操作和软吹工艺，进一步上浮排除钢中的非金属夹杂物，获得洁净钢质。RH工序采用循环深脱气工艺，在保证钢水温度稳定的前提下大幅降低氢、氧、氮等气体含量，减小***气体对钢质的不利影响。
连铸机为直弧形连铸机，上装链式引锭杆、多点弯曲连续矫直技术、凝固末端动态轻压下以及优化的动态二冷技术，通过恒温、恒拉速工艺，减轻连铸坯中心偏析和中心疏松等缺陷；通过结晶器保护渣的跟踪、改进和优化以及结晶器热成像仪的***应用，减少铸坯表面裂纹以及振痕等表面质量缺陷。从而实现优质铸坯。
根据钢种特点和用途，采用优化的铸坯加热曲线充分保证钢坯加热温度和均热时间。加热温度控制在1180℃~1250℃，保证合金元素的化合物充分溶解。
轧制采用控轧控冷工艺以保证***和晶粒的均匀。轧制时加大粗轧道次变形量，开轧温度为1160～1200℃，单道次相对压下率至少有两道次以上控制在25~40%。严格控制精轧各道次变形量，精轧开轧温度≤950 ℃，至少有两道压下率>20%以上，末道次压下率>10%。轧后钢板采用控制冷却，终冷温度≤700℃，得到晶粒细小的铁素体+珠光体***。
根据经验公式并结合现场生产实际，确定正火保温温度为860℃~950℃，保温时间根据钢板厚度的不同而不同。
3.试验结果与分析
本次试验采用两种成分，试制了10mm和60mm两个规格共12张钢板。钢板号依次为A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L，其中A、B、C、D、E、F为1#方案化学成分生产的钢板，G、H、I、J、K、L为2#方案化学成分生产的钢板。正火后取样检验了钢板的室温拉伸性能、高温拉伸性能、Z向拉伸性能、冲击性能、冷弯性能等主要强度以及塑性、韧性指标。显微***采用2%硝酸酒精腐蚀金相试样，用ZEISS图象分析仪拍摄微观***照片。
3.1 化学成分
根据压力容器钢的客户需求，采用低碳成分设计并配以微合金技术，通过控轧和正火工艺生产的压力容器钢板具有钢质洁净、良好的冲击韧性和焊接性能等特性。包钢宽厚板生产线压力容器钢Q370R的两种成分设计见表4。
表4 压力容器钢Q370R的两种化学成分wt%
|
方案 |
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Nb+V+Ti |
Ni |
|
1# |
0.18 |
0.30 |
1.52 |
0.010 |
0.003 |
≤0.12 |
0 |
|
2# |
0.17 |
0.30 |
1.48 |
0.015 |
0.003 |
≤0.12 |
0.20 |
3.2 试验钢板的室温拉伸性能、高温拉伸性能及Z向拉伸性能分析
为检测试制钢板的拉伸性能，在钢板头部的宽度方向1/4位置取样加工了常规拉伸试样、高温拉伸试样及Z向拉伸试样。拉伸试样断口均未出现分层及“白亮带”等脆性断口形貌。Z向拉伸断口呈出明显的缩颈，Z向断面收缩率都在55％以上，各项检测结果见表5~表7。
由表5~表7可以看出，试验钢板的拉伸性能完全符合GB 713-2008《锅炉和压力容器用钢板》对Q370R钢板的要求并有较大余量。10mm钢板的屈服强度余量为70~85N/mm2，抗拉强度余量为55~65N/mm2，延伸率余量为9~12％；60mm钢板的屈服强度余量为35~55N/mm2，抗拉强度余量为10~25N/mm2，延伸率余量为3.5~8％。Z向拉伸的断面收缩率≥56.2％，完全达到Z35要求并有较大富余。表6表明，1#方案60mm钢板在不同温度下的高温拉伸性能都能满足国标要求，且有较大富裕。
试验结果表明，根据本文设计的化学成分并采用合理的控轧控冷及正火工艺，满足《GB 713-2008锅炉和压力容器用钢板》的要求。由于钢中硫含量低，钢质纯净，夹杂物很少，保证了钢板具有良好的抗层状撕裂性能，厚度方向拉伸的断面收缩率远远超过了Z35的要求。
表5 压力容器钢Q370R常规拉伸性能
|
方案 |
规格(mm) |
钢板号 |
屈服强度（N/mm2） |
抗拉强度（N/mm2） |
伸长率（A%） |
|
1 |
10 |
A |
440 |
590 |
32.0 |
|
B |
450 |
590 |
30.0 |
||
|
C |
455 |
605 |
29.5 |
||
|
2 |
10 |
G |
440 |
585 |
30.0 |
|
H |
450 |
595 |
29.0 |
||
|
I |
445 |
590 |
29.0 |
||
|
1 |
60 |
D |
385 |
545 |
28.0 |
|
E |
375 |
535 |
27.5 |
||
|
F |
380 |
535 |
28.0 |
||
|
2 |
60 |
J |
390 |
540 |
23.5 |
|
K |
395 |
545 |
27.5 |
||
|
L |
375 |
525 |
24.0 |
表6 60mm厚钢板D的高温拉伸性能
|
高温拉伸温度(℃) |
标准值(N/mm2) |
实测值Rel(N/mm2) |
高出标准要求(N/mm2) |
|
300 |
255 |
340 |
85 |
|
400 |
225 |
315 |
90 |
|
400 |
225 |
320 |
95 |
|
400 |
225 |
310 |
55 |
|
400 |
225 |
300 |
75 |
|
400 |
225 |
300 |
75 |
|
400 |
225 |
300 |
75 |
|
450 |
-- |
275 |
-- |
|
450 |
-- |
275 |
-- |
表7 60mm厚压力容器Q370R厚度方向拉伸性能
|
钢板号 |
断面收缩率(A%) |
|||
|
1 |
2 |
3 |
平均 |
|
|
D |
71.0 |
71.0 |
69.5 |
70.5 |
|
E |
67.5 |
63.0 |
67.0 |
66.0 |
|
F |
55.7 |
56.7 |
63.5 |
58.6 |
|
J |
68.2 |
69.1 |
70.4 |
69.2 |
|
K |
61.0 |
60.0 |
56.2 |
59.0 |
|
L |
57.5 |
63.0 |
62.0 |
61.0 |
3.3 试验钢板的冲击性能分析
为检测试制钢板的冲击韧性，在钢板头部的宽度1/4处取样加工了夏比V型冲击试样。冲击试验温度为0℃、-20℃、-40℃，10mm钢板采用5×10×55小尺寸试样，60mm钢板采用10×10×55的试样，冲击性能详见表8。
由表8可以看出，试验钢板的-40℃冲击吸收功也满足GB 713-2008《锅炉和压力容器用钢板》要求并有较大富余，达到低温压力容器要求。随冲击试验温度的降低，试验钢板的冲击吸收功均降低；在-40℃以上冲击吸收功下降比较平缓，说明本次试验两种成分的韧脆转变温度低于-40℃。
另外，Ni在钢中为纯固溶元素，具有明显降低冷脆转折温度的作用。Ni与铁以互溶形式存在于α和γ铁相中，通过其在晶粒内的吸附作用细化铁素体晶粒，提高钢的冲击韧性。但同时Ni是扩大奥氏体元素，降低奥氏体的转变温度，从而影响到碳与合金元素的扩散速度，阻止奥氏体向珠光体转变，降低钢的临界冷却速度，可提高钢的淬透性，易使钢中出现贝氏体及马氏体。因此，控制合适的Ni含量，使其保持单一的铁素体+珠光体是改善韧性的关键[3]。
本次试验中Ni的加入量为≤0.20%。从两种成分的冲击性能对比来看，由于Ni的加入量少，细化晶粒的作用不明显，从而对韧性的改善作用不明显。本次试验温度为0℃，-20℃，-40℃，没有达到钢板的韧脆转变温度，因此在本次试验中Ni对冲击性能的影响不明显，有待于进一步的试验。但本次试验结果表明1#方案的成分设计已经完全可以满足该钢种国标要求，且1#方案的成分设计比2#方案更加经济。
表8 压力容器Q370R冲击韧性
|
方案 |
厚度(mm) |
钢板号 |
0℃冲击功值(J) |
-20℃冲击功值(J) |
-40℃冲击功值(J) |
||||||
|
1 |
10 |
A |
73.9 |
77.7 |
66.5 |
48.4 |
61.9 |
60.7 |
71.1 |
67.1 |
44.6 |
|
B |
85.4 |
87.2 |
90.2 |
66 |
59.5 |
71.6 |
50.6 |
45.7 |
86.9 |
||
|
C |
76.5 |
75.3 |
87.6 |
84.3 |
88.6 |
70.9 |
45.7 |
49.8 |
45.1 |
||
|
2 |
10 |
G |
79.9 |
87.1 |
82.1 |
70.8 |
90.8 |
70.2 |
52.5 |
43.6 |
57.9 |
|
H |
88.2 |
81.2 |
80.3 |
74.7 |
87 |
86.2 |
49.5 |
56.9 |
42.9 |
||
|
I |
45.6 |
47.5 |
50.3 |
34.5 |
42.2 |
48.4 |
33.8 |
47.6 |
40.5 |
||
|
1 |
60 |
D |
242 |
184 |
245 |
168 |
168 |
181 |
161 |
163 |
179 |
|
E |
162 |
166 |
162 |
158 |
173 |
165 |
163 |
159 |
178 |
||
|
F |
175 |
166 |
168 |
156 |
170 |
152 |
154 |
186 |
181 |
||
|
2 |
60 |
J |
216 |
215 |
213 |
187 |
163 |
216 |
162 |
221 |
224 |
|
K |
208 |
177 |
177 |
198 |
158 |
167 |
173 |
173 |
166 |
||
|
L |
215 |
161 |
167 |
201 |
168 |
169 |
183 |
175 |
169 |
||
3.4 金相分析
为确定控轧+正火工艺Q370R钢板的微观***，研究工艺和微观***以及力学性能之间的关系，取金相试样用光学显微镜进行显微***分析和晶粒度评级。表9为试验钢板金相***显微分析和晶粒度评定的结果，图1分别为试验钢板的光学金相***照片。
表9和图1的金相***显微分析和晶粒度评定的结果表明：试验钢板的***以F+P，带状***3级，平均晶粒尺寸为8-10µm，晶粒比较细小、均匀，有利于获得良好的强韧性。晶粒细小、均匀可以防止塑性变形的不均匀性，减少应力集中，改善钢板的韧性。晶粒越细，则位错塞积的数目下降，不易产生应力集中，使解理断裂不易产生，因而韧性***，其结果使钢的塑脆转变温度下降。
表9 不同成分Q370R金相***
|
钢板号 |
材料 |
规格 |
晶粒度（级） |
平均晶粒尺寸（µm） |
组 织 |
带状***（级） |
|
A |
Q370R |
10 |
10-11 |
10-8 |
F+P图1 |
3 |
|
G |
Q370R |
10 |
10-11 |
10-8 |
F+P图2 |
3 |
a) A钢板 b) G钢板
图1 不同成分Q370R金相***
另外，试验钢板力学性能检测结果全部合格，冷弯试样表面完好、无裂纹；对试验钢板按《GB/T 2970-2004 厚钢板超声波检验方法》进行了Ⅰ级探伤，缺陷波高为0，无裂纹、分层等内部缺陷，Ⅰ级探伤合格。
4.结论
① 两种设计方案试制的Q370R锅炉和压力容器用钢板各项性能符合***标准，完全可以满足用户使用要求， 1#方案比2#方案的生产成本更低。
② 本次试验表明，Q370R成分设计中Ni含量范围在0-0.20%时，对包钢宽厚板试制的Q370R韧性影响并不明显。
③ 按现行工艺生产的Q370R钢板具有良好的抗层状撕裂性能，达到了Z35的要求。
参考文献
[1] 张朝生，新开发的高性能锅炉和压力容器用厚板[J]，宽厚板，2000, 6(6):35-39。
[2] 谢良法、赵文忠、吴道新，舞钢压力容器用钢板[J]，宽厚板.2003, 4(9):6-11。
[3] 顾天浩，新型锅炉和压力容器用钢板[J]，上海金属,1989 (4),15-18。
[4] 王祖宾，东涛等著，低合金高强度钢 [M]，北京:原子能出版社, 1996。
[5] 柴 锋，杨才福，张永权等，Al、Ti处理对低合金钢焊接粗晶区***的影响[J]，钢铁,2007, 9(42):76-80。
[6] 王晓敏著吗，工程材料学[M]，哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 2005。
Q370R锅炉和压力容器用钢板的研制
【摘 要】采用包钢宽厚板***的炼钢连铸、双机架轧制和热处理生产工艺路线，生产了两种不同化学成分的Q370R锅炉和压力容器用钢板。试验结果表明：包钢生产的压力容器Q370R性能优良、***均匀，抗层状撕裂能力达到Z35要求；同时也研究了Ni对Q370R锅炉和压力容器用钢板力学性能的影响。
【关键词】锅炉和压力容器 Q370R 力学性能 Ni 对钢板性能的影响
1.前言
锅炉和压力容器用钢板是国民经济建设中一类重要的钢铁材料，普遍应用于工业与民用锅炉、化工原料储罐、石油和液化***储罐等承压容器方面[1,2]。特别是随着经济发展和能源需求的日益紧张，作为战略物资的石油***储备量成为衡量各国经济持续发展能力的指标之一，我国也在陆续建设大型的石油和液化***储罐，由此带来对常温、低温环境下的锅炉和压力容器用钢板的需求量日渐增长，技术要求也逐步提高，我国已经分别对《GB713锅炉用钢板》、《GB6653压力容器用钢板》和《GB3531低温压力容器用低合金钢板》进行了整合及修订，还将对《GB19189压力容器用调质高强度钢板》进行修订。
目前，美国、日本、以及欧洲一些***在锅炉和压力容器用钢行业内处于***地位。近些年来，国内武钢、舞阳钢铁、宝钢、鞍钢等企业在此领域已达到或超过国外***水平[3]。
GB713-2008锅炉和压力容器用钢标准中的高钢级产品通过正火或正火＋回火工艺后，具有优良的综合力学性能，是石油化工装置中常用钢种之一，随着我国石油化工行业的发展，必定有着广阔的市场前景。随着***石油战略贮备、大型和特大型石油化工项目、***产业等一大批建设工程的确立，市场对压力容器用高强度钢板需求巨大，有着广阔的市场前景。如能成功开发，对于改善包钢的品种结构，提升企业竞争力，增加经济效益都有极大的影响。
Q370R（原牌号为15MnNbR）钢是国内近年来研制出来的一种新型钢材，具有优良的综合性能， 其强度和韧性优于16MnR钢材，而焊接性能及抗***应力腐蚀性能与16MnR的相近， 成本与国外同性能材料相比要低很多， 用于大型液化***球罐是比较理想的。因此，开发一种强度高于16MnR，且具有较高韧度、较好焊接性的正火压力容器用钢已成为行业的迫切需要。
本文根据包钢***的宽厚板生产线，对Q370R压力容器用钢板进行了两种不同成分的设计，而且采用同样的工艺试制了两炉。对两炉不同成分的钢板，分别进行了各项性能检验和对比，以找到***佳的成分设计。
2.化学成分和工艺设计
2.1 成分设计
压力容器用钢板是一种用途非常特殊的专用钢板。用于制作压力容器等关键部位，承受一定压力，因而对安全可靠性和寿命等要求很高，这就决定了压力容器用钢板研制要遵循以下原则：
(1) 具有符合标准要求的较高的强度和韧性。
(2) 具有良好的内部质量。
(3) 具有良好的焊接性能和加工性能。
Q370R钢板的设计除遵循上述原则外，还必须满足低温冲击韧性和高温力学性能。因此，钢中加入Nb、V、Ti与碳、氮形成碳化物、氮化物及碳氮化物，有效延迟奥氏体形变后的再结晶时间，在控制轧制后使铁素体晶粒充分细化，显著提高强度和韧性，降低其脆性转变温度并改善焊接性能[4]。Ti的加入提高了晶粒粗化温度，防止在高输入热量的焊接过程中，在热影响区产生晶粒粗化的趋向，保证热影响区有较好的缺口韧性，提高了钢材的焊接性能[5]。加入Ni可以大大地改善钢板的低温韧性，降低韧脆转变温度[6]。同时，对***元素P、S含量提出了严格的限定，提高钢水的洁净度，改善钢板的力学性能。
根据GB 713-2008《锅炉和压力容器用钢板》要求，Q370R钢板的化学成分见表1，力学性能要求见表2,3。
表1 Q370R化学成（wt%）
|
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Nb |
Nb+V+Ti |
|
≤0.18 |
≤0.55 |
1.20~1.60 |
≤0.025 |
≤0.015 |
0.015~0.050 |
≤0.12 |
表2 Q370R力学性能
|
厚度（mm） |
屈服强度 （N/mm2） |
抗拉强度 （N/mm2） |
伸长率 （A%） |
纵向冲击功 J（-20℃） |
弯曲 180°,b=2a |
交货状态 |
|
10~16 |
370 |
530~630 |
≥20 |
≥34 |
d=2a |
正火 |
|
＞16~36 |
360 |
d=3a |
||||
|
＞36~60 |
340 |
520~620 |
表3 Q370R高温拉伸性能
|
厚度 mm |
试验温度，℃ |
|||||
|
200 |
250 |
300 |
350 |
400 |
450 |
|
|
屈服强度，N/mm2,不小于 |
||||||
|
＞20~36 |
290 |
275 |
260 |
245 |
230 |
-- |
|
＞36~60 |
280 |
270 |
255 |
240 |
225 |
-- |
2.2 生产工艺流程
根据用户特殊性能要求，结合包钢宽厚板生产条件，采用的生产工艺流程为：
混铁炉→铁水脱硫→顶底复吹转炉冶炼→LF精炼→RH真空循环脱气→连铸→加热→除鳞→粗轧→精轧→矫直→冷却→切割→抛丸→正火→取样检验→判定→入库→发货
包钢宽厚板生产线采用经过脱硫预处理的铁水和优质废钢作为原料，以***顶底复吹、炉气自动分析以及动静态自动炼钢三项***生产技术为保障进行转炉洁净钢的冶炼生产。通过优化钙处理操作和软吹工艺，进一步上浮排除钢中的非金属夹杂物，获得洁净钢质。RH工序采用循环深脱气工艺，在保证钢水温度稳定的前提下大幅降低氢、氧、氮等气体含量，减小***气体对钢质的不利影响。
连铸机为直弧形连铸机，上装链式引锭杆、多点弯曲连续矫直技术、凝固末端动态轻压下以及优化的动态二冷技术，通过恒温、恒拉速工艺，减轻连铸坯中心偏析和中心疏松等缺陷；通过结晶器保护渣的跟踪、改进和优化以及结晶器热成像仪的***应用，减少铸坯表面裂纹以及振痕等表面质量缺陷。从而实现优质铸坯。
根据钢种特点和用途，采用优化的铸坯加热曲线充分保证钢坯加热温度和均热时间。加热温度控制在1180℃~1250℃，保证合金元素的化合物充分溶解。
轧制采用控轧控冷工艺以保证***和晶粒的均匀。轧制时加大粗轧道次变形量，开轧温度为1160～1200℃，单道次相对压下率至少有两道次以上控制在25~40%。严格控制精轧各道次变形量，精轧开轧温度≤950 ℃，至少有两道压下率>20%以上，末道次压下率>10%。轧后钢板采用控制冷却，终冷温度≤700℃，得到晶粒细小的铁素体+珠光体***。
根据经验公式并结合现场生产实际，确定正火保温温度为860℃~950℃，保温时间根据钢板厚度的不同而不同。
3.试验结果与分析
本次试验采用两种成分，试制了10mm和60mm两个规格共12张钢板。钢板号依次为A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L，其中A、B、C、D、E、F为1#方案化学成分生产的钢板，G、H、I、J、K、L为2#方案化学成分生产的钢板。正火后取样检验了钢板的室温拉伸性能、高温拉伸性能、Z向拉伸性能、冲击性能、冷弯性能等主要强度以及塑性、韧性指标。显微***采用2%硝酸酒精腐蚀金相试样，用ZEISS图象分析仪拍摄微观***照片。
3.1 化学成分
根据压力容器钢的客户需求，采用低碳成分设计并配以微合金技术，通过控轧和正火工艺生产的压力容器钢板具有钢质洁净、良好的冲击韧性和焊接性能等特性。包钢宽厚板生产线压力容器钢Q370R的两种成分设计见表4。
表4 压力容器钢Q370R的两种化学成分wt%
|
方案 |
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Nb+V+Ti |
Ni |
|
1# |
0.18 |
0.30 |
1.52 |
0.010 |
0.003 |
≤0.12 |
0 |
|
2# |
0.17 |
0.30 |
1.48 |
0.015 |
0.003 |
≤0.12 |
0.20 |
3.2 试验钢板的室温拉伸性能、高温拉伸性能及Z向拉伸性能分析
为检测试制钢板的拉伸性能，在钢板头部的宽度方向1/4位置取样加工了常规拉伸试样、高温拉伸试样及Z向拉伸试样。拉伸试样断口均未出现分层及“白亮带”等脆性断口形貌。Z向拉伸断口呈出明显的缩颈，Z向断面收缩率都在55％以上，各项检测结果见表5~表7。
由表5~表7可以看出，试验钢板的拉伸性能完全符合GB 713-2008《锅炉和压力容器用钢板》对Q370R钢板的要求并有较大余量。10mm钢板的屈服强度余量为70~85N/mm2，抗拉强度余量为55~65N/mm2，延伸率余量为9~12％；60mm钢板的屈服强度余量为35~55N/mm2，抗拉强度余量为10~25N/mm2，延伸率余量为3.5~8％。Z向拉伸的断面收缩率≥56.2％，完全达到Z35要求并有较大富余。表6表明，1#方案60mm钢板在不同温度下的高温拉伸性能都能满足国标要求，且有较大富裕。
试验结果表明，根据本文设计的化学成分并采用合理的控轧控冷及正火工艺，满足《GB 713-2008锅炉和压力容器用钢板》的要求。由于钢中硫含量低，钢质纯净，夹杂物很少，保证了钢板具有良好的抗层状撕裂性能，厚度方向拉伸的断面收缩率远远超过了Z35的要求。
表5 压力容器钢Q370R常规拉伸性能
|
方案 |
规格(mm) |
钢板号 |
屈服强度（N/mm2） |
抗拉强度（N/mm2） |
伸长率（A%） |
|
1 |
10 |
A |
440 |
590 |
32.0 |
|
B |
450 |
590 |
30.0 |
||
|
C |
455 |
605 |
29.5 |
||
|
2 |
10 |
G |
440 |
585 |
30.0 |
|
H |
450 |
595 |
29.0 |
||
|
I |
445 |
590 |
29.0 |
||
|
1 |
60 |
D |
385 |
545 |
28.0 |
|
E |
375 |
535 |
27.5 |
||
|
F |
380 |
535 |
28.0 |
||
|
2 |
60 |
J |
390 |
540 |
23.5 |
|
K |
395 |
545 |
27.5 |
||
|
L |
375 |
525 |
24.0 |
表6 60mm厚钢板D的高温拉伸性能
|
高温拉伸温度(℃) |
标准值(N/mm2) |
实测值Rel(N/mm2) |
高出标准要求(N/mm2) |
|
300 |
255 |
340 |
85 |
|
400 |
225 |
315 |
90 |
|
400 |
225 |
320 |
95 |
|
400 |
225 |
310 |
55 |
|
400 |
225 |
300 |
75 |
|
400 |
225 |
300 |
75 |
|
400 |
225 |
300 |
75 |
|
450 |
-- |
275 |
-- |
|
450 |
-- |
275 |
-- |
表7 60mm厚压力容器Q370R厚度方向拉伸性能
|
钢板号 |
断面收缩率(A%) |
|||
|
1 |
2 |
3 |
平均 |
|
|
D |
71.0 |
71.0 |
69.5 |
70.5 |
|
E |
67.5 |
63.0 |
67.0 |
66.0 |
|
F |
55.7 |
56.7 |
63.5 |
58.6 |
|
J |
68.2 |
69.1 |
70.4 |
69.2 |
|
K |
61.0 |
60.0 |
56.2 |
59.0 |
|
L |
57.5 |
63.0 |
62.0 |
61.0 |
3.3 试验钢板的冲击性能分析
为检测试制钢板的冲击韧性，在钢板头部的宽度1/4处取样加工了夏比V型冲击试样。冲击试验温度为0℃、-20℃、-40℃，10mm钢板采用5×10×55小尺寸试样，60mm钢板采用10×10×55的试样，冲击性能详见表8。
由表8可以看出，试验钢板的-40℃冲击吸收功也满足GB 713-2008《锅炉和压力容器用钢板》要求并有较大富余，达到低温压力容器要求。随冲击试验温度的降低，试验钢板的冲击吸收功均降低；在-40℃以上冲击吸收功下降比较平缓，说明本次试验两种成分的韧脆转变温度低于-40℃。
另外，Ni在钢中为纯固溶元素，具有明显降低冷脆转折温度的作用。Ni与铁以互溶形式存在于α和γ铁相中，通过其在晶粒内的吸附作用细化铁素体晶粒，提高钢的冲击韧性。但同时Ni是扩大奥氏体元素，降低奥氏体的转变温度，从而影响到碳与合金元素的扩散速度，阻止奥氏体向珠光体转变，降低钢的临界冷却速度，可提高钢的淬透性，易使钢中出现贝氏体及马氏体。因此，控制合适的Ni含量，使其保持单一的铁素体+珠光体是改善韧性的关键[3]。
本次试验中Ni的加入量为≤0.20%。从两种成分的冲击性能对比来看，由于Ni的加入量少，细化晶粒的作用不明显，从而对韧性的改善作用不明显。本次试验温度为0℃，-20℃，-40℃，没有达到钢板的韧脆转变温度，因此在本次试验中Ni对冲击性能的影响不明显，有待于进一步的试验。但本次试验结果表明1#方案的成分设计已经完全可以满足该钢种国标要求，且1#方案的成分设计比2#方案更加经济。
表8 压力容器Q370R冲击韧性
|
方案 |
厚度(mm) |
钢板号 |
0℃冲击功值(J) |
-20℃冲击功值(J) |
-40℃冲击功值(J) |
||||||
|
1 |
10 |
A |
73.9 |
77.7 |
66.5 |
48.4 |
61.9 |
60.7 |
71.1 |
67.1 |
44.6 |
|
B |
85.4 |
87.2 |
90.2 |
66 |
59.5 |
71.6 |
50.6 |
45.7 |
86.9 |
||