（材料加工工程专业论文）石油储罐用高强度调质钢板的研制.pdf

上海大掌硕士学位论文 摘要 本文根据国外石油储罐用高强度钢板的开发经验，采用低c 、低 n 、微量t i 处理的合金设计方式、淬火加回火的生产工艺，对石油储 罐用高强度钢板进行了研制。实验室对不同的成分体系进行了研究， 最终确定了可以获得良好力学性能的成分体系；在实验室研究的基础 上，利用宝钢股份公司良好的冶炼和连铸条件，冶炼了1 炉钢，通过 宝钢股份公司新建的厚板厂5 0 0 0 m m 轧机及其先进的热处理炉和淬 火机所组成的调质生产线，于2 0 0 5 年7 月试制成功了石油储罐用钢 板b 6 1 0 e 。 通过大生产工艺：炼钢厂转炉炼钢一连铸机一厚板厂坯料加热一 高压水除鳞一5 0 0 0 m m 轧机一热矫一钢板上下表面检查一超声波探伤 一辊底式加热炉一辊压式淬火机一冷矫或压平一辊底式加热炉回火 一剪切或气割、取样一喷印标识一性能检验一入库一出厂的工艺流 程，进行了b 6 1 0 e 钢板的试制。 对大生产试制的钢板在实验室进行了性厶匕i , 由g l j 析，结果表明b 6 1 0 e 钢板在厚度方向上力学性能均匀，钢板整个板面长度及宽度方向力学 性能也比较均匀。 钢板的应用性能检验表明，钢板的应变时效敏感性较低，钢板经 s r ( 消应力) 处理后，力学性能与s r 处理前基本相当，说明钢板对 s r 处理的温度不敏感。 对钢板的焊接热影响区最高硬度试验、斜y 型坡口焊接裂纹试 验、再热裂纹敏感性试验表明，钢板具备低的冷裂纹敏感性，再热裂 t 纹敏感性低等优点。钢板经手工焊条电弧焊、埋弧焊、c 0 。气体保护 焊、气电立焊焊接方式进行了焊接试验，焊接接头的强韧性均满足要 求。 钢板的各项试验数据结果表明，b 6 1 0 e 钢板具有良好的力学性能 和焊接性，达到了大型石油储罐用钢板的设计技术指标，满足大型石 油储罐制造的工艺要求。到目前为止已成功用于镇江等油气储备罐工 程。 关键词石油储罐，高强度钢板，淬火，回火，焊接性 i i 上海大掌硕士掌位论文 a b s t r a c t t h eh s l as t e e lu s e di no i lt a n k sh a sb e e nd e v e l o p e di nb a o s t e e l t h e d e s i g n i n gi d e ao ft h es t e e li sl o wc a r b o n ，l o wn i t r o g e na n dm i c r o a l l o ya d d i t i o n ； t h e r m a lt r e a tm o d ei sq u e n c ha n dt e m p e r t h ec o n t e n to fc a r b o ni sl e s st h a n 0 1 o nt h eb a s i so fr e s e a r c hi nt h el a b o r a t o r y s t e e lh a sb e e nc o n t i n u o u s c a s t e dw i t hs u c c e s s a f t e rc o n t r o l l e dr o l l i n ga n d 廿1 e r m a lt r e a to fq u e n c h i n ga n d t e m p e r i n g ，b 6 10 es t e e lu s e di no i lt a n k sh a sb e e ns u c c e s s f u l l ym a n u f a c t u r e d o nj u l y2 0 0 5 w ed ot h ee x p e r i m e n to ft h eb 6 10 es t e e lb yt h ep r o c e s so fp r o d u c t i o n ： s t e e l m a k i n gb yt h ec o n v e r t e r - - c o n t i n u o u sc a s t e r - - - s l a bh e a t i n g u pi nt h e t h i c k p l a n tm i j l d e p h o s p h o r i z a t i o n - - 5 0 0 0 m mr o l l i n g m i l l h o t l e v e l 一c h e c k i n gt h es u r f a c eo ft h ep l a t e ( 1 0 w e ra n du p p e r ) - c h e c k i n gb y et h e u l t r a s o n i c h e a t i n g u pb yt h er o l l e rf u r n a c e - 一- r o l l e rq u e n c h - c o l dl e v e l 一- t e m p e r i n g b yr o l l e rf u r n a c e 一c u t t i n g 、s a m p l ec u t t i n g - - m a r k i n g 一p h y s i c a l c h e c k i n g 一s t o r i n g c o n s i g n m e n t w ec h e c kt h et r i a l m a n u f a c t u r ep l a t ei nt h el a b o r a t o r y ，t h er e s u l ti st h a tt h e p h y s i c a lc a p a b i l i t yi sv e r yu n i f o r m i t ya l o n gt h et h i c k n e s s ，a n da l s oa l o n gt h e l e n g t ha n dt h ew i d t h t h ea p p l i c a t i o nc a p a b i l i t ya l s os h o w st h a tt h ee m e r g e n c ys e n s i t i v i t yi s v e r yl o w , a f t e rt h ep l a t er e m o v i n gt h es t r e s s ，i t sp h y s i c a lc a p a b i l i t yi st h es a m e a sb e f o r e ，t h i sc a s es h o w st h a tt h ep l a t ei sn o ts e n s i t i v et ot h es r ( s t r e s s r e m o v i n g ) p r o c e s s t h ee x p e r i m e n to ft h ei n f l u e n c et ot h eh o ta r e ac l o s et ot h ew e l d i n g ，t h e e x p e r i m e n to fi n c l i n e dyc r a c kw e l d i n ga n dt h ee x p e r i m e n to ft h es e c o n dc r a c k s e n s i t i v i t ys h o wt h a tt h ep l a t eh a st h ec a p a b i l i t yo fc o l dc r a c ks e n s i t i v i t y a f t e r t h ep l a t eb e i n gp r o c e s s e db yt h em a n u a la r cw e l d i n g ，h i d d e na r cw e l d i n g ，c 0 2 p r o t e c t i n gw e l d i n g ，e l e c t r o g a sw e l d i n g ，t h eo b d u r a b i l i t yo fs o l d e r e dj o i n ti s g o o de n o u g ht ot h ed e m a n d a l ld a t e sh a v es h o w nt h a tt h es t e e lb 6 10 eh a dg o o dm e c h a n i c a la n dw e l d i n g i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名： 日期：一沙0 各 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：鞲导师签名：幽日期： h i 1 1 引言 第一章绪论 我国的石油资源十分紧缺，尤其是随着国民经济的持续快速发展，我国对石 油依赖程度也急速提高，2 0 0 4 年前8 个月，我国石油进口量高达7 6 0 0 万吨，石 油对外依存度上升到4 0 【1 1 ，石油需求的增长占世界石油需求增长的1 3 ，成为 仅次于美国的世界第二大石油消费国【2 】。目前，中国石油自产量大约1 7 亿吨， 预测到2 0 1 0 年，我国石油消费量为3 亿多吨，2 0 2 0 年则为4 亿多吨【3 1 ，石油消 耗的逐年递增，而自产能力远不能满足需要，我国已经从一个石油出口国变为石 油进口国，所以不得不考虑到石油储备的问题。 石油储备不仅关乎到国民经济持续发展，也关乎到国防安全。当今世界尽管 和平与发展仍是时代潮流和主流，但国际局势也存在着不可忽视的复杂因素。为 了防患于未然，在突发事件发生时立于不败之地，加强国防建设对于保障国家安 全和现代化建设的顺利进行，都具有重要的现实意义和深远的历史意义。而在加 强国防建设的过程中，保持石油资源的持续供应是极为重要的一环。要做到这一 点，建设石油战略储备就显得十分必要。 此外，石油储备还能为抑油价稳定市场提供资源保障，自2 0 世纪8 0 年代以 来，经济全球化进程大大加快，国际石油市场状况的变化给各国经济带来或多或 少的影响。减少因价格上扬或供应不足给国家经济带来的负面影响，通过建设石 油战略储备可以在这方面发挥作用。作为稀缺资源，石油历来被视为战略物资为 世界各国所争夺，在欧美、日韩等国家都已建立了自己的石油储备，其石油储备 量从一个月到六个月不等【4 1 。前几年美国曾因石油供应紧张动用了战略储备。今 年国际石油价格在波动中大幅度上扬，美国又动用了战略储备的石油以图在平抑 油价与稳定油市方面发挥作用。 我国也高度重视能源安全，国务院总理温家宝2 0 0 4 年6 月3 0 日主持召开国 务院常务会议认为，必须坚持把能源作为经济发展的战略重点。解决我国能源问 题，必须切实抓好以下几个方面：要坚持把节约能源放在首位，实行全面、严格 的节约能源制度和措施；要大力调整和优化能源结构；要高度重视能源安全，搞 好能源供应多元化，加快石油战略储备建设，健全能源安全预警应急体系。为了 上海大掌硕士掌位论文 实现全面建设小康社会的宏伟目标和在本世纪中叶达到世界中等发达国家水平， 保证石油的持续供应是至关重要的一个因素，而建设石油战略储备则可以提供保 障【5 】o。 针对这一现状，国家发展改革委员会于2 0 0 4 年已经启动了国家石油战略储 备项目。拟分三期建造共3 0 0 多台1 0 万立方米以上储油罐，到2 0 1 0 年，中国的 石油储备量从目前的9 天左右发展到5 0 天，2 0 2 0 年进一步发展到7 0 天，达到目 前欧盟的水平，但离美国和日本的1 5 0 天仍然有较大差距。 作为石油储备用的储罐，每台体积在1 0 至1 5 万立方米，需要钢材总量2 0 0 0 - - - 2 8 0 0 吨，其中用于油罐底板及罐身下部六圈的钢材为7 0 0 - 1 3 0 0 吨，全部需要采 用高强度调质钢板制造。储油罐建设的一期工程供货时间为2 0 0 4 年底至2 0 0 6 年 底，需要高强度调质板共1 1 万吨。而二、三期工程总需求量为3 4 万吨，预计至 2 0 1 0 年全部建成。 除了国家战略储备石油外，三大石油公司，如中石油、中石化和中海洋等下 属企业也有石油储备计划。预计到2 0 1 0 年，企业用石油储罐也将达到3 0 0 多台， 需要高强度调质板共3 0 万吨左右。高强度调质板还广泛应用于铁路列车原油运 输槽罐的建造及水电站压力钢管的制造，年需求量为1 0 万吨左右。 2 0 0 5 年国家石油战略储备第一期工程的浙江镇海岚山基地项目，参加投标的 有日本j f e 公司、住友金属公司和武汉钢铁公司等。结果j f e 公司以吨钢9 8 0 美 元中标，国内武汉钢铁公司也以吨钢8 0 0 美元中标2 0 0 0 吨。由于武汉钢铁公司 的调质热处理能力有限，不能完全满足市场需求。而宝钢的5 米宽厚板轧机2 0 0 5 年3 月才投产，因此j f e 公司根据中国钢铁企业的生产能力状况，在2 0 0 6 年3 月的第二次标价提高到1 2 2 0 美元，而且声明，由于资源紧张，将不能完全满足 市场需求。因此，为改变国家石油储备基地建设用钢目前只能依赖于从日本钢厂 进口的被动局面，并满足国内市场的大量需求，宝钢应立即展开石油储备用高强 度调质钢板的研制工作，并尽快形成大生产供货能力。 2 1 2 国外及国内石油储罐用高强度调质钢的研究现状 1 2 1 国外研究及应用现状 ( 1 ) 日本工业标准压力容器用钢s p v 4 9 0 q s p v 4 9 0 q 是日本压力容器用钢板g 3 1 1 5 - 1 9 9 0 标准中，用于制作压力容器的 焊接性能良好的热轧调质钢板，其屈服强度4 9 0 m a 。s p v 4 9 0 q 与上世纪8 0 年代初日本的几大钢铁公司相继开发成功大线能量焊接用高强度调质钢同属一 个强度等级，典型的钢种有新日铁公司的w e l - t e n 6 0 s 和w e l t e n 6 u - 。- 6 1 ，其化学 成分为：c 0 1 6 、s i o 1 5 o 5 5 、m n o 9 0 1 6 0 、t i o 0 0 4 0 0 3 ，根据需 要可加入c u 、n i 、c r 、m o 以及少量的v 、b 等元素。还有n k k 公司的n k - h i t e n 6 1 0 e 、 住友公司的r i v e r - a c e 6 1 0 a n 等。我国从8 0 年代末起，采用日本s p v 4 9 0 q 高强度 调质钢板建造了一大批1 0 万m 3 及以上级的大型浮顶储油罐。用s p v 4 9 0 q 钢板还 建造了l p g 罐、氯乙烯球罐、丙烯球罐等。 根据日本j i s 压力容器用钢板g 3 11 5 - 1 9 9 0 标准【7 1 ，s p v 4 9 0 q 钢板化学成分和 力学性能要求分别如表1 - 1 和表1 - 2 所示。 表l is p v 4 9 0 q 调质钢板化学成分，w t cs im 1 1psm o v n ic r c e q 奉 p c m + + o 1 80 1 5 o 7 51 6 00 0 3 00 0 3 0可加 可加 可加 可加 0 4 5 0 2 8 注：碳当量：+ c e q ( ) = c + m n 6 + s i 2 4 + n i 4 0 + c r 5 + m o 4 + v 1 4 焊接裂纹敏感性组成：奉奉p c m ( ) = c + s i 3 0 + m r d 2 0 + c u 2 0 + n i 6 0 + c r 2 0 + m o 1 5 + v 1 0 + 5 b 注：后面论文中引用的相同标记其含义相同 表1 - 2s p v 4 9 0 q 调质钢板力学性能 拉伸试验冲击试验 冷弯试验+ + & l 奉事幸宰事 6 | c 幸幸 1 0 a k v 幸宰事 ( b = 2 a1 8 0 0 ) ( 口a )( m p a )( ) ( j ) ( 横向) 4 9 06 1 0 7 4 01 84 7d = 3 a 注：+ + 凡l ：屈服强度：r m ：抗拉强度：6 ：延伸率；一1 0 c a k v ：- l o 下冲击功。 + 冷弯试验：检验钢板在常温下塑性变形时抗裂纹的能力。 注：后面论文中引用的相同标记其含义相同 3 上海大掌硕士学位论文 ( 2 ) 日本j f e 钢铁公司进行了成分及工艺优化【8 】- 1 0 】 为满足大线能量焊接，日本j f e 公司在g 3 1 1 5 1 9 9 0 标准s p v 4 9 0 q 基础上， 专门研究了针对大线能量焊接的h i t e n 6 1 0 e ，其成分和力学性能要求分别如表 1 3 和表1 4 所示。 表1 3h i t e n 6 1 0 e 高强度调质钢板化学成分，w t cs im npsm o v n ic rn bp c m o 0 9d 1 5 0 5 5 1 o o 1 6 00 0 2 c o 0 1 00 3 0o 0 6 0 3 0o 3 0o 0 30 2 0 表1 4h i t e n 6 1 0 e 调质钢板的力学性能要求 lr m 6 一2 0 0 c a k v冷弯 ( m p a )( m 【p a )( )( j )( b = 2 a ，1 8 0 0 ) 4 9 06 1 0 7 3 01 84 7d = 1 5 a 可见，优化后的h i t e n 6 l o e 的碳含量在o 0 9 以下，p c m 指数在o 2 0 以下， 远低于s p v 4 9 0 q 的标准，该钢在大线能量焊接条件下，焊接热影响区仍然具有 较高冲击韧性。除了成分的优化，当前日本大型储油罐用钢板的生产工艺也出现 了很大变化，近年来供应我国的储油罐用钢板已经不是原来的热轧后离线热处理 调质钢板，而是现代化的微合金控轧后在线快冷( t m c p ) j j i i 回火新工艺所生产的， 具有更优越的性能，而且缩短了生产周期，并降低了制造成本。目前j f e 公司的 大线能量焊接用高强钢的牌号为j f e h i t e n 6 1 0 e 。 在过去的十年里，日本j f e 公司已经为中国的石油企业原油储备工程提供了 4 万多吨高强度调质钢板j f e h i t e n 6 1 0 e ，钢板化学成分和性能稳定，焊接性能 优良，因此获得了市场认可，有着良好的应用业绩。 1 2 2 国内研究及应用现状 为了使钢板既满足施工中大线能量焊接的要求，又要具有高的强韧性，国内 钢铁公司在研发6 1 0 m p a 级高强度压力容器调质钢板的过程中进行了成分的适当 优化，几家大型钢铁公司先后试制出具有各自特色的6 1 0 m p a 级高强度压力容器 4 调质钢板，并陆续通过了全国压力标准委员会的认证。 ( 1 ) 武汉钢铁公司 早在8 0 年代初期，就致力于压力容器用钢的研制，先后开发了以c f 6 2 、 w d 6 1 0 d 、w d 6 1 0 e 为代表的6 1 0 m p a 级高强度压力容器调质钢板。1 9 9 7 年武钢 联合北京燕山石化公司和合肥通用机械研究院等单位，率先在国内开展了抗拉强 度大于等于6 10m p a 级的大线能量用钢w h 6 1 0 d 2 的研制和应用研究。 w h 6 1 0 d 2 在2 0 0 3 年列入发布实施的国家标准压力容器用调质高强度钢板 ( g b l 9 1 8 9 2 0 0 3 ) ，该钢板正式命名为1 2 m n n i v r 。 表1 - 5w h 6 1 0 d 2 和1 2 m n n i v r 调质钢板化学成分【9 】【l 们，w t 牌号 cs im 1 1ps m o v n ic rp c m o 1 5 w h 6 1 0 d 21 2 0 1 6 00 0 2 5 0 0 1 0o 3 0o 0 2 o 0 6o 1 5 卸4 0o _ 3 0 0 1 50 4 o 2 6 0 1 5 1 2 m n n i v r1 2 队1 6 00 0 2 50 0 1 0o 3 0o 0 2 旬0 60 1 5 0 4 0o 3 0 0 1 50 4o 2 6 表1 - 6w h 6 1 0 d 2 和1 2 m m n i v r 调质钢板的力学性能【l l 】 1 2 1 牌号 lr m 6 一2 0 v 冷弯 ( m p a )( 【p a )( )( j ) b = 2 a ，1 8 0 a w h 6 1 0 d 24 9 0 6 1 0 - - 7 3 01 88 0d - - 3 a 12 m n n i v r 4 9 06 1 0 - 7 3 01 74 7d = 3 a w h 6 1 0 d 2 和1 2 m n n i v r 在焊接线能量小于等于1 0 0 k j c m 焊接时，焊接热 影响区2 0 。c 的冲击功在31 j 以上。从上表可见，w h 6 1 0 d 2 和1 2 m n n i v r 的焊 接裂纹敏感性组成p c m 指数上限比日本j i s 标准中s p 4 9 0 q 更低。w h 6 1 0 d 2 、 1 2 m n n i v r 与日本的s p 4 9 0 q 采用的均是离线淬火+ 高温回火处理的生产工艺。 1 9 9 9 年北京燕山石化公司、合肥通用所和中石化北京设计院等依托北京燕山 石化公司四台1 0 万r n 3 原油储罐工程承担了中石化的科技开发项目“1 0 万m 3 大 型原油储罐的国产化建造技术研究”。4 台储油罐的建造全部采用武钢生产的 上海大学硕士学位论文 w h 6 1 0 d 2 ( 1 2 m n n i v r ) 钢板。该油罐设计温度为1 0 ，设计内径8 1 0 0 0 m m ， 设计高度2 1 1 0 0 m m ，w h 6 1 0 d 2 钢板用于底板边缘板和第1 6 层壁板，钢板厚 度为1 2 m r n 、1 5 m m 、1 8n u n 、2 1 r a m 、2 7 r a m 、3 2 r a m 。设计要求钢板的硫磷含量 要小，低温( 1 0 ) 夏比冲击功a k v 平均值， 8 0 j ，a k v 单个值5 6 j 。焊接线能量 小于等于1 0 0 k j c r r l 时焊接接头力学性能抗拉强度为6 1 0 7 3 0 m p a ，焊缝和热影 响区1 0 。c 冲击功大于等于4 7 j t l3 1 。 目前，武汉钢铁公司是国内唯一的一家能批量生产用于石油储罐用高强度调 质钢板的厂家，而且在1 9 9 9 年就有了燕山石化四个1 0 万立方米原油储罐共3 0 0 0 吨的应用实绩。但是武钢公司热处理生产能力有限，而且钢板的宽度受轧机的限 制最宽只能生产2 5 0 0 m m 。另外，在质量方面，武汉钢铁公司生产的高强度调质 钢板在化学成分的波动及性能稳定性方面同日本j f e 公司生产的高强度调质钢板 相比还有一定的差距。 ( 2 ) 舞阳钢铁公司 舞阳钢铁公司和合肥通用机械研究所合作，于2 0 0 2 年初试制成功6 1 0 m p a 级高强度压力容器调质钢板w y 6 1 0 d ，并于2 0 0 2 年7 月通过了全国压力容器委 员会的论证，但目前尚无任何生产和应用实绩。 表1 7 w y 6 1 0 d 调质钢板化学成分 1 4 】，w t 牌号 cs i m np s m o v n ic rp c m o 1 5 1 y 6 1 0 d1 2 0 1 6 00 0 1 50 0 0 80 3 0o 0 2 枷。0 60 1 5 0 。4 00 3 0 o 1 50 4 0o 2 6 表1 - 8w y 6 1 0 d 调质钢板的力学性能【1 4 】 牌号 r 乩r m 6 - 2 0 丸v 冷弯 ( 【p a )( m p a )( )( j )b = 2 a ，1 8 0 0 w y 6 1 0 d4 9 06 1 0 7 3 01 88 0 d = 3 a w y 6 1 0 d 在焊接线能量小于等于1 0 0 k j e r a 焊接时，焊接热影响区2 0 。c 的 冲击功在3 1 j 以上。w y 6 1 0 d 采用的也是离线淬火+ 高温回火处理的生产工艺。 6 上海大掌硕士学位论文 ( 3 ) 鞍山钢铁公司 鞍山钢铁公司于1 9 9 8 年试制成功低焊接裂纹敏感性6 1 0 m p a 级高强度调质 钢板0 7 m n c r m o v r 【1 5 】【l6 1 ，2 0 0 4 年1 2 月参照日本j f e 公司j f e h i t e n 6 1 0 e 的成 分体系，采用在线t m c p + 离线回火生产工艺，试制出6 1 0 m p a 级高强度调质钢 板a h 6 1 0 e ，于2 0 0 5 年3 月，通过了全国压力容器委员会的论证。目前尚无工业 应用实绩。 ( 4 ) 浦钢公司 宝钢集团公司目前具有厚板轧机且能批量生产调质钢板的厂家是浦钢公司。 该公司厚板厂从美国d r a v e r 公司引进建造的由辊底式常化炉和辊压式淬火机 所组成的调质热处理生产线基本具备了开发6 1 0 m p a 级高强度调质钢板的条件。 2 0 0 4 年初，浦钢公司采用参考国标1 2 m n n i v r 制定的成分并委托墨西哥i s p a t 公司生产的连铸坯料，轧制了1 8 和3 8 m m 两个厚度规格的钢板，首先在实验室 通过一系列不同热处理制度的试验，分析和研究了钢板的调质工艺，接着在调质 热处理生产线上进行了工业性试验【1 7 】【1 8 】。试制的结果表明，由于含有强淬透性 元素，钢板淬火后1 8 和3 8 m m 两个厚度规格的钢板均获得了全马氏体组织，导 致钢板在回火时对回火温度特别敏感，回火温度偏低时钢板回火后的强度超过了 技术规定的上限，但回火温度稍微提高又使得钢板强度急剧下以至于降低于规定 的要求，难以确定最佳的回火温度。再加上该成分体系的焊接裂纹敏感性组成 p c m 指数偏高，对焊接性不利。因此，该成分体系不适合用于生产满足大线能量 焊接要求的6 1 0 m p a 级高强度调质钢板。 1 3 研制的意义、预期的目标及创新之处 1 3 1 研制的意义 通过本课题的研究，将研制成功6 1 0 m p a 级高强度调质钢板，并应用于国家 石油战略储备基地的建设，从而改变我国在石油储罐用高强度调质钢板方面长期 依赖日本进口的被动局面。同时，通过宝钢参与向国家石油战略储备基地建设供 7 料的竞争，可以降低整个工程的总体制造成本，为国家节省# t - ? e 。 另外，宝钢研制成功具备大线能量焊接和低焊接裂纹敏感性特点的6 1 0 m p a 级高强度调质钢板，可以尽快在宝钢新建成的5 米厚板轧机试生产并形成供货能 力，在未来对6 1 0 m p a 级高强度调质钢板有着大量需求的市场上抢占一席之地， 为企业谋求丰厚的利润。 1 3 2 预期的目标及创新之处 在实验室研制成功高强度调质钢板的基础上，利用宝钢股份公司优良的炼钢 及连铸设备并通过宝钢新建的厚板生产线顺利实现大生产试制，并实现向国家石 油战略储备基地批量供货的目标。 该钢种的创新在于：采用的是低碳微合金化的成分体系，不仅碳当量低而且 焊接裂纹敏感组成也很低，尽管通过传统的调质热处理工艺生产，但是钢板具有 良好强韧性、性能稳定、整张钢板性能均匀。钢板不仅能满足大线能量焊接施工 和性能要求而应用于大型石油储罐，而且钢板具有的低焊接裂纹敏感性还可以应 用水电工程上的压力钢管、蜗壳以及化工行业的乙烯、丙稀球罐等。 上海大掌硕士学位论文 第二章石油储罐用高强度调质钢板的成分设计 2 1 化学元素对钢性能的影响 为了设计出合理的化学成分，首先需要了解各种合金元素在钢中的作用及其 对钢性能的影响【1 9 】 2 0 】： ( 1 ) 碳对性能的影响 碳是钢中不可缺少的提高钢材强度的元素之一，在碳素结构钢中一部分碳原 子溶解于钢的基体，形成固溶体。一部分与f e 形成f e 。c ，随着碳含量的增加，钢 中f e 。c 增加，淬硬性也增加，钢的抗拉强度和屈服极限会提高而延伸率缺口冲击 韧性下降。碳含量每增加0 1 抗拉强度大约提高9 0 m p a ，屈服极限大约提高4 0 - - 5 0 m p a 。因此，在焊接c 含量较高的钢板时，焊接热影响区还会出现淬硬现象，这 将加剧焊接时产生冷裂的倾向。研究表明【2 1 】f 2 2 】【2 3 1 要使钢板具有低的焊接裂纹敏 感性，则钢的p c m 值应不大于o 2 l a ( 2 ) 锰对性能的影响 锰是低合金钢中最常用的元素，锰加入钢中能固溶于铁素体中，起到强化铁 素体的作用。在低碳条件下，锰含量在1 8 以下时，锰在提高钢的强度的同时， 仍可使钢保持较高的塑性和韧性。锰有良好的脱氧能力，可以起到脱氧的作用， 消除钢中的f e o 。加锰后钢中可以形成m n s 以消除硫的有害作用。锰同时有扩 大奥氏体区的作用，使钢的共析点向左下方移动。m n 在钢中的含量达到1 1 5 时，可在一定程度上改善钢的冲击韧性，同时可以减弱v 、t i 等元素与碳的结合 力，促进含v 、t i 的碳化物熔入奥氏体中，起到增加淬透性的作用。总之，锰能 改善钢的品质，降低钢的脆性，改善钢的热加工性能，是一个有益的合金元素。 ( 3 ) 硅对性能的影响 钢中的硅的含量在0 4 以下时，认为是常存的杂质元素。硅来自生铁和脱氧 剂。硅的脱氧能力较强，是主要的脱氧剂，能与f e o 作用生成s i 0 2 ，然后进入炉 9 上海大掌硕士掌位论文 渣而被排除，少量以此形式残存于钢中，成为非金属夹杂物。适量的s i 能加速焊 接冶金过程的还原作用，还能提高焊缝金属的抗气孔能力。过量的s i 会使焊缝金 属的塑韧性降低。s i 可起固溶强化的作用，同时s i 减少c 在奥氏体中的溶解度， 促使c 脱溶，以碳化物的形式析出。 ( 4 ) 铬对性能的影响 铬是缩小奥氏体相区的元素，它可以5 f d f e 形成连续固溶体，也可以形成多种 碳化物，c r 和c 的亲和力超过m n 和f e ，由于c r 在f e 内扩散慢，且c r 原子与c 原子的 交互作用使c 的扩散速度也降低，奥氏体稳定性提高，有利于热处理。c r 可以提 高钢的热强性。含量在0 5 以下时对焊接性无危害，当含量达到1 则使淬硬性 提高、冷裂敏感性提高，需要进行焊前预热处理。 ( 5 ) 钼对性能的影响 m o 是缩小奥氏体相区的元素，同时也抑制奥氏体的分解，促使c 和f e 形成复 杂的碳化物，m o 也可以起到固溶强化的作用，能提高钢材强度特别是高温强度， 较之m n 、c r 更高，同时它也是增强钢材抗氮能力的的主要元素之一。加入o 5 的 m o 月* - 匕g 使钢的高温蠕变强度提高7 5 ，少量的m o ( o 2 左右) 还能提高焊缝金属的韧 性，但是加入m o 也会提高钢的淬硬性，从而提高钢材对焊接冷裂纹的敏感性。 ( 6 ) 钒对性能的影响 v 是一种相当强烈的碳化物形成元素。它通过细化晶粒与碳化物的形成可提 高钢材的常温和高温强度，当v 与c r 、m o 同时存在时，则会在回火过程中形成复 杂的碳化物而降低焊接接头的塑韧性。特别强调的是c r 、m o 、v 钢厚壁容器的焊 接接头在焊后进行去应力处理时对裂纹的敏感性较高，因此无论为保证塑韧性或 去应力避免裂纹产生都必须严格控n v 量( 限制在o 1 以下) 。 ( 7 ) 钛对性能的影响 t i 在纯 r f e 的最大溶解度是0 7 5 9 6 ，在钢中显著地降低奥氏体中的碳含量， 使c 曲线左移，降低钢的淬硬性倾向，它是一种强烈的碳化物和氮化物形成元素。 1 0 上海大掌硕士掌位论文 它能明显地提高钢的室温强度和高温强度，由于t i 能起细化晶粒的作用，故也能 提高钢的韧性。适量的t i 形成的第二相质点能阻止焊接过程中粗晶区的长大，提 高焊缝金属的韧性，但过量的t i 又会使之降低。这两种共同作用使抗氢致裂纹的 能力稍有提高。从提高焊缝金属的韧性考虑，加入0 1 的t i 较为合适。在低合金 高强钢中应控制在0 0 1 5 以下。 ( 8 ) 铌对性能的影响 n b 的作用与t i 相似，但比t i 强烈得多。n b 也是一种细化晶粒的元素，含极微 量的n b ( 0 0 3 ) 就能显著细化钢材晶粒并提高钢的常温抗拉强度，但n b 也易与f e 、 c 等元素形成低熔点共晶物，从而增加焊缝金属产生热裂纹的倾向，在低合金焊 缝金属中不应超过0 0 5 。 ( 9 ) 镍对性能的影响 n i 也具有一定的强化作用，加入1 的n i 可提高钢材强度约2 0 m p a 。n i 还能显 著地改善钢材的韧性，特别是低温韧性。2 5 以下的n i 对钢材焊接特性无有害影 响，当n i 含量达3 5 时焊接接头过热区金属晶粒长大的倾向显著增加，使该区的 韧性急剧降低。因此n i 钢的焊接必须采用低线能量的焊接方法和焊接工艺。 ( 1 0 ) 硼对性能的影响 b 是强烈提高淬透性的元素，可提高钢的屈服强度和抗拉强度。b 与n 的交互 作用，能明显提高试验钢的低温韧性。但钢中b 含量过高会使消除应力处理( s r 处 理) 后“b 相 呈网状析出，产生s r 裂纹 ( 1 1 ) 硫对性能的影响 硫是由生铁及燃料带入钢中的杂质。硫在钢中以f e s 形式存在，f e s 会与f e 形成熔点较低的共晶体，当钢在1 2 0 0 左右开始进行热加工时，分布在晶界的低 熔点共晶体将会发生溶化而导致开裂，即具有热脆性。钢中的含硫量愈高，热脆 现象愈严重。当钢中含有大量硫化物夹杂时，轧成钢板后易于造成分层。硫还对 钢的焊接性能有不良影响，即容易导致焊缝热裂，同时，在焊接过程中，硫易于 上海大掌硕士掌位论文 氧化，生成s 0 2 气体，使焊缝产生气孔和疏松。总之，硫是钢中的有害元素，应 尽力除去。在各种质量的钢中都对硫的含量有具体的限制。 ( 1 2 ) 磷对性能的影响 磷也是钢中的有害元素，在一般情况下，钢中的磷能全部溶于铁素体中，使 其强度、硬度提高，但使室温下钢的塑性、韧性急剧降低，并使脆性转变温度有 所升高，使钢变脆，这种现象称为冷脆。磷的存在也使钢的焊接性能变坏，因此 钢中的含磷量要严格控制。 2 26 1o m p a 级高强度调质钢板成分设计思路 鉴于用于大型石油储罐的6 1 0 m p a 级调质热处理低合金高强度钢板的技术条 件具有以下特点：高强度( 屈服强度 ，4 9 0 m p a 、抗拉强度6 1 0 - - 一7 3 0 m p a ) ；高韧 性；优良的焊接性；满足大线能量焊接要求，线能量较大时，焊接热影响区的强 度、冲击功均能达到对母材的要求。因此对石油储罐用调质高强钢的开发，其成 分设计思路为： ( 1 ) 保证钢质的纯净：控制钢中p 、s 含量，采用r h 真空处理，脱气m 、h 、 o 等) ，去除钢中夹杂物( 硫化物、氧化物、硅酸盐等) ，均匀温度和成分。 ( 2 ) 保证钢板具有高强度：以c s i m n 合金为基础，采用多元微合金化处理， 添加m o 、n i 、b 等提高淬透性的合金元素，添加t i 、v 、n b 等细化晶粒、提高 强度的合金元素，通过合理的调质热处理制度，利用细晶强化、沉淀强化及相变 强化的机制来确保高强度要求。 ( 3 ) 要求具有优良的焊接性、低的焊接裂纹敏感性。为保证良好的焊接性，必 须限制c 的含量，确保c o 1 1 ，同时低的焊接裂纹敏感性也要求焊接裂纹敏 感组成p c m z 试验钢实验室6 5 0 c 回火硬度沿厚度截面分布 厶0 u u 2 6 0 0 ；多 2 4 0 0 2 2 0 0 2 0 0 0 1 8 0 o 边1 4d1 4边 _ a 2 4 2 ，82 0 4 91 8 8 62 0 1 02 2 8 5 - - - i - b 2 6 2 7 2 2 3 9 2 1 1 42 2 5 2 2 7 0 9 c2 6 9 72 5 5 32 4 0 22 5 7 82 6 0 9 图3 8 回火态试验钢板厚度截面硬度分布 3 2 试验钢板的力学性能 将回火后的试板在板厚1 4 处切取加工拉伸和v 型缺口冲击试样，拉伸试样 采用l o m m 圆棒试样，v 型缺口冲击试样尺寸为l o xl o x 5 5 m m 。在实验室进 行拉伸和冲击韧性检验能，检验设备：s c l l 3 0 拉伸试验机、s c l i1 2 冲击试验机， 标准g b t 2 2 8 - 2 0 0 2 ，检验结果见表1 4 。 3 2 1 拉伸和冲击性能 钢回火后的拉伸和冲击性能如表3 4 。 表3 - 4 试验钢回火后拉伸和冲击性能 板厚钢板取样 r l 62 0 a k v 试验钢编号 ( m m )部位( 【p a )( m p a ) ( ) ( j ) a3 2 1 4 厚 5 1 75 9 22 43 4 6 b 3 21 4 厚5 5 3 6 2 82 1 2 5 0 c3 21 4 厚7 5 37 8 82 21 4 2 三种试验钢钢板的力学性能检测发现，尽管试验钢a 的低温韧性值较高，但 是屈服和抗拉强度低于标准要求的下限4 9 0m p a 和6 1 0m p a ，试验钢b 的强韧性 完全符合标准要求，没有添加微量铌的试验钢a 平均抗拉强度比添加铌的试验钢 b 要低3 6m p a ，可见铌在调质热处理高强钢中的强化作用还是不能忽视的。试验 钢c 的抗拉强度达到7 8 8m p a ，超过标准上限的7 3 0m p a ，而且低温韧性值也较 低。 3 22 冷弯性能 经检验三种试验钢的冷弯试验完全合格b = 2 a1 8 0 。d = 3 a 3 2 3 系列温度回火试验 鉴于试验钢c 经6 5 0 c 回火后钢板强度超上限较多，所以对淬火态的试验钢 c 提高回火温度再次进行回火试验，回火温度6 8 0 。c 、7 1 0 c ，回火保温时间 3 5 r a i n r a t a ，回火后空冷。对回火后的钢板取样进行金相、拉伸性能检验，结果 见图3 - 9 、3 - 1 0 。 ( a ) 试验钢c 酗o 回火组织( 板厚i 4 ，x s o o )m 试验目c6 8 0 回火m 织( 扳厚1 4 ，x5 0 0 扣) 试验铺c7 1 0 c 回 组甥( 楹犀i 4 x 5 0 0 ) 图3 - 9 试验钢c 系列温度回火态金相组织 试验钢c 系列温度回火后钢板强度 7 4 0 ；一 6 6 0 5 8 0 盛5 0 0 兰 。4 2 0 鬟s 4 0 2 6 0 1 8 0 1 0 0 6 5 0 回火6 8 0 回火7 1 0 回火 l 一r p 0 2 7 5 35 5 53 3 2 l _ 卜r m 7 8 87 2 54 8 5 图3 一l o 试验钢c 系列温度刚火后钢板强厦 试验钢c 随着回火温度的升高，强度逐渐降低，6 8 0 回火后强度尽管满足 了要求，但是接近上限，7 1 0 回火后强度急剧下降，远低于标准要求，因此试 验钢c 的合理回火温度应该在6 8 0 7 1 0 之间，试验钢c 相比较试验钢a 和b ， 其淬透性很强，必须要很高的温度回火才能保证性能满足要求，而且回火温度难 以控制，如果一旦高过某个极限温度，钢板强度就急剧下降。 3 3 试验钢板成分的确定 经过三种试验钢的淬回火试验及最终钢板性能的检验，结果表明：只添加元 素硼，而不加n b 的成分体系难以生产出性能符合要求的钢板；尽管不含铌的成 分在调整回火温度后应该可以达到性能要求，但是强度富余量不多；含铌的成分 由于n b 的固溶和析出强化，可以使钢达到较好的强韧化效果。因此可以确定研 制钢种的成分为：含碳量小于等于0 1 1 ，添加m o 、n i 、b 等提高淬透性的合 金元素，并添加t i 、v 、n b 以细化晶粒、提高强度的合金元素。具体成分见表 3 5 。 表3 - 5 研制钢种确定的成分，w t 成分cs im npsa lt in bn im o v p c m 上限o 1 0 o 2 91 6 0o 0 1 2 0 0 0 60 0 5 00 0 3 0 0 0 3 00 3 0o 3 00 0 8 0o 2 0 下限0 0 7 0 1 51 3 5 o 0 1 50 0 2 0 上海大掌硕士学位论文 第四章试验钢大生产试制准备及大生产试制 经实验室研究确定的成分体系，在投入大生产试制前，为了解所确定的成分 在大生产的连铸工序及轧制工序的可制造性，还需要在实验室对所确定成分的试 验钢进行高温塑性及变形抗力的热模拟试验。另外，由于所确定的成分体系对炼 钢钢质的纯净度要求较高，所以还需要对炼钢现场实现该成分体系的工艺路径进 行设计和研究。 4 1 试验钢高温塑性及变形抗力的测试 4 1 1 高温塑性的测试 金属材料的高温塑性对连铸工艺的制定具有指