压力容器用DIWA373钢板的研制

供稿|石莉，曹殿正，林明新，张萌 / SHI li, CAO Dian-zheng, LIN Ming-xin, ZHANG Meng

内容导读

DIWA373主要用于制造高温高压容器，如火力发电超临界机组中的锅炉汽包、汽水分离器、蒸汽发生器等。现代压力容器设备日益向大型化及高参数化发展，对钢板的厚度要求也越来越高，如何获得高品质的低屈强比高强特厚钢板已成为该领域的研究热点。舞钢结合自身设备，通过合理的成分设计，采取控轧控冷及亚温淬火等工艺控制，成功开发出了厚度为170 mm具有良好综合力学性能及内部质量的低屈强比DIWA373钢板。结果表明：钢板探伤级别满足NB/T47013-2015标准I级；钢板各处组织均匀细小，表层以回火马氏体组织为主，内部以回火贝氏体组织为主；钢板厚度方向各处性能指标均符合技术要求，并有一定的富裕量。

DIWA373属于德国狄林根公司生产的钢种，主要用于制造高温高压容器，如火力发电超临界机组中的锅炉汽包、汽水分离器、蒸汽发生器等元件。高温高压容器所选钢材，其性能对保证设备安全运行至关重要，不仅要具有足够高的强度、塑性和韧性，还要保证良好的焊接性能、较低的屈强比等[1]。传统调质型钢材对于强度的需求已不成问题，但其屈强比高和焊接性能差等缺点，尤其是高的屈强比严重制约了这类板材的应用。同时，现代压力容器设备日益向大型化及高参数化发展，对钢板的厚度要求也越来越高。因此，如何获得高品质的低屈强比高强特厚钢板已成为该领域的研究热点。

本文介绍了舞钢结合自身设备，通过合理的成分设计及关键生产工艺控制，成功开发出了厚度170 mm的具有良好综合力学性能的DIWA373钢板，钢板满足屈强比≤0.84。

主要技术要求

根据VDTUV377/1及设备制造厂的采购技术要制订了超大厚度DIWA373钢板的技术要求。

化学成分

DIWA373钢板的化学成分要求如表1所示。

力学性能

超大厚度DIWA373钢板交货状态下(Q+T)的力学性能应满足表2的要求。

超声波探伤要求

钢板按NB/T47013—2015标准进行100%超声波无损检测，I级合格。

表1 钢板的化学成分要求(质量分数，%)

表2 钢板的力学性能要求

化学成分及关键工艺设计

化学成分设计

合理的化学成分设计对保证钢板力学性能、焊接性能及降低成本都至关重要。本文采取低碳高锰的设计原则，同时加入适量的Ni、Cu、Mo、Nb合金元素。C、Mn为主要强化元素，考虑到焊接性及低温韧性C含量不宜过高，而Mn元素除强化外，还起到轻微细化组织及防止热脆性的作用。Cu在一定温度下保温可以析出ε-Cu粒子，产生时效硬化作用[2]。此外，Cu还可以显著提高钢板的耐腐蚀性，但是Cu易在轧制过程中产生铜脆现象，因此必须加入Cu含量1.5倍的Ni，以防止铜脆产生[3]。Ni元素也可以起到提高基体韧性的作用。Mo元素可以提高钢板的热强性，同时也抑制奥氏体的分解，有利于贝氏体或马氏体组织的形成。Nb为强碳化物形成元素，其拥有最强的晶粒细化作用及一定的沉淀强化作用。最后还要控制钢中的P、S、夹杂物、气体等有害物质，以确保钢板纯净度。

工艺路线

初炼→LF精炼→VD真空脱气→模铸→钢锭加热→轧制→淬火→回火→探伤→性能检验→切割定尺→判定入库。

轧制工艺

采取两阶段控制轧制及控制冷却工艺。两阶段控制轧制可起到细化晶粒、应变诱导微合金元素Nb析出的作用。控制冷却通过控制起始冷却温度起到控制组织构成及其尺寸的作用。具体工艺参数执行：Ⅰ阶段开轧温度1050～1100℃，晾钢厚度220mm；II阶段开轧温度≤900℃，终轧温度800～820℃；轧后小水量冷却，开冷温度750～780℃，终冷温度580～630℃。

热处理工艺

调质处理(Q+T)是低合金高强钢常用的热处理工艺，可以获得高强度的马氏体或贝氏体组织，然而其屈强比大、韧性差。屈强比越大，钢板屈服后的塑性变形越小，越易发生断裂。采取亚温淬火+回火的热处理工艺，可有效改善钢板的屈强比及韧性，尤其是低温韧性。亚温淬火的加热温度比常规淬火低，其奥氏体晶粒相对细小；同时亚温淬火奥氏体化不完全，存在未溶的铁素体及碳化物，未溶铁素体可阻碍奥氏体晶界的迁移从而抑制奥氏体晶粒的长大，而未溶的碳化物降低了奥氏体中的碳含量，使得相变后铁素体组织体积分数增大；实验钢种加入了一定的Nb元素，亚温淬火时钢中的Nb(C、N)粒子溶解有限，未溶的Nb(C、N)粒子可有效地钉扎位错及奥氏体晶界，从而达到细化晶粒的作用。细化晶粒是同时提高钢板强度和塑韧性的有效方法，另外总晶界面积的增多可使单位面积上的有害元素减小，有效地减弱了有害元素的偏聚。而硬度低塑性好的铁素体组织存在及其体积分数的增大能有效防止应力集中及阻碍裂纹的扩展，从而使钢板的韧性提高、屈强比降低。

亚温淬火温度以略低于临界奥氏体化温度为最佳，较低的加热温度会因钢中存在大块状铁素体组织而恶化钢的性能。因此，采取的热处理工艺为：淬火，加热温度850～860℃，保温时间2 min，水冷；回火，加热温度(640±5)℃，保温时间4 min，空冷。

实物质量与分析

对试制的厚度170 mm的DIWA373钢板进行成分、力学性能检验以及组织观察。取样方法及试样制备应符合EN10028-1—2007的规定，常温拉伸、高温拉伸、夏比冲击、Z向拉伸实验方法分别按EN10002-1—2001、EN10002-5—1991、EN10045-1—1990及EN10164—2004标准执行，试样经体积分数为4%的硝酸酒精腐蚀后在金相显微镜及扫描电镜下进行组织观察。

化学成分

通过冶炼的精确控制，实物钢板的化学成分如表3所示。各元素的化学成分均满足标准要求，且有害元素P、S含量控制在较低水平。

力学性能

为了分析该超大厚度钢板的力学性能及其厚度方向性能的均匀性，分别在钢板上下表面，上下厚1/4，厚1/2处取样进行力学检验，实验结果见表4和表5。

钢板内部(上下1/4及1/2)力学性能相近，屈服强度至少高出标准120 MPa，而抗拉强度均处于中线，塑韧性处于优异水平。由于受冷却条件等因素的影响，该170 mm超大厚度钢板表层力学性能与内部有一定的差异，表层强度偏高、塑韧性偏低，但是差距并不大且其指标均在技术要求范围之内。总而言之，结合表2可知，该实物钢板具有优异的综合力学性能。

表3 实物钢板的化学成分(质量分数，%)

表4 实物钢板室温拉伸及高温拉伸实验结果

表5 实物钢板Z向拉伸及夏比冲击实验结果

超声波检验

实物钢板经100%超声波检验，结果满足NB/T47013—2015标准I级的验收标准，内部质量良好。

组织观察

图1为交货状态钢板不同厚度位置的金相显微组织。钢板上下表面的组织为回火马氏体+少量回火贝氏体组织，晶粒度9级；内部(板厚上下1/4及1/2)组织为回火贝氏体+少量铁素体组织，晶粒度8.5～8级。

通过扫描电镜观察更高倍次的显微组织，如图2，可明显看出表层组织中的第二相尺寸偏小且分布更加弥散，内部组织中存在未溶的铁素体和先共析铁素体组织且心部含量较1/4处偏多、尺寸偏大。

造成钢板厚度方向组织差异的原因有两点：钢板冷却时冷却速率不同为主要原因，表层冷速较大；其次钢板厚度太大，亚温淬火时奥氏体化温度表层较内部偏高，即奥氏体化程度高些。

结束语

(1) 舞阳钢厂结合自身设备，通过合理的成分设计、并采取控轧控冷及亚温淬火等工艺，成功开发出了厚度170 mm具有良好综合力学性能及内部质量的DIWA373钢板，同时钢板满足屈强比≤0.84。

(2) 该试制钢板各处组织均匀细小，表层以回火马氏体组织为主，内部以回火贝氏体组织为主。钢板厚度方向性能虽有差异但差距并不大，且无论表层还是内部性能指标均符合技术要求。