高性能特殊容器钢板的开发生产

员强鹏，孙 乾，程欣丽，张金波，陈 萌，王治中

（1 南京钢铁股份有限公司，江苏 南京 210035；2 山东钢铁股份有限公司莱芜分公司，山东 济南 271104；3 山东蓝天商旅车业有限公司，山东 济南 271104）

1 前言

压力容器、发电锅炉等机械装备是石油化工、能源传输、动力供应等领域的关键设备，其高效率的工作运转直接决定了企业的生产运营；因其长时间服役于高温、高压、腐蚀等恶劣环境，在承受静载荷的同时，承受着服役环境或突发应急情况等（如突发断电，高频率开、关机，高速、大范围的环境温度波动）综合因素带来的交变载荷，对其制造钢铁基体材料提出了越来越高的性能要求［1-2］。锅炉及压力容器用钢板是压力容器、发电锅炉等专用装备制造中最为关键的钢铁材料。锅炉锅壳、锅筒、集箱端盖、支吊架等核心零部件均采用高品质低合金耐热容器钢板制造。因装备服役环境的特殊性，对容器钢板的性能除了常规的高强韧性，还需要个性化的低温冲击韧性、耐热性、耐蚀性、抗疲劳性等力学及工艺性能［3］。

13MnNiMoR 是高品质容器板的典型牌号，属于低碳低合金高强度细晶粒钢，是GB 713—2014《锅炉和压力容器用钢板》标准中的典型牌号。因其自身具备较好的高温强度、塑韧性及易焊接性，广泛应用于高端压力容器和锅炉汽包的制造，已成为当下全球制造锅炉汽包制造市场上最闪亮的钢种［4］。本文结合某钢企高品质容器钢板生产实际，对高性能低合金容器13MnNiMoR 钢板的开发生产，作了简要概述，其容器板在实现性能优化的基础上，简化生产组织，降低生产成本，具备较强的应用价值。

2 产品性能要求

在GB 713—2014《锅炉和压力容器用钢板》标准要求基础上，加严了有害元素限制，结合客户要求，制定技术协议。对钢板化学成分要求、力学性能要求分别如表1、表2所示。

表1 化学成分要求（质量分数） %

表2 力学性能要求

3 成分设计与工艺控制

3.1 成分设计

国内电力行业对清洁、节能、环保电力能源的综合利用与开发的不断发展，节能型锅炉汽包钢板得到广泛应用，其中13MnNiMoR 普遍应用于锅炉汽包、石化容器制造，市场需求量极度攀升，但13MnNiMoR 开发生产存在一定技术难点，如连铸坯易产生裂纹、钢板氧化铁皮不易脱落等［5］。为保证钢板开发成功，实现量产，分析了C、Si、Mn、P、S、Ni、Cr、Mo等成分元素对钢板强韧性、断后伸长率、冲击韧性等力学性能的综合影响，进行成分方案设计。制定转炉冶炼过程控制，LF精炼软吹氩处理、喂线微合金化操作，RH 精炼真空脱气处理，板坯连铸稳定浇注，板坯热装加热、控轧控冷、热处理工艺等一系列工艺制度。其生产工艺为：KR 铁水预处理→顶底复吹转炉双渣冶炼→LF →RH →板坯连铸→铸坯缓冷→铸坯清理→宽厚板轧制→缓冷→切割→探伤→抛丸→正火+回火→取样→检验判定→齐头入库→发货。

主要元素作用及配比依据。C 是钢基体的强化元素，提升强度及淬透性，但影响焊接性能及低温韧性，故选择低碳设计。Si 是常见脱氧元素，并能提高钢基体的强度，稳定铁素体相，但Si 含量过高可引起组织粗化，降低细晶强化效果。Mn 与Fe原子半径相近，可固溶于Fe基体中，提高奥氏体稳定性，增加钢基体强韧性，但含量过高会造成焊接热影响区性能下降。P 元素严重损害钢基体韧塑性，S元素损害钢的韧塑性，二者均是冶炼中有害元素。Nb 可有效提高轧制过程中钢板的再结晶温度，细化晶粒，改善钢的低温韧性，形成细小弥散的N 化物第二相，可抑制原始奥氏体晶粒长大，显著提高钢板焊接热影响区性能［6-7］。Cr能显著提高钢的强度，并大幅提升钢的淬透性，但会降低塑性和韧性。Ni能够和Fe无限固溶，扩大奥氏体区，稳定奥氏体，降低临界转变温度，降低钢中各元素的扩散速率，提高淬透性。Cr 可以显著提高强度、硬度和耐磨性，提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，使A3和A1 温度升高，GS 线向左上方移动，但会降低塑韧性。Mo可细化钢的晶粒，提高淬透性与热强性能，高温时维持住基体强度，具有极强的抗蠕变能力［8］。综上所述，钢板的设计化学成分如表3 所示（其中Ni、Cr、Mo适量）。

表3 化学成分设计（质量分数） %

3.2 生产工艺控制

冶炼、连铸工艺控制要点。（1）铁水预处理：采用低硫、低磷铁水，将高炉铁水预脱S，提高入转炉铁水纯净度，将铁水S控在0.015%以内。（2）冶炼：预处理铁水进转炉初炼，严格控制铁水Sb、Bi、Sn、Pb等有害元素，加优质废钢，终点成分、终点温度、出钢脱氧制度严格按规程管控。（3）精炼：采用LF精炼进一步脱硫、脱氧、去夹杂，全程底吹氩搅拌，氩气压力、流量以渣面轻微翻动不露钢水为宜，保证夹杂物上浮；通电加热开始时采用高电压、低电流长弧，炉渣化好后采用低电压、高电流埋弧作业。精炼时间≥45 min（含软吹时间≥5 min）。（4）RH 精炼：采用真空环流脱气处理，保证真空度在140 Pa内，时间10～15 min，纯脱气时间≥5 min，确保脱氢、脱氮效果，RH 尾端喂纳米高钙线100～150 m，软吹12 min 以上，RH 精炼全周期≥45 min。（5）连铸；采用板坯全程保护浇铸，选用包晶钢保护渣，配合非正弦振动模式的结晶器振动，保证浇铸时铸坯与结晶器壁的顺滑，避免黏结，用以得到较好的铸坯表面质量；铸坯末端开启轻压下，减少铸坯收缩空隙，防止晶间富集溶质向铸坯中心横向流动；严控过热度，中间包钢液温度与钢液相线温度之差控制在10～20 ℃。

加热、轧制工艺控制要点：（1）加热；可消除铸坯缺陷及应力，优化组织及夹杂物形态，炉内为还原性或中性气氛，防止铸坯氧化，总在炉时间控在10～16 min，出钢温度控在1 200～1 240 ℃，均热时间≥1.4 min，温度均匀性≤5 ℃，促进组织均匀化及碳化物溶解。（2）轧制；采用≥1 000 ℃的完全再结晶区粗轧+开轧温度900～980 ℃的未再结晶区精轧的两阶段控轧工艺，中间坯待温厚度控制在2.0～3.0倍成品厚度，粗轧采用大压下模式，采用大轧制力，有促进变形渗透，降低原始组织晶粒度，细化晶粒，促进心部组织与其他组织的一致性。（3）冷却；轧后钢板立即进行超快冷冷却，冷速为7～10 ℃/s，终冷温度为600～650 ℃，加速冷却后上冷床待温，期间钢板反红温度控在650～700 ℃，钢板经冷床缓慢冷却后进行温矫直。

热处理工艺控制要点：为保证钢板质量，需对其进行正火处理，正火温度为Ac3＋（30～50 ℃），保温时间15 min，正火可起到消除钢板组织应力，减轻厚度方向混晶现象，均匀晶粒度的作用；为达到较好的表面质量，热处理前对钢板表面进行抛丸处理。结合钢板成分可计算得出Ac3温度点。

4 钢板质量与性能

4.1 力学性能

按照工艺规程生产的高品质低合金容器钢板表面质量较好，力学性能优异，综合性能达到用户使用要求，其中屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、0 ℃冲击值均值分别为556.3 MPa、645.2 MPa、23.78%、258.8 J，力学性能实例如表4所示。

表4 力学性能实例表

4.2 Z向拉伸性能

钢板沿厚度方向的受力性能（主要为延性性能）称为Z向性能。锅炉汽包、石化容器制造等重要焊接结构用钢，不仅要求沿钢板长度、宽度方向上具备优秀的机械性能，同时对钢板厚度方向（即Z向）性能也要求具备较好的抗层状撕性能。钢板的Z向性能一般通过试样拉伸试验获得，常用断面收缩率进行表征。

任取两张13MnNiMoR 钢板在其头部、尾部分别取样，加做Z向拉伸性能试验，结果满足GB 713—2014《锅炉和压力容器用钢板》标准要求，具体Z向性能统计于表5。

表5 Z向拉伸性能实例表

4.3 硬度检验

硬度测试能直观反映出钢板不同批次、不同位置（宽度、厚度、长度）上的性能波动差异，是较为经济高效的一种物理检验方法，为准确表征钢板性能，选取不同生产批次的两块同规格钢板进行布氏硬度检验，参照GB/T 231.1—2018《金属材料布氏硬度试验第1 部分：试验方法》。试验参数：D=10 mm，P=3 000 kgf，T=20 s，进行布氏硬度检验，结果可知，所得容器板硬度值均集中在203～259 HBW，波动范围小，钢板通条性能稳定性较好。

4.4 夹杂物分析

夹杂物含量是钢铁冶炼纯净度把控的重要指标，夹杂物数量、形态、组成等对钢基体性能影响极大；带状组织是表征钢板沿厚度方向成分、组织均匀性的重要参数，组织形态与晶粒度等级（晶粒尺寸大小）决定了钢板强韧性等力学指标，并对弯折、焊接等加工性能有重要影响，对产品钢板抽样检验，其夹杂物含量、实际晶粒度情况，汇总于表6。

表6 晶粒度及夹杂物统计

4.5 组织分析

高品质13MnNiMoR低合金容器钢板的组织以贝氏体为主；钢板的表表面、厚度1/4、厚度心部组织区别不大，晶粒度7级，力学性能优异，典型金相组织照片，如图1所示。

图1 20 μm标尺下的金相组织

5 结语

采用低碳、高锰、微铌+中镍、钼、铬的成分体系设计，成功开发出高端压力容器、锅炉汽包制造用13MnNiMoR 系列钢板。该钢板组织以贝氏体为主，晶粒均匀细小，兼顾强韧性及抗层状撕裂性能，并拥有良好低温韧性，力学性能均达到或超过GB 713—2014《锅炉和压力容器用钢板》标准要求，满足客户使用要求，在实现性能优化效果的同时，简化生产组织，具备较强的工业实践价值。