大型3.5%Ni型低温超纯净钢锻件的工艺与性能_杜军毅.pdf

书书书第 39 卷第 11 期压力容器2022 年 11 月doi:10 3969/j issn 1001 4837 2022 011 001试 验 研 究大型 3 5%Ni 型低温超纯净钢锻件的工艺与性能杜军毅(二重(德阳)重型装备有限公司，四川德阳618000)摘要:为实现 100 低温厚壁容器国产化，制造出满足 100 低温工作条件下使用的大型、厚壁钢锻件，投制了1 支 69 t 钢包精炼、真空除气+真空浇注钢锭，锻透压实后，从锻件取样进行了 3 5%Ni 型低温大锻件用钢的 CCT 曲线、临界点测定，以及热处理工艺参数研究。在大量的工艺试验的基础上，确定出 3 5%Ni 钢锻件最佳的淬火温度为 820 890，最佳回火参数 P 值介于 18 4 19 4 之间。同时，该钢种在 640 以下具有较高的回火稳定性，当回火温度达到670 以上时，可能使材料的韧性恶化。经 69 t 试验筒体制造工艺实施、解剖试验以及后续的产品验证证明，所采用的工艺方法是非常有效的，各项理化性能指标完全满足 100 低温厚壁容器的质量要求。关键词:3 5%Ni;低温;厚壁容器;锻件;工艺性能中图分类号:TH49;TH140 7文献标志码:AProcess and properties of large 3 5%Ni type low temperature ultra-pure steel forgingsDU Junyi(Erzhong(Deyang)Heavy Equipment Co，Ltd，Deyang 618000，China)Abstract:In order to realize the localization of 100 low-temperature thick-walled vessel and produce large and thick-walledsteel forgings that can be used at 100 low temperature，a 69 t ladle refined，vacuum degassed+vacuum cast ingot wasmade，and after forging through compaction，the CCT curve，critical point determination and heat treatment process parameters of35%Ni type low-temperature large forging steel were measured from forging samples On the basis of a large number of processtests，it is determined that the best quenching temperature of 3 5%Ni steel forgings is 820 890，and the best temperingparameter P value is between 18 4 19 4 At the same time，the steel has a high tempering stability below 640，when thetempering temperature reaches above 670，the toughness of the material may deteriorate Through the implementation of 69 ttest cylinder manufacturing process，anatomical test and subsequent product verification，it has been proved that the processmethod adopted is very effective，and the physical and chemical performance indexes fully meet the quality requirements of100 low-temperature thick-walled vesselKey words:3 5%Ni;low temperature;thick-walled vessel;forgings;process properties收稿日期:2022 07 26修稿日期:2022 11 23基金项目:中国机械工业集团有限公司重大科技项目“核电成套设备及关键部件研制与示范应用”(SINOMAST ZDZX 2017 02)0引言近年来，随着大型乙烯、液化天然气、海洋装备等新型清洁能源产业的发展，低温容器成为压力容器行业重要分支，有力地推动了低温领域的技术进步。3 5%Ni 型钢因其在 120 80 具有良好的低温韧性，成为石油、空分制氧、液化天然气储罐以及大型乙烯装置低温压力容器的主要用钢。3 5%Ni 钢属体心立方晶格铁素体型金属材1PESSUE VESSEL TECHNOLOGYVol.39，No.11，2022料，能否均质、有效满足 100 低温韧性 KV2指标，成为 3 5%Ni 制造的关键难题和低温容器安全使用的最为重要的指标。由于该类钢冶炼、轧制、锻造和热处理技术难度较高，长期以来，含镍低温钢主要由日本、德国、美国等少数几个国家制造1 4。国产 100 以下低温用钢制造领域，研发上相对缓慢，直至 2011 年后才得到了实际应用，目前，主要限制于100 mm 以下板焊容器制造和150 mm 钢板研发，大锻件研究属全新领域 5 9。为承制大型低温容器及其关键大锻件，投制了1 支69 t 钢包精炼、真空除气+真空浇注钢锭，锻透压实后，制造出1 520 mm 295 mm(壁厚)2 500 mm(高度)、重量 33 t 的试验筒体锻件。通过连续冷却转变曲线、工艺参数测试研究，制定出合理的、窄范围操作的热处理工艺参数，经制造、解剖、检验，该筒体锻件的化学成分和力学性能均满足设备的技术要求，且成分和力学性能的均匀性良好。通过近几年的研制，生产了多套满足不同应用介质的低温容器及其大锻件。1研制的主要技术要求容器外壳钢采用 3 5%Ni 锻件制造，并应具有高的低温韧性、适当强度及均质性，同时焊接性能良好。1 1化学成分锻件的化学成分应符合表 1 规定。表 13 5%Ni 钢锻件的化学成分要求Tab 1Chemical composition requirements of 3 5%Ni steel forgings%元素CMnPSSiNiVAlCrMoCu要求值0 200 900 020 020 0 15 0 353 3 3 80 050 050 200 060 021 2力学性能(1)调质后，在锻件 t 2t 位置取样，经(600 5)12 h 最 大 模 拟 焊 后 热 处 理(max PWHT)后，锻件的室温拉伸性能应满足:抗拉强度 m=485 655 MPa，屈服强度 p0 2260 MPa，伸长率 A22%，断面收缩率 Z35%;锻件 100 夏比 V 型冲击性能应满足:KV248 J(3 个试样平均值)，KV234 J(单个试样最小值)，硬度值不超过237HBW(t 2t 中t 表示最近的热处理表面距离最高拉应力区的距离，本文为20 mm;t 2t表示截取的试样纵轴离锻件最近的热处理表面至少等于 t(20 mm)，且试样长度的中线到其他热处理表面至少为 2t(40 mm)。(2)为考核母材锻件力学性能的均匀性，分别在水口端 t 2t，t 1/2T 部位，以及冒口端距离筒体外表面 T 1/4T，T 1/2T，T 3/4T的部位，相对 180取样进行检验(t 1/2T 部位表示取试样的纵向轴线距筒体外表面的距离至少应为壁厚的 1/2，试样的有效部分距离热处理端面的距离至少为 t(20 mm);T 1/4T表示取试试样的纵向轴线距筒体外表面的距离至少应为壁厚的 1/4，试样的有效部分距离热处理端面的距离至少为 T;T 1/2T，T 3/4T以此类推;T 为锻件壁厚，本文锻件实际厚度为290 mm)。1 3晶粒度按 ASTM E 112 法测定晶粒度，锻件奥氏体晶粒度应为 5 级以上(含 5 级)。1 4夹杂物按照 GB/T 105612005钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法 规定的 B 法进行 非 金 属 夹 杂 物 评 定，锻 件 的 硫 化 物 类(A 类)、氧化铝类(B 类)、硅酸盐类(C 类)及球状氧化物类(D 类)、单颗粒球状类(DS 类)均不得大于 15 级，且应满足 A+C2 0，B+D2 0，A+B+C+D+DS4 5 级。2研制过程2 1工艺流程3 5%Ni 低温钢试验筒体锻件工艺流程如下:冶炼锻造锻后热处理粗加工以及性能热处理前的超声检测切环、工艺参数试验性能热处理性能检验与解剖加工超声检测研制报告。2 2冶炼工艺要点首件试制的钢锭重量为 69 t，为满足低温韧性要求，提高厚壁锻件的淬透性，保证锻件的力学性能，采取了以下化学成分内控和冶炼工艺措施。2 2 1化学成分控制碳以相变强化和固溶强化的形式提高钢的屈2杜军毅:大型 3 5%Ni 型低温超纯净钢锻件的工艺与性能服强度和抗拉强度，但却降低了钢的韧性，同时有可能恶化钢的焊接性能10 11。为满足 100 低温厚壁容器的锻件以及焊缝的力学性能，必须对碳含量进行控制，研究及工程实践表明:C 含量必须控制在 0 12%以下。为了提高钢的低温韧性、弥补降碳量引起的强度损失，将镍含量控制在 3 5%3 75%，适量提高钢中 Mn 含量，兼顾强度和补偿韧性12。已有文献表明13:Ni，Mn，C 元素对 3 5%Ni 钢的强度贡献可达到 308 MPa。为减少厚壁、冷却条件等对淬透性的影响，试验还添加 Mo，V 等微合金化元素，并降低 P，S 元素至痕迹含量，以提高材料的强韧性。2 2 2钢的冶炼钢水 采 用 碱 性 电 炉 粗 炼 出 P 含 量 达 到0 002%以下的钢水，通过倒包方式将钢渣分离，彻底去除氧化渣;钢水兑入钢包精炼炉后，造高碱度、高温还原渣，进行 Si，Al 脱氧降低钢水中 O含量至 0 0012%;通过真空处理，有效降低钢液中的 H 含量。真空后，加入微合金化元素，通过对微合金化元素控制进行精心设计，对气体元素N 的控制、对易氧化元素 Al 控制作了严格的要求。温度合适后进行真空浇注，使钢达到高纯净钢的要求。2 3锻造工艺要点使用 120MN 水压机进行 3 5%Ni 钢锭锻造，锻造温度为 1 250 800。为减少 Ni 元素显微偏析带来的低温冲击性能波动，锻坯进行了长时间的高温扩散加热;通过采取镦粗、大直径冲子冲孔、拔长相结合的锻造工艺，实现特大壁厚锻件心部的锻透压实。试验筒体分四火完成:第一火:压钳口、倒棱、错底;第二火:镦拔下料，进行宽砧拔长、倒八方滚圆、下料;第三火:镦粗和冲孔;第四火:扩孔和拔长，进行预扩孔、马杠直接拔长出成品。2 4锻件的热处理3 5%Ni 钢属热处理敏感性钢种。为改善热锻粗大组织、细化 3 5%Ni 钢锻坯晶粒，实施了锻后热处理工艺。锻件锻后空冷，使过冷奥氏体组织完成转变，随后进行了正火、回火处理。在980 以下正火和 650 以下回火。之后，3 5%Ni 钢试验筒体锻件粗加工至:内径 1 520 mm 295 mm(壁厚)2 500 mm(高度)，按照 ASME第八卷 2 分册及 SA 388 要求对整个锻件体积进行超声波纵波和横波检测，且对所有表面按ASME 第二卷 SA 275 的要求采用湿式连续发进行磁粉检测。检验结果没有缺陷显示，因此，证明锻件的质量较好。2 4 1钢的连续冷却转变 CCT 曲线测定采用锻件水口端试料，在 LINSEIS L78 热膨胀相变仪测定了钢的锻件相变点及连续冷却转变CCT 曲线，如图 1 所示。A 奥氏体;F