一種臨氫設(shè)備用鋼的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于冶金工藝技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種專門用于制造臨氫設(shè)備的用鋼。
【背景技術(shù)】
[0002] 石油、化工、煤炭液化等行業(yè)主要生產(chǎn)設(shè)施有容器和管道，此類容器內(nèi)主要為含氫 的氣態(tài)或液態(tài)介質(zhì)，這些介質(zhì)在高溫、高壓下完成合成或裂解等化學(xué)反應(yīng)，這類容器通常稱 為臨氫設(shè)備，而這些設(shè)備的制造材料均選用Cr-Mo鋼。
[0003] 目前，最常用的臨氫設(shè)備用Cr-Mo鋼主要是2. 25Cr-lMo,即12Cr2MolR鋼。通過(guò)對(duì) 12Cr2M〇lR鋼的專利檢索，目前相類似的專利共有7個(gè)。其申請(qǐng)?zhí)柗謩e為201310060113. 6、 201110095308. 5、200710046655· 2、201010598263· 9、201010289116· 3、201110190491· 7 和 201310083418. 9。這些專利都是對(duì)現(xiàn)有12Cr2MolR鋼的化學(xué)成分進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，其抗拉強(qiáng) 度均在520~680MPa范圍內(nèi)。而其最高溫度極限也只有454°C，當(dāng)超過(guò)該溫度后其高溫強(qiáng) 度大幅下降。特別是在更高溫度和壓力的氫介質(zhì)下超長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，由于鋼中缺少有效的 捕氫手段，使得運(yùn)行環(huán)境中的氫與鋼中的碳發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生甲烷，此類氣泡在鋼的晶界上形 核、長(zhǎng)大，彼此聚集形成裂紋，從而導(dǎo)致鋼板性能惡化，容易引發(fā)生產(chǎn)安全事故。此外，在使 用過(guò)程中容易產(chǎn)生的另一個(gè)問(wèn)題就是回火脆化，即鋼板在長(zhǎng)期處于375~575°C溫度范圍 內(nèi)工作或在該溫度緩慢通過(guò)時(shí)，鋼板出現(xiàn)的低溫沖擊韌性下降的現(xiàn)象。特別是隨著世界石 油工業(yè)設(shè)備向自動(dòng)化大型化的方向發(fā)展，所用關(guān)鍵設(shè)備一加氫反應(yīng)器設(shè)備的尺寸也愈來(lái)愈 大，如果還采用原有的12Cr2M 〇lR鋼板，由于其強(qiáng)度相對(duì)較低，使設(shè)備壁厚尺寸較大、重量 較重，也給制造運(yùn)輸?shù)跹b帶來(lái)困難，且性能不能完全滿足要求。
[0004] 為此，亟需開(kāi)發(fā)出具有更高強(qiáng)度（最大抗拉強(qiáng)度可達(dá)800MPa)、更高使用溫度 (450°C以上）、良好抗回火脆性和抗氫蝕性能的新型2. 25Cr-lMo鋼，用于解決上述問(wèn)題，確 保石油、化工、煤炭液化等國(guó)家重要能源行業(yè)生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明旨在提供一種具有較高常溫及高溫強(qiáng)度、優(yōu)異耐氫腐蝕性和極低回火脆性 的新型臨氫設(shè)備用鋼。為達(dá)此目的，本發(fā)明采取了如下解決方案：
[0006] -種臨氫設(shè)備用鋼，其特征在于，其化學(xué)成分重量百分比含量為：C :0.07~ 0· 10%、Si 彡 0· 10%、Mn :0· 30 ~0· 50%、Cr :2· 00 ~2· 50%、M〇 :0· 90 ~1. 10%、V :0· 02 ~ 0. 05%、Ti :0. 10 ~0. 30%、P 彡 0. 007%、S 彡 0. 003%，Als :0. 02 ~0. 04%、RE :0. 06 ~ 0. 20%,其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
[0007] 上述化學(xué)元素的作用分析如下：
[0008] C在鋼中常與其他合金元素形成碳化物，在室溫或高溫下能起到強(qiáng)化作用，從保證 鋼板強(qiáng)度的角度，希望C含量保持在較高的水平上。但較高的C含量則不利于鋼板的低溫 韌性，同時(shí)增大了焊接熱影響區(qū)的硬度和焊縫金屬冷裂的敏感性及焊后再加熱開(kāi)裂的敏感 性。因此，將C含量限定在0.07~0.10%。
[0009] Si在鋼中是促進(jìn)脆化的元素，其在鋼中含量的減少不僅可以提高鋼板的高溫抗拉 強(qiáng)度，同時(shí)也是降低脆化的有力措施。因此，將Si含量控制在0. 10%以下。
[0010] Μη在鋼中也是促進(jìn)脆化的元素，但由于其對(duì)淬透性有較大的影響，為提高厚規(guī) 格鋼板的淬透性、防止鋼中大量產(chǎn)生鐵素體，需要在鋼中保留一定量，因此將Μη限定在 0. 30 ~0. 50%。
[0011] Cr是保證鋼板高溫抗氧化性、高溫耐腐蝕性和高溫強(qiáng)度必不可少的元素。通過(guò)適 當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢允笴r-Mo鋼具有較高的強(qiáng)度和綜合力學(xué)性能。因此將Cr限定在2. 00~ 2. 50%〇
[0012] Mo是提供高溫強(qiáng)度的最重要元素之一，同時(shí)還能強(qiáng)烈抑制珠光體轉(zhuǎn)變，使鋼極易 獲得貝氏體組織，因而提高了 Cr-Mo鋼的綜合力學(xué)性能。此外，Mo還能改善鋼的回火穩(wěn)定 性，減弱和消除含Cr鋼的回火脆化。因此將Mo限定在0. 90~1. 10%。
[0013] V在鋼中是微合金元素，具有良好的強(qiáng)化效果。其細(xì)晶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化作用能 夠彌補(bǔ)由于降C對(duì)鋼板強(qiáng)度造成的損害。特別是當(dāng)鋼中加入適當(dāng)?shù)腡i后，由于Ti的存在 對(duì)V的回溶有拖拽作用，提高了 V的碳氮化物的熱穩(wěn)定性，使得鋼板的高溫拉伸得到明顯提 高，因此將V限定在0. 02~0. 05%。
[0014] Ti在鋼中主要是通過(guò)細(xì)微彌散分布析出TiC的不可逆氫陷阱作用和細(xì)化晶粒作 用，來(lái)改善鋼板的抗氫脆性能。一般來(lái)說(shuō)，金屬或合金中都存在位錯(cuò)、晶界、夾雜物界面、碳 化物界面等缺陷，通常稱為氫陷阱。這些陷阱可將氫吸收到自己的周圍，防止足夠的氫向易 萌生裂紋的潛在危險(xiǎn)部位集中。而TiC是鋼中陷阱能最高的析出物，其很穩(wěn)定，不易分解， 特別是其在鋼中呈彌散分布，增大了碳化物晶界，使得氫陷阱數(shù)量增多，降低了鋼板的氫脆 敏感性。此外，侵入鋼中的Η和C反應(yīng)生產(chǎn)甲烷氣泡，聚集于晶界空穴和非金屬夾雜物附 近，形成了很高的局部應(yīng)力，從而誘發(fā)晶界斷裂，甚至產(chǎn)生龜裂、裂紋或鼓泡，導(dǎo)致鋼板性能 惡化。而鋼中加入大量的Ti，能在晶界及晶內(nèi)析出穩(wěn)定的碳化物，不但有效的抑制了甲烷的 形成，而且遏制了氣泡的形核、生成速率、密度和大小。另外，其彌散分布在晶界和晶內(nèi)的碳 化物使晶界沒(méi)有形成枯竭帶，強(qiáng)化并提高了晶界強(qiáng)度，改善了抗氫蝕性能。
[0015] P是鋼中的脆化元素，隨著其含量的增加，鋼板回火脆化的傾向增大，故其含量越 低越好。但考慮到成本因素和滿足使用需求，因此P的含量控制在0. 007%以下。
[0016] S作為鋼中有害夾雜對(duì)鋼的低溫韌性具有很大的損害，但考慮到煉鋼可操作性、煉 鋼成本等因素，因此S含量控制在0. 003%以下。
[0017] A1作為鋼中脫氧元素，在鋼中形成A1N可有效細(xì)化晶粒。因此A1含量控制在 0. 02 ~0. 04%。
[0018] RE作為鋼中的凈化元素，能夠與鋼液中的0、S、As、Sn、Sb等有害元素反應(yīng)生產(chǎn)化 合物，作為夾雜物從鋼液中排出，極大的凈化了鋼質(zhì)，最大限度的減輕了鋼板的回火脆化傾 向。它的變性作用還能減輕或消除元素偏析和組織不均勻及細(xì)化晶粒。另外，稀土的加入 還能提高鋼板的抗氧化性、高溫強(qiáng)度及蠕變強(qiáng)度。因此RE含量控制在0. 06~0. 20%。
[0019] 本發(fā)明采用電爐或氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉，澆注成鋼錠或鋼坯，然后進(jìn)行鍛造或軋制成成 品鋼板。
[0020] 本發(fā)明的有益效果為：
[0021] 1、本發(fā)明可極大消除鋼中有害雜質(zhì)元素，采用本發(fā)明臨氫設(shè)備用鋼生產(chǎn)的鋼板具 有較低的回火脆性。
[0022] 2、本發(fā)明在碳含量相對(duì)較低的情況下，依然具有較好的常規(guī)和高溫力學(xué)性能。
[0023] 3、本發(fā)明臨氫設(shè)備用鋼中可形成彌散分布碳化物，使成型后鋼板具有優(yōu)異的抗氫 脆和抗氫蝕性能。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 本發(fā)明的新型臨氫設(shè)備用鋼，其化學(xué)成分重量百分比含量為：C :0. 07~0. 10%、 Si 彡 0· 10 %、Μη :0· 30 ~0· 50 %、Cr :2· 00 ~2. 50 %、Mo :0· 90 ~L 10 %、V :0· 02 ~ 0. 05%、Ti :0. 10 ~0. 30%、P 彡 0. 007%、S 彡 0. 003%，Als :0. 02 ~0. 04%、RE :0. 06 ~ 0. 20%,其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的化學(xué)成分范圍進(jìn)行配料，在氧氣轉(zhuǎn)爐上冶煉出300mm斷面的 連鑄坯。為了對(duì)比，在同設(shè)備同樣條件下還冶煉了 1爐300mm斷面的12Cr2MolR連鑄坯作 為對(duì)比例，其具體的化學(xué)成分如表1~3所示。隨后在5500mm寬厚板軋機(jī)軋制成100mm厚 度規(guī)格的鋼板，通過(guò)正火+回火熱處理后分別進(jìn)行各項(xiàng)力學(xué)性能試驗(yàn)，其檢驗(yàn)結(jié)果分別列 入表4~7〇
[0026] 表1實(shí)施例與對(duì)比例鋼的化學(xué)成分wt %
[0027]
[0028] 表2實(shí)施例與對(duì)比例鋼中有害元素 wt%
[0029]
[0030] 表3實(shí)施例與對(duì)比例鋼中氣體含量
[0031]
[0038] 表7實(shí)施例與對(duì)比例鋼板應(yīng)力腐蝕結(jié)果
[0039]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種臨氫設(shè)備用鋼，其特征在于，其化學(xué)成分重量百分比含量為： C :0. 07 ~0. 10%、Si 彡 0. 10%、Mn :0. 30 ~0. 50%、Cr :2. 00 ~2. 50%、M〇 :0. 90 ~ 1. 10%、V :0· 02 ~0· 05%、Ti :0· 10 ~0· 30%、P 彡 0· 007%、S 彡 0· 003%，Als :0· 02 ~ 0. 04%、RE :0. 06~0. 20%，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。
【專利摘要】本發(fā)明提供一種臨氫設(shè)備用鋼，其特征在于，其化學(xué)成分重量百分比含量為：C：0.07～0.10％、Si≤0.10％、Mn：0.30～0.50％、Cr：2.00～2.50％、Mo：0.90～1.10％、V：0.02～0.05％、Ti：0.10～0.30％、P≤0.007％、S≤0.003％，Als：0.02～0.04％、RE：0.06～0.20％，其余為Fe及不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明臨氫設(shè)備用鋼中可形成彌散分布碳化物，可極大消除鋼中有害雜質(zhì)元素，采用本發(fā)明臨氫設(shè)備用鋼生產(chǎn)的鋼板具有較低的回火脆性，在碳含量相對(duì)較低的情況下，依然具有較好的常規(guī)和高溫力學(xué)性能，并具有優(yōu)異的抗氫脆和抗氫蝕性能。
【IPC分類】C22C38/28
【公開(kāi)號(hào)】CN105624575
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410715541
【發(fā)明人】胡昕明, 劉浩巖, 王儲(chǔ), 原思宇, 孫殿東, 王勇, 胡海洋, 李茂成, 李新玲
【申請(qǐng)人】鞍鋼股份有限公司
【公開(kāi)日】2016年6月1日
【申請(qǐng)日】2014年12月1日