宋苓芝， 劉志勇， 賈 旭

（河鋼股份有限公司唐山分公司， 河北 唐山 063000）

耐低溫壓力容器用鋼主要用于制造盛放低溫介質(zhì)的壓力容器，是目前中厚板高附加值的產(chǎn)品之一。因其特有的使用環(huán)境的特殊性，對鋼水潔凈度、表面質(zhì)量，耐低溫沖擊、無損探傷檢驗等方面有著更高的要求。唐山中厚板材有限公司采取微合金化和控軋控冷相結(jié)合的工藝，開發(fā)了耐低溫壓力容器用鋼15MnNiDR，該鋼的各項力學(xué)性能符合標準要求。

1 耐低溫壓力容器用鋼的基本工藝流程

結(jié)合河鋼股份有限公司唐山分公司（以下簡稱唐鋼）中厚板公司現(xiàn)有的工藝裝備特點，確定如下工藝流程：鐵水預(yù)處理—120 t轉(zhuǎn)爐—120 t LF爐—RH真空處理—板坯連鑄機—步進梁式加熱爐—3500單機架軋機—超快冷—矯直機—質(zhì)量檢驗—判定—入庫。

2 工業(yè)性試制工藝

2.1 化學(xué)成分設(shè)計

開發(fā)鋼種的成分設(shè)計主要依據(jù)GB/T 3531—2014，添加微合金元素Ni進行固溶強化，提高鋼的低溫沖擊韌性，Nb、V、Ti碳化物的沉淀析出強化，使原奧氏體晶粒保持細化，以保證正火后鐵素體晶粒充分細化。

1）Ni在鋼中為純固溶元素，它與鐵以互溶形式存在于α和γ鐵相中，通過其在晶粒內(nèi)的內(nèi)吸附作用細化鐵素體晶粒，提高鋼的沖擊韌性。但Ni也是擴大奧氏體元素，可使相變點降低，提高鋼的淬透性，易使鋼中出現(xiàn)貝氏體或馬氏體。因此，控制合適的Ni含量，使其保持單一的鐵素體+珠光體是改善韌性的關(guān)鍵[1]。

2）Nb在鋼中的主要作用就是提高奧氏體的再結(jié)晶溫度，同過TMCP達到細化奧氏體晶粒的目的，起到細晶強化的作用，進而獲得良好的綜合機械性能，但當 w（Nb）＞0.03%時，強化效果就開始降低[2]，開發(fā)鋼種的w（Nb）設(shè)計為0.02%～0.03%。

3）Ti加入鋼中有兩個目的，即晶粒細化和析出強化。兩種作用都是由微合金碳化物、氮化物或碳氮化物的析出引起的。在低合金高強度鋼中加入微量Ti，可以提高鋼的強度，改善鋼的冷成型性能和焊接性能[3]。考慮到Ti微合金化在提高強度方面的穩(wěn)定性，所開發(fā)鋼種加入Ti的主要作用是細化晶粒，改善鋼焊接性能。

依據(jù)上述原則和標準要求，易焊接耐大氣腐蝕用鋼的設(shè)計成分，見表1。

2.2 TMCP設(shè)計

TMCP技術(shù)包括控制軋制和控制冷卻技術(shù)，其核心是晶粒細化和細晶強化[4]?？刂评鋮s作為一種廉價的工藝手段，在改善鋼板的組織狀態(tài)，提高性能方面愈來愈發(fā)揮出重要作用?？刂评鋮s可以防止奧氏體晶粒長大，細化鐵素體晶粒；此外，還能減少網(wǎng)狀碳化物的析出、降低其級別、保持其碳化物的固溶狀態(tài)，達到固溶強化之目的。同時，控制冷卻在減少珠光體球團尺寸、改善珠光體形貌和片層間距、提高性能等方面也能起到獨特的作用[5]。

結(jié)合唐鋼中厚板公司現(xiàn)有裝備特點主要工藝參數(shù)為：二次開軋溫度不大于920℃，中間坯厚度不小于3倍成品厚度；軋后采用超快冷冷卻，終軋溫度為780～840℃。

2.3 生產(chǎn)過程質(zhì)量控制

轉(zhuǎn)爐煉鋼時采用頂?shù)讖?fù)吹方式，終點w（C）≥0.08%，終點w（P）≥0.015%，終點溫度不小于1650℃，冶煉采用高MgO，低堿度，低FeO渣系，模型w(MgO)控制在10%，進站根據(jù)轉(zhuǎn)爐包樣Als成分打鋁線，將鋁控制在目標需求，確保精煉渣堿度目標4.0以上軟吹時間不小于 8 min，m（Ca）/m（Als）≥0.04，RH真空處理，連鑄全程保護澆鑄，使用含銅鋼保護渣，通過采取穩(wěn)定拉速、嚴格控制鋼水過熱度等措施，鑄坯下線堆冷24 h后裝進入蓄熱式步進粱加熱爐，加熱溫度控制在1 200℃左右，采取控軋控冷工藝組織生產(chǎn)。正火加熱溫度780～840℃，加熱系數(shù)1.5。

3 實物水平分析

3.1 力學(xué)性能分析（見表2）

表2 力學(xué)性能

表2統(tǒng)計結(jié)果表明，板材物理性能良好，屈服強度、伸率均滿足標準要求，尤其是低溫沖擊值-50℃沖擊達到70 J以上。

3.2 金相組織及夾雜物分析

圖1 金相組織（200×）

圖1 是厚度方向1／4處、心部的金相組織照片，從圖中可以看出：該鋼近表的組織為多邊形鐵素體+珠光體混合組織，帶狀組織為A2.0級由于采用了Ti微合金化技術(shù)和控制軋制技術(shù)，顯微組織均較細小，晶粒度為11級，較未加Ti生產(chǎn)鋼種的組織晶粒度細化。

圖2表明試樣斷口均是韌性斷裂，斷口中存在大量的大而深的韌窩，表現(xiàn)出良好的沖擊韌性，其脆性轉(zhuǎn)變溫度在-50℃到-60℃之間。拉伸性能和沖擊性能遠遠滿足標準要求。

圖2 沖擊斷口

3.3 夾雜物大樣電解

對耐低溫壓力容器用鋼15MnNiDR進行大樣電解，見下頁圖3。鑄坯1/2處黃白色不規(guī)則顆粒夾雜約85%，黑色不規(guī)則顆粒夾雜約10%，黃色球狀夾雜物不足5%，粒徑主要為50～1 270 μm；鑄坯1/4處黑色不規(guī)則顆粒夾雜約65%，透明不規(guī)則顆粒夾雜約25%，黑黃色球狀夾雜物不足10%，粒徑主要為50～600 μm；鑄坯邊部黃白色不規(guī)則顆粒夾雜約85%，黑色不規(guī)則顆粒夾雜約10%，黃色球狀夾雜物不足 5%，粒徑主要為 50～700 μm。

3.4 夾雜物掃描電鏡分析

使用SEM掃描電鏡和EDS能譜儀分析大型夾雜，結(jié)果如下：

大型夾雜第一類為不規(guī)則塊狀，見下頁圖4，約占75%，粒徑主要分布在50～120 μm，其中約70%含有La、Ce、Na、K等元素，分析來源為中包覆蓋劑卷入鋼水中。

大型夾雜第二類為不規(guī)則塊狀，見下頁圖5，約占20%，粒徑主要分布在 50～120 μm，主要成分為SiO2，分析來源為引流砂粘附中間包覆蓋劑，結(jié)晶器保護渣。

圖3 大樣電解夾雜物形貌

圖4 第一類大型夾雜形貌成分

圖5 第二類大型夾雜形貌成分

圖6 第三類大型夾雜形貌成分

大型夾雜第三類為球狀，見圖6，占比不足5%，粒徑主要分布在50～400 μm，成分為Al2O3-CaO，分析來源為脫氧產(chǎn)物沾附鋼包渣。

4 夾雜物控制

由示蹤和大樣電解試驗可知，連鑄過程中保護澆鑄很好，鋼中夾雜物以脫氧產(chǎn)物Al2O3為主的復(fù)合夾雜物和以卷渣為主的外來夾雜。針對試驗結(jié)果對LF底吹氬流量、精煉渣系進行優(yōu)化。

4.1 LF底吹氬優(yōu)化

LF原有精煉過程送電加熱、合金化期間底吹流量為500～600 L/min，脫硫期間底吹流量為1 450～1 550 L/min，軟吹期間底吹流量為300 L/min。

圖7 LF鋼包混勻效果分析

由水模試驗可知，見圖7及圖8，原底吹流量普遍偏大，發(fā)生卷渣的臨界氣量為100 L/min，氣量在50～150 L/min內(nèi)，混勻時間隨氣量增大而迅速減小；在150～250 L/min內(nèi)，混勻時間隨其增大降幅明顯變緩；在250～600 L/min內(nèi)，混勻時間隨其增加降幅進一步變緩；在600～900 L/min內(nèi)，隨其增加，混勻時間緩慢降低；超過900 L/min之后，隨氣量增加，混勻時間幾乎不變。夾雜物去除率隨氣量增大呈先增大后減小規(guī)律，因此工藝調(diào)整為送電加熱期間：300～400 L/min，合金化期間：400～500 L/min，增碳、脫硫：800～900 L/min，喂線及軟吹期間：60 L/min。

圖8 吹氣量對夾雜物去除的影響

4.2 LF精煉渣優(yōu)化

原有精煉渣存在的主要問題是精煉渣成分波動較大，堿度偏低，精煉渣吸附夾雜效果差。在原有精煉渣成分為基礎(chǔ)，通過調(diào)整精煉渣m（CaO）/m（SiO2）、渣中Al2O3含量、FeO含量和渣量等參數(shù)來優(yōu)化精煉渣成分，提高吸附夾雜物的能力。具體措施如下：

1）爐渣中SiO2的含量控制在7%～8%。

2）強化對爐渣和鋼水的脫氧，向爐渣中加入擴散脫氧劑，使渣中w（FeO+MnO）達到1%甚至0.5%以下，控制鋼中酸溶鋁含量，使鋼水中氧活度控制在3×10-6以下。

3）在一次供電15 min分鐘內(nèi)形成白渣。

4）精煉出站前喂鈣線，控制鋼中m(Ca)：m(Al)為0.04～0.10，使夾雜物變性成低熔點鈣鋁酸鹽。

5）優(yōu)化后LF爐目標渣成分：w(CaO)為50%～60%，w(Al2O3)為 25%～30%，w（MgO）為 6%～9%，w（SiO2）為 7%～8%，w(TFe+MnO)≤1%，精煉渣堿度在6～8左右，由文獻可知，該成分有利于吸附夾雜，對冶煉Al鎮(zhèn)靜鋼尤為有效。

4 結(jié)論

1）開發(fā)的耐低溫壓力容器用鋼15MnNiDR成分設(shè)計及生產(chǎn)工藝合理可行，產(chǎn)品各項性能指標達到標準要求。

2）開發(fā)的耐低溫壓力容器用鋼15MnNiDR低溫沖擊值達到70 J（-50℃）以上。

3）進行了耐低溫壓力容器用鋼15MnNiDR的大樣電解及掃描電鏡分析，在工藝上對夾雜物進行控制，取得了良好的效果。

4）開發(fā)的耐低溫壓力容器用鋼15MnNiDR，對企業(yè)提高市場競爭力和經(jīng)濟效益具有重要意義。