高韧性低温钢09MnNiDR试制

康文举

（1.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京　100081；2.南阳汉冶特钢有限公司，河南　南阳　474500）

高韧性低温钢09MnNiDR试制

康文举

（1.北京科技大学冶金与生态工程学院，北京100081；2.南阳汉冶特钢有限公司，河南南阳474500）

开展低温压力容器用09MnNiDR钢板在汉冶特钢的试制及相关的试验研究，结果表明其产品具有良好的低温韧性和强度匹配，钢质纯净，内部质量好，夹杂物含量低。同时，研究了化学成分和生产工艺对低温韧性的影响。

低温压力容器用钢；09MnNiDR；产品试制

09MnNiDR钢为铁素体+少量珠光体型低温用低合金钢，要求具有良好的低温冲击韧性，主要用于石油、化工设备、电站等行业设备关键部位，如反应器、换热器、分离器、油气罐、液化气罐、核能反应堆压力壳、锅炉汽包和水电站高压水管等，对性能及内部质量要求极其苛刻。本文着重介绍南阳汉冶特钢09MnNiDR钢板生产工艺及实物质量，并探讨了化学成分和热处理工艺对该钢种性能的影响。

1　主要技术要求

本次试制采用GB 3531-2014标准，与GB 3531-2008标准对比，本标准对硫元素进一步进行了严控，冲击值也由34J提高到60J，具体如下。

1.1化学成分

化学成分（熔炼分析）应符合GB 3513-2014标准规定（见表1）。

1.2钢板的力学性能

钢板的力学性能见表2。

1.3冶炼方法

采用转炉+炉外精炼冶炼。

1.4交货状态

正火或正火+回火。

1.5超声检测

逐张进行超声波检测内部质量。

2　工艺路线

铁水脱硫→LD冶炼→LF精炼→VD真空脱气→连铸浇注→钢坯清理→加热→除鳞→轧制→ACC→矫直→堆冷→表面检查→探伤→热处理→性能检测→精整→入库。

表1　09MnNiDR钢的化学成分

表2　09MnNiDR钢板的力学性能

表3　09MnNiDR成分设计（质量分数）

3　工艺设计

3.1成分设计

09MnNiDR钢为铁素体+少量珠光体型低温用钢。为保证钢的韧性指标，需尽量减少脆性组织珠光体含量，因此C含量不宜过高。Mn主要是通过固溶强化来提高钢材的强度，在C含量比较低的情况下，Mn是保证钢材强度的重要元素，因此Mn元素根据钢板厚度需控制在标准中上限。Ni在钢中为纯固溶元素，具有明显降低冷脆转折温度的作用。但同时Ni是扩大奥氏体元素，降低奥氏体的转变温度，从而影响到碳与合金元素的扩散速度，阻止奥氏体向珠光体转变，降低钢的临界冷却速度，可提高钢的淬透性，易使钢中出现贝氏体及马氏体［1］。因此，控制合适的Ni含量，使其保持单一的铁素体+珠光体是改善韧性的关键。为了达到较好的细化晶粒效果，在钢中适当添加Nb元素，同时尽量减少钢中有害元素P、S含量，具体成分设计见表3。

3.2冶炼及浇铸工艺

为保证09MnNiDR钢板内部质量和低温韧性，必须在冶炼过程保证低的P、S、As、Sn等有害元素含量。采用KR铁水预脱硫是必要的，可大大减轻后续转炉和精炼任务，转炉废钢采用优质边角料，避免外来夹杂物进入钢中污染钢水，确保出钢碳控制在0.035%～0.055%，出钢P≤0.008%，出钢过程合金化采取低碳锰铁或金属锰以尽量减少增C；LF精炼过程采用大渣量操作，要求精炼结束的终渣为流动性良好、黏度合适的泡沫白渣，同时采用钢包喂Ca线的方式，对夹杂物进行钙化变性处理。VD炉保压时间大于15min，要求氢含量低于2mg/kg；浇注过程采取保护浇注、电磁搅拌、轻压下等技术确保铸坯质量。

3.3加热、轧制

对于该钢种来说，如何保证表面质量是一大难题，由于该钢种含Ni元素较高，加热后氧化铁皮较多难以去除，需重点控制加热炉内氧化氛围，严格控制加热温度和加热时间，为后续除鳞环节减轻压力。

轧制环节采取二阶段轧制，为保证特厚板芯部变形渗透，充分压合原始铸坯内部疏松等缺陷，一阶段轧制温度980℃以上，单道次压下量控制在30～50mm，一阶段轧制最后三道次压下率大于15%。二阶段为避免混晶且保持较细小的晶粒，开轧温度≤920℃，终轧温度≤820℃且轧后快速入ACC进行冷却，返红温度低于680℃，对厚度大于60mm的特厚板可进行二次进入ACC冷却，避免厚度方向温度不均匀造成性能差异大。

3.4热处理

选取100mm钢板试样进行系列正火试验（900、920、940、960℃），其试验结果见表4。

表4　不同正火温度下钢板性能

由表4可知，随着正火温度的提高，钢板抗拉强度逐步下降，屈强比有升高趋势，冲击韧性在940℃以上时开始逐步变差，920℃正火时综合性能最好，此时实际的韧脆转变温度在-90℃以下。

表5　09MnNiDR实际熔炼化学成分Wt

4　试制结果分析

4.1钢板化学成分

钢的实际熔炼化学成分见表5。由表5可知，实际冶炼P、S含量较低，为低温韧性打下基础。

气体含量分析，对钢板取样做了气体含量分析，结果如表6所示。

表6　对钢板气体含量检测结果Wt

4.2机械性能检测结果

按照GB 3531-2014中相关要求对试制的09MnNiDR钢板进行性能检测，结果如表7所示。

从表7力学性能检测可知，一是南阳汉冶特钢生产的09MnNiDR钢板具有良好的强韧性匹配，熔炼号100508生产钢板-90℃冲击功可达200J以上，远远高于标准要求，同时该钢具有良好的抗层状撕裂能力，Z向性能可满足Z35，各相指标富余量较大。

二是熔炼号100509炉次生产钢板，屈服和抗拉强度较熔炼号100508炉次钢板稍高，但冲击韧性值稍差，虽然满足标准要求，但韧脆转变温度在-90～-80℃。分析原因在于100509炉次碳含量较高，显微组织中珠光体含量较高所致，这在表7中高倍检测结果可以证明。因此，对特厚板（大于60mm）的成分控制需特别关注，尽量降低碳含量，同时增加锰和镍含量弥补降碳带来的强度损失。

三是冲击断口检测。钢板各个厚度的冲击试样如图1所示，并用SEM观察了09MnNiDR钢板的冲击试样断口形貌，结果如图2所示。对于冲击断口，主要分为裂纹起裂区，裂纹扩展区和尾部减切区。而对于韧性断口，还出现较明显的侧边减切唇。从图2可知，几乎在整个冲击断口的所有部位都是韧性断裂方式，甚至在裂纹扩展区，也是以细小的韧窝状断口为主。

图1　09MnNiDR冲击试样断口

图2　09MnNiDR冲击断口的形貌

四是无塑性转变温度特性。本实验在试样上堆焊脆性焊道，测试试样在落锤的冲击力作用下，脆性裂纹起裂且传播到试样的一个端部时，试样对应的断裂温度，以考核试验钢的韧脆转变特性，这是因为断裂温度越高表征

表7　09MnNiDR机械性能实际检测数据

表8　09MnNiDR钢板NDT试验结果

4.3超声波探伤检测

按GB/T 4730.3标准逐张钢板进行超声波探伤检测，全部合一级。

4.4高倍检测结果

分别取熔炼号100508和100509炉次中100mm钢板做高倍检测，具体见表9和图4。

从表9数据和图4结果看出，钢中内部夹杂物级别较低，夹杂物总级别在2.0以下，经正火后晶粒细小，达10.0级以上，组织主要是铁素体+珠光体，其中100509炉次珠光体比例达20%，一定程度上说明了100509炉次冲击值材料抵抗脆性裂纹传播的能力越大。

表9　09MnNiDR钢板高倍检测数据

依据GB/T6803-2008《铁素体钢的无塑性转变温度落锤试验方法》中落锤试验，落锤点必须在脆性焊道上来形成裂纹源，对2种厚度钢板进行了表层取样的落锤试验。所有试样均为P2试样，试验时打击能量为400J。保温仪器为3102-1低温仪，落锤试验机型号为ZCJ2203。-70℃的试验条件是，液氮加工业酒精为低温介质，试样过冷度1～2℃，保温45min。落锤试验结果见表8和图3。结果表明，所有试样在-70℃均未出现脆性裂纹扩展，表明试验钢板NDT温度均低于-70℃。

图3　实验后NDT试样

通过对钢板做拉伸试验、冲击试验，表明钢板力学性能优良，且力学性能均匀性较好；通过对钢板厚度方向拉伸表明，钢板厚度方向性能优良；通过对钢板做落锤试验表明钢板具有优良的低温断裂韧性。低于100508炉次的原因。

图4　钢板高倍金相组织

5　结论

①通过进行科学合理的成分设计以及严格的冶炼、浇铸、轧制及热处理过程的工艺控制，成功地试制了低温压力容器用09MnNiDR钢板，该钢板钢质纯净，内部质量良好，具有较高的强度、低温韧性及抗层状撕裂能力。

②随着正火温度的提高，钢板抗拉强度逐步下降，屈强比有升高趋势，冲击韧性在940℃以上时开始逐步变差，920℃正火时综合性能最好，此时实际的韧脆转变温度在-90℃以下。

③对特厚板生产时，成分控制需特别关注，尽量降低碳含量增加钢板韧性，同时增加锰和镍含量弥补降碳带来的强度损失。

［1］龙杰，莫德敏.舞钢低温高韧性压力容器用钢板［J］.宽厚板，2002（5）：12-15.

Trial Production of High Toughness and Low Temperature Steel 09MnNiDR

Kang Wenju
（1.Metallurgical and Ecological Engineering School，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083；2.Nanyang Hanye Special Iron and Steel Co．Ltd．，Nanyang Henan 474500）

Trial Production and relevant experimental study of the low temperature pressure vessel 09MnNiDR steel plate in Hanye special steel was made.The results showed that the product had excellent low temperature toughness and strength matching，pure steel，good quality，low inclusion content.On the other hand，the effects of chemical composition and production process on the low temperature toughness were studied.

cryogenic pressure vessel steel plate；09MnNiDR；trial production

TF762

A

1003-5168（2016）07-0122-04

2016-06-05

康文举（1977-），男，硕士，工程师，主任，研究方向：特厚板研究。