耐低温压力容器用钢15MnNiDR的开发

宋苓芝， 刘志勇， 贾 旭

（河钢股份有限公司唐山分公司， 河北 唐山 063000）

耐低温压力容器用钢主要用于制造盛放低温介质的压力容器，是目前中厚板高附加值的产品之一。因其特有的使用环境的特殊性，对钢水洁净度、表面质量，耐低温冲击、无损探伤检验等方面有着更高的要求。唐山中厚板材有限公司采取微合金化和控轧控冷相结合的工艺，开发了耐低温压力容器用钢15MnNiDR，该钢的各项力学性能符合标准要求。

1 耐低温压力容器用钢的基本工艺流程

结合河钢股份有限公司唐山分公司（以下简称唐钢）中厚板公司现有的工艺装备特点，确定如下工艺流程：铁水预处理—120 t转炉—120 t LF炉—RH真空处理—板坯连铸机—步进梁式加热炉—3500单机架轧机—超快冷—矫直机—质量检验—判定—入库。

2 工业性试制工艺

2.1 化学成分设计

开发钢种的成分设计主要依据GB/T 3531—2014，添加微合金元素Ni进行固溶强化，提高钢的低温冲击韧性，Nb、V、Ti碳化物的沉淀析出强化，使原奥氏体晶粒保持细化，以保证正火后铁素体晶粒充分细化。

1）Ni在钢中为纯固溶元素，它与铁以互溶形式存在于α和γ铁相中，通过其在晶粒内的内吸附作用细化铁素体晶粒，提高钢的冲击韧性。但Ni也是扩大奥氏体元素，可使相变点降低，提高钢的淬透性，易使钢中出现贝氏体或马氏体。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[1]。

2）Nb在钢中的主要作用就是提高奥氏体的再结晶温度，同过TMCP达到细化奥氏体晶粒的目的，起到细晶强化的作用，进而获得良好的综合机械性能，但当 w（Nb）＞0.03%时，强化效果就开始降低[2]，开发钢种的w（Nb）设计为0.02%～0.03%。

3）Ti加入钢中有两个目的，即晶粒细化和析出强化。两种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。在低合金高强度钢中加入微量Ti，可以提高钢的强度，改善钢的冷成型性能和焊接性能[3]。考虑到Ti微合金化在提高强度方面的稳定性，所开发钢种加入Ti的主要作用是细化晶粒，改善钢焊接性能。

依据上述原则和标准要求，易焊接耐大气腐蚀用钢的设计成分，见表1。

2.2 TMCP设计

TMCP技术包括控制轧制和控制冷却技术，其核心是晶粒细化和细晶强化[4]。控制冷却作为一种廉价的工艺手段，在改善钢板的组织状态，提高性能方面愈来愈发挥出重要作用。控制冷却可以防止奥氏体晶粒长大，细化铁素体晶粒；此外，还能减少网状碳化物的析出、降低其级别、保持其碳化物的固溶状态，达到固溶强化之目的。同时，控制冷却在减少珠光体球团尺寸、改善珠光体形貌和片层间距、提高性能等方面也能起到独特的作用[5]。

结合唐钢中厚板公司现有装备特点主要工艺参数为：二次开轧温度不大于920℃，中间坯厚度不小于3倍成品厚度；轧后采用超快冷冷却，终轧温度为780～840℃。

2.3 生产过程质量控制

转炉炼钢时采用顶底复吹方式，终点w（C）≥0.08%，终点w（P）≥0.015%，终点温度不小于1650℃，冶炼采用高MgO，低碱度，低FeO渣系，模型w(MgO)控制在10%，进站根据转炉包样Als成分打铝线，将铝控制在目标需求，确保精炼渣碱度目标4.0以上软吹时间不小于 8 min，m（Ca）/m（Als）≥0.04，RH真空处理，连铸全程保护浇铸，使用含铜钢保护渣，通过采取稳定拉速、严格控制钢水过热度等措施，铸坯下线堆冷24 h后装进入蓄热式步进粱加热炉，加热温度控制在1 200℃左右，采取控轧控冷工艺组织生产。正火加热温度780～840℃，加热系数1.5。

3 实物水平分析

3.1 力学性能分析（见表2）

表2 力学性能

表2统计结果表明，板材物理性能良好，屈服强度、伸率均满足标准要求，尤其是低温冲击值-50℃冲击达到70 J以上。

3.2 金相组织及夹杂物分析

图1 金相组织（200×）

图1 是厚度方向1／4处、心部的金相组织照片，从图中可以看出：该钢近表的组织为多边形铁素体+珠光体混合组织，带状组织为A2.0级由于采用了Ti微合金化技术和控制轧制技术，显微组织均较细小，晶粒度为11级，较未加Ti生产钢种的组织晶粒度细化。

图2表明试样断口均是韧性断裂，断口中存在大量的大而深的韧窝，表现出良好的冲击韧性，其脆性转变温度在-50℃到-60℃之间。拉伸性能和冲击性能远远满足标准要求。

图2 冲击断口

3.3 夹杂物大样电解

对耐低温压力容器用钢15MnNiDR进行大样电解，见下页图3。铸坯1/2处黄白色不规则颗粒夹杂约85%，黑色不规则颗粒夹杂约10%，黄色球状夹杂物不足5%，粒径主要为50～1 270 μm；铸坯1/4处黑色不规则颗粒夹杂约65%，透明不规则颗粒夹杂约25%，黑黄色球状夹杂物不足10%，粒径主要为50～600 μm；铸坯边部黄白色不规则颗粒夹杂约85%，黑色不规则颗粒夹杂约10%，黄色球状夹杂物不足 5%，粒径主要为 50～700 μm。

3.4 夹杂物扫描电镜分析

使用SEM扫描电镜和EDS能谱仪分析大型夹杂，结果如下：

大型夹杂第一类为不规则块状，见下页图4，约占75%，粒径主要分布在50～120 μm，其中约70%含有La、Ce、Na、K等元素，分析来源为中包覆盖剂卷入钢水中。

大型夹杂第二类为不规则块状，见下页图5，约占20%，粒径主要分布在 50～120 μm，主要成分为SiO2，分析来源为引流砂粘附中间包覆盖剂，结晶器保护渣。

图3 大样电解夹杂物形貌

图4 第一类大型夹杂形貌成分

图5 第二类大型夹杂形貌成分

图6 第三类大型夹杂形貌成分

大型夹杂第三类为球状，见图6，占比不足5%，粒径主要分布在50～400 μm，成分为Al2O3-CaO，分析来源为脱氧产物沾附钢包渣。

4 夹杂物控制

由示踪和大样电解试验可知，连铸过程中保护浇铸很好，钢中夹杂物以脱氧产物Al2O3为主的复合夹杂物和以卷渣为主的外来夹杂。针对试验结果对LF底吹氩流量、精炼渣系进行优化。

4.1 LF底吹氩优化

LF原有精炼过程送电加热、合金化期间底吹流量为500～600 L/min，脱硫期间底吹流量为1 450～1 550 L/min，软吹期间底吹流量为300 L/min。

图7 LF钢包混匀效果分析

由水模试验可知，见图7及图8，原底吹流量普遍偏大，发生卷渣的临界气量为100 L/min，气量在50～150 L/min内，混匀时间随气量增大而迅速减小；在150～250 L/min内，混匀时间随其增大降幅明显变缓；在250～600 L/min内，混匀时间随其增加降幅进一步变缓；在600～900 L/min内，随其增加，混匀时间缓慢降低；超过900 L/min之后，随气量增加，混匀时间几乎不变。夹杂物去除率随气量增大呈先增大后减小规律，因此工艺调整为送电加热期间：300～400 L/min，合金化期间：400～500 L/min，增碳、脱硫：800～900 L/min，喂线及软吹期间：60 L/min。

图8 吹气量对夹杂物去除的影响

4.2 LF精炼渣优化

原有精炼渣存在的主要问题是精炼渣成分波动较大，碱度偏低，精炼渣吸附夹杂效果差。在原有精炼渣成分为基础，通过调整精炼渣m（CaO）/m（SiO2）、渣中Al2O3含量、FeO含量和渣量等参数来优化精炼渣成分，提高吸附夹杂物的能力。具体措施如下：

1）炉渣中SiO2的含量控制在7%～8%。

2）强化对炉渣和钢水的脱氧，向炉渣中加入扩散脱氧剂，使渣中w（FeO+MnO）达到1%甚至0.5%以下，控制钢中酸溶铝含量，使钢水中氧活度控制在3×10-6以下。

3）在一次供电15 min分钟内形成白渣。

4）精炼出站前喂钙线，控制钢中m(Ca)：m(Al)为0.04～0.10，使夹杂物变性成低熔点钙铝酸盐。

5）优化后LF炉目标渣成分：w(CaO)为50%～60%，w(Al2O3)为 25%～30%，w（MgO）为 6%～9%，w（SiO2）为 7%～8%，w(TFe+MnO)≤1%，精炼渣碱度在6～8左右，由文献可知，该成分有利于吸附夹杂，对冶炼Al镇静钢尤为有效。

4 结论

1）开发的耐低温压力容器用钢15MnNiDR成分设计及生产工艺合理可行，产品各项性能指标达到标准要求。

2）开发的耐低温压力容器用钢15MnNiDR低温冲击值达到70 J（-50℃）以上。

3）进行了耐低温压力容器用钢15MnNiDR的大样电解及扫描电镜分析，在工艺上对夹杂物进行控制，取得了良好的效果。

4）开发的耐低温压力容器用钢15MnNiDR，对企业提高市场竞争力和经济效益具有重要意义。