调质高强度压力容器用07MnNiMoDR钢板轧钢工艺探索及低温韧性研究

王 成，易 勋，梁宝珠，杨 波

（中国宝武鄂城钢铁，湖北 鄂州 436000）

随着压力容器的发展参数不断增高，轻量化以及大型化已经成为必然的发展趋势，大型压力容器的安全性、可靠性开始受到人们的重视，对钢板的强度和韧性需求越来越高。本文以50mm厚度规格07MnNiMoDR钢板为试验材料，通过对不同轧钢工艺对比，研究不同的开轧温度对钢板内部组织及冲击韧性的影响，结果表明采用较低的开轧温度并辅以合适的除鳞制度，更有利于钢板得到优良的芯部组织及性能。同时采用该工艺生产的钢板其对应厚度t/4、厚度t/2的VTE及VTS温度皆低于-65℃，NDTT温度达到-55℃，综合性能优良，为后期可使用的温度提升提供了依据。

1 工艺设计

1.1 化学成分设计

试验材料采用鄂钢连铸生产的250mm×2000mm×3500mm板坯，轧制50mm×3000mm×L规格07MnNiMoDR钢板。具体成分见表1。

表1 07MnNiMoDR化学成分（wt%）

1.2 工艺设计

轧制过程中采用两种不同的开轧温度设计，辅以不同的除鳞制度见表2。成品板分别编号为1#、2#，轧后均采用相同的离线淬火+回火热处理工艺，淬火温度及时间充分考虑了钢板奥氏体化及保温时间[2]。

表2 07MnNiMoDR轧钢工艺对比

1.3 金相组织

对1#、2#钢板进行金相观察，见图1和图2，可知07MnNiMoDR钢板的组织主要为回火索氏体+贝氏体，1#、2#样晶粒度均在8.5级以上，2#晶粒度较1#晶粒度明显细化。

图1 1#钢板t/2处的金相组织500×

图2 2# 钢板t/2处的金相组织500×

1.4 力学性能

对1#、2#钢板分别取样进行常规拉伸、冷弯及板厚t/2，t/4处冲击性能检验，结果见表3。

根据上表检验数据可知，按照上述两种轧钢工艺生产的钢板性能均符合“GB／T 19189-2011”标准要求，但2#钢板厚度t/2处冲击功明显优于1#钢板。

2 试验材料低温韧性研究

2.1 试验材料

为进一步了解2#钢板综合性能，对其取样进行系列温度冲击、应变时效冲击及NDTT落锤试验。

2.2 系列温度冲击试验

对50mm厚钢板进行系列温度冲击试验，试样分别为t/4和t/2部位横向取样。试验按照GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》在ZBC2452冲击试验机上进行，试验低温介质为纯酒精加液氮分析制冷，保温设备为3102-1低温仪器。试验时过冷温度为1℃～2℃。按GB/ t12778-1991《金属夏比冲击断口的测定方法》测定了试样的晶状断口百分比和侧膨量。

2.3 应变时效冲击试验

由于加工过程中使用的钢板冷成形工艺，冷加工工艺对钢板的力学性能有一定的影响，为此进行了钢板冷变形后冲击性能试验，测试后按照标准GB 4160-2008《钢应变时效敏感性试验方法》，将50mm厚钢板在厚度在1/4处加工成12mm厚侧板拉伸样本（样本尺寸是12mm×30mm×300mm）后室温拉伸变形、残余伸长变量应该2.5%和5.0%的冷变形，进行250℃，1h的人工时效处理后，进行冲击试验。试验按照GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》在ZBC2452冲击试验机上进行，测定常温和低温-50℃冲击功。

2.4 NDTT落锤试验

落锤试验按照GB/T6803-2008《铁素体钢的无塑性转变温度落锤试验方法》进行，试验过程中，样品过冷度为1℃～2℃，保温时间为40min。保温仪表为3102-1低温仪表。样品为P2型，打击能量为400J。

3 试验结果及分析

3.1 07MnNiMoDR系列温度冲击性能

根据2#钢板的系列冲击试验结果数据，绘制出KV2—温度T曲线见图3、图4。

由图表可以卡出，钢板厚度t/4及t/2在-50℃时的平均冲击功均在270J以上，在-60℃时平均冲击功在260J以上，当试验温度达到-80℃时，冲击功均在90J以内，说明冲击韧性急剧下降。分别按照冲击吸收功及冲击试样的纤维断面率确定的不同钢板厚度部位的韧脆性转变温度列于表4。表4中VTE为50%上平台能所对应的温度，VTS为50%晶状断面率所对应的温度，VTE不同取样部位均低于-70℃，VTS不同取样部位均低于-65℃，说明钢板在-65℃以上温度使用时，其安全性能良好。

图4 t/2横向取样的KV2-T曲线

表4 韧脆转变温度

应变时效是钢材经过冷加工塑性变形及焊接内应力变形使钢材强度与硬度升高[1，2]而塑性与韧性下降[3，4]的一种物理现象。试验结果见表5，由表5可以看出，07MnNiMoDR钢板在应变量为2.5%和5%时，检验-20℃冲击功能达到300J以上，-50℃冲击功能能达到260J以上。说明钢板具有优良的应变时效性能。

表5 钢板应变时效敏感性试验结果

3.3 07MnNiMoDR落锤性能

按照试验方法，落锤试样在钢板表面堆焊裂纹源，07MnNiMoDR的NDTT落锤试验结果见表6，由表可以看出钢板的无塑性转变温度为-55℃，说明钢板具有优良的低温韧性。

表6 钢板落锤试验结果

4 分析与讨论

通常，生产厚板时板厚t/4处较t/2位置更易在轧制过程中受到轧辊的挤压而变形，从而有更大的变形量，累积更多的变形带，进而得到轧态的细晶组织。而本研究通过较低的开轧温度设计，增加粗除鳞次数形成快速温降，使轧件在进入轧机时形成外冷内热的“三明治”式温度梯度分布，通过Ⅰ阶段再结晶型大压下量控制轧制，钢板芯部组织充分发生挤压及破碎变形，进而得到更细小的晶粒组织[3]。在本文中得到的结果2#材料t/2处冲击韧性明显优于1#材料，正是由于低温开轧工艺设计带来的积极迭代影响钢板，增加了钢板芯部变形程度，获得了原始细小的晶粒组织，经过热处理后，对应芯部的细晶组织在加热过程中也遗传下来，为钢板厚度方向冲击韧性的均匀性奠定了基础，最终使得2#材料在板厚t/2处同样具有优异的冲击韧性。

5 结论

（1）试验的07MnNiMoDR钢金相组织类型为回火索氏体+贝氏体，适当的合金元素添加、严格的残余元素控制及合理的轧制、热处理工艺，并获得良好的金相组织类型，是试验钢板具有良好低温韧性的基础。

（2）采用较低的开轧温度并辅以合适的除鳞制度，更有利于钢板得到优良的芯部组织，获得良好的芯部低温冲击韧性。

（3）采用上述工艺生产的07MnNiMoDR材料同时具有良好的低温韧性、应变时效性能及较低的无塑性转变温度NDTT，其VTE和VTS温度均低于-65℃，且钢板t/4和t/2厚度的韧脆转变温度相差不大。