新型液化天然气储罐用低镍钢开发研究★

孟传峰，王育田，王彩焕，马有光，高佳春

（山西太钢不锈钢股份有限公司，山西 太原 030003）

随着国内对清洁能源天然气的需求大幅增加，LNG储罐的建造数量达到近200个，超温钢板的需求量达到40万t以上。降低LNG储罐建造成本，开发低镍钢板已成为9Ni钢的一个重要发展方向[1]。

在超低温环境下，低镍钢材料必须满足强度高、超低温韧性优异、焊接性能良好、抗裂纹扩展能力强等指标。其中，低温韧性是最核心指标，影响该指标的因素主要有钢质纯净度、微合金化、铸态组织、控制轧制、两相区热处理等方面[2]。

1 新型液化天然气储罐用钢化学成分优化设计

不同化学成分对低镍钢性能的影响如图1—图3所示。

图1 钢中w（C）、w（P）与低温韧性关系

图2 钢中w（S）与低温韧性关系

图3 钢中w（P）、w（S）、w（N）、w（AI）与塑性关系

由图1—图3可知，降低w（P）、w（S）、w（N）、w（Al）等对提升材料低温韧性、塑性具有重要意义，由此确定钢中w（P）≤20×10-6、w（S）≤20×10-6、w（P）+w（S）+w（N）+w（O）+w（H）≤100×10-6，以达到降低钢中夹杂物、五害元素等目标。

通过中试试验，设计出低镍钢的成分体系：w（C）=0.05%，w（Si）=0.05%，w（Mn）=0.80%，w（P）=0.002%，w（S）=0.002%，w（Ni）=6.5%，适当添加铬、钼、钛。

2 超低w（P）、w（S）工艺技术研究

通过研究钢水在钢包中的脱磷反应（见图4）以及精炼过程中的脱硫反应规律（见下页图5），为开发w（P）、w（S）均低于20×10-6的冶炼新方法奠定了基础。

图4 钢包脱磷率

图5 钢包脱硫渣系（LF精炼）

由图4可知，采用转炉初脱磷+钢包造氧化渣深脱磷的新工艺技术，应用强氧化性、高碱度、流动性良好的强脱磷专用渣系（深色区域），可稳定实现w（P）≤20×10-6，最低w（P）达到5×10-6，并杜绝了钢水回磷问题，实现深脱磷的目标。

由图5可知，还原渣碱度控制在6.5左右；渣中w（FeO）控制在≤0.40%，LF进站渣样（圆点）熔点约为1700℃，LF出站渣样（方形点）熔点约为1500℃，避免了造高黏度、高熔点渣，还原渣的脱氧效果和脱硫效果良好。w（S）稳定在≤20×10-6，最低w（S）达到5×10-6。解决了转炉出钢带渣回磷的固有难题，稳定实现了w（P）、w（S）均≤20×10-6，最低达到5×10-6的超洁净水平，该工艺技术还实现了影响超低温韧性关键元素w（P）＋w（S）＋w（H）＋w（N）＋w（O）≤0.0065%的高水平稳定控制，满足了LNG储罐节镍钢极低w（P）、w（S）的要求。

3 钢中非金属夹杂物控制技术研究

为了提升钢质纯净度，降低钢中非金属夹杂物，开展不同喂硅钙线工艺试验。未喂硅钙线的钢中存在较多的Al2O3夹杂物，水口易结瘤，如图6所示；RH真空处理后喂2 m/t硅钙线，钢中存在球状复合夹杂物，如图7所示；进RH工序前喂2 m/t硅钙线，钢中未见夹杂物，如图8所示。

图6 未杂喂物硅 钙线夹

图7 RH后喂2 m/t硅钙线球状复合夹杂物

图8 RH前喂2 m/t硅钙线基本无夹杂物

4 铸坯预防裂纹控制技术

镍钢在700～900℃脆化温度区间内矫直极易产生裂纹，因此，采取950℃高温出坯的措施来预防铸坯裂纹，而较高拉速和较弱的二冷冷却是高温出坯首要的技术条件[3]。此外，因镍钢铸坯直接空冷，铸坯表面易形成马氏体和贝氏体组织而产生较大的相变应力，会使表面和皮下产生裂纹，因此，铸坯拉出后要及时缓冷。

5 工业化冶炼和连铸质量

在山西太钢不锈钢股份有限公司成功冶炼和连铸了1炉低镍钢，其化学成分及气体含量如表1—表4所示。节镍钢低倍组织如图9所示。

表1 低镍钢化学成分 %

表2 低镍钢w（P）、w（S）及气体含量 ×10-6

表3 低镍钢非金属夹杂物

表4 低镍钢低倍组织评级

图9 节镍钢低倍组织

经国家钢铁材料测试中心、钢研纳克检测技术股份有限公司的第三方检测得出，低镍钢连铸坯中w（P）、w（S）低，非金属夹杂物少，低倍组织的质量良好，达到试制目标要求。钢中w（P）、w（S）达到国际领先水平。

6 两相区热处理工艺研究

两相区淬火处理是在第一次淬火后回火前进行的双相区处理，目的是使组织分布更加弥散、均匀。有学者研究认为[4-5]，亚温淬火能够有效细化晶粒，在回火后能有效提高低温韧性逆转变奥氏体的体积分数，并可提高抗回火脆性。文献[6]发现，在回火处理之前加入一次两相区淬火的亚温淬火工艺可显著改善9Ni钢的低温韧性。低镍钢热处理试验结果表明：二次淬火温度升高，强度随之增加，同时伸长率随之降低，硬度与强度变化规律一致；二次淬火后试样的伸长率以及-196℃下冲击功随淬火温度的升高而降低；二次淬火使得一次淬火后的残余奥氏体转变为二次淬火马氏体，增加了在随后的回火过程中产生的逆转奥氏体的含量，从而使得低温冲击韧性有所提升。不同二次淬火工艺下的力学性能如表5所示。

表5 不同二次淬火工艺下的力学性能

结合一次淬火、二次淬火、回火工艺不同组合试验，确定了工业化的二次淬火温度为720℃。并试制出6～50 mm厚的7Ni钢板，力学性能指标与9Ni钢相当，但合金成本可降低20%以上。

7 结论

1）通过中试试验，优化设计出低镍钢的化学成分：w（C）=0.05%，w（Si）=0.05%，w（Mn）=0.80%，w（P）=0.002%，w（S）=0.002%，w（Ni）=6.5%，适当添加铬、钼、钛。

2）通过对超低磷、硫含量控制、钢中非金属夹杂物控制研究，开发出极低磷硫含量控制新工艺技术，完成工业化冶炼和连铸，钢中w（P）、w（S）均≤20×10-6，为材料获得优异的低温韧性奠定基础。钢中w（P+S+H+N+O）达到65×10-6，超纯净工艺技术达到国际领先水平。

3）通过两相区热处理工艺研究，工业化试制的低镍钢板的力学性能与9Ni钢基本相当，同时可降低20%以上的贵重合金成本。