一种高焊接工艺性、耐高硫烟气腐蚀钢板及其制造方法

摘要

一种高焊接工艺性、耐高硫烟气腐蚀钢板及其制造方法，其成分重量百分比为：C：0.03％～0.07％、Si≤0.30％、Mn：0.40％～0.80％、P≤0.013％、S：0.015％～0.045％、Cu：0.20％～0.50％、Ni：0.20％～0.50％、Cr：4.00％～8.00％、Nb：0.015％～0.035％、V：0.030％～0.060％、Ti：0.008％～0.016％、其余为Fe和不可避免的杂质。本发明创造性地采用超低C-低Mn-高S-微Nb合金化-超微Ti处理低合金耐候钢的成分体系作为基础，控制(Cr当量)×(％S)≥0.065、(Cu当量)×(％S)≤0.012、[(％Ni)+(％Cu)]×(％Cr)≥2.35、(％C)×[(％Nb)+(％V)]≥0.002，采用控轧与正火工艺，获得优良强韧性、强塑性匹配、低屈强比、耐高硫烟气特性、优良的高温强度。

权利要求

1.一种高焊接工艺性、耐高硫烟气腐蚀钢板，其成分重量百分比为：C：0.03％～0.07％

Si：≤0.30％

Mn：0.40％～0.80％

P：≤0.013％

S：0.015％～0.045％

Cu：0.20％～0.50％

Ni：0.20％～0.50％

Cr：4.00％～8.00％

Nb：0.015％～0.035％

V：0.030％～0.060％

Ti：0.008％～0.016％

其余为Fe和不可避免的杂质；且上述元素含量必须同时满足如下关系：(Cr当量)×(％S)≥0.065，其中Cr当量＝Cr+2.37Cu+1.16Ni-0.89Mn；

(Cu当量)×(％S)≤0.012，其中Cu当量＝Cu－0.53Ni+0.36Mn；

[(％Ni)+(％Cu)]×(％Cr)≥2.35；

(％C)×[(％Nb)+(％V)]≥0.002；

钢板组织为均匀细小的铁素体+弥散分布的珠光体，屈服强度≥370MPa、抗拉强度≥520MPa、屈强比≤0.80、0℃的Charpy横向冲击功单个值≥47J、300℃抗拉强度≥420MPa。

2.如权利要求1所述的高焊接工艺性、耐高硫烟气腐蚀钢板的制造方法，其包括如下步骤：

1)冶炼、铸造

按上述成分冶炼、连铸成铸，并采用轻压下技术，连铸轻压下率控制在2％～5％之间，中间包浇注温度在1530℃～1550℃之间，拉坯速度0.6m/min～1.0m/min；

2)板坯加热，加热温度1000℃～1100℃，板坯出炉后采用高压水除鳞；

3)轧制

第一阶段为普通轧制，采用大轧制道次压下率进行轧制，轧制道次压下率≥10％，确保形变金属发生动态/静态再结晶，细化奥氏体晶粒；

第二阶段采用奥氏体单相区控制轧制，控轧开轧温度820℃～860℃，轧制道次压下率≥8％，累计压下率≥30％，终轧温度800℃～840℃；

4)冷却

板厚≥40mm的钢板轧制后采用缓冷工艺，缓冷工艺为钢板表面温度大于300℃的条件下至少保温24小时，保证钢板脱氢充分，防止产生氢致裂纹；

5)正火

钢板正火温度控制在880～920℃之间；正火时间取(1.0～1.5)min/t，t为钢板厚度，单位mm，钢板正火出炉后，自然空冷到室温；最终获得的钢板组织为均匀细小的铁素体+弥散分布的珠光体，屈服强度≥370MPa、抗拉强度≥520MPa、屈强比≤0.80、0℃的Charpy横向冲击功单个值≥47J、300℃抗拉强度≥420MPa。

说明书

一种高焊接工艺性、耐高硫烟气腐蚀钢板及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及低合金钢，特别涉及一种高焊接工艺性、耐高硫烟气腐蚀钢板及其制造方法，其屈服强度≥370MPa、抗拉强度≥520MPa、屈强比≤0.80、0℃的Charpy横向冲击功(单个值)≥47J、300℃抗拉强度≥420MPa、具有优良耐硫酸烟气的钢板，主要用于无涂装的火力发电站燃烧烟气管道的制造用材。

背景技术

[0002] 众所周知，低碳(高强度)低合金钢是最重要工程结构及装备制造材料之一，广泛应用于石油天然气管线、海洋平台、船舶制造、桥梁结构、锅炉压力容器、建筑结构、汽车工业、铁路运输及工程机械制造之中。低碳(高强度)低合金钢性能取决于其化学成分、制造过程的工艺制度，其中强度、韧性、耐蚀性及耐高温特性等是低合金耐烟气腐蚀钢最重要的性能，它最终决定于成品钢材的化学成分与显微组织状态；随着科技不断地向前发展，人们对钢的强韧性、焊接性、耐蚀性及抗高温软化性提出更高的要求，即在维持较低制造成本的同时大幅度地提高钢板的综合机械性能、使用性能及环境友好特性，以减少钢材的用量而节约成本，减轻钢构件自身重量、稳定性、安全性及环保性。

[0003] 目前世界范围内掀起了发展新一代高性能钢铁材料的研究高潮，通过合金组合设计、革新控轧/TMCP技术及热处理工艺获得更好的成分与显微组织匹配，从而使钢板得到更优良强韧性、强塑性匹配、低屈强比、耐蚀性、耐高温特性、焊接性及抗疲劳性能；本发明钢板正是采用上述技术，低成本地开发出室温力学性能、高温性能均优异的耐含硫酸燃烧烟气钢板。

[0004] 现有技术制造耐大气腐蚀焊接结构用厚钢板时，一般要在钢中添加一定量的P、Ni、Cu、Cr等耐候性合金元素，目的是在钢板表面形成一层致密的非晶保护膜，阻止空气进入钢板内部，达到耐大气腐蚀作用，参见【西山纪念技术讲座159-160，P84～P85】；由此带来母材钢板韧性和焊接性较差，尤其焊接接头的熔合线与热影响区冲击韧性很差。为此日本采用低C含量成分设计，添加微合金元素Ti、Nb，结合控制轧制工艺，使钢板焊接性与低温韧性得到大幅度提高【制铁研究，1982，Vo1.309，P98；R&D神户制钢技报，1988，Vo1.38，P97】。

[0005] 为开发寒冷地区使用的耐候钢，日本采用低C-高Al-低N-微Ti处理成分设计技术，结合控制轧制工艺成功生产出满足-40℃低温韧性耐候钢板【铁と钢，1985，Vo1.71，S593】；但是这些只能耐普通大气腐蚀，不能抗煤炭、重油、天然气等燃烧烟气的腐蚀，尤其不能抵抗高硫量的煤炭、重油、天然气等燃烧烟气的腐蚀；虽然耐高硫烟气腐蚀的不锈钢可以抵抗高硫量的煤炭、天然气燃烧烟气的腐蚀，并取得大量使用实绩，但是高昂的价格导致此类钢种大规模推广受阻【火力原子力发电(日文)，1995，Vo1.46，600】。

[0006] 日本新日铁成功开发了Cu-Ni-Sb成分系列的耐高硫烟气腐蚀钢(板、管系列)S-TEN1，虽然此类钢种耐硫酸烟气性能突出，但是Sb元素具有剧毒，收到环保的严厉限制；此外由于添加表面活性元素Sb，钢板焊接工艺性较差【富士制铁技报(日文)，1968，Vo1.17，103，新日铁技报(日文)，2002，Vo1.377，42】。

发明内容

[0007] 本发明的目的在于提供一种高焊接工艺性、耐高硫烟气腐蚀钢板及其制造方法，其屈服强度≥370MPa、抗拉强度≥520MPa、屈强比≤0.80、0℃的Charpy横向冲击功(单个值)≥47J、300℃抗拉强度≥420MPa，具有优良强韧性、强塑性匹配、低屈强比、耐高硫烟气腐蚀特性、优良的高温强度，特别适宜于用做火力发电站无涂装处理的煤炭、重油及天然气燃烧的排气管道与烟囱，并且能够实现低成本稳定批量工业化生产。

[0008] 具有优良的耐高硫烟气腐蚀钢板是耐候钢产品中难度最大的品种之一，其原因是该类钢板不仅要求具有优良的强韧性、强塑性匹配、低屈强比、耐高硫烟气腐蚀性及优良的高温特性，而且还要具有优良的焊接工艺性，更重要的是较低的热裂纹敏感性，保证焊接接头健全性(即不出现任何形式的热裂纹)；这些性能要求很难同时满足，如优良的强韧性、强塑性匹配与耐高硫烟气腐蚀性之间的平衡，优良的高温特性与耐高硫烟气腐蚀性之间的平衡，耐高硫烟气腐蚀性与较低的热裂纹敏感性之间的平衡，这些平衡在成分设计和工艺设计上相互冲突，很难调和，如何平衡这些关系是本发明最大的难点之一，也是关键核心技术；因此本发明在关键技术路线、成分和工艺设计上，综合了影响钢板强韧性强塑性匹配、低屈强比、焊接性工艺、高温强度及耐高硫烟气腐蚀特性等关键因素，创造性地采用了超低C-低Mn-高S-微Nb合金化-超微Ti处理低合金耐候钢的成分体系作为基础，控制(Cr当量)×(％S)≥0.065、(Cu当量)×(％S)≤0.012、[(％Ni)+(％Cu)]×(％Cr)≥2.35、(％C)×[(％Nb)+(％V)]≥0.002，采用特殊的控轧与正火工艺，获得优良强韧性、强塑性匹配、低屈强比、耐高硫烟气腐蚀特性、优良的高温强度，特别适宜于用做火力发电站无涂装处理的煤炭、重油及天然气燃烧的排气管道与烟囱。并且能够实现低成本稳定批量工业化生产。

[0009] 具体地，本发明的一种高焊接工艺性、耐高硫烟气腐蚀钢板，其成分重量百分比为：

[0010] C：0.03％～0.07％

[0011] Si：≤0.30％

[0012] Mn：0.40％～0.80％

[0013] P：≤0.013％

[0014] S：0.015％～0.045％

[0015] Cu：0.20％～0.50％

[0016] Ni：0.20％～0.50％

[0017] Cr：4.00％～8.00％

[0018] Nb：0.015％～0.035％

[0019] V：0.030％～0.060％

[0020] Ti：0.008％～0.016％

[0021] 其余为Fe和不可避免的杂质；且上述元素含量必须同时满足如下关系：

[0022] (Cr当量)×(％S)≥0.065，大幅度降低含有CO2、SO2、O2、H2O等的燃烧烟气对钢板的腐蚀速度，抑制钢板表面大粒状铁锈层生成与剥离发生，保证钢板具有优良的耐煤炭、重油及天然气燃烧烟气的腐蚀性；其中Cr当量＝Cr+2.37Cu+1.16Ni-0.89Mn；

[0023] (Cu当量)×(％S)≤0.012，保证钢板在高硫含量条件下，具有较好的焊接工艺性，改善钢板焊接热裂纹敏感性；其中Cu当量＝Cu-0.53Ni+0.36Mn；

[0024] [(％Ni)+(％Cu)]×(％Cr)≥2.35，降低钢板表面铁锈层粒子长大速度、抑制铁锈层粒子晶化，保证钢板表面形成均匀致密、高附着性的铁锈非晶层，提高钢板耐煤炭、重油及天然气燃烧烟气的腐蚀性；

[0025] (％C)×[(％Nb)+(％V)]≥0.002，保证钢板具有优良的高温性能，尤其在300℃条件下，钢板的抗拉强度不低于室温抗拉强度的0.75，确保钢板在服役过程中(即通高温燃烧烟气过程中)钢板不发生软化变形。

[0026] 钢板组织为均匀细小的铁素体+弥散分布的珠光体，屈服强度≥370MPa、抗拉强度≥520MPa、屈强比≤0.80、0℃的Charpy横向冲击功(单个值)≥47J、300℃抗拉强度≥420MPa。

[0027] 在本发明成分设计中：

[0028] 众所周知，碳对钢板强韧性、强塑性匹配及焊接性工艺性影响很大，从改善钢板的强韧性、强塑性匹配及焊接性工艺性的角度，希望钢中C含量比较低为宜；但从钢板的强度，更重要的从轧制与正火过程显微组织控制、降低屈强比的角度，C含量不宜过低，过低C含量不仅导致奥氏体晶界迁移率高，这给轧制与正火过程均匀细化组织带来较大问题，易形成混晶组织，而且造成屈强比升高；同时过低C含量还造成晶界结合力降低，导致耐高硫烟气腐蚀钢板的焊接热裂纹敏感性升高；综合以上的因素，C的含量控制在0.03％～0.07％之间。

[0029] Si促进钢水脱氧并能够提高钢板强度，但是采用Al脱氧的钢水，Si的脱氧作用不大，Si虽然能够提高钢板的强度，但是Si严重损害钢板的焊接性工艺性，尤其在大热输入焊接条件下，Si不仅促进M-A岛形成，而且形成的M-A岛尺寸大、分布不均匀，严重损害焊接热影响区(HAZ)的强韧性与强塑性匹配，因此钢中的Si含量应尽可能控制得低，考虑到炼钢过程的经济性和可操作性，Si含量控制在≤0.30％。

[0030] Mn作为合金元素在钢板中除提高强度和改善韧性外，还具有扩大奥氏体相区，降低Ac1、Ac3、Ar1、Ar3点温度，细化铁素体晶粒之作用，改善耐高硫烟气腐蚀钢板焊接热裂纹敏感性；加入过多Mn会增加钢板内部偏析程度，降低钢板力学性能的均匀性和强塑性匹配；并且提高钢板的淬硬性，影响钢板大热输入焊接工艺性；此外，Mn含量过高将导致钢板屈强比升高；综合考虑上述因素，Mn含量控制在0.40％～0.80％之间。

[0031] P虽然具有改善钢板耐候性之作用，但P对钢板的强韧性、强塑性匹配及焊接性工艺性具有巨大的损害作用；此外，对于焊接结构用耐高硫烟气腐蚀钢，一般均采用Cu、Cr、Ni来改善钢板耐烟气腐蚀性，过高的P导致这些合金元素的效能降低；因此钢中P含量希望越低越好，但考虑到炼钢条件、炼钢成本、炼钢厂内物流顺畅，要求P含量控制在≤0.013％。

[0032] 对于耐高硫烟气腐蚀钢板，较高的硫含量不可或缺，并且随着硫含量的升高，钢板耐高硫烟气的腐蚀性增强；但是过高的硫含量严重劣化钢板强韧性、强塑性匹配及钢板焊接工艺性；综合上述分析，合理匹配钢板的力学性能、焊接工艺性及耐高硫烟气的腐蚀性，硫含量控制在0.015％～0.045％。

[0033] 对于含有CO2、SO2等成分的燃烧烟气环境中而言，为确保钢板具有耐高硫烟气的腐蚀性，钢中添加一定数量的Cr是必不可少的，以大幅度降低含有CO2、SO2、O2、H2O等的燃烧烟气对钢板的腐蚀速度，抑制钢板表面大粒状铁锈层生成与剥离发生；如果加入Cr含量过少(＜4.0％)，Cr不能起到耐高硫烟气腐蚀之作用，达不到无涂装耐耐煤炭、重油及天然气燃烧高硫烟气腐蚀性的要求；加入过多(8.0％)，损害钢板的焊接性工艺，恶化焊接热影响区韧性；因此Cr含量控制在4.0％～8.0％之间。

[0034] 对于耐高硫烟气腐蚀钢板而言，添加一定数量的Cu对于强化耐高硫烟气腐蚀性至关重要；但加入过多的Cu(≥0.45％)时，损害钢板的焊接工艺性，强化焊接热裂纹敏感性；但如果加入Cu含量过少(＜0.20％)，达不到无涂装耐高硫烟气腐蚀的作用，因此Cu含量控制在0.20％～0.50％之间。

[0035] 向钢中添加一定数量的Ni，也可以增强钢板的无涂装耐耐高硫烟气腐蚀的特性；更重要的是钢中加Ni可以改善焊接过程的热裂纹敏感性；此外，Ni是钢板获得优良冲击韧性不可缺少的合金元素；因此从理论上讲，钢中Ni含量在一定范围内越高越好，但是Ni是一种很贵的合金元素，从低成本批量生产角度，适宜的加入量为0.20％～0.50％。

[0036] 钢中添加微量的Nb元素目的是进行未再结晶控制轧制、提高钢板强度，当Nb添加量低于0.015％时，除不能有效发挥的未再结晶区控轧作用之外，对钢板强化能力也不足；当Nb添加量超过0.035％时，对焊接工艺性损害较大，因此Nb含量控制在0.015％～0.035％之间。

[0037] 为确保钢板在300℃条件下的强度，钢中需要添加一定的V元素，根据试验研究结果，合理的添加量为0.030％～0.060％。

[0038] 钢中添加0.008％～0.016％Ti，细化母材钢板及焊接热影响区HAZ晶粒，以改善钢板的焊接工艺性及焊接热影响区HAZ韧性。

[0039] 根据本发明钢板组织是均匀细小的铁素体+弥散分布的珠光体，实现了钢板的强韧性、强塑性匹配、低屈强比、耐高硫烟气腐蚀性、优良的高温强度及高焊接工艺性。

[0040] 本发明的高焊接工艺性、耐高硫烟气腐蚀钢板的制造方法，其包括如下步骤：

[0041] 1)冶炼、铸造

[0042] 按上述种成分冶炼、连铸成坯，并采用轻压下技术，连铸轻压下率控制在2％～5％之间，中间包浇注温度在1530℃～1550℃之间，拉坯速度0.6m/min～1.0m/min；

[0043] 2)板坯加热，加热温度1000℃～1100℃，板坯出炉后采用高压水除鳞；

[0044] 3)轧制

[0045] 第一阶段为普通轧制，采用大轧制道次压下率进行轧制，轧制道次压下率≥10％，确保形变金属发生动态/静态再结晶，细化奥氏体晶粒；第二阶段采用奥氏体单相区控制轧制，控轧开轧温度820℃～860℃，轧制道次压下率≥8％，累计压下率≥30％，终轧温度800℃～840℃；

[0046] 4)冷却

[0047] 板厚≥40mm的钢板轧制后采用缓冷工艺，缓冷工艺为钢板温度表面大于300℃的条件下至少保温24小时，保证钢板脱氢充分，防止产生氢致裂纹；

[0048] 5)正火

[0049] 钢板正火温度控制在880～920℃之间；正火时间取(1.0～1.5)min/t，t为钢板厚度，单位：mm；钢板正火出炉后，自然空冷到室温；

[0050] 最终获得的钢板组织为均匀细小的铁素体+弥散分布的珠光体，屈服强度≥370MPa、抗拉强度≥520MPa、屈强比≤0.80、0℃的Charpy横向冲击功(单个值)≥47J、300℃抗拉强度≥420MPa。

[0051] 本发明的有益效果：

[0052] 本发明采用合金元素组合设计与特殊的控轧、正火工艺相结合，最大限度地发挥了合金元素Cu、Ni、Cr改善耐高硫烟气腐蚀性的效能；开发出无Sb含量、高性能耐高硫烟气腐蚀的钢板，减少了剧毒Sb对人体与环境的影响，实现了制造、使用过程等全寿命周期的绿色环保，同时还消除了含Sb废钢的回收困难；其次，钢中无Sb添加，实现了钢结构制作焊接化(采用Sb添加钢板，钢结构只能通过铆接制作)，减少用户加工制作的成本与工序，缩短了用户钢结构制造的时间，为用户创造了巨大的价值，因而此类钢板不仅是高附加值、绿色环保性的产品。

附图说明

[0053] 图1为本发明实施例3钢的显微组织(1/4厚度处)照片。

具体实施方式

[0054] 下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

[0055] 本发明实施例成分参见表1，表2、表3为本发明制造工艺的实施例；表4为本发明实施例钢板性能。

[0056] 从表4及图1可以看出，本发明最终获得的钢板组织为均匀均匀细小的铁素体+弥散分布的珠光体，屈服强度≥370MPa、抗拉强度≥520MPa、屈强比≤0.80、0℃的Charpy横向冲击功(单个值)≥47J、300℃抗拉强度≥420MPa；具有优良强韧性、强塑性匹配、低屈强比、耐高硫烟气腐蚀特性、优良的高温强度。

[0057] 综上所述，本发明采用合金元素组合设计与特殊的控轧、正火工艺相结合，最大限度地发挥了合金元素Cu、Ni、Cr改善耐高硫烟气腐蚀性的效能；开发出无Sb含量、高性能耐高硫烟气腐蚀的钢板，减少了剧毒Sb对人体与环境的影响，实现了制造、使用过程等全寿命周期的绿色环保，同时还消除了含Sb废钢的回收困难；其次，钢中无Sb添加，实现了钢结构制作焊接化(采用Sb添加钢板，钢结构只能通过铆接制作)，减少用户加工制作的成本与工序，缩短了用户钢结构制造的时间，为用户创造了巨大的价值，因而此类钢板不仅是高附加值、绿色环保性的产品。由于本发明钢板生产过程中不需要添加任何设备，制造工艺简洁、生产过程控制容易，因此制造成本低廉，具有很高性价比和市场竞争力；且技术适应性强，可以向所有具有加速冷却设备的中厚板生产厂家推广，具有很强的商业推广性，具有较高的技术贸易价值。

[0058] 随着我国经济持续发展，火力发电能源建设工程量越来越大，绿色环保性材料作为国家重点推广项目越来越受到重视，环保硬性约束指标将逐渐扩展到基础设施工程项目，作为绿色环保型、耐高硫烟气腐蚀用高强钢板具有广阔的市场前景。

[0059] 表1

[0060]

[0061] 表2

[0062]

[0063] 表3

[0064]

[0065] 表4

[0066]

[0067] *：采取模拟高硫烟气加速腐蚀试验，以普通Q345C为基准，相对Q345C的相对腐蚀速率。