大型储罐用钢的研制开发

大罐用钢研制开发W舞钢大型储罐用钢的研制开发

（邯钢集团）舞阳钢铁有限责任公司科技部

二OO四年四月五日大罐用钢研制开发W舞钢

目录

企业概况

前言

大型储罐用钢的主要技术要求大型储罐用钢的设计生产工艺流程

质量保证措施实物水平国内外同类钢实物性能对比

存在问题及讨论

结束语

大罐用钢研制开发W舞钢

企业概况舞阳钢铁有限责任公司(以下简称舞钢)始建于1970年11月，是我国重要的特宽特厚钢板科研和生产基地，现已形成“电炉——炉外精炼——连铸（模铸）——轧制——热处理——精整”较为先进水平的短流程生产线，具备了年产电炉钢100万吨，钢板80万吨的生产能力。舞钢坚持“人无我有，人有我优，人优我特，人特我精”的质量方针，建立健全了质量保证体系，按照ISO9002标准建立起来的质量保证体系已通过权威第三方机构的认证。近30年来，舞钢在宽厚板生产方面通过不断优化工艺、开发品种、提高质量，现已形成12大产品系列、300多个国内外牌号的生产能力，荣获多个科技成果奖和荣誉称号。如16MnR、20g宽厚板和高强船板均荣获我国冶金产品的最高奖项——国家冶金产品实物质量金杯奖。舞钢宽厚板的主体是高技术含量、高附加值特性的产品。舞钢产品在国内和国际市场上有较强的竞争力，多数产品用于国家重大技术装备项目、国防军工和国民经济的重要部门，而且每年还向德国、美国、日本、加拿大等发达国家出口近10万吨特厚板。

大罐用钢研制开发W舞钢

大罐用钢研制开发W舞钢

舞钢产品工艺流程图大罐用钢研制开发W舞钢

1.主体工艺装备

90吨超高功率电炉

75吨高功率电炉大罐用钢研制开发W舞钢

90吨LF精炼炉90吨LF/VD真空精炼炉大罐用钢研制开发W舞钢扁钢锭模铸生产线

300*1900mm大型板坯连铸机

大罐用钢研制开发W舞钢

均热炉连续式加热炉大罐用钢研制开发W舞钢

高压水除鳞装置四米二轧机大罐用钢研制开发W舞钢

液压AGC厚度自动控制装置

ACC控冷装置

大罐用钢研制开发W舞钢

辊底式常化炉

外部机械化炉

大罐用钢研制开发W舞钢新型滚切式双边剪

九辊热矫直机

大罐用钢研制开发W舞钢翻板机25000KN压平机大罐用钢研制开发W舞钢

大罐用钢研制开发W舞钢

大罐用钢研制开发W舞钢

前言

随着低合金高强钢的发展及在工程方面的广泛应用，工程钢结构日趋大型化和轻量化，如大型储油罐、大型球罐和采油平台等大型工程结构的建设，为提高生产效率对钢板及其焊接技术提出了更高更新的要求，大型储罐用钢技术的应用已成为近年来国内外大型工程钢结构制作厂家、科研机构和冶金行业共同研究开发的课题。近几年内我国对大型储罐用钢的需求将大幅度增加。，国内已有的生产能力不能满足工程的实际需求量，且在板面的宽度上受到了装备能力的限制，只能生产2500mm以内的钢板，无法满足工程对更大宽度钢板的需求。鉴此，舞钢利用工艺和装备优势，积极开展了对大型储罐用钢的研究。2001年底完成了12MnNiVR（WY610D）调质高强钢的冶炼、轧制和热处理，2002年初对钢板进行了系统检验，并委托合肥通用机械研究所对钢的各项性能进行了评定。于2002年中旬通过了国家容标委评审。报告着重介绍了12MnNiV（WY610D）钢的成分设计思路、生产工艺流程、产品实物水平及12MnNiV（WY610D）钢的焊接性能和抗应力腐蚀性能等，以供在座各位专家和同行对钢的性能进行综合评价。

大罐用钢研制开发W舞钢12MnNiVR(WY610D)钢主要技术要求

技术条件编号：Q/WTB17-2001。舞钢12MnNiVR(WY610D)钢技术条件是参照GB150及日本JISG3115制定的，与GB150及JISG3115相比，进一步降低了磷、硫含量和焊接冷裂纹敏感组成Pcm值，冲击值有较大幅度的提高。对照国标GB19189-2003压力容器用调质高强度钢板12MnNiVR钢要求，12MnNiVR(WY610D)钢技术条件”也具有较为先进水平，其先进性主要为：对化学成分P、S有害元素及裂纹敏感系数有较为严格的控制：P≤0.015，S≤0.008。钢板-20℃横向冲击功平均值≥80J，国标中12MnNiVR钢冲击标准为-20℃冲击功平均值≥47J；钢板满足大线能量焊接要求。

大罐用钢研制开发W舞钢12MnNiVR(WY610D)钢主要技术要求化学成分

注：焊接裂纹敏感性组分Pcm(wt%)＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B。冶炼方法：电炉冶炼+炉外精炼+真空处理。交货状态：调质

大罐用钢研制开发W舞钢12MnNiVR(WY610D)钢主要技术要求钢板的力学和工艺性能规定

大线能量焊接要求：当钢板以大线能量焊接用钢交货时，焊接线能量在≤100KJ/cm条件下焊接热影响区的冲击吸收功为-20℃Akv≥31J。

其它要求:应符合GB6654标准的相应规定。

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工艺设计原则：具有良好的强韧性能；具有良好的焊接性；满足大线能量（100KJ/cm）焊接条件下对焊接热影响区强度和韧性的要求;具有良好的抗HIC和抗硫化氢腐蚀性能；具有良好的内部质量。12MnNiVR（WY610D）钢的设计大罐用钢研制开发W舞钢

12MnNiVR（WY610D）钢的设计

成分设计思路：

以C-Si-Mn合金化基础，辅之以Mo、V、B、Ni、Ti等微合金化元素。添加Ni、V、Ti进行细化晶粒、提高强韧性；添加V、Mo提高钢在高温加热及热处理的热稳定性；添加Ni、Mo、B尤其B在含量很小的情况下即可显著提高钢的淬透性并保证钢的淬透深度；微量的B和Ti在钢中在保证淬透性的同时，Ti所生成的TIN质点使钢在≥100KJ的大线能量下也能表现出良好的熔合线韧性。规定P不大于0.012%，S不大于0.005%，以提高钢的纯净度，进而改善钢的塑性、韧性、弯曲加工、焊接、抗腐蚀等性能等。合理的调质热处理制度，得到满足钢板力学性能和大线能量焊接要求的组织马氏体加少量贝氏体结构。

大罐用钢研制开发W舞钢

12MnNiVR（WY610D）钢的设计

研制钢板规格

根据实际工程应用需要，主要试制了以下4个规格（mm）

：

18×2500×8000上2块25×2500×8000上2块38×2500×8000上2块50×2500×8000上1块

大罐用钢研制开发W舞钢

12MnNiVR（WY610D）钢的设计

热处理工艺设计

12MnNiVR(WY610D)钢淬火工艺：为获得强韧性配合良好低碳马氏体与少量贝氏体的混合组织。试制中选取淬火温度为930℃。淬火组织见图3（试样38mm板样）。a930℃¼组织b930℃½组织930℃淬火温度下的金相组织×500

大罐用钢研制开发W舞钢

12MnNiVR（WY610D）钢的设计

热处理工艺设计

12MnNiVR(WY610D)钢回火工艺：38mm厚钢板930℃水淬后系列回火试验

图4不同回火制度下的的性能曲线

试验结果表明：650℃～700℃范围内，钢板均具有良好的冲击韧性且钢板的-20℃冲击功较标准有很高的富裕量。故确定钢板的调质工艺为：淬火温度：930℃；回火温度：680℃.

大罐用钢研制开发W舞钢

电炉冶炼→LF/VD真空炉外精炼→Ca处理→模铸/连铸→锭、坯清理→加热→轧制→调质→精整→探伤→取样、检验→入库。

生产工艺流程大罐用钢研制开发W舞钢

严格炉料分选，实行精料方针。强化精炼操作,钢水精炼、喂丝与真空脱气相结合，深脱硫，控夹杂。采取保护浇注措施，严防钢水污染和二次氧化。微合金化与控轧工艺相结合充分挖掘强韧化效果。合理利用调质设备及工艺，改善组织，强化调质效果。

质量保证措施大罐用钢研制开发W舞钢

化学成分

气体含量分析试制钢板的实物水平

位置CSiMnPS边部0.140.331.420.0100.003¼宽0.140.331.400.0110.003½宽0.130.341.410.0100.003NO0.00640.0013大罐用钢研制开发W舞钢试制钢板的实物水平

显微夹杂

酸浸低倍检验

A类B类C类D类0.51.01.00.5规格mm一般疏松中心疏松偏析白点中心硫输送点状偏析其它缺陷18无0.5无无无无无380.50.5无无无无无500.50.5无无无无无大罐用钢研制开发W舞钢试制钢板的实物水平

a18mm钢板酸浸低倍组织b38mm钢板酸浸低倍组织c50mm钢板酸浸低倍组织酸浸低倍组织照片

大罐用钢研制开发W舞钢

试制钢板的实物水平

断口检验

采用GB2971对钢板进行了断口检验，a18mm板断口组织b38mm板断口组织c50mm板断口组织

大罐用钢研制开发W舞钢试制钢板的实物水平

冶金质量

钢板不同部位的成分均匀，偏析轻微；钢中气体含量较低，显微夹杂含量很低；酸浸低倍组织致密，钢中无气泡、裂纹等宏观缺陷，疏松、偏析轻微，反映了钢板具有良好的内部质量。断口组织致密，无分层、孔洞、白点、夹杂等宏观缺陷；

大罐用钢研制开发W舞钢试制钢板的实物水平

物理性能

钢板的密度:D=7.84g/cm3线膨胀系数:临界点:

温度℃20～10020～20020～30020～40020～50020～60020～700α×10-6/℃9.2512.6613.8514.5214.8314.6814.44Ac1Ac3Ar1Ar3Ms695897626787396大罐用钢研制开发W舞钢试制钢板的实物水平

力学性能（自检数据）钢板室温拉伸性能

数据表明，钢板具有良好的室温拉伸性能；头尾性能均匀，各向异性很小；厚度方向拉伸性能优良。位置试样方向18mm38mm50mmσsMPaσbMPaδ5%Ψ%σsMPaσbMpaδ5%Ψ%σsMPaσbMPaδ5%Ψ%头部纵向585670256459068024745706802371横向5606652469565670237255064522厚度696169尾部纵向580665246658569024735856702274横向560660226257067024765406502074厚度686268大罐用钢研制开发W舞钢试制钢板的实物水平

力学性能（自检数据）

系列温度拉伸性能

图5系列温度拉伸曲线图100℃150℃200℃250℃300℃350℃400℃450℃500℃σ0.2（Mpa）490520480505490465485455410δ5（%）202021192326242223由图5可以看出，随试验温度升高，试样强度下降趋势较缓，塑性有所提高，表明12MnNiVR(WY610D)钢板具有稳定的中温拉伸性能。大罐用钢研制开发W舞钢试制钢板的实物水平

力学性能（自检数据）

冲击韧性（试样均取自板厚1/4处）

12MnNiVR(WY610D)钢板冲击韧性(18mm)12MnNiVR(WY610D)钢板冲击韧性(50mm)

试验温度℃纵向AKV（J）横向AKV（J）0258，298，260（272）252，263，250（255）-10264，262，274（267）220，218，212（217）-20286，270，290（282）235，233，222（230）-40265，282，262（270）210，216，180（202）-60220，206，238（221）110，182，214（169）-70208，211，210（210）176，126，146（149）-80110，182，214（169）130，148，102（127）试验温度℃纵向AKV（J）横向AKV（J）0246，274，204（241）240，208，221（223）-10254，238，215（236）208，216，208（211）-20220，224，209（218）168，183，200（184）-40160，206，217（194）185，144，172（167）-60168，153，52（124）86，154，71（104）大罐用钢研制开发W舞钢

试验方向试验温度℃冲击功AKV（J）侧膨胀mm晶状断面率%纵向0248，252，250（250）2.132.162.15000-10280，291，290（287）2.312.242.27000-20291，293，289（291）2.102.112.20000-40261，287，290（279）2.502.232.15000-60251，260，226（246）2.162.302.270250-70171，202，221（198）2.210.962.13509860-8034，52，162（83）1.980.600.279510075横向0236，234，240（237）-10263，219，234（239）2.362.282.20000-20274，245，237（252）2.312.252.06000-40249，240，180（223）2.132.062.2604035-60200，166，161（176）2.412.032.20758050-70187，137，182（169）2.071.712.13455065-80176，46，31（84）2.040.400.20979865试制钢板的实物水平

力学性能（自检数据）

12MnNiVR(WY610D)钢板冲击性能(38mm)大罐用钢研制开发W舞钢

图6a18mm钢板韧性曲线图6b38mm钢板韧性曲线

图6c50mm钢板韧性曲线图6d38mm钢板晶状断面率曲线图6e38mm钢板钢板侧膨胀曲线

图6冲击性能随温度转变曲线大罐用钢研制开发W舞钢试制钢板的实物水平

力学性能（自检数据）

钢板韧脆性转变温度

12MnNiVR(WY610D)钢板不同规格冲击功均满足对钢板的技术要求，且纵横向试样差异较小，钢的韧脆性转变温度较低。

板厚，mm方向VTE/℃VTS/℃VT80/℃VT0.38/℃18纵<-60-<-80-横--<-80-38纵<-60<-60<-70<-80横<-60<-50<-70<-80大罐用钢研制开发W舞钢试制钢板的实物水平

消除应力热处理工艺对钢板的影响（自检数据）以上结果可看出，经不同温度应力消除热处理后钢板的强度和冲击功无明显变化。可以认为

12MnNiVR钢板在560℃～620℃SR处理温度范围内选择SR处理温度均是可行的。大罐用钢研制开发W舞钢试制钢板的实物水平钢板焊接性能（合肥通用机械研究所数据）

斜Y型坡口焊接裂纹试验试验结果:从斜Y坡口焊接裂纹的试验结果可见，12MnNiVR钢板在预热至75℃时，钢板无冷裂纹倾向。大罐用钢研制开发W舞钢试制钢板的实物水平钢板焊接性能（合肥通用机械研究所数据）比较常用压力容器用钢的再热裂纹敏感性

:可见，12MnNiVR钢的临界断裂初应力与14MnMoNbB和07MnCrMoVR相当，再热裂纹敏感温度较其他钢种低。大罐用钢研制开发W舞钢试制钢板的实物水平钢板焊接性能（合肥通用机械研究所数据）焊接线能量试验(38mm规格):注：冷弯试验结果全部合格结果表明，焊接线能量在30KJ/cm~50KJ/cm范围内，焊接接头的抗拉强度没有变化，焊缝金属和焊接热影响区的冲击功基本不变因此焊接线能量在30KJ/cm~50KJ/cm范围内时，焊接接头的强度和韧性均能满足要求。

大罐用钢研制开发W舞钢试制钢板的实物水平钢板焊接性能（合肥通用机械研究所数据）埋弧自动焊焊接试验

：选用38mm厚的12MnNiVR钢板进行埋弧自动焊，焊接材料为日本新日铁公司生产的焊丝Y-E加焊剂NF310（350℃×2小时的烘干，150℃保温），坡口为V型（60°），按照大型储罐常用的焊接方法进行横焊位置进行施焊，焊接线能量为35~45KJ/cm。焊接接头力学性能试验结果

大罐用钢研制开发W舞钢试制钢板的实物水平钢板焊接性能（合肥通用机械研究所数据）埋弧自动焊焊接试验

：

埋弧横焊焊接接头焊态系列温度冲击试验结果

大罐用钢研制开发W舞钢试制钢板的实物水平

钢板焊接性能（合肥通用机械研究所数据）

气电立焊焊接接头力学性能试验

选用38mm厚的12MnNiVR钢板进行气电立焊，其拉伸、冷弯试验结果见下表。

大罐用钢研制开发W舞钢试制钢板的实物水平

钢板焊接性能（合肥通用机械研究所数据）

气电立焊焊接接头力学性能试验焊态系列温度冲击试验结果（100KJ/cm）

大罐用钢研制开发W舞钢试制钢板的实物水平抗硫化氢能力试验（合肥通用机械研究所数据）

钢板母材及焊接接头硫化氢应力腐蚀试验

试验按照标准GB4157-1984进行，试样在720小时不发生断裂的最高应力称为“临界拉伸应力σth”。母材的SR态试验结果为σth=0.85σs；焊接接头的SR试验结果为σth=0.75σs。结果表明，12MnNiVR钢有较强的抗硫化氢应力腐蚀能力。

大罐用钢研制开发W舞钢试制钢板的实物水平

抗硫化氢能力试验（合肥通用机械研究所数据）氢致开裂（HIC）试验

试验材料为舞公司的12MnNiVR钢板，厚度分别为18mm和38mm。试样的数量和取样位置及尺寸按照NACETM0284-1996的规定执行。试验溶液为0.5%HAC+5%NaCl+饱和硫化氢水溶液（ph=2.7）。试验溶液开始的pH测试值为2.7,结束后溶液的pH测试值为3.9。HIC的试验结果按NACETM0284-1996要求评定，其中裂纹敏感率（CSR）、裂纹长度敏感率（CLR）、裂纹厚度敏感率（CTR）具体的试验结果均为0，试样表面有少量的氢鼓泡，内部无任何开裂情况，表明舞钢生产的12MnNiVR钢板具有良好的抗氢致开裂性能。大罐用钢研制开发W舞钢试制钢板的实物水平

外压设计曲线试验研究

（浙江工业大学化机研究所数据）依外压容器失稳计算的理论背景和设计根据，根据压力容器标准化委员会的要求，对外压曲线进行了试验研究和外压设计曲线图的绘制，取稳定安全系数m为3.0，即线图的横坐标A=ε的情况下，纵坐标为B=σ/1.5，并将坐标全部转换为对数坐标，得到外压设计曲线图（见图4）大罐用钢研制开发W舞钢国内外同类钢实物性能对比

钢板拉伸性能实物对比

由对比结果可知，12MnNiVR钢板强度略高于SPV490Q。

大罐用钢研制开发W舞钢

国内外同类钢实物性能对比1

钢板冲击性能实物对比由结果可见，舞钢12MnNiVR钢板冲击性能优良,-60℃横向冲击性能仍具有较高的水平。冲击韧性达到国际领先水平。

大罐用钢研制开发W舞钢

国内外同类钢实物性能对比

大线能量焊接接头热影响区冲击韧性对比

从对比表结果看，在100KJ/cm焊接线能量施焊条件下，舞钢12MnNiVR(WY610D)钢板热影响区的冲击韧性接近于国内同类钢，高于日本的SPV490Q。

大罐用钢研制开发W舞钢钢种试样临界拉伸应力σth12MnNiVR(WY610D)母材0.85σs焊接接头0.75σs国内同类钢母材0.69σs国内外同类钢实物性能对比

抗硫化氢应力腐蚀性能对比结果表明，舞钢12MnNiVR(WY610D)钢板具有较好的抗硫化氢应力腐蚀性能。大罐用钢研制开发W舞钢存在问题及讨论

存在问题舞钢研制大线能量焊接储油罐用钢板，调质后各项性能良好，焊接线能量50KJ/cm情况下在焊接评定中仍拥有优于国内及国内及国外同类钢的优良性能，但大线能量（≥100KJ/cm）焊接后，虽各项性能仍可满足标准要求，但韧性有所下降，舞钢在以后的生产中将使进一步提高实物韧性水平。大罐用钢研制开发W舞钢存在问题及讨论讨论分析细化母材钢板晶粒，优化母材及焊后组织是保证焊后综合性能的关键。为保证焊接效率而采用的高能量输入性焊接，使钢板会因投入的焊接能量而暴露在高温中，焊接后的冷却会随之变慢，结果焊接热影响区的结晶颗粒变得粗大，同时出现被称为上贝氏体的组织，恶化钢板的韧性，使钢板韧