大罐用鋼研制開發W舞鋼大型儲罐用鋼的研制開發

（邯鋼集團）舞陽鋼鐵有限責任公司科技部

二OO四年四月五日大罐用鋼研制開發W舞鋼

目錄

企業概況

前言

大型儲罐用鋼的主要技術要求大型儲罐用鋼的設計生產工藝流程

質量保證措施實物水平國內外同類鋼實物性能對比

存在問題及討論

結束語

大罐用鋼研制開發W舞鋼

企業概況舞陽鋼鐵有限責任公司(以下簡稱舞鋼)始建于1970年11月，是我國重要的特寬特厚鋼板科研和生產基地，現已形成“電爐——爐外精煉——連鑄（模鑄）——軋制——熱處理——精整”較為先進水平的短流程生產線，具備了年產電爐鋼100萬噸，鋼板80萬噸的生產能力。舞鋼堅持“人無我有，人有我優，人優我特，人特我精”的質量方針，建立健全了質量保證體系，按照ISO9002標準建立起來的質量保證體系已通過權威第三方機構的認證。近30年來，舞鋼在寬厚板生產方面通過不斷優化工藝、開發品種、提高質量，現已形成12大產品系列、300多個國內外牌號的生產能力，榮獲多個科技成果獎和榮譽稱號。如16MnR、20g寬厚板和高強船板均榮獲我國冶金產品的最高獎項——國家冶金產品實物質量金杯獎。舞鋼寬厚板的主體是高技術含量、高附加值特性的產品。舞鋼產品在國內和國際市場上有較強的競爭力，多數產品用于國家重大技術裝備項目、國防軍工和國民經濟的重要部門，而且每年還向德國、美國、日本、加拿大等發達國家出口近10萬噸特厚板。

大罐用鋼研制開發W舞鋼

大罐用鋼研制開發W舞鋼

舞鋼產品工藝流程圖大罐用鋼研制開發W舞鋼

1.主體工藝裝備

90噸超高功率電爐

75噸高功率電爐大罐用鋼研制開發W舞鋼

90噸LF精煉爐90噸LF/VD真空精煉爐大罐用鋼研制開發W舞鋼扁鋼錠模鑄生產線

300*1900mm大型板坯連鑄機

大罐用鋼研制開發W舞鋼

均熱爐連續式加熱爐大罐用鋼研制開發W舞鋼

高壓水除鱗裝置四米二軋機大罐用鋼研制開發W舞鋼

液壓AGC厚度自動控制裝置

ACC控冷裝置

大罐用鋼研制開發W舞鋼

輥底式?；癄t

外部機械化爐

大罐用鋼研制開發W舞鋼新型滾切式雙邊剪

九輥熱矯直機

大罐用鋼研制開發W舞鋼翻板機25000KN壓平機大罐用鋼研制開發W舞鋼

大罐用鋼研制開發W舞鋼

大罐用鋼研制開發W舞鋼

前言

隨著低合金高強鋼的發展及在工程方面的廣泛應用，工程鋼結構日趨大型化和輕量化，如大型儲油罐、大型球罐和采油平臺等大型工程結構的建設，為提高生產效率對鋼板及其焊接技術提出了更高更新的要求，大型儲罐用鋼技術的應用已成為近年來國內外大型工程鋼結構制作廠家、科研機構和冶金行業共同研究開發的課題。近幾年內我國對大型儲罐用鋼的需求將大幅度增加。，國內已有的生產能力不能滿足工程的實際需求量，且在板面的寬度上受到了裝備能力的限制，只能生產2500mm以內的鋼板，無法滿足工程對更大寬度鋼板的需求。鑒此，舞鋼利用工藝和裝備優勢，積極開展了對大型儲罐用鋼的研究。2001年底完成了12MnNiVR（WY610D）調質高強鋼的冶煉、軋制和熱處理，2002年初對鋼板進行了系統檢驗，并委托合肥通用機械研究所對鋼的各項性能進行了評定。于2002年中旬通過了國家容標委評審。報告著重介紹了12MnNiV（WY610D）鋼的成分設計思路、生產工藝流程、產品實物水平及12MnNiV（WY610D）鋼的焊接性能和抗應力腐蝕性能等，以供在座各位專家和同行對鋼的性能進行綜合評價。

大罐用鋼研制開發W舞鋼12MnNiVR(WY610D)鋼主要技術要求

技術條件編號：Q/WTB17-2001。舞鋼12MnNiVR(WY610D)鋼技術條件是參照GB150及日本JISG3115制定的，與GB150及JISG3115相比，進一步降低了磷、硫含量和焊接冷裂紋敏感組成Pcm值，沖擊值有較大幅度的提高。對照國標GB19189-2003壓力容器用調質高強度鋼板12MnNiVR鋼要求，12MnNiVR(WY610D)鋼技術條件”也具有較為先進水平，其先進性主要為：對化學成分P、S有害元素及裂紋敏感系數有較為嚴格的控制：P≤0.015，S≤0.008。鋼板-20℃橫向沖擊功平均值≥80J，國標中12MnNiVR鋼沖擊標準為-20℃沖擊功平均值≥47J；鋼板滿足大線能量焊接要求。

大罐用鋼研制開發W舞鋼12MnNiVR(WY610D)鋼主要技術要求化學成分

注：焊接裂紋敏感性組分Pcm(wt%)＝C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B。冶煉方法：電爐冶煉+爐外精煉+真空處理。交貨狀態：調質

大罐用鋼研制開發W舞鋼12MnNiVR(WY610D)鋼主要技術要求鋼板的力學和工藝性能規定

大線能量焊接要求：當鋼板以大線能量焊接用鋼交貨時，焊接線能量在≤100KJ/cm條件下焊接熱影響區的沖擊吸收功為-20℃Akv≥31J。

其它要求:應符合GB6654標準的相應規定。

大罐用鋼研制開發W舞鋼

工藝設計原則：具有良好的強韌性能；具有良好的焊接性；滿足大線能量（100KJ/cm）焊接條件下對焊接熱影響區強度和韌性的要求;具有良好的抗HIC和抗硫化氫腐蝕性能；具有良好的內部質量。12MnNiVR（WY610D）鋼的設計大罐用鋼研制開發W舞鋼

12MnNiVR（WY610D）鋼的設計

成分設計思路：

以C-Si-Mn合金化基礎，輔之以Mo、V、B、Ni、Ti等微合金化元素。添加Ni、V、Ti進行細化晶粒、提高強韌性；添加V、Mo提高鋼在高溫加熱及熱處理的熱穩定性；添加Ni、Mo、B尤其B在含量很小的情況下即可顯著提高鋼的淬透性并保證鋼的淬透深度；微量的B和Ti在鋼中在保證淬透性的同時，Ti所生成的TIN質點使鋼在≥100KJ的大線能量下也能表現出良好的熔合線韌性。規定P不大于0.012%，S不大于0.005%，以提高鋼的純凈度，進而改善鋼的塑性、韌性、彎曲加工、焊接、抗腐蝕等性能等。合理的調質熱處理制度，得到滿足鋼板力學性能和大線能量焊接要求的組織馬氏體加少量貝氏體結構。

大罐用鋼研制開發W舞鋼

12MnNiVR（WY610D）鋼的設計

研制鋼板規格

根據實際工程應用需要，主要試制了以下4個規格（mm）

：

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

大罐用鋼研制開發W舞鋼

12MnNiVR（WY610D）鋼的設計

熱處理工藝設計

12MnNiVR(WY610D)鋼淬火工藝：為獲得強韌性配合良好低碳馬氏體與少量貝氏體的混合組織。試制中選取淬火溫度為930℃。淬火組織見圖3（試樣38mm板樣）。a930℃?組織b930℃?組織930℃淬火溫度下的金相組織×500

大罐用鋼研制開發W舞鋼

12MnNiVR（WY610D）鋼的設計

熱處理工藝設計

12MnNiVR(WY610D)鋼回火工藝：38mm厚鋼板930℃水淬后系列回火試驗

圖4不同回火制度下的的性能曲線

試驗結果表明：650℃～700℃范圍內，鋼板均具有良好的沖擊韌性且鋼板的-20℃沖擊功較標準有很高的富裕量。故確定鋼板的調質工藝為：淬火溫度：930℃；回火溫度：680℃.

大罐用鋼研制開發W舞鋼

電爐冶煉→LF/VD真空爐外精煉→Ca處理→模鑄/連鑄→錠、坯清理→加熱→軋制→調質→精整→探傷→取樣、檢驗→入庫。

生產工藝流程大罐用鋼研制開發W舞鋼

嚴格爐料分選，實行精料方針。強化精煉操作,鋼水精煉、喂絲與真空脫氣相結合，深脫硫，控夾雜。采取保護澆注措施，嚴防鋼水污染和二次氧化。微合金化與控軋工藝相結合充分挖掘強韌化效果。合理利用調質設備及工藝，改善組織，強化調質效果。

質量保證措施大罐用鋼研制開發W舞鋼

化學成分

氣體含量分析試制鋼板的實物水平

位置CSiMnPS邊部0.140.331.420.0100.003?寬0.140.331.400.0110.003?寬0.130.341.410.0100.003NO0.00640.0013大罐用鋼研制開發W舞鋼試制鋼板的實物水平

顯微夾雜

酸浸低倍檢驗

A類B類C類D類0.51.01.00.5規格mm一般疏松中心疏松偏析白點中心硫輸送點狀偏析其它缺陷18無0.5無無無無無380.50.5無無無無無500.50.5無無無無無大罐用鋼研制開發W舞鋼試制鋼板的實物水平

a18mm鋼板酸浸低倍組織b38mm鋼板酸浸低倍組織c50mm鋼板酸浸低倍組織酸浸低倍組織照片

大罐用鋼研制開發W舞鋼

試制鋼板的實物水平

斷口檢驗

采用GB2971對鋼板進行了斷口檢驗，a18mm板斷口組織b38mm板斷口組織c50mm板斷口組織

大罐用鋼研制開發W舞鋼試制鋼板的實物水平

冶金質量

鋼板不同部位的成分均勻，偏析輕微；鋼中氣體含量較低，顯微夾雜含量很低；酸浸低倍組織致密，鋼中無氣泡、裂紋等宏觀缺陷，疏松、偏析輕微，反映了鋼板具有良好的內部質量。斷口組織致密，無分層、孔洞、白點、夾雜等宏觀缺陷；

大罐用鋼研制開發W舞鋼試制鋼板的實物水平

物理性能

鋼板的密度:D=7.84g/cm3線膨脹系數:臨界點:

溫度℃20～10020～20020～30020～40020～50020～60020～700α×10-6/℃9.2512.6613.8514.5214.8314.6814.44Ac1Ac3Ar1Ar3Ms695897626787396大罐用鋼研制開發W舞鋼試制鋼板的實物水平

力學性能（自檢數據）鋼板室溫拉伸性能

數據表明，鋼板具有良好的室溫拉伸性能；頭尾性能均勻，各向異性很?。缓穸确较蚶煨阅軆灹?。位置試樣方向18mm38mm50mmσsMPaσbMPaδ5%Ψ%σsMPaσbMpaδ5%Ψ%σsMPaσbMPaδ5%Ψ%頭部縱向585670256459068024745706802371橫向5606652469565670237255064522厚度696169尾部縱向580665246658569024735856702274橫向560660226257067024765406502074厚度686268大罐用鋼研制開發W舞鋼試制鋼板的實物水平

力學性能（自檢數據）

系列溫度拉伸性能

圖5系列溫度拉伸曲線圖100℃150℃200℃250℃300℃350℃400℃450℃500℃σ0.2（Mpa）490520480505490465485455410δ5（%）202021192326242223由圖5可以看出，隨試驗溫度升高，試樣強度下降趨勢較緩，塑性有所提高，表明12MnNiVR(WY610D)鋼板具有穩定的中溫拉伸性能。大罐用鋼研制開發W舞鋼試制鋼板的實物水平

力學性能（自檢數據）

沖擊韌性（試樣均取自板厚1/4處）

12MnNiVR(WY610D)鋼板沖擊韌性(18mm)12MnNiVR(WY610D)鋼板沖擊韌性(50mm)

試驗溫度℃縱向AKV（J）橫向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）試驗溫度℃縱向AKV（J）橫向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）大罐用鋼研制開發W舞鋼

試驗方向試驗溫度℃沖擊功AKV（J）側膨脹mm晶狀斷面率%縱向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橫向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試制鋼板的實物水平

力學性能（自檢數據）

12MnNiVR(WY610D)鋼板沖擊性能(38mm)大罐用鋼研制開發W舞鋼

圖6a18mm鋼板韌性曲線圖6b38mm鋼板韌性曲線

圖6c50mm鋼板韌性曲線圖6d38mm鋼板晶狀斷面率曲線圖6e38mm鋼板鋼板側膨脹曲線

圖6沖擊性能隨溫度轉變曲線大罐用鋼研制開發W舞鋼試制鋼板的實物水平

力學性能（自檢數據）

鋼板韌脆性轉變溫度

12MnNiVR(WY610D)鋼板不同規格沖擊功均滿足對鋼板的技術要求，且縱橫向試樣差異較小，鋼的韌脆性轉變溫度較低。

板厚，mm方向VTE/℃VTS/℃VT80/℃VT0.38/℃18縱<-60-<-80-橫--<-80-38縱<-60<-60<-70<-80橫<-60<-50<-70<-80大罐用鋼研制開發W舞鋼試制鋼板的實物水平

消除應力熱處理工藝對鋼板的影響（自檢數據）以上結果可看出，經不同溫度應力消除熱處理后鋼板的強度和沖擊功無明顯變化?？梢哉J為

12MnNiVR鋼板在560℃～620℃SR處理溫度范圍內選擇SR處理溫度均是可行的。大罐用鋼研制開發W舞鋼試制鋼板的實物水平鋼板焊接性能（合肥通用機械研究所數據）

斜Y型坡口焊接裂紋試驗試驗結果:從斜Y坡口焊接裂紋的試驗結果可見，12MnNiVR鋼板在預熱至75℃時，鋼板無冷裂紋傾向。大罐用鋼研制開發W舞鋼試制鋼板的實物水平鋼板焊接性能（合肥通用機械研究所數據）比較常用壓力容器用鋼的再熱裂紋敏感性

:可見，12MnNiVR鋼的臨界斷裂初應力與14MnMoNbB和07MnCrMoVR相當，再熱裂紋敏感溫度較其他鋼種低。大罐用鋼研制開發W舞鋼試制鋼板的實物水平鋼板焊接性能（合肥通用機械研究所數據）焊接線能量試驗(38mm規格):注：冷彎試驗結果全部合格結果表明，焊接線能量在30KJ/cm~50KJ/cm范圍內，焊接接頭的抗拉強度沒有變化，焊縫金屬和焊接熱影響區的沖擊功基本不變因此焊接線能量在30KJ/cm~50KJ/cm范圍內時，焊接接頭的強度和韌性均能滿足要求。

大罐用鋼研制開發W舞鋼試制鋼板的實物水平鋼板焊接性能（合肥通用機械研究所數據）埋弧自動焊焊接試驗

：選用38mm厚的12MnNiVR鋼板進行埋弧自動焊，焊接材料為日本新日鐵公司生產的焊絲Y-E加焊劑NF310（350℃×2小時的烘干，150℃保溫），坡口為V型（60°），按照大型儲罐常用的焊接方法進行橫焊位置進行施焊，焊接線能量為35~45KJ/cm。焊接接頭力學性能試驗結果

大罐用鋼研制開發W舞鋼試制鋼板的實物水平鋼板焊接性能（合肥通用機械研究所數據）埋弧自動焊焊接試驗

：

埋弧橫焊焊接接頭焊態系列溫度沖擊試驗結果

大罐用鋼研制開發W舞鋼試制鋼板的實物水平

鋼板焊接性能（合肥通用機械研究所數據）

氣電立焊焊接接頭力學性能試驗

選用38mm厚的12MnNiVR鋼板進行氣電立焊，其拉伸、冷彎試驗結果見下表。

大罐用鋼研制開發W舞鋼試制鋼板的實物水平

鋼板焊接性能（合肥通用機械研究所數據）

氣電立焊焊接接頭力學性能試驗焊態系列溫度沖擊試驗結果（100KJ/cm）

大罐用鋼研制開發W舞鋼試制鋼板的實物水平抗硫化氫能力試驗（合肥通用機械研究所數據）

鋼板母材及焊接接頭硫化氫應力腐蝕試驗

試驗按照標準GB4157-1984進行，試樣在720小時不發生斷裂的最高應力稱為“臨界拉伸應力σth”。母材的SR態試驗結果為σth=0.85σs；焊接接頭的SR試驗結果為σth=0.75σs。結果表明，12MnNiVR鋼有較強的抗硫化氫應力腐蝕能力。

大罐用鋼研制開發W舞鋼試制鋼板的實物水平

抗硫化氫能力試驗（合肥通用機械研究所數據）氫致開裂（HIC）試驗

試驗材料為舞公司的12MnNiVR鋼板，厚度分別為18mm和38mm。試樣的數量和取樣位置及尺寸按照NACETM0284-1996的規定執行。試驗溶液為0.5%HAC+5%NaCl+飽和硫化氫水溶液（ph=2.7）。試驗溶液開始的pH測試值為2.7,結束后溶液的pH測試值為3.9。HIC的試驗結果按NACETM0284-1996要求評定，其中裂紋敏感率（CSR）、裂紋長度敏感率（CLR）、裂紋厚度敏感率（CTR）具體的試驗結果均為0，試樣表面有少量的氫鼓泡，內部無任何開裂情況，表明舞鋼生產的12MnNiVR鋼板具有良好的抗氫致開裂性能。大罐用鋼研制開發W舞鋼試制鋼板的實物水平

外壓設計曲線試驗研究

（浙江工業大學化機研究所數據）依外壓容器失穩計算的理論背景和設計根據，根據壓力容器標準化委員會的要求，對外壓曲線進行了試驗研究和外壓設計曲線圖的繪制，取穩定安全系數m為3.0，即線圖的橫坐標A=ε的情況下，縱坐標為B=σ/1.5，并將坐標全部轉換為對數坐標，得到外壓設計曲線圖（見圖4）大罐用鋼研制開發W舞鋼國內外同類鋼實物性能對比

鋼板拉伸性能實物對比

由對比結果可知，12MnNiVR鋼板強度略高于SPV490Q。

大罐用鋼研制開發W舞鋼

國內外同類鋼實物性能對比1

鋼板沖擊性能實物對比由結果可見，舞鋼12MnNiVR鋼板沖擊性能優良,-60℃橫向沖擊性能仍具有較高的水平。沖擊韌性達到國際領先水平。

大罐用鋼研制開發W舞鋼

國內外同類鋼實物性能對比

大線能量焊接接頭熱影響區沖擊韌性對比

從對比表結果看，在100KJ/cm焊接線能量施焊條件下，舞鋼12MnNiVR(WY610D)鋼板熱影響區的沖擊韌性接近于國內同類鋼，高于日本的SPV490Q。

大罐用鋼研制開發W舞鋼鋼種試樣臨界拉伸應力σth12MnNiVR(WY610D)母材0.85σs焊接接頭0.75σs國內同類鋼母材0.69σs國內外同類鋼實物性能對比

抗硫化氫應力腐蝕性能對比結果表明，舞鋼12MnNiVR(WY610D)鋼板具有較好的抗硫化氫應力腐蝕性能。大罐用鋼研制開發W舞鋼存在問題及討論

存在問題舞鋼研制大線能量焊接儲油罐用鋼板，調質后各項性能良好，焊接線能量50KJ/cm情況下在焊接評定中仍擁有優于國內及國內及國外同類鋼的優良性能，但大線能量（≥100KJ/cm）焊接后，雖各項性能仍可滿足標準要求，但韌性有所下降，舞鋼在以后的生產中將使進一步提高實物韌性水平。大罐用鋼研制開發W舞鋼存在問題及討論討論分析細化母材鋼板晶粒，優化母材及焊后組織是保證焊后綜合性能的關鍵。為保證焊接效率而采用的高能量輸入性焊接，使鋼板會因投入的焊接能量而暴露在高溫中，焊接后的冷卻會隨之變慢，結果焊接熱影響區的結晶顆粒變得粗大，同時出現被稱為上貝氏體的組織，惡化鋼板的韌性，使鋼板韌