从专利技术看JFE低温压力容器用钢的发展

2017-09-18张健苹王慧萍田恩华

河南科技 2017年10期

关键词：贝氏体韧性专利申请

张健苹王慧萍田恩华

张健苹王慧萍田恩华

（国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心，河南郑州450000）

本文以JFE低温压力容器用钢的专利申请为研究对象，对其近年来的技术发展作了梳理，并针对JFE低温压力容器用钢的成分设计、热处理工艺进行了分析，明确了JFE近期研究的热点领域为HIC、CTOD性能，对国内企业的生产、研发具有一定的借鉴意义。

低温压力容器用钢；JFE；专利分析

压力容器通常指最高允许工作压力≥0.1MPa的容器[1]，GB150.3-2001《压力容器》附录E[2]中规定，设计温度低于或等于-20℃的钢制压力容器为低温压力容器。随着石油化工、船舶工程、海洋工程等行业的发展，以及低温技术的进步，低温压力容器用钢的需求不断增长，并且对其力学性能与焊接性能提出了更高的要求[3]。

目前，我国相关制造行业蓬勃发展，对低温压力容器用钢的需求量也与日俱增。目前，国内低温压力容器用钢与国外先进企业相比，在生产成本、低温韧性指标、焊接性能、探伤合格率等方面还存在一定差距。

1 低温压力容器用钢专利重要申请人

杰富意（JFE）钢铁株式会社是世界大型钢铁企业之一，其多项技术处于国际领先水平。其在低温压力容器用钢领域较早开始了专利布局。从其专利技术的演进可了解JFE在低温压力容器用钢领域的研究过程及现状，对国内钢铁企业的相关研究工作具有一定借鉴意义。

本文以德温特（DWPI）数据库收录的世界各国的专利文献为基础，检索低温压力容器用钢的专利申请，截至2016年6月1日已公开的专利文献申请共162件；其中JFE申请量为25件。

图1 JFE低温压力容器用钢技术发展路线

2 JFE低温压力容器用钢技术发展路线

图1为JFE低温压力容器用钢技术发展路线，以下将结合图1对JFE低温压力容器用钢的技术演进进行分析。

2000年以前JFE已开始在低温压力容器用钢领域进行专利申请。2000年至2004年，其专利申请显著增加，主要针对屈服强度420MPa的钢板。钢板采用TMCP/DQ_T工艺生产，主要关注元素为Al、Ti、B、N。该阶段申请的专利公开的低温压力容器用钢板厚度为50～70mm，-40℃冲击功为100J以上，并重点关注了焊缝区域的低温韧性。

2005年至2006年JFE的专利申请主要添加元素除Al、Ti、B外，还添加了Nb、Cr、Mo等，获得了贝氏体为主的显微组织，-40℃低温韧性为100J以上，屈服强度达到510MPa。

2007年至2010年，其主要添加元素仅包含Al、N，钢板显微组织为铁素体贝氏体复合组织，屈服强度达到490MPa。该阶段低温温度等级提高至-80℃级，并对钢板的冷却工艺和显微组织进行了改进。其采用TMCP工艺进行冷却，加速冷却过程中进行一次或多次保持工艺，得到铁素体贝氏体复合组织。

2010至2014年，JFE的专利申请在添加Al、N的基础上，在钢板中还添加了Nb、Ti、Ca或Ni、B等合金元素，并结合回火工艺，获得了-40℃具有100J以上冲击韧性的钢板。其中部分专利文献还关注了CTOD性能。

2014年后，其钢板一般具有-40℃大于200J的冲击韧性，并重点关注HAZ低温韧性、CTOD特性，主要成分设计采用TiN强化的基础上添加Ca、Al等合金元素，并可选地采用450～650℃高温回火的热处理工艺。

3 JFE低温压力容器用钢专利技术特点

由其技术演进过程可知，JFE对低温压力容器用钢的研究呈现明显的阶段性。在早期（2000年—2004年）其采用TMCP工艺，并采用Al、Ti、B、N进行强化，获得低温冲击韧性-40℃大于100J的钢板；中期（2007年—2010年）主要采用Al、N进行强化，并结合冷却工艺的改进，获得具有铁素体贝氏体复合组织的-80℃级低温压力容器用钢；近年来（2014年后）主要采用Ti、N、Al进行强化，并添加一定量的Ca元素，可选地引入高温回火工艺，获得了-40℃冲击功大于200J的低温压力容器用钢板。

在性能指标上，除了常规的强度、冲击韧性等指标，JFE还尤其关注钢材的HIC、CTOD特性。由于CTOD试验使用疲劳预置裂纹，因此极微小的区域都可进行韧性评价。为对CTOD等性能进一步控制，JFE还提出了以下控制指标：

ACR={[Ca]-(0.18+130×[Ca]×[O])}/1.25/[S]……（1）

HCS=5.5[C]4/3+15[P]+0.90[Mn]+0.12[Ni]+0.53[Mo]……（2）

ACR值表示对硫化物形态控制有效的Ca与S的原子浓度之比，可以通过该值推定硫化物的形态，其值设为0～1。HCS是容易富集的成分构成的中心偏析部硬度指标，其值设为2.5以下。

与国内标准相比，JFE对P、S等残余元素的控制更为严格，并充分利用N、B元素的强化作用，提高了低温压力容器用钢的低温温度等级或强度等级；与新日铁相比，JFE使用的合金元素Ni的量较少，显著降低了成本。JFE通过精确控制Al、N、B添加，减少贵重合金元素Ni、Mo、Nb、Ti的使用，在保证钢板力学性能、低温性能的情况下显著降低了生产成本，其成分设计思路值得借鉴。

4 结语

作为行业内的领先企业，JFE的研发方向在一定程度上反映了低温压力容器用钢的技术发展趋势。对Al、N、B元素含量进行精确控制是JFE低温压力容器用钢成分设计的显著特点，并通过优化的控轧控冷或热处理工艺实现对钢材性能的控制。目前HAZ低温韧性的研究已日趋成熟，以JFE为代表的国外大型钢铁企业已将研究重心更多地转移至HIC、CTOD特性上。国内企业可更多地针对新兴的HIC、CTOD等研究热点进行相关实验研究工作，尽早进行专利布局，并进行技术创新。

[1]石莉.亚温正火对A516压力容器力学性能和焊接性能的影响[D].沈阳：东北大学，2013.

[2]GB150-2011《压力容器》[S].北京：中国国家标准化管理委员会，2011.

[3]张勇.低温压力容器用钢的现状与发展概况[J].压力容器，2006，23（4）：31～34.

The Development of Steels used for Low Temperature Pressure Vessel of JFE by Patent Analysis

Zhang Jianping,Wang Huiping1,Tian Enhua
(Patent Examination Cooperation Center of The Patent Office,SIPO,Henan Zhengzhou 450000)

This article works on the patents of JFE to research the development of the steels used for low tempera⁃ture pressure vessel.The analysis is focused on the composition design and the heat treatment process.The result shows that HIC and CTOD have been the hotspots nowadays,which is of significance to the production and re⁃search of the domestic enterprises.

low temperature pressure vessel steels;JFE;patent analysis.