大型3.5%Ni型低温超纯净钢锻件的工艺与性能

杜军毅

(二重(德阳)重型装备有限公司，四川德阳 618000)

0 引言

近年来，随着大型乙烯、液化天然气、海洋装备等新型清洁能源产业的发展，低温容器成为压力容器行业重要分支，有力地推动了低温领域的技术进步。3.5%Ni型钢因其在-120～-80 ℃具有良好的低温韧性，成为石油、空分制氧、液化天然气储罐以及大型乙烯装置低温压力容器的主要用钢。

3.5%Ni钢属体心立方晶格铁素体型金属材料，能否均质、有效满足-100 ℃低温韧性KV2指标，成为3.5%Ni制造的关键难题和低温容器安全使用的最为重要的指标。由于该类钢冶炼、轧制、锻造和热处理技术难度较高，长期以来，含镍低温钢主要由日本、德国、美国等少数几个国家制造[1-4]。国产-100 ℃以下低温用钢制造领域，研发上相对缓慢，直至2011年后才得到了实际应用，目前，主要限制于100 mm以下板焊容器制造和150 mm钢板研发，大锻件研究属全新领域[5-9]。

为承制大型低温容器及其关键大锻件，投制了1支69 t钢包精炼、真空除气+真空浇注钢锭，锻透压实后，制造出∅1 520 mm×295 mm(壁厚)×2 500 mm(高度)、重量33 t的试验筒体锻件。通过连续冷却转变曲线、工艺参数测试研究，制定出合理的、窄范围操作的热处理工艺参数，经制造、解剖、检验，该筒体锻件的化学成分和力学性能均满足设备的技术要求，且成分和力学性能的均匀性良好。通过近几年的研制，生产了多套满足不同应用介质的低温容器及其大锻件。

1 研制的主要技术要求

容器外壳钢采用3.5%Ni锻件制造，并应具有高的低温韧性、适当强度及均质性，同时焊接性能良好。

1.1 化学成分

锻件的化学成分应符合表1规定。

表1 3.5%Ni钢锻件的化学成分要求Tab.1 Chemical composition requirements of 3.5%Ni steel forgings %

1.2 力学性能

(1) 调质后，在锻件t×2t位置取样，经(600±5) ℃×12 h最大模拟焊后热处理(max.PWHT)后，锻件的室温拉伸性能应满足：抗拉强度Rm=485～655 MPa，屈服强度Rp0.2≥260 MPa，伸长率A≥22%，断面收缩率Z≥35%； 锻件-100 ℃夏比V型冲击性能应满足：KV2≥48 J(3个试样平均值)，KV2≥34 J(单个试样最小值)，硬度值不超过237HBW(t×2t中t表示最近的热处理表面距离最高拉应力区的距离，本文为20 mm；t×2t表示截取的试样纵轴离锻件最近的热处理表面至少等于t(20 mm)，且试样长度的中线到其他热处理表面至少为2t(40 mm))。

(2)为考核母材锻件力学性能的均匀性，分别在水口端t×2t,t×1/2T部位，以及冒口端距离筒体外表面T×1/4T,T×1/2T,T×3/4T的部位，相对180°取样进行检验(t×1/2T部位表示取试样的纵向轴线距筒体外表面的距离至少应为壁厚的1/2，试样的有效部分距离热处理端面的距离至少为t(20 mm)；T×1/4T表示取试试样的纵向轴线距筒体外表面的距离至少应为壁厚的1/4，试样的有效部分距离热处理端面的距离至少为T；T×1/2T，T×3/4T以此类推；T为锻件壁厚，本文锻件实际厚度为290 mm)。

1.3 晶粒度

按ASTM E 112法测定晶粒度，锻件奥氏体晶粒度应为5级以上(含5级)。

1.4 夹杂物

按照 GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》规定的 B 法进行非金属夹杂物评定，锻件的硫化物类(A 类)、氧化铝类(B 类)、硅酸盐类(C 类)及球状氧化物类(D 类)、单颗粒球状类(DS 类)均不得大于 1.5 级，且应满足A+C≤2.0，B+D≤2.0，A+B+C+D+DS≤4.5 级。

2 研制过程

2.1 工艺流程

3.5%Ni低温钢试验筒体锻件工艺流程如下： 冶炼→锻造→锻后热处理→粗加工以及性能热处理前的超声检测→切环、工艺参数试验→性能热处理→性能检验与解剖→加工超声检测→研制报告。

2.2 冶炼工艺要点

首件试制的钢锭重量为69 t，为满足低温韧性要求，提高厚壁锻件的淬透性，保证锻件的力学性能，采取了以下化学成分内控和冶炼工艺措施。

2.2.1 化学成分控制

碳以相变强化和固溶强化的形式提高钢的屈服强度和抗拉强度，但却降低了钢的韧性，同时有可能恶化钢的焊接性能[10-11]。为满足-100 ℃低温厚壁容器的锻件以及焊缝的力学性能，必须对碳含量进行控制，研究及工程实践表明：C含量必须控制在0.12%以下。

为了提高钢的低温韧性、弥补降碳量引起的强度损失，将镍含量控制在3.5%～3.75%，适量提高钢中Mn含量，兼顾强度和补偿韧性[12]。已有文献表明[13]： Ni,Mn,C 元素对3.5%Ni 钢的强度贡献可达到308 MPa。为减少厚壁、冷却条件等对淬透性的影响，试验还添加Mo,V等微合金化元素，并降低P,S元素至痕迹含量，以提高材料的强韧性。

2.2.2 钢的冶炼

钢水采用碱性电炉粗炼出P含量达到0.002%以下的钢水，通过倒包方式将钢渣分离，彻底去除氧化渣； 钢水兑入钢包精炼炉后，造高碱度、高温还原渣，进行Si,Al脱氧降低钢水中O含量至0.0012%；通过真空处理，有效降低钢液中的H含量。真空后，加入微合金化元素，通过对微合金化元素控制进行精心设计，对气体元素N的控制、对易氧化元素Al控制作了严格的要求。温度合适后进行真空浇注，使钢达到高纯净钢的要求。

2.3 锻造工艺要点

使用120MN水压机进行3.5%Ni钢锭锻造，锻造温度为1 250～800 ℃。为减少Ni元素显微偏析带来的低温冲击性能波动，锻坯进行了长时间的高温扩散加热；通过采取镦粗、大直径冲子冲孔、拔长相结合的锻造工艺，实现特大壁厚锻件心部的锻透压实。试验筒体分四火完成：第一火：压钳口、倒棱、错底;第二火：镦拔下料，进行宽砧拔长、倒八方→滚圆、下料;第三火：镦粗和冲孔;第四火：扩孔和拔长，进行预扩孔、马杠直接拔长→出成品。

2.4 锻件的热处理

3.5%Ni钢属热处理敏感性钢种。为改善热锻粗大组织、细化3.5%Ni钢锻坯晶粒，实施了锻后热处理工艺。锻件锻后空冷，使过冷奥氏体组织完成转变，随后进行了正火、回火处理。在980 ℃以下正火和650 ℃以下回火。之后，3.5%Ni钢试验筒体锻件粗加工至：内径∅1 520 mm×295 mm(壁厚)×2 500 mm(高度)，按照ASME第八卷2分册及SA-388要求对整个锻件体积进行超声波纵波和横波检测，且对所有表面按ASME第二卷SA-275的要求采用湿式连续发进行磁粉检测。检验结果没有缺陷显示，因此，证明锻件的质量较好。

2.4.1 钢的连续冷却转变CCT曲线测定

采用锻件水口端试料，在LINSEIS L78热膨胀相变仪测定了钢的锻件相变点及连续冷却转变CCT曲线，如图1所示。

A.奥氏体;F.铁素体图1 3.5%Ni低温钢连续冷却转变曲线Fig.1 Continuous cooling transition curve of 3.5%Ni cryogenic steel

该钢种的CCT曲线呈现以下特征：(1)奥氏体化开始温度(Ac1)为680 ℃，奥氏体化终了温度(Ac3)为815 ℃；(2)合金经860 ℃完全奥氏体化以后，冷却速度在10 ℃/s以下时，主要为铁素体+少量珠光体转变，电子显微镜下显微组织为铁素体+少量(残余奥氏体+珠光体)，这说明该钢为铁素体型钢。

2.4.2 钢的热处理参数工艺的确定

性能热处理前，在试验筒节水口端切取试样，在型号为MRⅡ的模拟热处理炉中，进行不同的奥氏体化温度、淬火速度和不同的回火温度、时间下进行试验，其力学性能结果如图2～5所示。

(a)强度

(b)低温韧性图2 不同奥氏体化温度后以85 ℃/min冷却速率对钢的强度、低温韧性影响Fig.2 Influence of 85 ℃/min cooling rate on strength and low-temperature toughness of steel at different austenitizing temperatures

(a)强度

(b)低温韧性图3 不同奥氏体化温度后以20 ℃/min冷却速率对钢的强度、低温韧性影响Fig.3 Influence of 20 ℃/min cooling rate on strength and low-temperature toughness of steel at different austenitizing temperatures

图4 不同回火温度对钢的强度影响Fig.4 Influence of different tempering temperature on steel strength

(a)强度

(b)低温韧性图5 不同回火参数与强度和低温韧性的关系Fig.5 Relationship between different tempering parameters and strength & low-temperature toughness

由图5可以看出，从820～1 030 ℃奥氏体范围内，钢的强度随着淬火温度的提高呈线形提高，尤以室温屈服强度ReL明显。材料的抗拉强度由520 MPa上升至580 MPa，而屈服强度则由320 MPa上升至460 MPa；而钢的韧性随着淬火温度的提高，钢的韧性呈抛物线变化，当正火温度从820 ℃升高到880 ℃时韧性有了大幅提高。当达到1 000 ℃以后，钢的韧性下降很快，KV2值下降至20 J以下。

同时，奥氏体温度、回火参数(温度和时间)，尤其是奥氏体化后的冷却速度对钢的强度和低温冲击产生很大的影响，但其对强度、韧性影响规律不变。结合钢的晶粒度试验变化规律，3.5%Ni钢锻件淬火温度应当在840～900 ℃。

钢锻件不同回火温度对强度影响试验可以看出，在400～640 ℃回火温度范围内，随着回火温度的提高，钢的强度呈线形缓慢下降趋势变化；达到640 ℃以后，随着回火温度的进一步提高，钢的强度陡然提高。如果以回火参数Larson-Miller参数式P=T(20+lgt)×10-3来表述与强度、韧性的关系，其最佳P值为18.4～19.4之间。当回火温度达到670 ℃时，材料的屈服强度ReL提高至440 MPa，抗拉强度提高至600 MPa的异常效果。

说明3.5%Ni钢在640 ℃以下回火稳定性较高，最佳回火温度应在600～640 ℃，最佳回火参数P值为18.4～19.4。但当回火温度达到670 ℃以上时，可能使材料的韧性恶化。

2.4.3 锻件的热处理参数工艺的确定

根据试验结果：3.5%Ni钢是以铁素体组织为基底的钢种，为获得良好的综合力学性能，合理地选择热处理参数(奥氏体化温度和淬火冷却速度)尤为重要。提高锻件冷却速率可以使有限的强化产物组织转变,奥氏体化后的冷却速率越大，获得冲击韧性最大值的回火条件就向高温和长时间方向扩大，并且冲击韧性值也提高。因此，为了确保厚壁3.5%Ni钢锻件的冲击韧性指标，3.5%Ni钢试验筒体锻件的性能热处理为820～890 ℃保温至完全奥氏体化以后，在大型水槽中强冷至80 ℃以下，之后在600～640 ℃温度进行回火。

3 锻件的解剖检测结果

性能热处理后，分别在3.5%Ni钢试验筒体锻件水口端、冒口端切取试环进行理化性能检验，其检验结果如下。

3.1 化学成分

试验筒体不同部位的化学成分结果见表2。

表2 试验筒体不同部位的化学成分Tab.2 Chemical composition of different location of test cylinder (%)

3.2 力学性能

在试验筒体上水冒口两端制取试样，经过最大模拟焊后热处理(max.PWHT)后，进行不同层位、不同试验方向的室温拉伸试验和-100 ℃夏比冲击性能试验以及硬度试验，其硬度为HB154～HB163,平均值为HB161,各部位室温拉伸和-100 ℃夏比冲击性能试验结果如图6,7所示。

(a)纵向拉伸

(b)纵向冲击图6 试验筒体锻件水口端纵向拉伸和冲击性能试验结果Fig.6 Test results of longitudinal tensile and impact performance of the nozzle end of the test cylinder forgings

(a)冒口端纵向和横向拉伸结果

(b)冒口端-100 ℃夏比冲击图7 试验筒体冒口端纵、横向拉伸和-100 ℃夏比冲击性能试验结果Fig.7 Test results of longitudinal and transverse tensile and Charpy impact performance at -100 ℃ of top end of test cylinder

3.3 金相试验

从试验筒体上水冒口两端不同部位制取试样，按技术条件要求分别进行显微组织、奥氏体晶粒度、非金属夹杂物测定。其非金属夹杂物粗系、细系检测结果为0.5～1级；奥氏体晶粒度为7.5～8.5级，显微组织为铁素体+少量(珠光体+碳化物)，如图8，9所示。

图8 试验筒体各部位晶粒度试验结果Fig.8 Grain size test results of various parts of the test cylinder

(a)OM 200×

(b)SEM 10 000×图9 3.5%Ni钢锻件调质后显微组织Fig.9 Microstructure of 3.5%Ni steel forging after quenching and tempering

3.4 上平台吸收能量及韧脆转变温度试验

在试验筒体冒口端不同层位制取试样，经过最大模拟焊后热处理(max.PWHT)后，在-40～-140 ℃的温度下，进行纵向的上平台吸收能量及钢的韧脆转变温度试验，其结果如表3所示。

表3 试验筒体的上平台冲击吸收能量及韧脆转变温度试验结果Tab.3 Test results of upper platform absorb energy and ductile brittle transition temperature of test cylinder

4 结果分析与产品验证

4.1 结果分析

从表1～3和图6～9可看出，试验筒体锻件的各项性能指标满足锻件技术条件的要求。

从表2可以看出，试验筒体锻件各部位的化学元素的偏差很小，磷、硫、铜、氧等有害元素含量低，各化学元素成分含量达到了设计要求，为获得优质性能锻件打下基础。 从图6可以看出，试验筒体锻件各部位的力学性能均明显高于锻件技术条件的要求，其中，t×2t与T×1/4T部位ReL最低值为428,367 MPa，t×2t与T×1/4T部位Rm最低值也有530,519 MPa。不但钢的强度指标理想(如冒口T×1/4T部位ReL平均值为384 MPa,内外层平均偏差值不超过5%) ，而且韧塑性指标良好。同时，同一截面上不同部位、不同方向的力学性能相近，没有明显的差异，说明锻件均质性高，表现出优良的综合力学性能。

试验筒体不同部位的硬度值为156HBW～166HBW，满足技术条件要求，波动非常小。图8，图9以及非金属夹杂物的试验结果表明，试验筒体锻件各部位的显微组织相同，晶粒细小，按照McQuaid-Ehn法测定的奥氏体晶粒度均为7.5～8.5级。钢中非金属夹杂物为0.5～1.0级，证明锻件的均质性及纯洁性好。从表3可看出，试验筒体锻件的上平台冲击吸收能量达到261 J以上，性能良好，确保了筒体锻件有充足的安全裕度，其韧脆转变温度在-92～-102 ℃，与-100 ℃冲击韧性测试结果对比，其结果相互印证。

4.2 产品验证

2014年，某公司研制出12台低温涤气器全套大锻件，该容器每台由2个封头和1件筒体组成，内壁堆焊E309+E316L，容器筒体图纸尺寸为：∅1506 mm×245 mm(壁厚)×3 996 mm(长度)，封头设计图纸尺寸为SR808×最小厚度135 mm。2016年2月～2019年10月,又采用相同规格的大锻件成功制造出用于国外工程的6台注射气体压缩吸入洗涤器，见图10。

(a)

5 结论

(1) 3.5%Ni钢锻件试验研究表明，所研发的3.5%Ni纯净钢筒体锻件是成功的，提出了炼钢、锻造和热处理工艺方案是合理的。

(2) 钢的CCT曲线、临界点测定，以及热处理工艺参数研究表明：3.5%Ni钢锻件最佳的淬火温度为820～890 ℃，最佳回火参数P值介于18.4～19.4之间。在640 ℃以下具有较高的回火稳定性，当回火温度达到670 ℃以上时，可能使材料的韧性恶化。

(3) 试验筒体的解剖数据表明：各项理化性能指标满足技术条件要求，锻件性能优良、各向异性小、晶粒细小，具有优良的韧脆转变上平台吸收能量及韧脆转变温度，表现出优良的综合性能。通过近几年的推广应用，所研发的3.5%Ni型低温压力容器钢及配套制造工艺参数完成满足-80～-101 ℃大型厚壁低温容器锻件的要求，其研制水平达到国际先进水平。