大型球罐钢成份及热处理方法 本发明涉及一种制造大型球罐用钢，特别是高屈服强度(σa≥460MPa)球罐钢成份及其热处理方法。
在冶金、化工、石油等行业使用的氧气球罐、乙烯球罐、液化气球罐等必需装备中，使用高屈服强度(σa≥460MPa)钢材成为制造大型球罐的发展方向，以利于扩大贮存容量，提高工作能力、减少壁厚、降低自重，而在球罐制造过程中需要由同等强度和韧性级别的板材和锻件通过焊接完成，目前的460MPa级屈服强度的球罐钢板及锻件需由两种钢号或两种成份的钢材制造，这是由于板材宽度大、截面厚度较小(约40mm)，正火之后单张板材冷却速度较快，晶粒细，而大型锻件截面宽度约为250mm，直径1m，体积较大，正火后冷却速度较慢，晶粒粗大，且在整个横截面内组织、机械性能的均匀一致性差，因此大型锻件为适应上述热处理制度的需要，需对成份进行调整，增加提高淬透性的元素如Ni、Cr、Mo、B等，造成冶炼工艺复杂，成本提高。而在制造大型球罐钢的焊接过程中，板材与锻件的成份差异造成了焊接预热温度不同，因而会影响焊接区的质量。因此在现有技术中大型球罐的钢板和锻件是由两种成份的钢材制造的，例如德国统一的DINEN 10028-3-1992《压力容器扁平轧件》标准中规定P460 NL 1钢种只适用于轧件(≤150mm厚)，没有规定可同样适用配套锻件，也需要由其它钢号或成份配套，其成份为：C≤0.20，Si≤0.6，Mn1.00～1.70，P≤0.025，S≤0.015，AlT≥0.020，Cn≤0.70，Ni≤0.80，Cr≤0.30，Mo≤0.1，V≤0.20，Ti≤0.03，W≤0.025，并指出其热处理为正火，当正火品性能不好时可根据需要回火，但具体工艺并来提及。而日本专利平2-11721公开了一种《耐应力腐蚀性优异的液氨用低温压力容器钢材的制造方法》，是将成份为：C0.03～0.16，Si0.01～0.55，Mn0.8～1.6，P＜0.03，S＜0.025，以及Cu＜0.5，Ni＜0.5，Cr＜0.5，Mo＜0.5中的至少一种，其余为Fe和不可避免的杂质的钢经过锻造后进行热处理，但具体热处理工艺未见提及。另外由于锻材要求淬透性高，将该成份应用于板材会造成强度超出上限，而韧性下降，力学性能的匹配不好。因此在现有技术中还没有找到一种460MPa屈服强度的钢种可同时用于制造球壳钢板和锻件。
本发明地目的之一是得到一种大型球罐钢成份，可同时应用于制造球壳钢板和锻件。
本发明的另一个目的是得到一种上述钢种的热处理工艺以保证获得所需的组织和力学性能。为实现上述目的，本发明是这样实现的：
一种大型球罐钢，其成份(wt％)为：C0.08～0.18，Si0.01～0.5，Mn0.08～1.65，P≤0.025，S≤0.015，AlT≤0.060，Cu0.50～1.0，Ni0.30～1.00，Nb0.01～0.05，V0.08～0.16，N0.01～0.02，其余为Fe和不可避免的杂质。
该球罐钢成份的最佳值为：C0.08～0.15，Si0.01～0.5，Mn1.00～1.65，P≤0.020，S≤0.015，AlT0.010～0.030，Cu0.50～0.70，Ni0.30～0.80，V0.08～0.15，Nb0.01～0.05，N0.01～0.02，其余为Fe和不可避免的杂质。该合金还含有：Cr≤0.30，Mo≤0.30。
一种大型球罐钢的热处理工艺，当制品为板材时，首先进行正火处理：即加热到910±15℃，保温一段时间后空冷，然后经回火处理：于540～600℃保温一段时间后空冷，上述保温时间为每毫米板厚1.5～2.0分钟。当制品为锻件时，其正火处理为出炉后强制冷却。
下面对本发明进行详述。
本发明通过对球罐钢合金成份的设计、改进，可实现用同一成份制造460MPa级屈服强度的宽厚板和锻件，同时配合热处理工艺使锻件可以正火＋回火状态交货，而不必采用现有技术中复杂的调质处理。
本发明对合金成份的改进主要通过Cu、Ni、Cr、Mo、V、N等元素的调整完成，使该成份不仅适用于钢板，也适用于厚截面的锻件，下面分别介绍各个合金元素的作用：
C：0.08～0.18，可提高合金强度，＜0.08强度较低，＞0.18影响可焊性。
Si：0.01～0.5，固溶强化元素，冶炼时进行脱氧，＜0.01使强度降低，＞0.5影响韧性。
Mn：0.08～1.65，固溶强化元素，可提高钢的强度，＜0.08强度不好，＞1.65影响韧性。
P≤0.025，造成偏析，因此只规定上限。
S≤0.015，过高形成夹杂物。
Al≤0.060，脱氧剂，＞0.06则形成过多夹杂物，影响性能。
Cu：0.50～1.0，当Cu在钢中含量＜0.30时起固溶强化作用，超过0.30时，会析出ε-Cu球形粒子，起弥散强化作用，可提高屈服强度，为提高耐大气腐蚀性的必要元素。
Ni：0.30～1.0提高淬透性，细化晶粒，提高强度、韧性，＜0.30作用不明显，＞1.00则成本增加过高。
Cr≤0.30，Mo≤0.30，可提高淬透性，当＞0.30时，造成钢脆化，焊接时冷裂。
Nb：0.01～0.05，V：0.08～0.16，Nb、V为微合金化元素，可形成Nb(C、N)、V(C、N)弥散粒子，提高屈服强度，过高则效果的改进不明显，但成本增加过高，同时影响钢焊接的热影响区韧性。
N：0.01～0.02，做为合金元素参与形成弥散粒子，过高则影响钢的应变时效性能。
从以上成份可以看出，本发明的钢种为含铜钢，为铜-时效硬化钢，加入铜的目的，是可在后来的时效处理中使钢中弥散析出ε-Cu圆形粒子沉淀相(≤100nm)，以提高钢的屈服强度，这样可降低钢中碳含量，改善钢的可焊性。过去人们一直认为钢中铜含量过高(＞0.5％)，会造成铜裂，事实上这是由于钢中存在着As等有害元素与铜化合造成的，本发明由于钢水本身纯净，可在铜含量达到0.5～1.0时不发生铜裂现象。同时，再经微合金化元素Nb、V处理，钢中析出的Nb(C、N)、V(C、N)粒子既细化铁素体晶粒，可使屈服强度大幅度提高，从而保证获得460MP以上的屈服强度(上屈服点)。另外，加入适当的Ni、Cr、Mo提高了钢的固溶强化作用，增大了钢的淬透性。
将上述化学成份的合金经配料、冶炼、浇注、轧制或锻造后，得到所需的板材或锻件后空冷，其热处理工艺分别为：
板材热处理：
由于轧后的板材表面晶粒细，中间晶粒粗，厚度横截面性能不均匀，需进行如下热处理：
正火处理：加热到910±15℃进行奥氏体化，保温时间为每毫米板厚1.5～2.0分钟，然后空冷，在此温度范围和保温时间内由于AlN、Nb(C、N)粒子仍存在，奥氏体晶粒仍保持细小，空冷后可得到细小的铁素体＋贝氏体晶粒。
回火处理：加热到540～600℃，保温时间为每毫米板厚1.5～2.0分钟，进行时效处理，可使ε-Cu粒子析出，但保温时间过长，造成过时效会使ε-Cu粒子生长过大。
锻件热处理：基本与板材相同，只是由于锻件本身厚度大，需在正火处理出炉后采用风冷式喷水雾进行强制冷却，以提高锻件的冷却速度。
下面结合效果介绍本发明的实施例。
1、炼钢
炼钢方法由生产者自己决定，但为镇静钢，钢中应含有足够的固氮元素，本实施例采用转炉炼钢，化学成份如表1示。
2、浇铸：
模铸，Ar气保护，可浇铸板材铸锭及锻件铸锭。
3、初轧：
钢锭加热温度1250～1280℃，初轧开坯，坯厚250～300mm，宽度≤1600mm，轧后空冷，火割分块，可用作板坯，也可用作锻坯。
4、钢板轧制：
板坯加热温度1220～1250℃。粗轧开轧温度≥1150℃，横向粗轧压下比≥50％，终了温度≥1000℃，轧后待温到950～920℃开始精轧，精轧为纵轧，压下比≥40％，终轧温度≥850℃，轧后空冷。
5、板材热处理：
正火处理910±15℃×保温时间，出炉后空冷。
回火处理540～600℃×保温时间，出炉后空冷。
保温时间为每毫米板厚1.5～2.0分钟，在常化炉中进行。
6、锻造：在快锻设备上完成锻造。
锻坯加热温度1220～1250℃。开锻温度≥1150℃，预锻成圆饼，主截面高度对成品件高度之比大于1.6倍。回炉加热(≤1100℃)，二次锻造一火完成，终锻温度≤850℃，锻后空冷。
7、锻件热处理
正火处理910±15℃×保温时间，出炉后风冷或水雾冷却。
回火处理540～600℃×保温时间，空冷。
保温时间为每毫米板厚1.5～2.0分钟。
上述制品的适用范围为：钢板厚度≤50mm，锻件直径≤1200mm，厚度≤250mm。
经上述实施方法制造的板材和锻件其性能为：
钢板：σa为485～530MPa，σb为595～630MPa，σ5为26～33％，-10℃Akv纵向为212～236J，横向为100～142J，-60℃Akv纵向129～170J，横向为51～64J，180℃宽冷弯完好。夏氏V型缺口试样NDT温度低于100℃。落锤试验P1试样NDT温度低于-65℃，横向低于-60℃。钢板对应变时效不敏感，消应力处理后性能稳定，交变状态及消应力处理状态断裂韧性优良，抗疲劳裂纹扩展速率da/dN良好。
锻件：在严于锻件标准JB4726-94，JB4727-94取样标准下，σa为480～490MPa，σb为590～600MPa，σ5为27～37％，-10℃Akv为176～199J，-40℃Akv为111～146J。经超声波探伤后，锻件达ID级(最高级)水平。
与现有技术相比，本发明在合金成份上进行了调整、改进，如表1示，并配合相应的热处理工艺，表2中列出了本发明与对比例工艺特征、力学性能的对比，这样，可使钢中碳含量降低，实现以铜降碳，提高可焊性，同时经时效处理析出的ε-Cu弥散粒子可使钢的屈服强度提高，可用同一炉钢水制造出同等性能要求的球壳钢板和锻件，而无需采用两个钢种，既简化冶炼工艺、降低成本，又可保证球罐焊接区质量。
表1 化学成份(重量％) 钢 号C Si Mn P S AlT Cu Ni Cr Mo Nb V N 本发明 10.140.28 1.440.0070.0050.039 0.57 0.61 — —0.0200.1200.0100 20.110.31 1.380.0190.0040.022 0.62 0.60 0.17 0.060.0290.120.0132 30.110.34 1.520.0160.0050.023 0.57 0.59 0.10 0.050.021 0.090.0140 40.120.28 1.420.0090.0050.030 0.48 0.48 0.016 0.060.0190.0110.0100 对比例 CF620.090.30 1.350.0090.006 0.08 1.06 0.30 0.27—0.05 日本专利*0.120.28 1.210.0230.0030.038 0.20 0.12 0.15 —0.030 0.060 20MnMoNb0.200.30 1.500.0200.0100.030 — — 0.20 0.550.030—0.0070
表2 钢 号热加工方 式厚度mm 热处理 工 艺σa σb Akv JMPa MPa -40℃ 0℃ 本发明 1锻造40 正火＋回火≥500 ≥600 ≥47 ≥47 2锻造220正火＋回火(正火后风冷)≥460 ≥580 ≥47 ≥47 2轧制46 正火＋回火≥460 ≥580 ≥47 ≥47 3锻造40 正火＋回火≥500 ≥600 ≥47 ≥47 4锻造40 正火＋回火≥460 ≥590 ≥47 ≥47 对比例 CF62锻造≤300 调质(水淬)≥490 ≥610 ≥47 ≥47 日本专利*锻造 铜质或加速冷却 —65kg/mm2 — — 20MnMoNb锻造≤300 调质(水淬)≥470 ≥620 — ≥41
*日本专利特开平2—11721