多功能储罐用13MnNi6-3钢的研制与开发

牟 毓， 谢章龙， 洪 君

（南京钢铁股份有限公司，江苏 南京 210035）

引 言

近年来碳排放管制和30.60战略的实施，液氨作为未来潜在的清洁能源越来越被船舶等行业看重，造船厂已开始承接可以装液氨、丙烷、丁烷、丙烯和LPG等多种低温介质的储罐，实现单罐多功能化使用。而13MnNi6-3是0.5%镍低温容器用钢，通常被广泛用来制作丙烷等液化石油气储罐，因而在开发多功能低温储罐用13MnNi6-3钢时，兼顾液氨储罐的特性，控制钢板的屈服强度上限，降低焊接接头的裂纹敏感性；同时13MnNi6-3的服役条件通常在-42.09 ℃左右，钢板母材性能与焊接接头的性能在同等温度条件下差异较大，为确保储罐在服役条件下稳定安全运行，对储罐建造钢材有更高要求，需在-60 ℃温度下钢板母材和焊接性能均具有良好的强韧性。因此，要求13MnNi6-3的力学性能及焊接接头在-60 ℃时具有适中的强度，良好的低温韧性和低裂纹敏感性［1-2］。

为了满足客户需求，结合南钢现有的设备装备能力，成功开发了在-60 ℃条件下服役的多功能低温储罐用13MnNi6-3钢。本文通过优化13MnNi6-3钢板的化学成分及各道生产工艺，评估了钢板的内部质量、拉伸性能、低温冲击性能及焊接接头力学性能，结果表明13MnNi6-3钢板具有良好的综合力学性能及优良的焊接性能。

1 材料设计

因客户要求13MnNi6-3钢板的屈服强度≤450 MPa，同时为满足钢板的-60 ℃低温冲击韧性，≥12 mm钢板冲击均值≥80 J，8～12 mm钢板冲击均值≥60 J，所以要尽量减少组织中珠光体的含量，所以降低C含量，并通过增加适度的Mn含量提高强度，以满足钢板的强度要求，尤其是屈服强度要求，Ni是奥氏体相区元素，可以扩大奥氏体相区，降低奥氏体转变温度，阻止奥氏体向珠光体转变，降低钢的临界冷却速率，提高钢的淬透性，同时Ni的晶格常数与γ-Fe相近，可形成连续的固溶体，明显降低韧脆转变温度，添加Nb和V元素可起到细化晶粒的作用，对于低温容器钢，当磷含量大于0.015%时，磷的偏析程度急剧增加，所以磷含量是越低越好，S在钢中主要以MnS形式存在，MnS为塑性夹杂物，热轧时MnS变形比与钢相同，导致钢板出现各向异性，即钢板非轧制方向性能显著低于轧制方向性能，氢在液态钢中的溶解度比在固态钢中的钢大得多，随着温度的降低H的溶解度降低，氢原子向铸坯或钢板中某些缺陷区域聚集，并形成氢气，一旦此处的氢分压超过结合强度就会产生裂纹或者扩展已有缺陷，所以为了提高钢水的纯净度，提高钢板内部质量，设计了低P、低S成分，13MnNi6-3内控目标成分如表1所示。

表1 13MnNi6-3化学成分设计

为确保13MnNi6-3具有较高的强度和优良的-60 ℃低温冲击韧性，采用控制轧制及正火加回火热处理工艺，得到细小均匀的铁素体+少量珠光体组织，以此来保证钢板的-60 ℃低温冲击韧性以及焊接接头的-60 ℃低温冲击韧性。根据E10028-4标准及技术协议对13MnNi6-3钢的性能要求，13MnNi6-3钢的性能指标如表2所示。

表2 13MnNi6-3力学性能要求

2 工艺方案

13MnNi6-3的主要工艺流程：转炉→LF+RH→连铸→加热→轧制→控冷→矫直→剪切→探伤→抛丸→正火→回火→检验→入库。

通过严格控制P和S含量以提高钢水的纯净度，需在铁水预处理时控制S含量，减少精炼时脱S的任务。在炼钢过程中采用转炉顶底复吹，控制P和C含量及出钢温度，尤其控制P的含量。在精炼过程中要采用大渣量操作，造白色泡沫渣深度脱S，同时要兼顾渣的碱度，保证渣的流动性，采用钢包喂钙线的操作，对MnS等夹杂物进行球化处理，通过RH真空脱气、喂丝后静搅等工艺，保证钢水中的H等有害气体尽量被去除，钢水中夹杂物充分上浮，减少夹杂物数量，尤其是大夹杂物的数量，为保证钢水中的夹杂物充分上浮，在静搅时延长静搅时间，确保静搅时间≥15 min。13MnNi6-3属于包晶钢，在浇铸时保持结晶器液面稳定，控制二冷水，避免13MnNi6-3出现铸坯裂纹，尤其是角裂纹，同时采用保护浇注及轻压下，减轻铸坯偏析及疏松。

13MnNi6-3镍含量0.5%左右，钢质发粘，板坯在加热时钢板表面氧化铁皮较多且难以去除，同时为了保证钢板表面质量及板型，要合理控制铸坯均热段温度及总在炉时间，避免氧化铁皮过厚不好去除，也为板坯除磷减轻压力［4］。在轧制时通常采用两道次除磷，去除板坯表面氧化皮，进一步保证板坯表面质量。采用两阶段控制轧制（奥氏体再结晶区轧制及奥氏体未再结晶区轧制）工艺，在粗轧时保证大压下，确保坯料心部有足够变形量，在未再结晶区进行多道次轧制，二阶段开轧温度≤990 ℃，终轧温度≤870 ℃，在保证板型的条件下终轧温度尽量低，在冷却时少量浇水，将返红温度控制在700 ℃以上，以得到细小均匀的轧态组织，轧制后的钢板进行温矫以保证板型，≥25 mm钢板后进入缓冷坑进行缓冷，消除钢板内应力及扩氢，使钢板中的氢等有害气体逸出，改善钢板内部质量。

通过正火+回火热处理可进一步改善钢板组织，因客户对13MnNi6-3的屈服强度上限有要求，需适当提高回火温度，同时有利于钢板的低温冲击韧性。探伤后的钢板进行抛丸，然后正火热处理，要严格控制正火温度，以防止钢板晶粒变大或出现晶粒不均匀现象，根据试验性能结果，13MnNi6-3的正火温度是870～920 ℃，空冷至室温然后进行回火热处理，消除钢板中的内应力［5］。为进一步提高钢板的-60 ℃冲击性能及控制钢板的屈服强度，对13MnNi6-3钢的回火工艺进行了优化，回火温度是590～630 ℃，最终得到铁素体+珠光体组织，

3 试制结果分析

3.1 常规力学性能检测结果

对试制的10 mm和30 mm钢板进行力学性能检验，检测结果如表3所示。10 mm钢板的屈服强度 为400～410 MPa，抗 拉 强 度 为503～531 MPa，30 mm钢板的屈服强度为378～395 MPa，抗拉强度是501～520 MPa，根据经验，薄板的强度较高，所以为保证屈服强度均＜450 MPa，与30 mm钢板相比，10 mm钢板的回火温度较高，回火时间较长；13MnNi6-3的-60 ℃低温冲击性能要求≥80 J，但为了储罐能在服役条件下稳定运行，设计材料时给低温冲击值留较大富余量， 10 mm钢板（7.5 mm×10 mm×55mm冲击试样）的-60 ℃冲击功平均值是189～203 J，30 mm钢板（10 mm×10 mm×55 mm冲击试样的-60 ℃冲击功平均值是297～314 J，10 mm和30 mm钢板的冷弯试样无裂纹，弯曲性能合格。试制的10 mm和30 mm规格的13MnNi6-3钢的拉伸及冲击指标富余量充足，冷弯无裂纹，满足EN10028-4标准及技术协议要求。

表3 13MnNi6-3力学性能检测结果

3.2 低温拉伸性能

钢板的服役温度条件低于-43 ℃，同时根据客户的需求，需评估30 mm厚度钢板低温性能，按照GB/T 13239—2006《金属低温拉伸试验方法》标准进行-60 ℃低温拉伸试验，钢板取横向试样，结果如表4所示。

表4 13MnNi6-3低温拉伸性能检测结果

据文献［4］所述，钢材的屈服强度和抗拉强度随温度降低而提高，而断面纤维率随温度降低而降低，同时也说明了钢板的塑性随温度降低而下降。所以与常温拉伸性能相比，低温拉伸钢板的屈服强度和抗拉强度均有增加，即在使用条件下钢板强度的余量更大，虽低温拉伸钢板的延伸率有所下降，但仍高于EN10028-4：2017标准及技术协议要求的22%。

3.3 13MnNi6-3钢韧脆转变温度

为确保钢板能够在服役时安全运行，通过做13MnNi6-3钢板在-80～20 ℃温度区间的冲击试验，摸索出钢板的韧脆转变温度范围，其韧脆性转变曲线如图1所示。从图1（a）可以看出，当温度从20℃降至-60 ℃时，钢板的冲击功均在200 J，此时曲线较为平直，说明在此温度范围内钢板冲击功波动不大；当温度降至-70 ℃时，钢板冲击功在180～200 J之间；当温度降到-80 ℃时，钢板冲击功突然降到40 J左右。从图1（b）可以看出，当温度从20 ℃降至-60 ℃时，钢板的冲击功均在280 J以上；当温度降到-70 ℃时，钢板冲击功在200～250 J之间，当温度降到-80 ℃时，钢板冲击功在50 J左右。综上所述，当温度≥-70 ℃时，钢板的冲击功远大于国内外标准及技术协议中的要求，说明13MnNi6-3钢板完全可以在-60 ℃的低温温度条件下服役，满足多功能储罐的设计和供货要求。

图1 系列冲击温度的韧脆性转变曲线

3.4 探伤检测结果

采用间隙式探伤方法对试制的厚度为10 mm和30 mm 的13MnNi6-3钢板进行超声波自动探伤，根据探伤结果显示，钢板内部未见明显缺陷，按照标准NB/T 47013评级均可达I级要求，说明试制的13MnNi6-3钢板内部无裂纹及大的夹杂等缺陷。

3.5 金相检测结果

试制钢板的光学显微组织如图2所示。13MnNi6-3钢的室温组织是铁素体+少量珠光体组织，晶粒整体均匀细小，10 mm钢板的偏析带比30 mm钢板的偏析带严重，且偏析带较宽，由于热处理时10 mm钢板的回火温度比30 mm钢板的回火温度高，且回火时间长，10 mm钢板中存在的析出碳化物较少，组织中存在大量白色块状铁素体，有利于降低钢板屈服强度，使10 mm钢板的屈服强度≤450 MPa，同时为保证钢板屈服强度≥355 MPa，组织中存在一定量的珠光体组织。

图2 钢板金相组织

按照GB/T10561 A法评级图分别对试制的13MnNi6-3钢板进行评定，夹杂物检测结果如表5所示。钢板中存在B类（氧化铝类）、D类（球状氧化物类）的非金属夹杂物，均是0.5级，钢板中Ds类（单颗粒球状类）夹杂物0.5级，说明试样中均存在少量细小的夹杂物，完全满足技术协议要求。

表5 13MnNi6-3夹杂检测结果

4 钢板焊接性能

按照NB/T 47014的标准，分别采用焊条电弧焊（SMAW）和埋弧焊（SAW）两种焊接方法对30 mm钢板进行焊接试验，坡口型式为X型。手工焊条采用京雷直径为Φ3.2 mm的GER-N27焊条，埋弧焊（SAW）采用伯乐直径为Φ3.2 mm的T Union SA Ni2焊丝，配套焊剂采用UV C 421 TT-LE，焊条电弧焊（SMAW）的热输入能量是20 kJ/cm，埋弧焊（SAW）的热输入能量是18 kJ/cm，焊缝平行于轧制方向，分别焊评板上取拉伸、弯曲和冲击试样，试样方向为横向，X型缺口分别位于熔敷金属（WM）、熔合线（FL）和距熔合线1，2和5 mm位置。30 mm钢板的焊接接头宏观形貌如图3所示。

图3 焊接接头宏观形貌

拉伸及侧弯试验结果如表6、图4和图5所示。可以看出，手工焊和埋弧焊的拉伸断口均不在焊缝处，说明焊缝处的拉伸性能优于母材拉伸性能，焊接接头的弯曲试样无裂纹，弯曲性能合格，满足性能要求。

表6 13MnNi6-3焊后拉伸及弯曲检测结果

图4 焊接接头拉伸试件形貌

图5 焊接接头弯曲试件形貌

手工电弧焊和埋弧焊的焊接接头各个位置的-60 ℃冲击功如表7所示。熔敷金属及及熔合线-60 ℃冲击性能略低，手工电弧焊熔融金属区的冲击功最低，埋弧焊FL处的冲击功最低，但相差均不大，焊条电弧焊的焊接试板的距离熔合线5 mm的-60 ℃冲击功略低于母材，埋弧焊焊接试板的距离熔合线5 mm的-60 ℃冲击功与母材的-60 ℃冲击功相当，但冲击功均满足技术协议需求。

表7 13MnNi6-3焊后冲击检测结果

对手工电弧焊来讲，焊接接头的硬度值表8所示。母材硬度（HV10）范围是153～159 HV，硬度最低，热影响区硬度（HV10）范围是163～204 HV，熔敷金属硬度（HV10）范围是202～207 HV。对埋弧焊来讲，母材硬度（HV10）范围是154～167 HV，硬度最低，热影响区硬度（HV10）范围是155～202 HV，熔敷金属硬度（HV10）范围 是189～217 HV，可以看出，焊缝位置的硬度最高，但低于245 HV。一般认为（HV10）超过350 HV时具有一定的裂纹敏感性，说明30 mm 13MnNi6-3钢板的焊接接头裂纹敏感性不强，同时装液氨的储罐硬度不超过245 HV［5］，以避免储罐液氨应力腐蚀开裂，13MnNi6-3钢板的焊接接头硬度也满足要求。

表8 13MnNi6-3焊后硬度检测结果

5 结 论

（1）通过合理的成分设计，优化炼钢、热轧及热处理工艺，成功开发出13MnNi6-3多功能储罐用钢板，试验结果表明，13MnNi6-3钢板组织均匀细小，具有较高的强度和良好的低温冲击韧性，且屈服强度＜450 MPa，钢板具有优异的综合力学性能，完全满足供货要求。

（2）30 mm钢板焊接实验结果表明，钢板焊接接头各个位置的-60 ℃低温冲击性能优异，焊接接头弯曲无裂纹，焊接接头硬度较低，裂纹敏感性不强，钢板具有良好的焊接性能。