临氢设备用210mm超厚SA387Gr22CL2钢板的研制

临氢设备用210mm超厚SA387Gr22CL2钢板的研制

吴小林

张明

刘海宽

张建

(江阴兴澄特种钢铁有限公司，江苏江阴214429)

摘要：实验用材料SA387Gr22CL2（C≤0.17%,Si≤0.10%,Mn：0.30%-0.60%,P≤0.006%,S≤0.002%,Cr：2.00%~2.40%,Mo：0.90%~1.10%）经转炉冶炼-LF精炼-VD真空脱气处理-模铸工艺生产。将钢锭轧制成210mm厚度钢板。通过Gleeble热模拟实验得到SA387Gr22CL2钢板的相变点和静态连续冷却转变CCT曲线。热轧钢板通过（950±15）℃淬火+（700±10）℃回火热处理后，表面下2mm、1/4厚度和1/2厚度处均为贝氏体组织，厚度方向硬度均匀，力学性能优异。样坯经最大模拟焊后热处理690℃×32h及最小模拟焊后热处理690℃×8h后，力学性能完全满足临氢设备使用要求。与国内外同类材料相比，本实验开发的SA387Gr22CL2钢板达到国内外先进水平。

关键词：临氢设备；超厚钢板；SA387Gr22CL2；热处理；性能中图分类号：TF4

文献标识码：B

文章编号：1674-0971-(2019）01-009-05

Developmentof210mmSA387Gr22CL2HeavySteel

PlateAppliedtoEquipmentsunderCriticalHydrogen

（InstituteofSpecialSteelPlate,JiangYinXingchengSpecialSteelWorksCo.,Ltd.,JiangyinJiangsu,China,214429）0.002%,Cr:2.00%~2.40%,Mo:0.90%~1.10%)wasmadebyEAF-LFrefinery-VD-diecastingprocess.Thein⁃coolingtransformationcurve(CCT)ofSA387Gr22CL2steelplatewereobtainedbyGleeblethermalsimulationexper⁃

Abstract:ThetestingmaterialSA387Gr22CL2(C≤0.17%,Si≤0.10%,Mn：0.30%-0.60%,P≤0.006%,S≤

WuXiaolin,ZhangMing，LiuHaikuan,ZhangJian

gotwasrolledtobethesteelplatewiththicknessof210mm.Phasetransformationtemperatureandstaticcontinuousiment.Therewerebainitemicrostructuresat2mmbelowsurface,1/4thicknessand1/2thicknessofhotrolledplatethicknessdirectionandexcellentmechanicalproperties.Thepropertiesofsamplesheattreatedat690℃for32hafter

afterbeingquenchedat（950±15）℃andbeingtemperedat（700±10）℃,thesteelplatehasuniformhardnessinmaximumsimulatedpost-weldingprocessandheattreatedat690℃for8hafterminimumsimulatedpost-weldingabroadmaterial,theSA387Gr22CL2steelplatedevelopedintheexperimentreachedtheworld'sadvancedlevel.erty

process,satisfiedtotallytherequirementsofequipmentworkingundercriticalhydrogen.Comparedwithhomeand

Keywords:equipmentworkingundercriticalhydrogen,ultrathickplate,SA387Gr22CL2，heattreatment,prop⁃

引言

临氢设备是指在含有氢气的环境中运行使用

设备。临氢设备用钢板主要是SA387Gr22C12，要求钢板在高温、低温、临氢环境下仍保持优异的力学性能。当前，随着国内外环保要求的提高，要求炼油行业对油品进行快速升级、净化，以减少排放，

的设备，如加氢反应器等，是炼油、化工行业的关键

收件日期：2018-11-20

作者简介：吴小林，男，硕士，高级工程师，毕业于北京科技大学冶金工程专业，现从事钢铁材料新产品研究与开发，就职于江阴兴澄特种钢铁有限公司。

·38·

特钢技术

第25卷第1期

因此满足油品升级要求的临氢CrMo钢板需求量急剧上升,国内钢铁企业对SA387Gr22C12钢板的研究力度逐渐加大[1]。目前，对于150mm～200mm超特厚临氢设备用钢板国内只有兴澄特钢、舞阳钢厂等开发成功并实现批量供货。而对于200mm以上厚度钢板则用钢锭锻造，成材率低，成本高，生产周期长。为了满足国内石油化工行业的需求，在借鉴国外钢铁厂生产经验的基础上，利用宽厚板生产线先进的设备能力，凭借合理的化学成分和先进工艺，采用钢锭热轧生产出了210mm超厚临氢设备用SA387Gr22CL2特厚钢板。本文结合临氢设备技术条件的要求，制订了更加严格的技术要求，开发出用钢锭生产的能够满足临氢要求的210mm厚

SA387Gr22CL2钢板，并通过分析不同热处理工艺对SA387Gr22CL2钢组织和性能影响，找到最佳工艺，获得稳定的组织和性能，以满足临氢设备用钢的技术要求。

1实验材料及方案

结合临氢设备技术条件的要求，制定了

210mm厚SA387Gr22CL2钢板的化学成分及力学性能要求。与美标相比，显著降低Si含量，大幅减少P、S含量，降低J系数和X系数提高抗回火脆化性能。SA387Gr22CL2钢板的熔炼成分和化学成分要求见表1。

对于熔炼成分和成品成分均要满足J系数、X

表1SA387Gr22CL2钢板化学成分要求（重量百分数）Table1ChemicalcompositionofSA387Gr22CL2steelplate(wt%)

元素熔炼成分化学成分

C0.08~0.170.08~0.17

Si≤0.10≤0.10

Mn0.30~0.600.30~0.65

P≤0.007≤0.007

S≤0.002≤0.002

Cr2.00~2.502.00~2.50

Mo0.90~1.100.90~1.10

J系数≤100≤100

X系数≤12≤12

注：J系数=(Si+Mn)×(P+Sn)×104，（Si,Mn,P和Sn单位为重量百分数）；

X系数=(10P+5Sb+4Sn+As)/100，（P,Sb,Sn和As单位为ppm）。

系数要求。与美标相比，上表中的J系数、X系数更加严格。SA387Gr22CL2厚钢板力学性能要求需满足表2、表3的规定。

表2SA387Gr22CL2厚钢板的室温拉伸及冲击性能要求Table2Therequirementsofmechanicalpropertiesof

SA387Gr22CL2heavysteelplate

屈服强度抗拉强度MPaMPa310~620

520~680

A

%≥19

Z%≥40

Akv8

硬度，HB

（-30℃）,J≥150

≤220

在Gleeble热模拟机上对实验钢种进行相变热模拟实验，取样部位为钢板角部厚度1/2处，测定相变点和静态CCT曲线。结合实验室实验，确定SA387Gr22CL2钢板热处理工艺为（950±15）℃淬火+（700±10）℃回火，并对热处理后的试样进行模拟焊后热处理，研究试样模拟焊后热处理前、后的金相组织和力学性能。最大模拟焊后热处理制度（Max.PWHT）为690℃×32h，最小模拟焊后热处理制度（Min.PWHT）为690℃×8h，样坯出、入炉温度≥300℃，升、降温速率≤100℃/h。在钢板一端角部取样，试样加工位置表面下2mm、厚度1/4及厚度1/2处。

表3SA387Gr22CL2厚钢板的高温拉伸性能要求Table3Therequirementsofhightensilepropertiesof

SA387Gr22CL2heavysteelplate

实验温度℃屈服强度MPa

375≥248

425≥241

475≥232

500≥218

SA387Gr22CL2厚钢板回火脆化倾向评定结果

应满足vTr55+2.5ΔvTr55≤10℃。表2、表3中力学性能和工艺性能检验所需试样均为横向试样。

实验材料为国内某钢厂生产的临氢设备用SA387Gr22CL2钢板，生产工艺为电炉炼钢—LF精炼—VD真空脱气—模铸—轧制—淬火+回火。其化学成分如下（质量分数，%）：C：0.09%~0.16%,Si≤0.10%,Mn：0.40%~0.60%,P≤0.007%,S≤0.002%,Cr：2.00%~2.40%,Mo：0.90%~1.10%，其余为Fe及微合金，J系数30~60，X系数5~10ppm。

2实验结果及讨论

2.1实验室热模拟结果

Gleeble热模拟试验结果如图1所示，相变点Ac1=760℃，Ac3=870℃，奥氏体化后冷却速率≥0.5℃/s就可得到贝氏体，冷却速率≥30/s就可得到马氏体。2.2金相组织

钢板在（950±15）℃淬火采用水冷，钢板心部冷却速率≥0.5℃/s，然后在（700±10）℃回火。根

第25卷第1期

吴小林张明刘海宽张建：临氢设备用210mm超厚SA387Gr22CL2钢板的研制·39·

据图1显示的CCT结果，钢板组织应为贝氏体。钢

板实际组织如图2所示，表面下2mm、1/4厚度处以及1/2厚度处均为贝氏体组织。实验结果表明，经过淬火后，钢板从表面到心部均为贝氏体，未出现铁素体，组织均匀。2.3硬度

沿钢板厚度方向，从表面下5mm开始，每隔10mm打一个点，从上表面下5mm依次编号为1~10，硬度值分布如图3。钢板全厚度方向硬度平均值173HB，最高硬度与最低硬度差在5HB以内，整个厚度硬度均匀。

图1SA387Gr22CL2钢的CCT曲线Fig.1CCTcurveofSA387Gr22CL2steel

图2SA387Gr22CL2钢金相组织

Fig.2MetallographicstructuresofSA387Gr22CL2steel

2.4力学性能

在210mm厚SA387Gr22CL2钢板表面下2mm、1/4厚度和1/2厚度处取样，Q+T、Q+T+Min.PWHT和Q+T+Max.PWHT状态下钢板的室温拉伸性能和低温冲击性能分别见表4和表5。钢板Q+T+Max.

图3钢板全厚度硬度

Fig.3Fullthicknesshardnessofsteelplate

PWHT状态下高温拉伸性能见表6，高温拉伸选用常见温度375℃、425℃、475℃和500℃。

表4钢板室温拉伸性能

屈服强度，MPa

47146244046545294451430

抗拉强度，MPa

596585571590578565587570559

伸长率，%23.523.025.522.025.026.525.024.522.0

断面收缩率，%

808081818081818181

Table4Tensilepropertiesofplateatroomtemperature

厚度，mm210

取样位置表面下2mm

试样状态Q+TQ+T+Min.PWHTQ+T+Max.PWHT

Q+T

210

1/4厚度

Q+T+Min.PWHTQ+T+Max.PWHT

Q+T

210

1/2厚度

Q+T+Min.PWHTQ+T+Max.PWHT

·40·

特钢技术

表5钢板冲击性能

Table5Impacttoughnessofplate

第25卷第1期

厚度，mm210

取样位置表面下2mm

试样状态Q+TQ+T+Min.PWHTQ+T+Max.PWHT

Q+T

冲击性能，J324329305318311315308312313315322321310309318293302302288272305285282293277290245

2101/4厚度Q+T+Min.PWHTQ+T+Max.PWHT

Q+T

2101/2厚度Q+T+Min.PWHTQ+T+Max.PWHT

表6钢板在不同温度下的高温拉伸性能

Table6Hightemperaturetensilepropertiesatdifferent

temperatures

取样位置

试样状态

温度，℃375

1/2厚度

Q+T+Max.PWHT

425475500

屈服强度，MPa

368356339327

根据冲击实验结果绘制的步冷实验前后转变温度曲线如图3所示。回火脆化倾向敏感性指标vTr55+2.5ΔvTr55=-62.7℃，完全满足ASMESA387标准中小于10℃的要求。

由表4、表5可以看出，210mm厚度SA387Gr22CL2钢板室温拉伸性能和-30℃低温冲击性能均有较大富余量，模焊后强度和冲击值均有所下降。与交货态比较，Min.PWHT后抗拉强度下降10MPa~20MPa，Max.PWHT后抗拉强度下降20MPa~40MPa。与强度变化相比，模焊后冲击值变化不大。与试样热处理状态对性能的影响，取样位置对性能影响更显著。同等热处理状态下，表面下2mm强度最高，1/4厚度次之，1/2厚度最低。-30℃低温冲击性能也是1/2厚度处最低，但是单个值均在200J以上。综上，钢板性能在经历模焊处理后强度和冲击性能均有所下降。同等状态下，钢板表面下2mm性能最优，1/4厚度次之，1/2厚度性能较低但与临氢钢板要求相比仍有极大富余量。表6为钢板最大模焊态下的高温拉伸性能，高温屈服强度值均高于临氢钢要求100Mpa以上。所以，210mm厚度钢板的性能完全满足临氢设备技术要求。

2.5钢板回火脆化倾向

按照ASMESA387的技术要求进行步冷实验，对经过最小模拟焊后热处理以及经过最小模拟焊后热处理+步冷实验的试样进行夏比冲击实验，计算步冷实验前后夏比冲击值为55J时所对应的转变温度的增量来判断回火脆化敏感性倾向大小。

图4210mm厚SA387Gr22CL2钢板1/2厚度处步冷实验前

后转变温度曲线Fig.4TransitiontemperaturecurveofSA387Gr22CL2heavyplatewiththicknessof210mmat1/2thicknessbeforeand

afterstepcooling

3与国内外材料的比较

与国内外同类材料的比较见表7。通过与国内

外同类材料的比较可知，本实验所用210mm厚度SA387Gr22CL2钢板P含量、J系数、X系数、抗回火脆化系数等指标与国内外同类材料先进水平相当。

表7与国内外同类材料的比较

Table7Comparisonswithsimilarmaterialsat

homeandabroad

比较项P含量J系数X系数vTr55

+.5ΔvTr55,℃

钢厂一[2]钢厂二[3]钢厂三[4]钢厂四[5]本实验材料0.00745.97.92-97

0.00992.415.75-50

0.00633.57.1-47

0.00876.710.9-48,-33

0.006327-62.7

第25卷第1期

吴小林张明刘海宽张建：临氢设备用210mm超厚SA387Gr22CL2钢板的研制

参考文献

·41·

4结论

[1]张建晓,贾小斌,方婧,等.制造加氢反应器用Cr-Mo

中温抗氢钢[J].电焊机,2007,37(8)：50-55

[2]姜洪生,张汉谦,丛郁,等.临氢设备用12Cr2Mo1R

(SA387Gr22CL2)厚钢板的开发[J].钢铁,2008,43(12),67-70

[3]杨海林,王祖芳.压力容器用12Cr2Mo1R钢板的研制

[J].宽厚板,1997,3(1)：17-21

[4]王炜,乔坤,钱亚东,等.临氢设备用12Cr2Mo1R(H)钢

板的研制.第八届(2011)中国钢铁年会论文集,2011[5]潮道明.SA387Gr22CL2型钢的焊后热处理及步冷实验

与分析[J].国外金属热处理,2003,24(3),18-22

（1）210mm超厚SA387Gr22CL2钢板采用钢锭

轧制，经过（950±15）℃淬火+（700±10）℃回火热处理后钢板表面下2mm、1/4厚度与1/2厚度处均为贝氏体组织，全厚度方向硬度均匀，力学性能优良，完全满足临氢设备使用要求。

（2）经最大模拟焊后热处理690℃×32h及最小模拟焊后热处理690℃×8h后，力学性能完全满足临氢设备使用要求。

（3）与国内外同类材料相比，本实验开发的SA387Gr22CL2钢板达到国内外先进水平。

（上接第36页）量为2200Nm3/h，炉门氧埋入渣面以下，流量为2800Nm3/h），进行快速脱碳，渣中的FeO含量增加，钢水温度从1540℃升至1600℃；通过采用流渣操作，放出前期的高磷、高SiO2含量炉渣，炉渣碱度有所上升，另外由于吹氧强度的增加，其对熔池的搅拌强度增加，促进了脱磷反应的正向进行，该阶段

的脱磷率为10.75%，脱碳率为30.30%。电炉冶炼后期根据二次样分析结果，调整氧的吹炼强度，向炉内喷入适量的碳粉，控制渣中FeO含量，提高钢铁料回收率，通过表5渣样检验结果可知，在整个冶炼过程中炉渣的FeO含量、碱度呈上升趋势，其中终渣碱度基本在4.0以上，可以有限的防止钢水回磷，同时根据炉内温度情况，选择合适的供电

表5渣样检验结果

Table5Testingresultsofslagsamples

项目

炉号1

25min渣样

2341

终点渣样

234

CaO40.1747.0344.3239.5639.0144.7842.7746.6

SiO216.18.6817.9618.719.8210.539.8710.51

TFe14.3712.8815.8115.5218.7423.423.1818.53

R2.382.522.472.113.974.254.334.43

时间，最终达到钢水温度和成分的双命中。（3）在冶炼过程中，通过吹氧、供电过程的合理搭配使用，实现了钢水温度和成分的双命中，提高了冶炼效率。

参考文献

[1]张邹华,吕继平,王源,等.210t转炉双渣法冶炼深冲钢

DC04的脱磷工艺实践[J].特殊钢,2015,36(4):52-54.[2]黄希祜.钢铁冶金原理[M].北京:冶金工业出版社,2002.[3]阎立懿.现代电炉炼钢工艺及装备[M].北京:冶金工业

出版社,2011.

4结论

（1）莱钢50吨电炉的低磷钢种冶炼工艺可以

将电炉终点磷含量控制在0.010%以下，满足了低磷钢种的要求；

（2）在冶炼前期，钢液的脱磷速度较快，中后期通过提高炉渣中FeO含量和炉渣碱度，保证了脱磷反应的正向进行；