超低温液化天然气储罐用06Ni9钢组织性能及生产工艺研究

【摘要】：本研究论文是对目前我国大量进口的清洁能源介质-液化天燃气（LNG）（Liquefied Natural Gas）而建设的大型接受站中主体设备-超低温储罐用06Ni9钢（和国外9％Ni等同）冶金制备、热加工、热处理、组织性能、钢板预制成型加工、焊接应用技术的开发研究。 以山西太钢不锈钢股份有限公司和太原理工大学组成研究开发团队，以国家(“863”科技计划“液化天然气储罐用超低温9%Ni钢开发及应用技术”项目编号：2007AA03Z555)为合作平台，联合开展了低温材料06Ni9钢实验室研究、工业化研发生产。通过铁水预处理-转炉冶炼-LF精炼-RH真空处理-宽板连铸-中板控制轧制-调质热处理-预制加工成型技术路线，成功解决了06Ni9钢超纯净冶金、匀质化高品质连铸、良好表面质量控制、钢的优良综合性能匹配调控、材料剩磁控制与焊接工艺技术、钢板预制加工成型、表面防护处理等几十项技术难题，形成了一整套06Ni9钢生产工艺与应用技术。研发材料的综合力学性能，尤其是关键技术指标-196℃AKv、材料焊接性等优于国外同类材料，完全满足我国大型LNG低温储罐建造严格技术要求。本材料通过实际工程应用，目前已顶替进口材料而建设大型LNG储罐11座（包括在建），大部分已投产安全运营。本论文主要研究工作取得研究成果如下： 1）国内首次开发高镍合金含量的低温钢超纯净冶金制备技术，实现工业化稳定批量生产钢中[P]＋[S]＋[H]＋[N]＋[O]≤100ppm、钢中低熔点元素Pb、Bi、Zn等含量极低的06Ni9钢铁材料；为取得优良的综合力学性能和超低温韧性奠定了科学合理的材料基础。 2）集成创新了铁水预处理+顶低复吹转炉+LF+RH+连铸板坯工艺技术，成功地解决了裂纹敏感性非常高的06Ni9钢的连铸工艺问题。国内首次开发出06Ni9钢HLH（高拉速、低过热度、高温矫直）专用连铸工艺技术，解决了超低磷控制（技术要求钢中P≤0.005%）问题，国内首家工业化、大批量生产出高洁净度、高均匀性、高致密度、内部少缺陷、表面光洁、质量良好的06Ni9钢连铸坯。生产出和国外先进厂家（如欧洲安塞乐、日本JFE）相媲美的同类钢板产品。 3）采用钢坯表面防护（针对06Ni9钢研发了适宜的专用涂层）和控制轧制技术，自主研发了06Ni9铸坯高温加热防氧化专有技术，解决了高镍钢热轧铁鳞去除技术难题。 4）通过控制轧制和热处理板型控制技术，制备了表面良好、厚度公差小、板型平直的06Ni9钢板。同时，以钢板预制成型加工方式提供工程建设方，延伸了产业链（相当于产品深加工），提高了产品的附加值。 5）国内首次自主研发06Ni9钢板的“低温控轧+调质热处理（QT）”全流程先进工业生产技术。生产出的钢板具有稳定的产品质量、优良的综合性能、尤其是良好的低温断裂性能和低温韧性、冷弯等优于国外同类产品。对于保证低温工程设备的安全可靠运行具有至关重要的作用。 6）形成06Ni9钢板全流程先进工业制造技术集成。国内首家研发并工业化大批量制备06Ni9钢板并第一个应用于国家重点工程项目-大型LNG接收站多个特大型LNG储罐建设，使上述LNG工程的低温内罐材料全部实现国产化，一举结束了国家能源领域急需的低温关键材料完全依赖进口的不利局面。 7）全面掌握了06Ni9钢的强韧化机制。对不同的热处理条件下06Ni9钢的组织、精细结构、特别是钢中回转奥氏体的形成和存在形态进行了实验分析和讨论，针对回转奥氏体回火过程中的转变机制，证实了其对低温韧性的重要贡献。 8）采用国外进口的专用手工焊条，对国产06Ni9钢板材料在不同焊接工艺条件下和焊后热处理条件下的焊接接头基本性能进行了试验测试。并通过焊接热影响区最高硬度法、钢的坡口焊接裂纹敏感性试验对材料的焊接性进行了评定，发现所研发的06Ni9钢不需要焊接前预热、且冷裂纹敏感性不大。确定的06Ni9钢的焊接要点是；多道次、小热输入、控制层间温度，以便降低对焊接接头热影响区性能的影响。 9）对建造的数座1万、3万、8万、16万m3的大型LNG储罐使用本课题研发的06Ni9钢板进行统计分析。结果表明：钢的纯净度，尤其是低熔点元素的含量低于进口材料，使实物钢板低温韧性、焊接性、时效敏感性相比国外材料有更大优势，完全满足了工程建设施工提出的要求。 本研究项目形成LNG储罐耐低温关键材料生产技术专利和一整套专有工艺技术。为工业化生产06Ni9钢板取得良好而稳定的低温韧性和储罐运行安全性提供了研究基础和技术保障。首次成功开发的国家重大工程用关键材料06Ni9钢，经权威机构-国家压力容器与标准化技术委员会和工程应用单位评价以及2010年由山西省科技厅组织的专家鉴定认为：实物质量达到国际先进水平。采用本项目研发的产品成功建造了多个特大型的LNG储罐，解决了国家急需关键材料的进口制约，填补了国内生产空白，经济效益和社会效益十分显著。 本材料研究，已获授权国家发明专利4项，发表学术论文14篇，研究项目获2011年中国冶金科学技术进步一等奖。 【关键词】：LNG储罐 06Ni9钢板 工业化制备 热处理 显微组织 机械性能
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TG142
【目录】：

• 摘要3-7
• ABSTRACT7-16
• 第1章 绪论16-28
• 1.1 论文的研究背景16-21
• 1.2 LNG 储罐用耐低温材料及性能要求21-22
• 1.2.1 LNG 储罐外观及内部结构21
• 1.2.2 我国 16 万 m~3特大型 LNG 储罐内罐设计用 06Ni9 钢板规格和数量21-22
• 1.2.3 不同国家规范对 06Ni9 钢的主要技术要求22
• 1.3 国内外 06Ni9 钢种研发情况22-24
• 1.3.1 国外研发情况22-23
• 1.3.2 国内研发情况23-24
• 1.4 我国 LNG 储罐用钢开发需解决的问题24-27
• 1.4.1 成分设计及低温性能24-25
• 1.4.2 生产工艺及技术25-27
• 1.5 本文研究的意义、目标及内容27-28
• 1.5.1 研究的目标和意义27
• 1.5.2 研究的内容27-28
• 第2章 LNG 储罐用 06Ni9 钢的成分控制及生产工艺路线28-32
• 2.1 成分控制思路28-29
• 2.2 06Ni9 钢国产化技术条件29
• 2.3 钢的制造工艺路线29-30
• 2.3.1 钢板的生产工艺流程29-30
• 2.3.2 钢板预制工艺流程30
• 2.4 本章小结30-32
• 第3章 06Ni9 钢材料基础性试验研究32-46
• 3.1 06Ni9 钢的热变形特征32-33
• 3.1.1 实验材料32
• 3.1.2 实验方法及结果分析32-33
• 3.2 钢的相变点测定及显微组织分析33-36
• 3.2.1 试验材料33
• 3.2.2 试验方法33
• 3.2.3 试验结果及分析33-36
• 3.3 热变形组织模拟实验36-38
• 3.3.1 试验材料36
• 3.3.2 试验方法及结果分析36-38
• 3.4 试验材料不同热处理工艺制度下的力学性能38-44
• 3.4.1 试验材料38
• 3.4.2 不同淬火温度试验及结果38-40
• 3.4.3 相同淬火温度采用不同回火工艺试验及结果40-41
• 3.4.4 相同淬火和回火温度在不同回火时间下的试验及结果41-42
• 3.4.5 两相区温度热处理试验结果42-44
• 3.5 工业化低温控制轧制对钢性能影响验证实验研究44-45
• 3.5.1 实验方法44
• 3.5.2 实验结果44
• 3.5.3 实验结果分析44-45
• 3.6 本章小结45-46
• 第4章 LNG 储罐用 06Ni9 钢制造关键工艺技术46-60
• 4.1 超纯净化冶金工艺研究46-50
• 4.1.1 实验工艺与设备46
• 4.1.2 工业化生产 06Ni9 钢效果统计分析46-48
• 4.1.3 夹杂物变性控制技术应用48-50
• 4.2 LNG 储罐用 06Ni9 钢连铸工艺研究50-54
• 4.2.1 生产工艺设备50-51
• 4.2.2 连铸工艺研究51-54
• 4.3 优良的钢板表面质量控制技术54-55
• 4.3.1 生产中存在的问题54
• 4.3.2 解决措施及效果54-55
• 4.4 板型控制技术55-56
• 4.4.1 存在的问题55
• 4.4.2 解决措施及效果55-56
• 4.5 预制成型技术56-58
• 4.6 本章小结58-60
• 第5章 06Ni9 钢热处理组织及性能研究60-74
• 5.1 实验用钢化学成分60
• 5.2 不同热处理工艺对钢组织和性能的影响研究60-73
• 5.2.1 生产实验验证61-63
• 5.2.2 生产验证分析63-64
• 5.2.3 06Ni9 钢热处理组织观测64-69
• 5.2.4 金相组织分析69
• 5.2.5 06Ni9 钢中奥氏体的形成及表现行为研究与分析69-73
• 5.3 本章小结73-74
• 第6章 06Ni9 钢带状组织形成及其对性能的影响研究74-82
• 6.1 实验材料及方法74
• 6.2 实验结果74-78
• 6.2.1 不同热处理工艺条件下 06Ni9 钢的力学性能74-75
• 6.2.2 不同热处理工艺条件下试样的显微组织75-78
• 6.3 分析讨论78-80
• 6.3.1 06Ni9 钢中带状组织的形成及影响78-79
• 6.3.2 镍在奥氏体和铁素体中的扩散79-80
• 6.4 具有成分偏析的 06Ni9 钢热处理工艺改进80-81
• 6.5 本章小结81-82
• 第7章 应力－应变曲线和钢强韧性配合研究82-90
• 7.1 实验材料与方法82
• 7.2 实验结果及讨论82-88
• 7.2.1 拉伸曲线和低温韧性特征分析82-86
• 7.2.2 06Ni9 钢屈服现象及其强韧性86-87
• 7.2.3 06Ni9 钢的屈强比87-88
• 7.3 本章小结88-90
• 第8章 应变时效对 06Ni9 钢力学性能的影响研究90-96
• 8.1 实验材料和方法90-91
• 8.2 实验结果91-93
• 8.2.1 不同应变量经低温时效处理试验结果91-92
• 8.2.2 不同应变量钢经 560℃热处理的试验结果92-93
• 8.3 实验结果讨论分析93-94
• 8.4 本章小结94-96
• 第9章 06Ni9 钢特殊试验项目分析研究96-102
• 9.1 钢的疲劳性能初步试验分析96-98
• 9.1.1 试验方法96-97
• 9.1.2 实验初步结论97-98
• 9.2 钢板无塑性转变温度落锤试验(Nil-Ductility Transition Temperature)测定98-99
• 9.2.1 试验方法98
• 9.2.2 实验结果98-99
• 9.3 裂纹尖端张开位移(CTOD)试验99-101
• 9.3.1 试验方法及试验结果100-101
• 9.3.2 试验结果分析101
• 9.4 本章小结101-102
• 第10章 06Ni9 钢的焊接性试验102-128
• 10.1 焊条熔敷金属力学性能试验102-103
• 10.1.1 熔敷金属化学成分102-103
• 10.1.2 熔敷金属拉伸试验103
• 10.2 焊接冷裂纹敏感性评定试验103-107
• 10.2.1 焊接热影响区最高硬度法试验104-106
• 10.2.2 斜 Y 型坡口焊接裂纹试验106-107
• 10.3 钢板对接焊接工艺试验107-112
• 10.3.1 焊接线能量试验107-111
• 10.3.2 焊后应力消除热处理试验111-112
• 10.4 焊接接头力学性能试验112-113
• 10.4.1 手工电弧焊接接头力学性能试验方法112
• 10.4.2 手工电弧焊接接头拉伸、弯曲试验结果112-113
• 10.4.3 手工电弧焊接接头冲击试验结果113
• 10.5 落锤试验测定焊接接头无塑性转变温度 NDTT 结果113-114
• 10.6 裂纹尖端张开位移(CTOD)试验结果114-116
• 10.7 焊接接头不同部位金相组织检验结果116-125
• 10.8 实验结果讨论125-126
• 10.9 本章小结126-128
• 第11章 工业批生产 LNG 储罐用 06Ni9 钢性能统计分析128-136
• 11.1 化学成分128
• 11.2 钢中气体128-129
• 11.3 钢中非金属夹杂物129
• 11.4 钢中电解夹杂和低熔点元素含量129-130
• 11.5 力学性能130
• 11.6 钢的低温冲击韧性130-132
• 11.7 国产 06Ni9 钢系列冲击试验132
• 11.8 国产和进口钢焊接接头性能比较132-134
• 11.9 国产 06Ni9 钢技术评定134
• 11.10 本章小结134-136
• 第12章 结论136-138
• 参考文献138-148
• 致谢148-150
• 攻读博士学位期间完成的论文和成果及专利150-152
• 博士学位论文创新性说明152

您可以在本站搜索以下学术论文文献来了解更多相关内容

热处理工艺对LNG用高Ni低温钢韧性的影响    朱莹光;侯家平;周丹;叶其斌;杨洋;

Precipitation and stability of reversed austenite in 9Ni steel    

Effects of Si on the stability of retained austenite and temper embrittlement of ultrahigh strength steels    

镍铬合金钢钢坯抗高温氧化涂料的研制    徐小连,刘东,廖相巍

在深冷条件下残余奥氏体转变的研究    李士燕,刘天佐,李钢

高强高韧钢23CoNi连续相变及奥氏体逆转变研究    王六定

9Ni钢焊接热影响区组织转变规律的研究    严春妍;李午申;白世武;薛振奎;

回火温度对0.23C-12Ni-14Co-3Cr-1Mo钢逆转奥氏体的影响    王俊丽,钟平,凌斌

785MPa级焊接接头消应力热处理后韧性研究    方大鹏;张京海;

防氧化脱碳涂料对钢铁材料热处理的保护研究    李虹燕;白力静;梁戈;李均明;

金属塑性变形的不均匀性    邵峰

热轧后冷却速率对16MnR钢板组织与性能的影响    唐飞飞,庞兆夫

工字钢计算机辅助孔型设计    庄蕾,耿申初

夹杂物对电工钢磁性能影响的初步分析    李文权,高振宇,罗理,孟劲松,孙群

热处理工艺对LNG用高Ni低温钢韧性的影响    朱莹光;侯家平;周丹;叶其斌;杨洋;

白口铸铁焊补的工艺性研究    祖方遒,王立跃,郑云清

15CrMo钢容器的焊接    江苏

LNG卫星站的冷能利用    李悦敏;丁国玉;张兆铅;

反向凝固08Al/15F复合钢带凝固传热过程的有限元分析    张建;王皖;王新华;

MnO基无氟复合造渣剂在沙钢转炉冶炼中应用的试验研究    黄志勇;袁庭伟;颜根发;施一新;许茂清;刘光飞;

解决薄壁不锈钢SA213-TP347H管焊接“过烧”缺陷    覃素志;

60CrMnMo轧辊裂纹修复    赵海军;侯祖春;张慧;

多因素促进煤层气开采分析与建议    李世彬;邱红兵;邱亚玲;王维;

WB36材料焊接工艺试验研究及应用    王润军;吴天笑;田鑫;

ZG_0Cr_(25)Ni_7Mo_2N焊接工艺评定试验    王润军;郝建国;田鑫;耿延朝;

渣系组成对GH2150合金电渣重熔的影响    杨晓利;杨玉军;张玉春;王志刚;张鹏;

SEB试样的COD弹塑性换算研究    石凯凯;蔡力勋;包陈;

直通型CT试样COD弹塑性换算研究    包陈;蔡力勋;石凯凯;

9Ni钢的低周疲劳行为研究    王丽英;李金许;

磁控焊接外加磁场的有限元分析    王伟;孙昕辉;文海龙;叶镝;

气雾化铁—碳系合金粉体组织演化及其形成研究    杨敏

高强韧冷作模具钢组织设计及组织控制研究    李绍宏

Mg处理冶炼工艺对船板钢母材和焊接热影响区影响的研究    祝凯

液化天然气冷能利用过程中强化换热技术及水平管内气液两相流体激振机理的研究    司洪宇

材料力学测试技术中的理论方法与实验应用    包陈

X80管线钢用自保护药芯焊丝的研究    张占伟

X80高钢级管线钢埋弧焊丝的研究    陈延清

X80管线钢低温焊接技术研究    李建军

ASTM4130钢焊接热影响区组织与性能研究    李立英

409L铁素体不锈钢凝固组织的细晶均匀化及其机制研究    王超

热处理工艺对510L热轧钢氧化皮结构和腐蚀性能的影响    周伟

无渣铁粉型耐磨堆焊焊条及其堆焊工艺研究    任立臣

新型马氏体时效不锈钢组织与力学性能研究    甄彩霞

添加微量纳米铜粉对铁基粉末烧结件组织性能的影响    李光远

低温纳米热电材料的制备和性能研究    疏敏

汽车钢板的氧化热力学及动力学分析    纪显彬

精炼渣对帘线钢中非金属夹杂物形态的影响    赵烁

马氏体时效不锈钢高温脆性及固溶温度优化研究    林建军

20CrMoH齿轮钢的淬透性及带状组织研究    王彦彬

00Cr13Ni5Co9Mo5马氏体时效不锈钢韧化技术的研究    罗静

普通热轧带钢氧化铁皮及其酸洗研究    于政禄,魏明远,白宝珍

2200MPa级超高强度低合金钢的组织和力学性能    范长刚;董瀚;时捷;刘燕林;雍岐龙;惠卫军;王毛球;翁宇庆;

Research and development of 780 MPa cold rolling TRIP-aided steel    

不锈钢的高温抗氧化涂层    朱建新,刘素兰,张丽清

在深冷条件下残余奥氏体转变的研究    李士燕,刘天佐,李钢

二次硬化超高强度钢组织与性能    钟平，凌斌，古宝珠，金建军，王洪涛

23Co14Ni12Cr3钢等温奥氏体形成动力学    王六定

晶粒尺寸对18Ni马氏体时效钢力学性能的影响    罗鸿,尹钟大,朱景川,李明伟,李海晨,郭和平,方海涛,来忠红,刘勇

奥氏体动态再结晶组织对马氏体相变的影响    徐洲,姚忠凯

Anomalous Phase Transformation from Martensite to Austenite in Fe-13%Cr-4%Ni-Mo Martensitic Stainless Steel    

    廖建国

高强度船体结构用钢强韧化热处理工艺制度研究    侯家平

06Ni9钢回转奥氏体的形成及稳定性研究    周瑰云;刘东风;卫英慧;杨秀丽;侯利锋;

稀土对Ni9铸钢晶界裂纹倾向的影响    张伟;李隆盛;程骥;

热处理对Ni9铸钢77K冲击韧性的影响    张伟,李隆盛,程骥,刘德经,孙宏君

    

超低温液化天然气储罐用06Ni9钢组织性能及生产工艺研究    刘东风