不銹鋼焊帶的研制及其在加氫反應(yīng)器上的應(yīng)用★

武顯斌， 李 俊

（1.山西太鋼不銹鋼精密帶鋼有限公司， 山西 太原 030003； 2.山西太鋼不銹鋼股份有限公司， 山西太原 030003）

加氫反應(yīng)器是現(xiàn)代煉化領(lǐng)域的關(guān)鍵設(shè)備，主要用于石油煉制和重油的加氫裂化、加氫精制以及催化重整、脫硫、脫除重金屬等工藝過程，其工作溫度400℃以上，壓力20 MPa，同時(shí)內(nèi)壁長(zhǎng)期接觸油氣、氫氣、硫化氫等腐蝕介質(zhì)，使用工況十分惡劣，屬于有爆炸危險(xiǎn)的臨氫承壓設(shè)備，因此加氫反應(yīng)器的制造有一定難度，特別是內(nèi)壁的耐高溫、防腐蝕工作非常重要[1]。目前國(guó)內(nèi)外通常采用的措施是在厚壁低合金Cr-Mo鋼內(nèi)壁上堆焊不銹鋼焊帶，堆焊層包括過渡層和耐腐蝕層，過渡層采用TEQ309L焊帶，耐腐蝕層采用TEQ347L焊帶，焊層有效厚度3 mm以上。堆焊層的質(zhì)量受焊帶質(zhì)量及焊接方法的影響，直接影響到加氫反應(yīng)器的使用安全。焊帶質(zhì)量取決于成分、性能和焊帶板型以及與焊劑匹配的適應(yīng)性，與成分設(shè)計(jì)及生產(chǎn)工藝關(guān)系密切相關(guān)[2]。帶極堆焊包括埋弧帶極堆焊和電渣帶極堆焊兩種，電渣帶極堆焊以其較高的生產(chǎn)效率、較低的母材稀釋率和良好的焊縫成型等優(yōu)勢(shì)越來越受到人們的關(guān)注。我國(guó)在20世紀(jì)80年代采用埋弧堆焊的方法生產(chǎn)加氫反應(yīng)器，但所用的不銹鋼焊帶全部依賴國(guó)外進(jìn)口[3]，近年來山西太鋼不銹鋼股份有限公司（全文簡(jiǎn)稱太鋼）為了滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求，利用技術(shù)和裝備優(yōu)勢(shì)開始研制不銹鋼焊帶TEQ309L和TEQ347L，產(chǎn)品分硬態(tài)和軟態(tài)兩種，規(guī)格（0.4～0.5）mm×（50～60）mm，同時(shí)可以滿足埋弧堆焊和電渣堆焊的使用要求，在國(guó)內(nèi)外加氫反應(yīng)器等設(shè)備制造中得到廣泛應(yīng)用。本文重點(diǎn)介紹太鋼堆焊用不銹鋼焊帶TEQ309L和TEQ347L的研制及在其加氫反應(yīng)器上的堆焊應(yīng)用情況。

1 不銹鋼焊帶TEQ309L和TEQ347L的技術(shù)要求

國(guó)內(nèi)不銹鋼焊帶采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)多采用《承壓設(shè)備用焊接材料訂貨技術(shù)條件 第5部分：堆焊用不銹鋼焊帶和焊劑》（NB/T47018.5—2011），該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了不銹鋼焊帶的成分、表面要求及板型等并對(duì)熔敷金屬成分、性能提出了要求，確保冷彎、晶間腐蝕、無損檢測(cè)和滲透檢驗(yàn)合格。不銹鋼焊帶及熔敷金屬的成分見表1。

表1 不銹鋼焊帶及熔敷金屬的成分 %

2 不銹鋼焊帶的成分設(shè)計(jì)思路

在不銹鋼焊帶的所有指標(biāo)中，最關(guān)鍵的是成分，其對(duì)堆焊工藝性能、堆焊層成分及堆焊層組織和性能影響很大，因此，在成分設(shè)計(jì)階段就需要考慮以下幾點(diǎn)：

2.1 適量鐵素體組織的控制

純奧氏體不銹鋼在焊接凝固時(shí)易產(chǎn)生方向性很強(qiáng)的粗大柱狀晶組織，見圖1-1，易使鋼中雜質(zhì)在晶界偏聚引起開裂。若能在設(shè)計(jì)階段增加鐵素體相形成元素，減少奧氏體相形成元素，使鋼液以FA模式凝固，由于鐵素體可有效阻止奧氏體相的枝晶粗大發(fā)展傾向，見圖1-2，從而產(chǎn)生一定的細(xì)化晶粒和打亂結(jié)晶方向的作用，有效避免凝固裂紋的形成。同時(shí)由圖2鐵素體含量與焊接熱裂紋敏感性之間的關(guān)系也可以看出，為確保焊接熱裂紋傾向最小，奧氏體不銹鋼焊帶中鐵素體相含量控制在5%～20%[4]。但在實(shí)際使用過程中，鐵素體并非越多越好，長(zhǎng)期的高溫下服役時(shí)，其中的鐵素體向σ相轉(zhuǎn)變，即δ→σ+γ′，σ相是一種硬脆的金屬間化合物，促使堆焊層脆化，煉油過程產(chǎn)生的氫進(jìn)入基體與堆焊層之間，致使堆焊層剝離基體，產(chǎn)生“氫剝離”現(xiàn)象，因此鐵素體含量也不宜超過15%。

圖1 δ相在γ相基底上的分布模型

圖2 鐵素體含量與焊接熱裂紋之間的關(guān)系

組織中鐵素體含量由 C、Cr、Ni、Nb、N 元素決定，其中 C、Ni、N是奧氏體形成元素，Cr、Nb是鐵素體形成元素，根據(jù)WRC-1992公式可以計(jì)算出常溫下焊態(tài)組織中的鐵素體含量，實(shí)際生產(chǎn)中可以通過嚴(yán)格控制這幾個(gè)元素含量得到理想的鐵素體含量。

2.2 低P、S控制防止焊接熱裂紋

P、S是易偏析元素，其在鐵素體相中的溶解度遠(yuǎn)大于其在奧氏體相中的溶解度（如P在鐵素體相中的溶解度為2.8%，在常溫奧氏體相中只有0.025%）。超過溶解度的P、S將析出與Fe、Ni等形成Fe-FeS、Ni-Ni3S2、Ni-Ni3P等低熔點(diǎn)共晶體，其熔點(diǎn)為600～800℃，遠(yuǎn)低于奧氏體的熔點(diǎn)（1300～1360℃），在凝固后期收縮應(yīng)力的作用下形成裂紋[5]。因此，必須嚴(yán)格控制P、S元素含量。

2.3 防止熔敷金屬晶間腐蝕產(chǎn)生

C元素是奧氏體不銹鋼及其焊縫金屬引起晶間腐蝕的最主要的元素。在高溫下溶解了C的奧氏體不銹鋼迅速冷卻到室溫時(shí)，C就會(huì)以過飽和的形式固溶，若再次在敏化溫度范圍內(nèi)保溫或緩慢冷卻時(shí)，過飽和的C就會(huì)以Cr23C6形式沉淀出來。但Cr的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)低于C的擴(kuò)散速度，當(dāng)Cr23C6形成時(shí)，鋼中遠(yuǎn)離晶界的Cr不能及時(shí)補(bǔ)充到邊界，只能消耗晶界附近的Cr，造成晶界貧Cr，從而發(fā)生晶間腐蝕，所以C含量應(yīng)該控制在較低的水平[6]。但C是奧氏體形成元素，其形成奧氏體能力是Ni的30倍，太低的C含量導(dǎo)致鐵素體含量上升。另一個(gè)影響晶間腐蝕的元素是Nb，Nb和C的親和力很強(qiáng)，遠(yuǎn)高于Cr和C的親和力，過飽和的C析出時(shí)優(yōu)先和Nb結(jié)合，形成穩(wěn)定的碳化物NbC和Nb6C5，從而有效抑制了Cr23C6的形成，緩解了奧氏體晶界貧鉻現(xiàn)象的發(fā)生。

3 不銹鋼焊帶生產(chǎn)工藝控制

與普通的奧氏體不銹鋼生產(chǎn)相比，不銹鋼焊帶在成分控制、組織性能上都有更為嚴(yán)格的要求，實(shí)際生產(chǎn)過程必須嚴(yán)加控制。其具體的生產(chǎn)流程為：轉(zhuǎn)爐→VOD爐→LF爐→連鑄→熱軋→冷軋→分條→包裝。相關(guān)工藝及設(shè)備參數(shù)見表2。

表2 不銹鋼焊帶生產(chǎn)相關(guān)工藝參數(shù)

3.1 冶煉成分控制

采用國(guó)內(nèi)首條 “三脫”預(yù)處理鐵水為主要原料的不銹鋼冶煉生產(chǎn)線，即先在預(yù)處理站對(duì)鋼水進(jìn)行脫硅、脫硫和脫磷，之后再兌入轉(zhuǎn)爐，同時(shí)加入鉻鎳合金進(jìn)行不銹鋼冶煉。這種冶煉方法與普通的廢鋼冶煉不銹鋼相比的優(yōu)點(diǎn)是硫、磷等有害元素可以降到很低，其他雜質(zhì)元素如Cu、Ti等的含量都非常低。脫磷在鐵水預(yù)處理站采用”雙渣法”進(jìn)行。雙渣法脫磷基本的工藝是按照脫磷的熱力學(xué)條件，在爐渣堿度R≥2.0的前期下，在吹煉前期加入紅泥球，提高爐渣中FeO含量，冶煉6 min以上保證化渣良好，鋼水溫度降低時(shí)搖爐倒渣，將爐渣中已形成的P2O5倒掉一部分，然后造新渣繼續(xù)冶煉。雙渣法可以將鐵水的磷含量降到0.01%以下,確保成品磷在0.02%以下。鐵素體含量根據(jù)WRC—1992公式計(jì)算，LF精煉過程通過控制 C、Cr、Ni、Nb、N等 5 個(gè)元素，使鐵素體含量落入要求的范圍。

3.2 熱軋過程避免開裂控制

不銹鋼焊帶的凝固組織為鐵素體和奧氏體兩相組織，鐵素體以網(wǎng)狀形式分布在奧氏體基體上，見圖3-1。在高溫軋制條件下，奧氏體相的塑形高于鐵素體相，奧氏體組織優(yōu)先發(fā)生變形，鐵素體滯后變形，但前者變形程度遠(yuǎn)大于后者[7]。隨著軋制變形程度的增加，奧氏體組織突破網(wǎng)狀鐵素體的束縛，并沿著軋制方向向前流動(dòng)，鐵素體組織受到奧氏體組織流動(dòng)的沖刷，聚集到奧氏體沖刷力最小的地方，逐漸形成條帶狀組織，見圖3-2。當(dāng)熱軋溫度下降后，鐵素體相的流動(dòng)性變?nèi)?，?duì)奧氏體變形的阻力逐漸增大，很容易在兩相相界處產(chǎn)生應(yīng)力集中，在大的變形速率下晶粒來不及回復(fù)和再結(jié)晶，很容易在相界處產(chǎn)生開裂，見圖3-3。裂紋由開裂處向鋼板內(nèi)部延伸，其走向與組織中鐵素體走向一致，具有明顯的沿晶裂紋特征[8]。因此，熱軋過程必須在兩相組織的最佳熱塑性區(qū)間完成熱軋變形，工藝上可采用搶溫快軋、少道次大變形及減少冷卻水等措施，否則很容易產(chǎn)生熱軋裂紋缺陷[9]。

圖3 不銹鋼焊帶組織

4 不銹鋼焊帶實(shí)物質(zhì)量

太鋼不銹鋼焊帶經(jīng)國(guó)內(nèi)焊接權(quán)威機(jī)構(gòu)焊接評(píng)定后，焊帶母材及熔敷金屬的性能全部滿足加氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)要求。

4.1 焊帶母材的化學(xué)成分

采用GB/T 223對(duì)焊帶進(jìn)行化學(xué)成分分析，并根據(jù)WRC—1992計(jì)算鐵素體含量，結(jié)果見表3。

表3 焊帶母材的化學(xué)成分 %

4.2 焊接工藝參數(shù)

采用TEQ309L+TEQ347L焊帶雙層電渣堆焊并配合焊劑，焊接工藝參數(shù)見表4，焊接工藝性能良好，無飛濺，易脫渣，焊道搭接好，成形美觀，見圖4、圖5。

表4 焊接評(píng)定工藝參數(shù)

圖4 堆焊過程

圖5 堆焊層熔敷金屬外觀

4.3 熔敷金屬的化學(xué)成分

在距離堆焊層表面3 mm深處鉆取化學(xué)成分試樣，采用GB/T223化學(xué)分析方法，結(jié)果見下頁表5。

4.4 熔敷金屬的硬度

堆焊后，從截面處制樣，進(jìn)行硬度檢測(cè)，結(jié)果見表6。

表5 堆焊后熔敷金屬的化學(xué)成分%

表6 熔敷金屬硬度（HV）

4.5 冷彎

堆焊層經(jīng)705℃保溫2 h熱處理后，進(jìn)行橫向和縱向側(cè)彎，彎曲半徑為2倍厚度，彎曲角度180°，彎曲部位無裂紋，見圖6。

圖6 冷彎試樣照片

4.6 晶間腐蝕

依照GB/T 4334.5，對(duì)焊道取規(guī)格80 mm×10 mm×4 mm的試樣兩塊，經(jīng)過16 h的硫酸—硫酸銅溶液微沸腐蝕之后，再進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示，試樣無裂紋出現(xiàn)。表明堆焊的耐蝕層具有良好的耐晶間腐蝕性能。

圖7 晶間腐蝕照片

5 應(yīng)用

太鋼突破了冶煉成分控制精度高、熱軋易開裂及外觀質(zhì)量要求高等難點(diǎn)，成功開發(fā)出加氫反應(yīng)器內(nèi)壁堆焊用不銹鋼焊帶TEQ309L和TEQ347L。太鋼焊帶與一重天津重型裝備研制的焊劑形成的配套產(chǎn)品在2012年經(jīng)中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)、中石化洛陽工程有限公司、哈焊所、鋼鐵研究總院等專家鑒定，認(rèn)為太鋼與一重研制不銹鋼焊帶及焊劑實(shí)物質(zhì)量達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，可以替代進(jìn)口應(yīng)用于加氫反應(yīng)器的制造。

不銹鋼焊帶開發(fā)以來，已經(jīng)與國(guó)內(nèi)知名焊材公司如哈焊所、北京金威、昆山京群、一重天津重型裝備等焊劑相匹配，試驗(yàn)結(jié)果均滿足GB/T47018及加氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)要求，表明太鋼的焊帶具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。目前太鋼焊帶已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)加氫反應(yīng)器等大型壓力容器的制造，滿足了國(guó)內(nèi)重點(diǎn)領(lǐng)域和重點(diǎn)項(xiàng)目的需求，形成年產(chǎn)1000 t以上能力的生產(chǎn)線，對(duì)我國(guó)煉化裝備制造的健康、可持續(xù)發(fā)展有重要意義。

6 結(jié)論

1）太鋼采用“轉(zhuǎn)爐→VOD爐→LF爐→連鑄→熱軋→冷軋→分條→包裝”的工藝路線，通過合理的成分設(shè)計(jì)和解決熱軋過程開裂問題，開發(fā)出加氫反應(yīng)器用不銹鋼焊帶TEQ309L和TEQ347L。

2）經(jīng)焊接工藝評(píng)定，不銹鋼焊帶TEQ309L和TEQ347L焊接工藝性能良好，焊道成形美觀，熔敷金屬的各項(xiàng)性能均滿足加氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)要求。

3）太鋼焊帶形成年產(chǎn)1000 t以上的生產(chǎn)規(guī)模，已廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)加氫反應(yīng)器的制造，專家組鑒定，太鋼焊帶實(shí)物質(zhì)量達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

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