馬氏體鋼12Cr5Mo的開(kāi)發(fā)生產(chǎn)

于洪波，朱衛(wèi)東

（山東壽光巨能特鋼有限公司，山東 壽光262711）

1 前言

12Cr5Mo合金鋼屬于鉻鉬釩鋼，主要用于石油裂化用無(wú)縫鋼管，也是用于管壁溫度≤650℃的高壓鍋爐過(guò)熱器管、集箱和蒸汽管道的主要鋼種。這些部件除要求高溫強(qiáng)度和抗高溫氧化腐蝕外，根據(jù)用途不同還要求有足夠的韌性、良好的可加工性和焊接性以及一定的組織穩(wěn)定性。山東壽光巨能特鋼有限公司根據(jù)市場(chǎng)需求，組織了馬氏體鋼12Cr5Mo的研制和開(kāi)發(fā)。通過(guò)分析鋼種對(duì)連鑄及軋制工藝的影響，設(shè)計(jì)了鋼的化學(xué)成分內(nèi)控要求及工藝控制要點(diǎn)。開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的12Cr5Mo圓鋼產(chǎn)品外觀尺寸、低倍和高倍組織等均完全滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 鋼種對(duì)生產(chǎn)工藝的影響

2.1 鋼種對(duì)連鑄工藝的影響

12Cr5Mo屬于包晶鋼，易產(chǎn)生裂紋。根據(jù)包晶相的生長(zhǎng)機(jī)制可知，F(xiàn)e-C合金包晶相（γ）的生長(zhǎng)分為3個(gè)階段：包晶反應(yīng)階段（L+δ→γ）、包晶轉(zhuǎn)變階段（δ→γ）和直接凝固階段（L→γ）。包晶反應(yīng)和直接凝固階段因有液相的參與，液態(tài)金屬的流動(dòng)彌補(bǔ)了凝固前沿的收縮，此兩個(gè)階段不會(huì)導(dǎo)致鑄坯裂紋的產(chǎn)生。而包晶轉(zhuǎn)變階段，是由晶體結(jié)構(gòu)為體心立方的δ相轉(zhuǎn)變?yōu)榫w結(jié)構(gòu)為面心立方的γ相，因其晶格致密度的增加，將發(fā)生較大的體積收縮。該收縮是在固相組織中發(fā)生，收縮得不到液相的補(bǔ)充，當(dāng)此收縮引起的實(shí)際變形量超過(guò)了材料允許變形時(shí)，就易萌生裂紋。所以Fe-C包晶相變的包晶轉(zhuǎn)變階段（δ→γ）是導(dǎo)致包晶鋼鑄坯裂紋的主要原因。該包晶轉(zhuǎn)變引起的收縮貫穿于合金凝固的整個(gè)過(guò)程中：準(zhǔn)液相區(qū)、可補(bǔ)縮區(qū)、不可補(bǔ)縮區(qū)和晶間搭橋區(qū)4個(gè)階段。在不可補(bǔ)縮區(qū)，包晶相變的3個(gè)階段引起的收縮均得不到補(bǔ)償，其收縮最為劇烈，容易導(dǎo)致鑄坯裂紋；尤其是在零塑性溫度（ZDT）附近，鋼自身的高溫性能差，F(xiàn)e-C合金包晶相變引起的收縮使得鑄坯極易產(chǎn)生裂紋［1］。所以12Cr5Mo鋼對(duì)連鑄的冷卻工藝、比水量、拉矯參數(shù)等都提出了更高的要求。

2.2 鋼種對(duì)軋制工藝的影響

12Cr5Mo含Cr較高，較多的合金元素的加入，破壞了鋼的原子排列規(guī)律性，使熱傳導(dǎo)困難，因而高鉻鋼的導(dǎo)熱性差。為了避免熱應(yīng)力裂紋的產(chǎn)生，鑄坯在加熱爐加熱時(shí)應(yīng)緩慢升溫，并應(yīng)有足夠的保溫均熱時(shí)間。鉻鋼的變形抗力隨合金化程度而提高。高鉻鋼在加工時(shí)，每次變形量要小。鍛、軋后要緩冷，以免產(chǎn)生白點(diǎn)［2］。

2.3 鋼種成分設(shè)計(jì)

根據(jù)GB/T 9948—2013標(biāo)準(zhǔn)要求確定具體成分，同時(shí)結(jié)合鋼種對(duì)連鑄及軋制工藝影響分析，采取窄成分控制，制定內(nèi)控成分要求，加嚴(yán)了對(duì)有害元素P、S的要求，適當(dāng)控制酸溶鋁范圍。

3 生產(chǎn)過(guò)程控制

12Cr5Mo鋼采用如下生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行開(kāi)發(fā)生產(chǎn)：頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐→LF爐外精煉→真空脫氣→連鑄→熱裝→雙蓄熱步進(jìn)梁式加熱爐→水除鱗→軋機(jī)產(chǎn)材→剪切→入坑緩冷→檢查→收集。

3.1 控制要求

1）轉(zhuǎn)爐工藝終點(diǎn)控制：C≤0.06%，P≤0.010%，溫度≥1 650℃；出鋼先用鋼芯鋁預(yù)脫氧，再加入鐵合金以保證鐵合金的收得率。

2）精煉爐澆次第一爐出鋼溫度控制在1 680～1 700℃，連澆爐次出鋼溫度降低20℃，控制在 1 660～1 680℃；VD爐真空度≤67 Pa，保持時(shí)間＞20 min，軟吹氬＞15 min。

3）連鑄過(guò)程加強(qiáng)氬氣保護(hù)；鋼水過(guò)熱度控制在15～30℃；二冷水采用水和氣水霧化冷卻，比水量0.18 L/kg；圓鋼采用多點(diǎn)矯直，矯直力由300～400 kN逐步升高。

4）加熱控制：由于此鋼種相對(duì)一般合金鋼含有更高的合金成分，對(duì)溫度的敏感程度更高，需要控制鋼在加熱爐內(nèi)的升溫速度。生產(chǎn)采取熱送工藝，熱送溫度控制在550～700℃。為避免升溫速度過(guò)快，鑄坯在爐加熱時(shí)間均＞10 h，均衡出鋼節(jié)奏。生產(chǎn)期間嚴(yán)控預(yù)熱段溫度，緩慢加熱。預(yù)熱段溫度≤900℃，加熱段1 200～1 240℃，均熱段控制在1 200～1 240℃。

5）軋制：根據(jù)此鋼種相對(duì)高溫塑性差的特性，整個(gè)軋制環(huán)節(jié)均采用較小的變形制度進(jìn)行軋制，避免因拉應(yīng)力過(guò)大造成中間坯角部拉裂。初軋采用17道次，總延伸率3.045。連軋采用6道次出成品軋件，總延伸率2.442。

3.2 控制要點(diǎn)

1）12Cr5Mo鋼在凝固過(guò)程中會(huì)發(fā)生包晶反應(yīng)，并且伴隨這一轉(zhuǎn)變還出現(xiàn)較大的體積變化和線收縮，所以此鋼種容易發(fā)生結(jié)晶器漏鋼事故和連鑄坯表面質(zhì)量缺陷，是連鑄較難澆注的鋼種。由于初生凝固坯殼生長(zhǎng)不均勻，在冷卻水量控制方面要求進(jìn)行弱冷。本次開(kāi)發(fā)生產(chǎn)結(jié)合鋼種特性、拉速、斷面等確定了適合的冷卻方式和最佳比水量等工藝參數(shù)以增強(qiáng)坯殼的變形能力。另外此鋼種合金含量較高，使鑄坯的臨界應(yīng)變降低，同時(shí)改變脆性區(qū)間溫度范圍，鋼的裂紋敏感性增強(qiáng)，所以拉矯力也要適當(dāng)控制，不易過(guò)大。

2）控制鋼中有害元素含量。鋼在高溫回火（450～650℃）過(guò)程中，鋼中雜質(zhì)元素S、P等易偏聚于晶界，形成網(wǎng)狀或片狀化合物，降低晶界強(qiáng)度。為了盡量降低鋼的回火脆性，控制P、S含量在0.020%以下。

3）控制軋制，細(xì)化晶粒。嚴(yán)格控制軋制溫度，通過(guò)軋制細(xì)化晶粒。12Cr5Mo鋼軋制主要采用“未再結(jié)晶區(qū)軋制”中的γ未再結(jié)晶區(qū)（950℃～Ar3）軋制。當(dāng)軋制溫度降低到950℃以下時(shí)，γ相的再結(jié)晶被抑制。此時(shí)，隨著壓下量的增加，γ晶粒伸長(zhǎng)，并在晶粒內(nèi)產(chǎn)生大量的形變帶。γ/α相變時(shí)，在γ晶界和形變帶上都產(chǎn)生α核，使α的形核點(diǎn)增多，起到細(xì)化晶粒的作用［3］。

4 產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量分析

1）化學(xué)成分。12Cr5Mo鋼標(biāo)準(zhǔn)要求成分、內(nèi)控成分及實(shí)際生產(chǎn)中材料的化學(xué)成分控制情況見(jiàn)表1，鋼的化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 9948—2013）及內(nèi)控成分要求。

表1 12Cr5Mo鋼化學(xué)成分 %

2）表面質(zhì)量。軋材表面未出現(xiàn)孔型設(shè)計(jì)產(chǎn)生的缺陷，只產(chǎn)生了少量的輕微劃傷，經(jīng)過(guò)修磨處理后合格，證明孔型設(shè)計(jì)合理。

3）低倍和夾雜物級(jí)別。12Cr5Mo鋼低倍組織形貌見(jiàn)圖1，低倍評(píng)級(jí)：一般疏松0級(jí)，中心疏松1級(jí)，偏析0級(jí)，滿足YB/T 5137—2007標(biāo)準(zhǔn)要求。夾雜物平均級(jí)別見(jiàn)表2。

圖1 12Cr5Mo鋼Φ220 mm規(guī)格低倍組織形貌

表2 12Cr5Mo鋼夾雜物實(shí)際控制情況 級(jí)

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)連鑄過(guò)熱度、二冷水冷卻方式、比水量、矯直機(jī)的矯直力參數(shù)以及軋制過(guò)程中坯料的慢速升溫、長(zhǎng)時(shí)間保溫、小壓下量軋制等工藝的優(yōu)化，同時(shí)匹配好連鑄和軋制節(jié)奏，保證坯料按制定的工藝溫度范圍入爐，共進(jìn)行了兩個(gè)澆次的試生產(chǎn)，生產(chǎn)12Cr5Mo棒材約600 t。除少量劃傷外，棒材無(wú)其他表面質(zhì)量缺陷，化學(xué)成分穩(wěn)定在內(nèi)控要求范圍，低倍級(jí)別均≤1.0級(jí)，非金屬夾雜物≤1.0級(jí)，滿足YB/T 5137—2007標(biāo)準(zhǔn)的要求。