LF爐冶煉2.25Cr-1Mo-0.25V鋼的極限控制技術與質量評價

高強

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618013)

在石化行業(yè)，加氫反應器作為加氫裝置的核心設備，長期處于高溫、高壓的環(huán)境中，同時在氫及硫化氫介質下運行，工況環(huán)境十分苛刻[1-3]，所以加氫反應器被稱為石油工業(yè)的心臟[4]。這就要求加氫反應器必須用冶金質量優(yōu)良，綜合性能良好的抗氫鋼制造，目前普遍選用2.25Cr-1Mo-0.25V鋼。但是，隨著加氫反應器向超大尺寸、超厚壁方向的發(fā)展，將材料的各種性能利用到了極致，這樣也對冶煉水平及鋼錠的冶金質量提出了嚴苛的要求。

1 技術條件

2.25Cr-1Mo-0.25V鍛鋼的采購技術條件基本基于ASME SA182Gr. F22V、ASME SA336Gr. F22V及GB/T47008三個標準而制定，主要化學成分[5-7]見表1，不同的標準對C、P、S、Cu等元素的規(guī)定略有差異。在實際應用過程中，各大設計院制定具體的專項采購規(guī)范時，會在化學成分、力學性能、金相、取試位置等方面有所差異。在化學成分上的主要差異體現(xiàn)在明確有As、Sn、Sb、H、O、N的規(guī)定，并對這些元素提出了嚴苛的要求，極大地增大了冶煉難度[8]。

在實際生產(chǎn)中，為了實現(xiàn)批量鍛件的均質化目標，對化學成分一致性提出了相當嚴格的要求，設計了嚴格的內(nèi)控化學成分和目標值，見表1。

2 冶煉過程控制

隨著加氫反應器向雙超方向的迅猛發(fā)展，加氫項目往往是由多臺反應器構成，而每臺反應器又是由多個鍛件組焊而成，每個鍛件的綜合性能都將影響整臺反應器的質量，乃至整個項目的進度。所以，為了得到綜合性能一致的鍛件，這就要求煉鋼工序提供化學成分近乎一致的、冶金質量優(yōu)良的系列鋼錠。如何利用LF冶煉出化學成分近乎一致，夾雜物評級更好的批量鍛件，是各大制造廠追求的目標。

表1 2.25Cr-1Mo-0.25V鍛鋼的基本化學成分(質量分數(shù)，%)Table 1 Basic chemical compositions of 2.25Cr-1Mo-0.25V forged steel (mass fraction, %)

在實際生產(chǎn)中為了更好地解決批量鍛件均質化和純凈化的難題，我公司在煉鋼工序采取系列措施，對冶煉工序進行全方位把控，將批量鋼錠向均質化和純凈化方向控制，從而得到化學成分基本一致、夾雜物評級低的批量鍛件。

為了全方位地實現(xiàn)批量鍛件的均質化和純凈化，進行了系列試驗研究[9]和前期的技術儲備。在工藝技術準備方面：編制了加氫項目的專用冶煉及鑄錠工藝，對照采購技術條件，不僅制定了嚴謹?shù)膬?nèi)控化學成分，而且還確定目標值，以期獲得化學成分一致的批量鍛件；同時對整個生產(chǎn)過程的關鍵參數(shù)及控制點進行了明確的規(guī)定。在原材料的準備上，嚴格按照工藝要求，準備優(yōu)質生鐵、優(yōu)質廢鋼，對鐵合金及造渣材料也提出了明確的要求，嚴防殘余、有害元素超標；在電爐粗煉環(huán)節(jié)，采用吹氧噴碳技術，造泡沫渣，充分脫碳，采用深脫磷技術，去除鋼中有害雜質元素；在LF爐精煉環(huán)節(jié)，通過造高堿度、強還原性渣，實現(xiàn)深脫氧、深脫硫，最大限度地降低鋼中的O、S含量，通過VD(真空脫氣)進一步降低鋼中的氣體含量。通過高效的精確定量加入方法及快速分析方法，調(diào)整鋼液的化學成分，對化學成分按照目標值要求實現(xiàn)點對點的精確控制，即熔煉爐前化學成分幾乎完全達到工藝要求的目標值。在鑄錠環(huán)節(jié)，優(yōu)選優(yōu)質耐火材料，對鋼錠模、底盤、保溫帽等關鍵冶金附具的清潔、干燥情況進行了嚴格的監(jiān)督、檢查，杜絕因為冶金附具清潔不到位帶來的質量問題。在工序執(zhí)行記錄上，嚴格按照我公司相關規(guī)定，對冶煉及鑄錠過程均進行了嚴密的記錄；在現(xiàn)場過程控制方面，技術及監(jiān)督人員進行了全方位的跟班，一方面確保工藝參數(shù)落實到位，另一方面保證工序監(jiān)督檢查無死角。通過這些措施有力地保障了批量鋼錠冶金質量的一致性。

3 化學成分均質化評價

3.1 熔煉成分偏離量分析

加氫反應器封頭、筒體、過渡段噸位大，基本都是用200～400 t左右的錠型生產(chǎn)，在LF精煉爐必須要進行多包精煉、多包合澆。本文隨機抽取一批鋼錠的加權成分進行統(tǒng)計分析，樣本數(shù)量182個，可控元素爐前控制偏離量見表2。熔煉殘余元素含量水平見表3。

表2 熔煉分析主要可控元素偏離量分析(質量分數(shù)，%)Table 2 Analysis on deviation of main controllable elements in smelting analysis (mass fraction，%)

表3 熔煉殘余元素含量水平(質量分數(shù)，%)Table 3 Melting residual elements content level (mass fraction, %)

從統(tǒng)計分析看，2.25Cr-1Mo-0.25V鋼熔煉分析主要可控元素離散性收縮在很小的范圍內(nèi)。C元素化驗分析精度為0.001%，所以實際爐前化學成分與工藝目標值的偏差基本控制在±0.004%范圍內(nèi)，Si、Mn、Cr、Mo、V實際爐前化學成分與工藝目標值的偏差基本控制在±0.04%的范圍內(nèi)。從表3可以看出，殘余元素含量低，分布范圍窄。

3.2 鍛件成品成分偏離量分析

對批量加氫鍛件不同取試位置的成品分析結果進行統(tǒng)計分析，統(tǒng)計樣本量為364個，可控元素分析偏差見表4。

表4 鍛件成品分析主要可控元素偏離量分析(質量分數(shù)，%)Table 4 Analysis on deviation of main controllable elements in forgings analysis (mass fraction, %)

從表4可以看出，在大型鋼錠存在固有偏析的情況下，批量鍛件成品分析C的最大偏離量為0.005%(由于成品分析時C元素的含量只按兩位小數(shù)報出，所以成品偏離量只有±0.005%這兩個數(shù)值)。Si的最大偏離量為0.03%，Mn的最大偏離量為0.05%，偏析傾向大的Cr、Mo元素最大偏離量也僅為0.09%、0.05%。對主要可控元素的偏離量的分布情況進行統(tǒng)計分析，見圖1。

(a)C元素(b)Si元素(c)Mn元素(d)Cr元素(e)Mo元素(f)V元素

圖1 各元素偏離量分布情況
Figure 1 Distribution of various element deviation

從圖1可以看出，Si、V的熔煉分析與成品分析偏離不大，吻合度很高，而易偏析性元素Mn、Cr、Mo的熔煉分析與成品分析則有一定的偏離，說明Mn、Cr、Mo在凝固過程中有一定的偏析，同時還可以看出這些元素的偏離量分布集中度非常高。

3.3 國內(nèi)外控制水平對比分析

為了更好地了解我公司化學成分控制水平，還搜集了部分國內(nèi)外相關廠家數(shù)據(jù)進行對比分析，國外數(shù)據(jù)樣本量58個，國內(nèi)某廠數(shù)據(jù)樣本量28個?？煽卦氐腻懠善贩治鼋y(tǒng)計情況見表5。各元素偏離量分布概率見圖2。

結合表4、表5及圖2綜合分析，排除工藝控制目標差異，在可控元素中，國外某廠的Si含量控制非常好，比國內(nèi)水平高。除此之外，我公司在C、Mn、Cr、Mo、V等元素的控制上，成品成分集中度非常高，好于國內(nèi)某廠和國外某廠，特別是C元素，成品分析只有兩個數(shù)值。我公司在鋼錠錠型大、錠型種類多、存在固有偏析及分析偏差等不可控因素的情況下，通過對批量鍛件的統(tǒng)計分析看，成分控制完全實現(xiàn)了點對點的精確控制水平。

表5 國內(nèi)外鍛件成品分析統(tǒng)計表(質量分數(shù)，%)Table 5 Analysis and statistics of forgings at home and abroad (mass fraction, %)

同時，從圖2(c)和圖2(f)可以看出其他兩個廠家的Mn、V元素與我公司的控制目標有一定的差異，導致偏離量的分布與我公司相比有一定的錯位，這是由于制造廠家工藝要求差異造成的，但是，依然可以看出其他兩個廠家的數(shù)據(jù)分布較為離散，數(shù)據(jù)集中度依然沒有我公司的高。

(a)C元素(b)Si元素(c)Mn元素(d)Cr元素(e)Mo元素(f)V元素

圖2 各元素偏離量分布概率
Figure 2 Distribution probability of various element deviation

為了進一步證明鍛件的質量水平，下面比較分析以上鍛件成品數(shù)據(jù)樣本的P、S、As、Sn、Sb元素含量水平，見表6、表7。可以看出，我公司殘余元素水平好于國內(nèi)某廠和國外某廠。

表6 P、S元素含量對比(質量分數(shù)，%)Table 6 Comparison of P content and S content (mass fraction, %)

表7 殘余元素水平對比(質量分數(shù)，%)Table 7 Comparison of residual elements content level (mass fraction, %)

4 偏析評價

由于成品分析中C只報了兩位小數(shù)，所以其偏離量均為0.005%，其偏析為3.44%，相對來說，偏析很小。Mn元素的最大正偏析為3.57%，最大負偏析為8.93%，偏析超過3.57%不足10%。Cr的最大正偏析為2.04%，最大負偏析為3.67%，偏析≤2.04%的占97%。Mo的最大正偏析為4.76%，最大負偏析3.81%，偏析小于2%的占80%。這些數(shù)據(jù)與以往解剖數(shù)據(jù)及其他產(chǎn)品相比控制水平很理想[10-13]。

5 夾雜物評級評價分析

5.1 夾雜物評級分析

從上文提到的產(chǎn)品中隨機抽取部分鍛件的夾雜物評級結果進行統(tǒng)計分析，夾雜物評級分布情況見圖3。

無論粗系還是細系，對于A類，夾雜物評級基本為0級；對于B類，95%的評級結果不大于0.5級；對于C類，主要評級為0級及0.5級，約5%左右的試樣評級為1級；對于D類評級主要以0.5級為主，其他級別占少量；對于DS，主要是0級和0.5級，有少量的1.0及1.5級。

(a)粗系(b)細系

圖3 夾雜物評級統(tǒng)計情況Figure 3 Inclusion rating statistics

(a)O含量(b)N含量

圖4 O含量、N含量分布區(qū)間占比對比分析
Figure 4 Comparison and analysis on O content and N content distribution proportion

5.2 夾雜物評級對比分析

為了評級我公司夾雜物控制水平，將我公司與國外某廠批量筒體的夾雜物評級水平進行了對比分析，各類評級占比的統(tǒng)計分析情況見表8。

從表5可以看出，A類夾雜物評級結果差異不大，對于B、C兩類，國外某廠的0級占比要比我公司高，而D類、DS類我公司要好于國外某廠?？偟膩碚f，夾雜物評級水平差異不大。

6 氣體含量評價

將我公司、國外某廠和國內(nèi)某廠的氣體含量進行對比分析。H含量對比分析見表9?？梢钥闯龀龂鴥?nèi)某廠外，我公司與國外某廠H含量水平基本相當。O、N含量對比見圖4。可以看出，我公司的O含量不高于10×10-6的占比達到了66%，而國外某廠不足40%。我公司N的控制水平也好于國外某廠。

7 結論

通過對我公司生產(chǎn)的2.25Cr-1Mo-0.25V鋼

表9 H含量對比分析(×10-6)Table 9 Comparison of H content level (×10-6)

的大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析看，我公司對該鋼種化學成分的控制實現(xiàn)了點對點的精確控制，通過設計合理的錠型結構參數(shù)和澆注工藝參數(shù)，將偏析控制在理想水平。通過嚴格執(zhí)行工藝，加強現(xiàn)場管控，將夾雜物及氣體含量控制在理想的范圍內(nèi)，實現(xiàn)了我公司生產(chǎn)批量化、均質化、純凈化大型鋼錠的目的。通過國內(nèi)外數(shù)據(jù)的對比分析，化學成分、氣體含量及夾雜物控制能力達到了國際水平。