P91耐熱鋼純凈化冶煉工藝研究

胡永平 徐亞東 石寶風(fēng) 韓 非 涂明金

(內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團有限公司，內(nèi)蒙古014030)

生產(chǎn)技術(shù)

P91耐熱鋼純凈化冶煉工藝研究

胡永平 徐亞東 石寶風(fēng) 韓 非 涂明金

(內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團有限公司，內(nèi)蒙古014030)

針對P91鋼的特殊使用工況，提高純凈度以改善材料使用性能。通過制定電弧爐(EAF)冶煉過程控碳、出鋼過程中碳粉預(yù)脫氧、LF精煉過程中擴散脫氧、VD真空除氣及其后的軟吹處理等工藝措施，使P91鋼的全氧含量、夾雜物均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

P91鋼；純凈度；預(yù)脫氧；擴散脫氧；力學(xué)性能

2015年初內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團有限公司(下稱北方重工)中標(biāo)國內(nèi)某400萬t/a煤炭間接液化項目超高壓蒸汽用P91無縫鋼管。該項目P91鋼管的技術(shù)要求(非金屬夾雜物、P含量、晶粒度、硬度均勻性)超出國內(nèi)批量生產(chǎn)該類鋼管的實際水平，特別是非金屬夾雜物，實現(xiàn)指標(biāo)存在極大的技術(shù)難度。為此，北方重工開展了提高鋼的純凈度(O含量、夾雜物)技術(shù)攻關(guān)，使產(chǎn)品合格率達到100%，拓展了高端無縫鋼管市場。

1 存在的問題分析

1.1 鋼管技術(shù)要求

1.1.1 化學(xué)成分

P91無縫鋼管的化學(xué)成分應(yīng)符合表1要求。

表1 P91無縫鋼管的化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The requirements of chemical composition of P91 seamless tube (mass fraction, %)

表2 P91鋼管的力學(xué)性能要求Table 2 The requirements of mechanical properties of P91 steel tube

1.1.2 力學(xué)性能

P91無縫鋼管力學(xué)性能指標(biāo)應(yīng)滿足表2要求。

熱處理后每種規(guī)格鋼管在冒口端取樣，分別在450℃、500℃、550℃下按GB/T 4338進行兩個高溫拉力試驗。按GB 5310—2008標(biāo)準(zhǔn)表B.1中10Cr9Mo1VNbN驗收。

1.1.3 低倍組織

逐支在鋼管兩端進行低倍組織試驗。鋼管的橫截面低倍酸浸試片上不允許有目視可見的白點、夾雜、皮下氣泡、翻皮和分層。按GB/T 1979—2001評級，一般疏松、錠型偏析應(yīng)分別≤2.0級。

1.1.4 彎曲

賣方提供的鋼管根據(jù)協(xié)議要求進行相應(yīng)的壓扁或彎曲試驗。彎曲試驗分為正向彎曲(靠近鋼管外表面的試樣表面受拉變形)和反向彎曲(靠近鋼管內(nèi)表面的試樣表面受拉變形)。彎曲試驗后，試樣彎曲受拉表面及側(cè)面不允許出現(xiàn)目視可見的裂紋或裂口。

1.1.5 非金屬夾雜物

每批在2支鋼管冒口端1/2壁厚處取樣，按GB/T 10561—2005進行非金屬夾雜物檢測。成品鋼管非金屬夾雜物要求：A、C≤1級，B、D≤1.5級，且A+B+C+D≤3.5級；DS≤1.5級。

1.1.6 晶粒度檢測

每批在2支鋼管冒口端1/2壁厚處取樣，按GB/T 6394—2002進行晶粒度檢測，鋼管在熱處理后實際晶粒度應(yīng)為5～8級。晶粒度檢驗按照ASTM E112—2010，要求金相均勻、晶界清晰。同熱處理爐兩支鋼管試片上最大與最小實際晶粒度級別差應(yīng)不大于3級。

1.1.7 顯微組織

逐支在鋼管兩端1/2壁厚處各取一個試樣，按GB/T 13298—1991進行顯微組織檢測。鋼管的顯微組織應(yīng)為回火索氏體或回火馬氏體，不允許有δ鐵素體。

1.1.8 硬度

鋼管硬度值必須控制在190～240HBW之間。

1.1.9 無損檢測

賣方提供的鋼管逐根按照SEP1915或E213做100%超聲檢測(橫波+縱波)，L2級合格。鋼管在熱處理后應(yīng)按照GB 7735逐根進行100%渦流檢驗, B級合格。

1.2 技術(shù)難點

根據(jù)技術(shù)要求，主要問題是P91無縫鋼管B、D及DS類夾雜物單項級別和總和要求高。北方重工2014年擠壓生產(chǎn)的P91鋼管夾雜物級別統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3 2014年P(guān)91鋼管夾雜物合格率統(tǒng)計結(jié)果Table 3 The statistic results of inclusion of P91 steel tube in 2014

從統(tǒng)計結(jié)果可看出，2014年采用擠壓工藝批量生產(chǎn)的P91鋼管夾雜物19.6%達不到技術(shù)要求。

對于冶煉高純凈高鉻鋼P91而言，鋼中夾雜物級別達到B、D、DS≤1.5級，且同時滿足A+B+C+D≤3.5級，控制鋼中O含量和選擇脫氧方式成為難點。

2 針對問題制定的技術(shù)措施

低碳鋼控氧難度大，低碳高合金鋼冶煉時間長，難度更大。為此，要“系統(tǒng)考慮，防治結(jié)合”，即通過控制電爐冶煉過程中的過氧化程度、出鋼過程中預(yù)脫氧措施、精煉過程擴散脫氧、鋼液中的脫氧產(chǎn)物和夾雜物形態(tài)、熔渣吸附能力、澆注過程氣體保護，實現(xiàn)低氧含量。

2.1 工藝流程

P91鋼管制造流程為：50 t EAF→50 t LF→VD→調(diào)氮→軟吹→保護澆注→鋼錠熱送→150 MN壓機制坯→360 MN壓機擠管→管坯熱處理→理化檢測→精加工→無損檢測→交驗。

2.2 控制電爐過氧，減少脫氧產(chǎn)物總量

眾所周知，當(dāng)氧化脫碳期達平衡態(tài)時C、O濃度積是常數(shù)，碳高則氧低。因P91等鋼出鋼碳工藝要求較低(≤0.05%)，若吹氧工藝控制不合理，出鋼C含量控制過低，會造成電爐鋼水過氧化，進而造成在后續(xù)精煉工序中使用的脫氧劑的量增多，生成較多的脫氧產(chǎn)物，而脫氧產(chǎn)物不能全部上浮被熔渣吸附，勢必有部分脫氧產(chǎn)物滯留在鋼液中，從而造成鋼中夾雜物超標(biāo)。因此優(yōu)化電爐冶煉中的化料、氧化脫碳及升溫期的吹氧工藝，并以理論計算吹氧量為指導(dǎo)，在保證出鋼P含量條件下，精確控制C含量是從源頭減少O含量的關(guān)鍵。

2.3 優(yōu)化電爐出鋼過程中的脫氧工藝

通過爐前在線定氧儀檢測，電爐出鋼C含量控制在0.04%～0.05%的粗煉鋼水中的O含量高達600×10-6以上。若全部采用鋁等脫氧劑進行沉淀脫氧，鋼中脫氧產(chǎn)物含量增多。若全部采用擴散脫氧劑脫氧，則脫氧時間長?？梢岳锰碱A(yù)脫氧形成的反應(yīng)產(chǎn)物是CO氣體，這樣不會污染鋼液。在出鋼過程中采用先碳脫氧脫除部分氧，后用鋁沉淀脫氧的脫氧方式，充分利用電爐出鋼過程中良好的脫氧反應(yīng)動力學(xué)條件，提高碳脫氧速度，減少Al2O3等夾雜物的數(shù)量。

2.4 優(yōu)化LF工序擴散脫氧工藝

擴散脫氧是通過向熔渣表面添加碳粉、硅鐵粉、鋁粉、電石等脫氧劑以降低爐渣中(FeO)的含量，當(dāng)爐渣中(FeO)含量不斷降低時，鋼中的氧會向爐渣中擴散以維持其在渣-鋼之間的平衡，進而達到深度脫除鋼液中氧的目的。在P91鋼擴散脫氧過程中通過持續(xù)地將渣中氧化鉻、氧化亞鐵等氧化物還原，使熔渣顏色由綠色變?yōu)榘咨?。若熔渣中氧化鉻含量偏高，會造成熔渣粘度高，流動性差，渣中化學(xué)反應(yīng)和鋼渣間的反應(yīng)動力學(xué)條件變差，脫氧困難，還原時間長。控制精煉過程中熔渣中鉻的氧化是實現(xiàn)高鉻鋼快速還原的重要環(huán)節(jié)。P91鋼中的Cr含量高達8.5%～9.0%，若在鋼液中脫氧不充分的條件下大量加入鉻鐵，鋼液中的Cr元素會由于部分氧化生成較多的鉻的氧化物夾雜進入渣中，增大擴散脫氧的難度。在鋼液脫氧充分的情況下(即熔渣顏色變?yōu)闇\灰色)時，再添加鉻鐵調(diào)整成分時，可有效減少因Cr元素的氧化而進入熔渣的量。

為實現(xiàn)穩(wěn)定控制鋼中夾雜物數(shù)量，精煉過程中全部采用擴散脫氧的方式進行脫氧。精煉過程采用不間斷擴散脫氧的方式脫氧，持續(xù)地保持熔渣還原性，防止精煉過程鋼水因多次添加合金而導(dǎo)致的污染。同時封閉爐蓋與鋼包上口之間的間隙，減少吸氣。

采取上述措施，VD前及軟吹前鋼液中自由氧含量≤8×10-6，渣中(FeO)≤0.6%。

2.5 VD前進行鈣處理，增加夾雜物上浮時間

用擴散脫氧的方法將渣中的(FeO)脫除至0.6%左右時，再用擴散脫氧的方式脫氧則脫氧速度極慢，此時采用硅鈣處理進行終脫氧及夾雜物變性，促使氧化物夾雜球化。針對過去P91冶煉中的DS類夾雜物(大顆粒球狀夾雜物)偏高的現(xiàn)狀，在生產(chǎn)過程中將鈣處理工序由軟吹前改為VD前，以增加鋼液中大顆粒球狀夾雜物上浮時間，使其充分上浮排除。同時精煉過程中采用硅鐵粉脫氧，調(diào)整熔渣堿度，控制高堿度熔渣生成球狀夾雜物較多的條件。

2.6 嚴(yán)格控制精煉過程中Al含量

精煉后將鋼中Al含量控制在0.015%～0.025%，使與之平衡的鋼中溶解氧含量處于較低水平，避免凝固過程生成大量的Al2O3等夾雜物。

2.7 鋼錠澆注

鋼錠澆注前進行不少于20 min的軟吹凈化，吹氬流量以對應(yīng)透氣磚位置液面微微波動為宜，軟吹結(jié)束吊包澆注。采用絕熱板、保護渣、發(fā)熱劑、保溫劑、氬氣保護罩“五位一體”工藝。

3 純凈度及性能結(jié)果

3.1 各類夾雜物的改善效果

(a)A類夾雜物

(b)B類夾雜物

(d)D類夾雜物

(e)DS類夾雜物

(f)各類夾雜物總和圖1 2014、2015年P(guān)91無縫管夾雜物分布對比Figure 1 The comparison of inclusion distribution of P91 seamless tube in 2014 and 2015

通過在電爐初煉、出鋼過程、精煉及澆注過程中的各個控制環(huán)節(jié)采取措施，P91鋼中夾雜物水平有了明顯的改善。為便于反映改善的效果，將2014年擠壓生產(chǎn)的無縫管各類夾雜物水平與工藝改進后各類夾雜物水平在圖1中予以對照給出。

圖1分別給出了各類夾雜物的分布圖和各類夾雜物總和的分布圖。

圖2 全氧含量分布圖Figure 2 The diagram of total oxygen content distribution

(a)屈服強度

(b)抗拉強度

(c)沖擊韌性圖3 P91鋼管的室溫力學(xué)性能分布Figure 3 The distribution of mechanical property at room temperature of P91 steel tube

3.2 全氧含量

全氧含量分布圖如圖2所示。

由圖2可以看出，無縫鋼管全氧含量主要分布在12×10-6～20×10-6之間，冶煉過程中脫氧較完全，純凈度水平較高。

3.3 室溫力學(xué)性能

P91鋼管室溫力學(xué)性能分布圖如圖3所示。

可以看出，P91無縫鋼管的屈服強度、抗拉強度和沖擊韌性均高于標(biāo)準(zhǔn)要求，材料具有良好的性能儲備。同時P91無縫鋼管的屈服強度、抗拉強度和沖擊韌性分布均勻性較好，表明材料的均勻性良好。

3.4 其他指標(biāo)

批量生產(chǎn)的P91鋼管的化學(xué)成分、高溫力學(xué)性能、低倍組織、顯微組織、冷彎性能、晶粒度、硬度、無損檢測性能全部滿足訂貨技術(shù)要求。

4 結(jié)論

(1)摸索出電爐不同冶煉階段吹氧煉鋼工藝，將出鋼C含量控制在0.04%～0.05%，穩(wěn)定地控制了電爐冶煉鋼水過氧化，從源頭控制鋼中的O含量。

(2)采用電爐出鋼過程先碳脫氧、后沉淀脫氧的電爐爐后預(yù)脫氧工藝，精煉過程擴散脫氧，控制VD前及軟吹前鋼中自由氧≤8×10-6，(FeO)≤0.6%。VD前鋼水達到較高純凈度后再進行鈣處理及終脫氧，減少了鋼水中的脫氧產(chǎn)物，改善了夾雜物的形態(tài)。

(3)采用精煉過程不間斷擴散脫氧和持續(xù)保持熔渣還原性，防止精煉過程鋼水的多次污染。

(4)控制熔渣堿度，減少球狀夾雜物。

(5)通過綜合采用以上技術(shù)措施，制備的無縫管產(chǎn)品中的全氧含量穩(wěn)定控制在12×10-6～20×10-6范圍內(nèi)。A類和C類夾雜物控制在不大于1級、B類和D類夾雜物不大于1.5級的范圍內(nèi)。A、B、C、D類夾雜物之和控制在不大于3.5級的范圍內(nèi)。同時材料的性能指標(biāo)均達到相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，且性能儲備較大。

編輯 杜青泉

Research on Purified Smelting Process of P91 Heat Resistance Steel

Hu Yongping, Xu Yadong, Shi Baofeng, Han Fei, Tu Mingjin

For the special service condition of P91 steel, the purity shall be increased to improve the operational performance of material. By preparing the following process, such as controlling the carbon during EAF smelting process, preliminary dexidation with carbon powder during steel tapping process, diffusion deoxidation during LF refining process, vacuum degassing and soft blowing etc., the total oxygen content of P91 steel and the inclusion all meet the requirements of standards.

P91 steel; purity; preliminary dexidation; diffusion deoxidation; mechanical property

2016—09—01

TF7

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