2.25Cr-1Mo-0.25V加氫模擬環(huán)鍛件鋼的冶煉

薛永棟 晉帥勇 汪 勇 趙 越 郭 彪 賀 強(qiáng) 趙陽磊

(中信重工機(jī)械股份有限公司，河南471039)

作者簡介：薛永棟，男，博士，工程師，從事大型鑄鍛件冶煉、鍛造及熱處理技術(shù)研究。

晉帥勇，男，碩士，助理工程師，從事大型鑄鍛件冶煉技術(shù)研究。

目前石油化工和煤化工發(fā)展迅猛，設(shè)備規(guī)模越來越趨向于大型化[1]，石化核心設(shè)備加氫反應(yīng)器重量已經(jīng)超越千噸級(jí)。此外，國內(nèi)一大批板焊結(jié)構(gòu)的加氫反應(yīng)器正向鍛焊結(jié)構(gòu)升級(jí)改造，這為大型加氫反應(yīng)器鍛件制造業(yè)創(chuàng)造了難得的發(fā)展機(jī)遇。近年來，國內(nèi)相關(guān)單位參考國際標(biāo)準(zhǔn)，在傳統(tǒng)的2.25Cr-1Mo的基礎(chǔ)上，添加了微合金化元素釩，成功開發(fā)出了改進(jìn)型加釩鉻鉬鋼2.25Cr-1Mo-0.25V，它大大提高了鋼的強(qiáng)度以及抗腐蝕、抗氫脆、抗氫致剝離及抗回火脆性的能力[2]，可以在不增加厚度的前提下保證加氫反應(yīng)器的各項(xiàng)性能。

中信重工高度重視石化加氫反應(yīng)器制造領(lǐng)域，對(duì)2.25Cr-1Mo-0.25V加氫鍛件的制造工藝技術(shù)進(jìn)行研究，與相關(guān)單位聯(lián)合制造加氫模擬環(huán)鍛件。目前已經(jīng)成功冶煉澆注了2.25Cr-1Mo-0.25V雙超加氫模擬環(huán)鍛件用195 t鋼錠。

1 2.25Cr-1Mo-0.25V加氫模擬環(huán)鍛件鋼技術(shù)條件要求

1.1 化學(xué)成分

2.25Cr-1Mo-0.25V加氫模擬環(huán)鍛件鋼的化學(xué)成分要求見表1。

1.2 回火脆化敏感性系數(shù)

表1 2.25Cr-1Mo-0.25V加氫模擬環(huán)的化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The chemical composition of 2.25Cr-1Mo-0.25V simulated hydrogenation ring (mass fraction，%)

注：H含量≤2×10-6，O含量熔煉分析≤30×10-6、產(chǎn)品分析≤20×10-6，N含量≤80×10-6。

J系數(shù)=(Si+Mn)(P+Sn)×104≤ 100

P+Sn ≤ 0.012

式中，Si、Mn、P、Sn為各元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)。

2 冶煉技術(shù)難點(diǎn)

2.25Cr-1Mo-0.25V加氫模擬環(huán)是我公司目前生產(chǎn)的直徑最大、壁厚最厚的加氫產(chǎn)品，同時(shí)也是公司首次生產(chǎn)的帶釩加氫鋼。根據(jù)加氫模擬環(huán)鍛件的力學(xué)性能要求，確定主要合金元素的化學(xué)成分內(nèi)控范圍及目標(biāo)值。

為達(dá)到回火脆化敏感性系數(shù)J不大于100及P+Sn不大于0.012的要求，控制有害雜質(zhì)元素含量至關(guān)重要。

根據(jù)公司實(shí)際冶煉生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，分析該鋼種的冶煉難點(diǎn)如下：

(1)控制鋼中碳含量盡量接近上限。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，要保證2.25Cr-1Mo-0.25V雙超鍛件性能合格，冶煉時(shí)碳含量至少為0.14%。由于采用兩包合澆工藝，冶煉時(shí)間長，易使鋼液增碳，碳含量不易精確控制。

(2)控制鋼中硅含量不大于0.10%。采用鋁粉和碳粉擴(kuò)散脫氧，易使鋼液增硅。

(3)控制易氧化元素Nb、B、Ti等微合金化元素達(dá)到內(nèi)控范圍，以滿足加氫模擬環(huán)鍛件性能要求。

(4)控制P、S、Sb、Sn、As等有害脆化元素至極低含量。

(5)加氫模擬環(huán)鍛件對(duì)鋼的潔凈度要求嚴(yán)格。要使加氫鍛件鋼中氧含量達(dá)到20×10-6以下，硫含量達(dá)到0.004%以下(實(shí)際控制S≤0.002%)，必須對(duì)公司現(xiàn)有冶煉工藝進(jìn)行優(yōu)化。

3 冶煉工藝過程及控制措施

3.1 工藝路線

考慮加氫模擬環(huán)冶煉的難點(diǎn)及化學(xué)成分要求，采用雙真空(VCD-VC)冶煉工藝，同時(shí)優(yōu)化精煉工藝。具體工藝過程為：EBT初煉→LF精煉→VCD→VC(兩包合澆)，即采用兩爐EBT電爐初煉鋼水無渣出鋼，然后分別轉(zhuǎn)至LF精煉及真空處理，最后進(jìn)行兩包氬氣保護(hù)真空澆注。

3.2 冶煉工藝控制措施

3.2.1 精選原材料

加氫鍛件對(duì)易產(chǎn)生回火脆化的P、S、Cu、Sb、Sn、As含量要求嚴(yán)格，并且Cu、Sb、Sn、As等元素在冶煉過程中基本無法去除。為保證殘余有害元素控制在盡可能低的范圍，采用含P、S、Cu、Sb、Sn、As等有害元素低的高級(jí)專用廢鋼、生鐵及專用鐵合金，確保爐料熔清后鋼中Cu、Sb、Sn、As含量滿足技術(shù)條件要求。

3.2.2 EBT初煉鋼水

鋼水初煉階段的主要任務(wù)是脫磷，同時(shí)去除夾雜物及氣體。EBT電爐初煉時(shí)，爐底加大石灰配入量，以利于增加熔化初期渣的堿度及渣量。在溫度較低時(shí)提前造高堿度爐渣，充分發(fā)揮脫磷的作用。通過多次換渣操作，將磷脫到0.001%以下。合理布料，以利于爐料快速熔化。保證合適的配碳量，采用吹氧操作促進(jìn)C-O反應(yīng)，以利于去除氣體及促進(jìn)夾雜物上浮。EBT出鋼時(shí)嚴(yán)禁氧化渣進(jìn)入鋼包。

3.2.3 LF精煉及真空處理

LF精煉主要是脫氧、脫硫、調(diào)整合金成分及去除夾雜物，通過真空處理脫除氣體。具體措施為EBT出鋼時(shí)加入適量鋁塊以快速預(yù)脫氧及造鋁渣，分批加入渣料。優(yōu)化加氫鋼脫氧制度，采用碳粉、鋁粉進(jìn)行擴(kuò)散脫氧，造高鋁渣深度脫硫，每間隔一定時(shí)間加入擴(kuò)散脫氧劑。精確控制合金加入量，使主要合金元素成分達(dá)到目標(biāo)值。真空處理時(shí)保證工作壓力低于60 Pa，有效時(shí)間不少于15 min，根據(jù)液面翻騰情況調(diào)整氬氣流量。易氧化的Ti和B在真空處理返回LF后調(diào)整。返回LF微調(diào)合金后，成分溫度合適時(shí)，出鋼前靜置5 min，保證夾雜物充分上浮，兩爐精煉鋼水同時(shí)出鋼，做好合澆準(zhǔn)備。兩包鋼水各個(gè)時(shí)期化學(xué)成分變化如圖1和圖2所示。

圖1 第一包鋼水初煉和精煉化學(xué)成分變化Figure 1 The chemical composition variation of 1st ladle molten steel during initial smelting and refining

圖2 第二包鋼水各階段化學(xué)成分變化Figure 2 The chemical composition variation of of 2nd ladle molten steel during various stages

3.2.4 真空澆注

第一包精煉鋼水倒包結(jié)束，第二包精煉鋼水迅速做好倒包準(zhǔn)備。采用氬氣保護(hù)及吹氬真空澆注，避免鋼水氧化，促使鋼流擴(kuò)散，增大鋼液與真空的接觸面積，使擴(kuò)散鋼流中的氧進(jìn)一步和碳發(fā)生反應(yīng)生成CO氣泡。CO氣泡在高真空狀態(tài)下迅速膨脹爆裂，帶動(dòng)鋼流霧化，鋼流滴落后夾雜物浮在鋼水表面，能夠有效降低鋼中夾雜物含量及氣體含量，最終可以將鋼中氧含量降到20×10-6以下，氫含量降到2×10-6以下，達(dá)到較高的潔凈度。

4 研制結(jié)果

模擬環(huán)采用195 t鋼錠兩包合澆而成，鋼錠表皮外觀良好，鋼錠化學(xué)成分達(dá)到技術(shù)條件要求，模擬環(huán)鍛件毛坯超聲檢測合格，化學(xué)成分熔煉分析及成品分析結(jié)果見表2。

表2 化學(xué)成分熔煉分析及成品分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 The chemical composition of heat analysis and product analysis (mass fraction，%)

注：H含量熔煉分析和成品分析結(jié)果分別為1.5×10-6和0.8×10-6；O含量熔煉分析和成品分析結(jié)果為16×10-6；N含量熔煉分析和成品分析結(jié)果分別為79×10-6和75×10-6；J系數(shù)熔煉分析和成品分析結(jié)果分別為0.004 5%和0.004 6%。

從圖1、圖2及表2可以看出，模擬環(huán)熔煉分析各爐次、兩爐加權(quán)平均值及鍛件成品化學(xué)成分分析結(jié)果均滿足技術(shù)條件要求。加氫模擬環(huán)鍛件中氫含量達(dá)到0.8×10-6，氧含量低至16×10-6，J系數(shù)低至28.9，P+Sn為0.004 6%，取得較好的效果。冶煉的2.25Cr-1Mo-0.25V加氫模擬環(huán)鍛件達(dá)到了潔凈鋼的要求。

5 結(jié)論

2.25Cr-1Mo-0.25V雙超加氫模擬環(huán)的冶煉與公司以往生產(chǎn)的加氫鍛件相比采用了新的冶煉工藝，冶煉技術(shù)指標(biāo)均有較大提高。冶煉澆注的鋼水和鋼錠化學(xué)成分及各項(xiàng)檢驗(yàn)指標(biāo)均達(dá)到技術(shù)條件要求。該工藝能有效減少鋼中的氧含量，降低非金屬夾雜物含量，大大提高鍛件成品的潔凈度，證明冶煉雙超加氫鍛件鋼采用的工藝路線合理，為公司進(jìn)軍大型石化加氫鍛件制造領(lǐng)域奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

[1] 聶穎新. 加氫反應(yīng)器等大型石化容器制造的發(fā)展現(xiàn)狀. 壓力容器， 2010，27(8): 33-39.

[2] 陳崇剛， 黎國磊. 我國2 1/4Cr-1Mo-1/4V抗氫鋼的開發(fā). 石油化工設(shè)備技術(shù)， 2002，23(5): 38-42.