高合金鋼P(yáng)91 圓坯連鑄生產(chǎn)實(shí)踐

趙乾坤

（太鋼煉鋼一廠碳鋼連鑄作業(yè)區(qū)， 山西 太原 030003）

P91 是電站鍋爐用鋼，鋼號(hào)為10Cr9Mo1VNbN，屬于新型耐熱鋼系列，可用于制造金屬壁溫≤625 ℃的高壓鍋爐再熱器、過熱器等受熱管和金屬壁溫≤600 ℃的鍋爐集箱、蒸汽導(dǎo)管等，廣泛應(yīng)用于電站鍋爐、石油石化等行業(yè)。其使用環(huán)境苛刻，對(duì)成品的非金屬夾雜物含量、超聲波探傷等均有較高要求，生產(chǎn)工藝難度較大，大斷面圓坯連鑄更是鋼鐵行業(yè)難題。

1 鋼種特點(diǎn)分析

1.1 鋼種成分

P91 是高合金鋼，由多種合金元素組成，具體熔煉成分見表1。

表1 P91 鋼種成分 %

1.2 鋼種五害元素控制及其他要求

P91 鋼種五害元素控制及其他要求如表2。

表2 P91 五害元素及其他要求

1.3 P91 凝固機(jī)理

包晶轉(zhuǎn)變和馬氏體組織形成過程：

如下頁圖1 和圖2 所示，其凝固過程：首先從液相中析出δFe（1 508～1 450 ℃），然后發(fā)生δFe+L→γFe的相變（1 403～1 200 ℃），然后發(fā)生γ→αFe的相變（876～828 ℃），最后發(fā)生固態(tài)馬氏體轉(zhuǎn)變[1]。

P91 凝固過程存在三個(gè)重要的溫度區(qū)間：

1）高溫鐵素體與奧氏體兩相共存區(qū)間（1 403～1 200 ℃）。

2）完全奧氏體區(qū)間（1 200～876 ℃）。

3）奧氏體與低溫鐵素體兩相共存區(qū)間（876～828 ℃）。

1.4 裂紋敏感性

P91 鋼種碳含量為0.08%～0.12%，屬于亞包晶鋼種，在凝固過程中由于發(fā)生包晶反應(yīng)，液相與δ 相幾乎同時(shí)消失轉(zhuǎn)化為奧氏體，造成較大的體積收縮[2]，初生坯殼與結(jié)晶器銅管間形成較大氣隙，造成傳熱不均勻，初生坯殼厚度不均勻。在摩擦力，熱應(yīng)力，鋼水靜壓力的作用下，在坯殼薄弱處易出現(xiàn)裂紋缺陷，結(jié)晶器內(nèi)產(chǎn)生的鑄坯表面裂紋在二冷區(qū)會(huì)繼續(xù)擴(kuò)展，容易造成連鑄漏鋼事故。

1.5 鋼水可澆性

因P91 鋼種中V、Mo、Cr 元素含量較高，這些元素容易生成高熔點(diǎn)、體積大的各類碳化物，導(dǎo)致鋼液黏度增大，鋼水可澆性較差。

圖1 P91 包晶轉(zhuǎn)變

圖2 P91 馬氏體轉(zhuǎn)變

2 P91 圓坯連鑄生產(chǎn)情況（見表3）

表3 P91 圓坯連鑄生產(chǎn)情況

3 P91 連鑄生產(chǎn)過程中的難題及控制措施

由表3 可以看出，P91 在大斷面圓坯連鑄上生產(chǎn)難度較大，其中中包開澆漏鋼和由于鋼水可澆性差導(dǎo)致的連鑄斷澆時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重制約著產(chǎn)品質(zhì)量的提升和生產(chǎn)成本的有效降低，給整條生產(chǎn)線的正常生產(chǎn)組織帶來了不穩(wěn)定因素。

3.1 開澆漏鋼原因分析及控制措施

3.1.1 開澆漏鋼原因分析

1）P91 屬于亞包晶鋼種，在結(jié)晶器內(nèi)凝固過程中發(fā)生包晶反應(yīng)[3]，即δFe+L→γFe。未發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí)線收縮系數(shù)約為2.0×10-5/℃，發(fā)生包晶反應(yīng)時(shí)線收縮系數(shù)約為9.8×10-5/℃，因此包晶反應(yīng)時(shí)線收縮量較大，初生坯殼與結(jié)晶器壁容易形成氣隙，導(dǎo)致初生坯殼冷卻不均勻，初生坯殼厚度不均勻，在坯殼薄弱處容易形成裂紋，進(jìn)而引發(fā)漏鋼事故。

2）P91 合金含量高，初生坯殼硬度大，拉坯阻力大。在拉矯機(jī)開始拉坯階段，由于拉坯阻力大，容易將引錠頭勾頭心部坯殼撕裂，導(dǎo)致開澆漏鋼。

3）由于出苗時(shí)間控制不佳，開澆過程鋼流不穩(wěn)，忽大忽小，導(dǎo)致初生坯殼表面凹凸不平，增大了拉坯阻力，也會(huì)造成開澆漏鋼。

4）由于初生坯殼與結(jié)晶器壁容易形成氣隙，保護(hù)渣潤滑不良，開澆時(shí)熱流場難以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，也會(huì)造成開澆漏鋼[4]。

5）由于起步拉速及加速度過大，導(dǎo)致拉坯阻力進(jìn)一步增大，也是導(dǎo)致漏鋼事故發(fā)生的一個(gè)原因。

3.1.2 開澆漏鋼控制措施

1）使用P91 專用結(jié)晶器銅管，減小結(jié)晶器銅管的錐度，以適應(yīng)包晶反應(yīng)時(shí)的線性收縮量大的問題。

2）優(yōu)化封堵引錠方式，優(yōu)化前的大斷面封堵引錠方式見圖3，優(yōu)化后的大斷面封堵引錠方式見圖4。彈簧固定鐵圈周圍的斷彈簧由3 圈減少為2 圈，目的是鋼水從開澆杯流出后能夠均勻、迅速的接觸到結(jié)晶器銅管，形成均勻的初生坯殼；開澆杯中心，即引錠頭勾頭心部冷料增加，目的是增加勾頭處鋼水冷卻效果，使勾頭的強(qiáng)大增大，避免因拉坯阻力大而被撕裂發(fā)生漏鋼。

圖3 優(yōu)化前封堵引錠方式

圖4 優(yōu)化后封堵引錠方式

3）為保證初生坯殼與結(jié)晶器銅管之間的潤滑效果，引錠頭封堵完成后，在銅管內(nèi)壁上要涂抹潤滑油，保證抹足，抹勻。

4）中包開澆及出苗時(shí)間調(diào)整，要求中包大流開澆，鋼水正常流出后適當(dāng)收流，保證鋼水在結(jié)晶器內(nèi)穩(wěn)定上升，同時(shí)出苗時(shí)間較同斷面其他鋼種相比適當(dāng)降低，由120～150 s 減小到100～120 s，目的也是保證初生坯殼表面的光滑，減小拉坯阻力。中包開澆及出苗時(shí)間控制較好的曲線如圖5。

圖5 中包開澆塞棒開度曲線

5）結(jié)晶器振動(dòng)參數(shù)調(diào)整見表4，使用低振頻，高振幅[5]的振動(dòng)方式來減小鑄坯在結(jié)晶器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)阻力。

表4 P91 結(jié)晶器振動(dòng)參數(shù)調(diào)整

6）開始澆鑄速度及澆鑄加速度參數(shù)優(yōu)化見澆表5。

表5 速度及加速度的調(diào)整

開始澆鑄速度和澆鑄加速度較低目的是為了保證初生坯殼出結(jié)晶器的厚度及強(qiáng)度，防止坯殼薄弱處漏鋼。

3.2 提高金屬收得率

P91 由模鑄轉(zhuǎn)為連鑄生產(chǎn)后，金屬收得率雖然得到了一定提升，但是由于連鑄大斷面時(shí)的切頭、切尾、中包余鋼等因素的存在，連鑄金屬收得率不高。具體優(yōu)化數(shù)據(jù)見表6，以2 連澆為例，連鑄按兩流組織生產(chǎn)，在不影響產(chǎn)品質(zhì)量的前提下進(jìn)行如下優(yōu)化，2 連澆可節(jié)約鋼水5 t 左右。

表6 兩流澆鑄2 連澆兩P91 金屬收得率優(yōu)化

3.3 優(yōu)化切割煙氣排放

P91 是高合金鋼，不同于其他連鑄品種，連鑄火焰切割時(shí)產(chǎn)生切割煙氣較大，如果不妥善處理，任由煙氣放散就會(huì)造成環(huán)境污染，并且對(duì)切割作業(yè)人員身體健康損害極大。為此，在切割開始前，將火焰切割機(jī)除塵風(fēng)機(jī)頻率由1.5 Hz 調(diào)整為2.5 Hz，提高除塵系統(tǒng)對(duì)煙氣的收集效果，切割結(jié)束后再調(diào)整回正常值，這一靈活的操作既防止了因除塵系統(tǒng)功率不足導(dǎo)致切割煙氣放散污染環(huán)境，又保護(hù)了現(xiàn)場作業(yè)人員健康，同時(shí)也避免了除塵系統(tǒng)長時(shí)間高功率運(yùn)轉(zhuǎn)帶來的能源浪費(fèi)。

通過工藝技術(shù)人員和生產(chǎn)現(xiàn)場操作人員的共同努力，在2018 年1 月份以來，P91 采用連鑄工藝生產(chǎn)成功率為100%，成功打通了連鑄工藝路線，提升了產(chǎn)品質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，消除了因生產(chǎn)P91 帶來的生產(chǎn)事故概率，搶占了穩(wěn)定的市場份額。

4 結(jié)論

在電站鍋爐用鋼P(yáng)91 由模鑄生產(chǎn)轉(zhuǎn)為連鑄生產(chǎn)的探索道路上，工藝技術(shù)人員通過分析計(jì)算確定了連鑄機(jī)澆鑄參數(shù)，例如：結(jié)晶器銅管錐度、結(jié)晶器冷卻水水量、二冷比水量、大包溫度、中包目標(biāo)過熱度、目標(biāo)拉速、鑄流電磁攪拌參數(shù)、末端電磁攪拌參數(shù)、拉矯機(jī)壓下力等，為連鑄機(jī)的澆鑄狀態(tài)設(shè)定了基本模型。但是在生產(chǎn)操作實(shí)踐環(huán)節(jié)，除了要100%的執(zhí)行這些參數(shù)外，還需要生產(chǎn)操作人員和生產(chǎn)操作管理人員對(duì)照新標(biāo)準(zhǔn)，吸取事故經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，優(yōu)化重要的作業(yè)活動(dòng)，以保證連鑄生產(chǎn)成功率和鑄坯質(zhì)量穩(wěn)步提升。

1）生產(chǎn)前檢查確認(rèn)使用P91 專用小錐度結(jié)晶器銅管。

2）封堵引錠方式與同斷面其他鋼種不同，彈簧固定鐵圈周圍的斷彈簧由3 圈減少為2 圈；開澆杯中心，即引錠頭勾頭心部冷料增加。

3）引錠頭封堵完成后，在銅管內(nèi)壁上要涂抹潤滑油，保證抹足，抹勻。

4）中包開澆鋼流要穩(wěn)，出苗時(shí)間較同斷面其他鋼種要減少。

5）結(jié)晶器振動(dòng)采用低振頻，高振幅的振動(dòng)方式。

6）降低開始澆鑄速度和澆鑄加速度，保證鑄坯出結(jié)晶器的坯殼厚度。

7）在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，減小切頭、切尾長度，降低中包余鋼量，提高金屬收得率，擴(kuò)大產(chǎn)品利潤空間。

8）靈活調(diào)整切割除塵風(fēng)機(jī)頻率，保證火焰切割煙氣回收效果，保護(hù)環(huán)境，保護(hù)現(xiàn)場操作人員身體健康。