2.25Cr1Mo0.25V纯净钢的冶炼及效果

1 前言
高温 、 高压和高氢分压的加氢装置中的大型 压力容器锻件的主导材料过去一直采用的是可焊 的 2. 25C r - 1Mo 钢 。为抵抗高温硫化氢腐蚀 , 还 要在锻件内表面上堆焊不锈钢堆焊层 。由于锻件 长期工作在比较高的温度 ( 454 ℃) 下 , 母材容易 产生高温回火脆性 ; 又由于受高氢压影响 ,焊缝和 母材本身会产生氢脆和氢致破坏 。因此几十年来 国外从未停止过对 2. 25Cr - 1Mo 钢的研究和工 艺优化工作 。近年来 ,伴随冶炼技术的不断提高 , 钢的纯净度 、 均质性 、 抗氢性和其它综合性能都不 断得到了改善和提高 。另一方面 , 随着加氢工艺 技术的进步 、 特别是渣油加氢改质和煤加氢液化 工艺的不断发展 ,加氢装置的规模大型化 ,使反应 器锻件的截面尺寸越来越大 , 而且加氢设备的使 用条件趋于更高温度 , 这就进一步提高了对锻件 的技术要求 。若仍采用原来的 2. 25Cr - 1Mo 钢 , 则因其强度等级低 、 钢淬透性差等原因会造成容 器壁太厚 , 使单台反应器金属总重过大 , 给制造 、 运输和安装都带来很大的困难 ,同时增加了综合
0. 05% ) 。 ( 2 ) 如何保证微量 、 易氧化元素 Ti、 B 的控制
除气后的 [ C ] ×[ O ]的实际值高达 2 × 10 。由 于此值较高 , 可以粗略算出含 0. 25C%的钢水中 氧含量近 3 × 10 , 这是仅通过除气来获得脱氧 限度的例子 。由于除气后的高氧含量 , 钢锭凝固 时则形成氧化物夹杂 , 导致钢锭底部产生夹杂 。 这是锻造钢锭最不希望的 。 根据资料报道 , 在钢包精炼中 , 当 1 550 ℃, 铝含量 低 于 0. 005% 时 , 钢 中 溶 解 氧 约 为 5 ×
0. 002% ,为钢包精炼创造条件 。 4. 3 钢包精炼
为了防止钢水的二次氧化 ,在浇注过程中 ,采 取了严密的保护措施 , 对中间包及注流进行了氩 气保护 , 彻底避免了钢水的二次氧化 , 从结果看 , 效果十分理想 。采用真空 (真空度在 133 Pa 以 下 )浇注 ,使钢中的氧进一步和碳发生反应 , 降低 钢中氧含量 、 氢含量和夹杂 ,使钢达到纯净钢的要 求。
3 冶炼工艺的确定
物很少 。因此 ,从第十一届国际锻造会议论文集 的报告中可以知道 , 对于低硅超纯净钢的冶炼很 多厂家都倾向采用铝脱氧的方法来达到钢中极低 的氧含量 。而从对氧含量要求极严的轴承钢的冶 炼工艺也可以得到用铝脱氧的例证 。用铝脱氧的 另一个显著优点是钢包脱气脱硫率得到显著改 善 ,这是因为钢中强力脱氧 ,对渣的还原性影响增 大 ,提高了对硫化物的吸附能力 。 根据 2. 25Cr - 1Mo - 0. 25V 钢的冶炼特点及 难点 ,我们综合两种方案的优点 ,决定采用钢包炉 用铝预脱氧加 VD 以及严密保护防止二次氧化的 真空浇注工艺方案 ,见表 2。
表 1 2. 25Cr - 1M o - 0. 25V钢的化学成分要求 Table 1 The requ ired chem ica l com position of 2. 25Cr - 1M o - 0. 25V steel
化学成分的质量分数 ( % )
C Mn Si P S Cr Mo Ni V 0. 25 Nb Cu As Sn Sb Ti B Ca J (%) X/
电弧炉 ○ 熔化 ○ 过氧化 (去除 Si和 P) ○ 出钢 兑钢 ○彻 底 去 除 氧 化渣防止回 P ○ 加铝 ,预脱氧 钢包精炼炉 ○ 加热和调整还原渣 ○ 真空处理 (去除 S、 O 和 H) ○ 调整化学成分和温度 真空浇注 ○ 保护浇注 ○ 真空脱气
4. 2 钢水粗炼
电炉冶炼粗炼钢水 , 炉底配以适量的石灰及 氧化铁皮 ,以利于早期形成高碱度高氧化铁的炉 渣 ,为脱磷创造有利条件 。粗炼钢水的主要任务 是脱磷 , 通过大渣量并多次换渣操作 , 将磷降到
钢回火脆性敏感性的最佳途径 , 要求 J 因子不大 于 100。除少量小五害杂质元素外 , 对 J 因子有 影响的元素就是 M n、 Si, 考虑到钢淬透性及强度 等因素 ,钢中要求有一定的 M n 含量 ,因此降低钢 中的 Si含量对降低 J 因子就显得十分重要 , 同时 降低钢中的 Si含量还有利于降低钢锭的 A 型偏 析。
1
2005 年第 1 期 (总 107 期 )
2 2. 25Cr - 1M o - 0. 25V 钢的化学成分要求及
冶炼难点分析 根据 研 制 大 纲 和 技 术 条 件 要 求 , 并 遵 循
AS M E 规范及相关标准的规定 , 钢的化学成分要
求见表 1。表中示出的回火脆化敏感性系数 J 和 X 主要是为了限制钢中杂质元素含量 , 计算公式 4 ( Si +M n ) ×( P + Sn ) × 10 所得的 J 因子是确定
× 10 - 6
-
熔炼 分析 成品 分析
0. 11 0. 30
～
～
≤
≤
≤
2. 00 0. 90
0. 15 0. 60 0. 10 0. 27
0. 10 0. 010 0. 010
～
～
≤
0. 25
～
0. 35 0. 25
≤
≤
≤
≤
≤
≤
≤
≤
2. 50 1. 10 1. 95 0. 85
0. 07 0. 20 0. 016 0. 015 0. 003 0. 030 0. 002 0. 015
2
为保证微量有害元素如 Sn、 Sb 和 A s等尽可 能控制在低程度 , 采用小五害元素含量极低的优 质生铁及大块优质废钢作为冶炼炉料 。
大型铸锻件 表 2 2. 25Cr - 1M o - 0. 25V 纯净钢冶炼工艺方案
Table 2 The m eltin g process of 2. 25Cr - 1M o - 0. 25V steel
The Smelting Process and the Effects of 2. 25Cr - 1Mo - 0. 25V Pure Steel
D eng L i n tao
Abstract: This paper has analyzed the difficulties in the s melting of 2. 25Cr - 1Mo - 0. 25V pure steel and lucu2 brated the s melting p rocess of the low - silicon steel , and put forward the p rocess for p re - deoxidization by LF w ith A l and s melt by VD as well as the concep t for strictly p reventing molten steel from re - oxidation during vacuum pouring, meanwhile the double airp roof p rotector for pouring box was fabricated. The p ractical results show the perfect effects and quality of steel has met the requirements of the pure steel . Key words: 2. 25Cr - 1Mo - 0. 25V , s melt, pure steel, coal liquefier, hot wall hydrogenation reactor, forging
10
- 6 - 4
- 4
,比经 VCD 处理的低得多 , 而且钢锭中夹杂
在很小的范围内 。 ( 3 ) 如何保证钢中的碳精确控制在 0. 14% 的目标值 。 ( 4 ) 如何保证小五害元素 P、 S、 A s、 Sn 和 Sb 降低到极低的含量 ,满足脆化系数要求 。 ( 5 ) 如何保证低硅 、 低铝含量及含有微量 、 易 氧化元素 Ti、B 的经过二次精炼的纯净钢液在从 钢包到中间包浇注过程中避免二次氧化 。
-
～
～
≤
≤
≤
0. 17 0. 63
0. 10 0. 010 0. 010
～
～
≤
0. 25
～
0. 35
≤
≤
≤
≤
≤
≤
≤
≤
≤
≤
15
2. 60 1. 15
0. 07 0. 20 0. 016 0. 015 0. 003 0. 030 0. 002 0. 015 100
为了提高钢的淬透性及强度 , 要求钢中的碳 的质量分数控制在 0. 13% ～0. 15%范围 , 目标为 0. 14% ; 同时在成分的设计上采用了微合金化 ,添 加了微量的钛和硼 。因此 , 造成该钢在冶炼有以 下难点 。 ( 1 ) 如何控制钢中的氧含量 , 达到纯净钢的 要求 ,并要求低硅 ( Si≤0. 10% , 实际控制在 Si≤
4 冶炼工艺要点 4. 1 精选炉料
对于低硅钢 ,传统的冶炼工艺为电炉粗炼 ,钢 包炉 VCD 及真空铸锭 VCD 工艺 。因为在无铝和 低硅含量 ,钢中氧含量高 , 必须通过 VCD 处理强 制除气 ,以期在真空状态下 ,通过碳和氧的反应达 到降低钢中氧含量的目的 ,尽可能完全脱氧 。 众所周知 : 氧 、 碳之间在脱气时难以达到平 衡 。根据 Tix及其合作者得出的结果 , 在压力为 - 6 133 Pa时 , [ C ] ×[ O ]的平衡值为 3 × 10 , 而经
收稿日期 : 2004 - 11 - 28
投资 。另外从抗氢性能和抗蠕变性能考虑 , 原来 的标准型 2. 25Cr - 1Mo 钢最高使用温度限制到 454 ℃ ( 850 ℉ ) , 不能满足某些油品加氢装置和 煤加氢液化装置的需要 。 近十几年来 ,为了满足设计要求和装置的大 型化要求并提高经济性 , 国际上根据多年使用 2. 25C r - 1Mo 钢大型压力容器锻件的经验开始采 用改进型的抗氢新钢种 , 即加入微量合金元素的 2. 25 C r - 1Mo - 0. 25V 钢 , 现 该 钢 种 已 列 入 AS M E SA 336 标准 ( F22V ) 。 加钒 改 进 型 2. 25Cr - 1Mo 钢 与 原 标 准 型 2. 25C r - 1Mo 钢或增强型的 2. 25C r - 1Mo 钢相 比 ,有以下特点 : 通过微量合金化提高钢的淬透性 和钢的强度等级 (σs ≥415 M Pa ) ; 具有较高的抗 高温蠕变性能 ,使材料的使用温度也提高一个等 级 ( 482 ℃) ; 具有较高的抗回火脆化能力 ; 具有更 好的抗氢侵蚀 、 氢脆和氢致裂纹的能力 ; 具有非常 高的抗不锈钢堆焊层剥离性能 。 我们对 2. 25Cr - 1Mo - 0. 25V 纯净钢筒体锻 件的制造技术进行了研究 , 首先进行了煤液化装 置用 2. 25C r - 1Mo - 0. 25V 钢的冶炼工艺研究 。