37水平连铸高压锅炉管用12Cr2MoWVTiB圆管坯工艺参数研究.5-6.doc

第四届发展中国家连铸国际会议论文 水平连铸高压锅炉管用12Cr2MoWVTiB圆管坯工艺参数研究 田汉蒲 徐景峰 （ 湖南衡阳钢管（集团）有限公司，湖南 衡阳 421001 ） 摘 要研究了水平连铸生产∮130mm规格高压锅炉管用12Cr2MoWVTiB铸坯的主要工艺参数，分析了起铸失败、拉坯阻力大的原因，提出了钢中V、Ti、B等元素含量，起铸工艺，钢水过热度，结晶器锥度，反推量等是该钢种生产成功的关键因素，并给出了其适当的控制范围。 关键词水平连铸；12Cr2MoWVTiB；圆管坯；参数研究 The study on technology parameter of Horizontal Continuous Cast 12Cr2MoWVTiB steel round billet for tube of high pressure boiler TIAN Han-pu , XU Jing-feng Hunan Hengyang Steel Tube Co Ltd, Hengyang 421001 AbstractThe main technological parameter of 12Cr2MoWVTiB steel ∮130mm round billet for high pressure boiler tube has been studied, and analyzed the reason of beginning casting failure and large resistance to stripping, and proposed the key factor of succeed product was V、Ti、B content in steel, beginning casting process, liquid steel superheat, taper of mold, reverse-pushing, and advised the proper control area. Key wordsHorizontal Continuous Cast; 12Cr2MoWVTiB;round billet;parameter study 1 前言 12Cr2MoWVTiB钢具有较高的使用温度（≤620℃）、良好的焊接性能及在高温下表现出的优良的力学性能、耐磨性及抗高温蠕变性等，被用在国产20万、30万千瓦火力发电机组的过热器和再热器上。国内年需求量约在6500吨左右，随着国家新一轮能源基础设施建设的展开，该钢种的市场前景将更为广阔。 衡阳钢管（集团）有限公司利用水平连续铸钢技术，对此钢种进行了研究开发。 2 12Cr2MoWVTiB钢化学成份及钢水准备 2.1 化学成份 YB/T 5137-1998高压用无缝钢管圆管坯规定12Cr2MoWVTiB钢的化学成份见表1。为最大程度满足钢的性能要求[1]，生产时制定了内控标准。包括对P、S及残余元素的含量均作出了规定。 表1 12Cr2MoWVTiB钢化学成份的标准及内控要求 Table 1 The criterion of chemical composition for 12Cr2MoWVTiB steel 元 素/ C Si Mn P S Cu Cr Mo 标准要求 0.080.15 0.450.75 0.450.65 ≤0.030 ≤0.030 ≤0.20 1.602.10 0.500.65 内控要求 0.080.12 0.500.65 0.500.65 ≤0.020 ≤0.010 ≤0.15 1.702.00 0.520.60 元 素/ Ti V B W Ni AsSnSbPbBi 标准要求 0.080.18 0.280.42 0.0020.008 0.300.55 内控要求 0.110.16 0.300.40 0.0020.008 0.350.50 ≤0.25 ≤0.040 2.2 工艺路线 12Cr2MoWVTiB钢工艺路线为EBT LF喂丝VD保护浇注HCC。 3 水平连铸机的主要性能参数 连铸机型号 SLD-140 中间包容量 15t 机数流数台数 3机2流2台 流间距 1200mm 冶金长度 10.5m 拉坯速度 ≤3.5m/min 铸坯规格 ∮110∮180mm 切割方式 火焰切割 冷却方式 缓冷 4 试生产结果 经充分论证试生产∮130mm规格12Cr2MoWVTiB钢。试验分为三个阶段，第一阶段，先生产二炉，以检验所制定工艺和现有工模具能否满足生产要求；第二阶段，根据试生产暴露出的问题，进行分析研究，对工艺参数和工模具进行适当的优化，并对修改结果予以验证；第三阶段，小批量组织生产。 试生产每炉钢水重量控制在36吨左右，LF吊包温度控制在1620℃1640℃，钢液成分按YB/T 5137-1998控制。其中磷、硫及“五害元素”分别按[P]≤0.015、[S]≤0.010、∑As＋Sn＋Pb＋Sb＋Bi≤0.040控制见表2。 表2 试产阶段12Cr2MoWVTiB钢化学成份 Table 2 The chemical composition of 12Cr2MoWVTiB steel in test production 元素/ C Si Mn P S Cu Cr Mo Ti V B W Ni AsSnSbPbBi 炉号A 0.09 0.61 0.55 0.010 0.006 0.10 1.73 0.52 0.09 0.29 0.007 0.33 0.15 0.032 炉号B 0.15 0.60 0.51 0.013 0.008 0.15 1.73 0.53 0.08 0.31 0.008 0.35 0.15 0.030 试生产时冶炼、精炼过程正常，连铸采用常规的“二步起铸”工艺（即铸坯出结晶器前短时间停拉二次）和较高的正常拉速。在拉坯时出现了以下问题 ⑴采用“二步起铸”极易造成起铸失败，即刚开拉，水口通道就被钢水凝固堵死（俗称“絮死”）。两炉钢共计起铸四次，拉坯31支，重约19吨。 ⑵拉坯阻力比一般钢种大得多。表现在①拉坯机驱动马达工作电流比正常值高8安左右，并一直处于较高水平；②拉坯辊与引锭杆或拉坯辊与铸坯之间出现打滑现象。 ⑶“三重点”温度波动范围大，不稳定。 ⑷连铸坯出结晶器后，稍不注意即易拉漏。 ⑸圆管坯表面存在着38条，深0.52mm不等的划痕，且伴有结晶器（含石墨套）内壁的严重磨损现象。 ⑹管坯横截面经酸浸低倍检验（每流次取两个样），存在1级以上的中间裂纹。 针对第一阶段出现的问题，分析原因认为主要是该钢种高温硬度大、脆性大，因此，在第二阶段采取了如下措施 ⑴改“二步起铸”为“一步起铸”，尽量缩短起铸坯在结晶器内的停留时间。 ⑵将钢水吊包温度控制在1640℃的较高水平。 ⑶适当提高起铸阶段的拉速，并及时调整结晶器冷却水量。 ⑷调整钢水化学成份，即提高V、Ti含量，降低B含量。 工艺改进后，又试了二炉，结果起铸时水口“絮死”问题得到解决；连铸坯表面划痕消除；中间裂纹得到改善（两个试样0.5级、其余6个试样为0级）；拉坯阻力有所下降，但依然较大；“三重点”温度仍不稳定。同时，也发现连用结晶器拉坯阻力较小。 第三阶段使用经过改制（适当减小锥度）的结晶器，顺利地组织了10炉12Cr2MoWVTiB钢的生产，成份控制范围见表3，拉坯共计328吨。除一个炉号的其中一流因拉速过快，铸坯被拉断漏钢外，其余一切正常。连铸坯经检验符合YB/T 5137-1998高压用无缝钢管圆管坯要求，轧管成材率达到80，开发取得了成功。 表3 10炉12Cr2MoWVTiB钢化学成份范围及平均值 Table 3 Analyses the chemical composition of 12Cr2MoWVTiB steel,10 heats 元素/ C Si Mn P S Cr Mo 范 围 0.110.15 0.470.73 0.500.62 0.0070.015 0.0050.010 1.652.05 0.510.63 平均值 0.134 0.64 0.57 0.012 0.008 1.89 0.57 元素/ Ti V B W AsSnSbPbBi 范 围 0.120.18 0.300.41 0.0020.005 0.310.52 0.0280.038 平均值 0.16 0.385 0.0045 0.41 ≤0.035 注 Cu≤0.15，Ni≤0.25 5 分析与讨论 5.1 化学成分 12Cr2MoWVTiB钢属贝氏体类钢（也称铁素体型珠光体钢），其合金元素含量约5，属低合金钢范围。钢中的铬、钨、钼使“C”曲线右移，通过增强过冷奥氏体的稳定性来增加钢的淬透性。同时，它们又是中等强度的碳化物形成元素，通过形成高熔点、高硬度、并具有较大脆性的碳化物（合金渗碳体或特殊碳化物），对基体进行沉淀析出强化。未形成碳化物的铬、钨、钼通过溶于α相中，以固溶的方式对铁素体进行强化，进而实现对基体强化的目的。 至于强碳化物形成元素钒、钛，一方面，它们与钢中碳形成VC、TiC等碳化物，对钢进行沉淀强化[2]；另一方面，由于该钢中钒、钛含量较高，钢水是经电炉冶炼，其N含量水平为80100 ppm，比转炉（≤60ppm）要高得多[3]，相当于向转炉钢中增了N。研究表明钢中增氮提高了碳氮化钒的析出温度，并增加了其析出的驱动力，从而将钢中固溶状态的V变为析出状态的V，显著地提高了钢的强度[4]。 据资料介绍[5]，含V钢在650℃等温转变下测得每增加10ppm的氮可提高强度6MPa以上。形成的碳氮化钒除对细化晶粒、提高强度有着重要作用外，还对消除自由态的N对钢性能的不利影响有好处[6]。 钢中添加微量元素硼，既可以大幅度提高钢的淬透性，又可以强化晶界，但B同时也是一种强氮化物形成元素。含硼钢理论研究[7,8,9]认为，即使在高温下，钢液中的[B]与[N]仍存在下列反应[B]L[N][BN]S，新生高熔点（2600℃以上）的、细小的BN质点优先在与钢水直接接触的BN质分离环（水平连铸特有）上形核、长大（因为此处的形核能量最低），从而增加了钢液与分离环的浸润性（减小了湿润角），增加了铸坯与分离环分离的阻力，此处分离的不均匀性，也造成了“三重点”温度的波动。相同的情况，在后来的含硼钢连铸中也得到了证实。还有研究认为当[B]≥0.007时，钢的脆性迅速增加，从而增加连铸漏钢的危险性[10]。 因此，钢液中B和N含量应加以控制。现场通过控制钒、钛含量在中上限水平，即利用V、Ti来固氮和按[B]≤0.006加入的措施来减小其影响。 5.2 钢水温度 ∮130mm铸坯浇注一炉钢的时间在80分钟左右，钢水过热度通常控制在120℃以上。12Cr2MoWVTiB钢中合金含量相对较多，钢的导热性较差，那么铸坯在结晶器内的初生坯壳相对较薄，除了保证铸坯出结晶器后初生坯壳有足够的强度来承受由拉坯机带来的拉应力和摩擦力（铸坯与结晶器内壁），以及收缩应力、热应力、相变应力共同对连铸坯的作用而不漏钢外，还要确保铸坯出结晶器后回温控制在100℃以下，以免在管坯内部产生裂纹[11]。过高的回温还会加剧铸坯芯部钢液对坯壳的熔蚀，使坯壳变薄，可能导致拉漏。所有这些，决定了钢水的过热度不能太高。 另一方面，为减小连铸坯与结晶器之间的阻力，又必须给初生坯壳以适当的高温，增加其变形能力，变铸坯与结晶器之间的“硬”摩擦为“软”摩擦，以减小摩擦力。此外，适当的高温，更有利于新旧坯壳之间的焊合，对减轻冷隔纹的深度、提高圆管坯的质量有好处[12]，这又要求钢水的过热度不能太低。通过生产实践证明，将精炼炉钢水吊包温度控制在16405℃比较合适。 5.3 结晶器锥度 此前，所有钢种圆管坯都采用同一锥度的结晶器，生产正常。但连铸12Cr2MoWVTiB钢时却发现，拉坯阻力很大，在结晶器出口处极易拉漏。研究发现结晶器锥度不合适（过大）是主要原因。一方面，因12Cr2MoWVTiB钢含碳量为0.080.15，正处于包晶区，在钢液凝固时，因包晶反应引发的晶型转变，必然造成体积膨胀[13]；另一方面，12Cr2MoWVTiB钢含较多使钢的凝固收缩显著减小的元素Cr[8]，其凝固收缩也相对要小，从而使坯壳的收缩量小于结晶器内径的减小量，导致拉坯阻力增大，拉坯辊与引锭杆之间出现打滑现象并伴有异常声响即是证明。此时若强行提高辊压增加拉坯驱动力，势必造成结晶器出口处的铸坯上，特别是水平连铸坯固有的冷隔纹处（此处同时因回温现象，坯壳更薄）的应力集中，导致铸坯从该处断裂而发生漏钢事故；若是连铸坯处于拉坯辊下，突然增加辊压，势必造成铸坯中柱状晶间因受力过大，且受力不均而产生晶间裂纹，或使原有裂纹进一步扩展，其结果必然是铸坯酸浸低倍检验中间裂纹评级不合格。据此，采取了减小结晶器锥度的办法，即适当缩小结晶器进口的内径、扩大结晶器出口处内径。但锥度的减小量又不能过大，否则会影响铸坯与结晶器之间的匹配，增加二者间的气隙，进而影响到结晶器的冷却效果，显然这无论对生产还是质量来讲，都是不希望的。理想的作法是，使结晶器锥度能与12Cr2MoWVTiB钢的凝固收缩率相吻合 5.4 拉坯速度和起铸工艺 拉速决定着铸机的产量，同时也影响着铸坯质量。因此在连铸生产中，拉速被作为一个重要的工艺参数而加以控制。试生产初期，由于对该钢的凝固特性认识不足，起铸速度仍按惯常的0.5m/min拉坯，结果是铸坯还未出结晶器或刚出结晶器不久，就发生水口通道因钢液“絮死”而堵塞，造成起铸失败。研究发现，除个别炉号确因水口烘烤不良造成外，多数情况系起铸速度偏低所致。水平连铸机的拉速是经人工设定后通过计算机来实现和控制的，因该钢的拉坯阻力大，拉坯辊在工作过程中处于非稳定状态，时有抖动发生，表现在拉坯曲线上，就是时有锯齿状的波形出现如图1，从而造成实际拉速较设定的要小，钢液在狭窄的水口通道内停留时间就相对延长，再加上早期浇注的钢水与较低温度中间包的接触，由于热交换的作用，必然造成很大的温降，因而也容易在内径较小的水口内凝固“絮死”。因此，起铸拉速必须提高。 实践结果表明，起铸拉速控制在1.2m/min是适宜的。起铸速度提高的同时，将原来的“二步起铸”工艺调整为“一步起铸”，进一步缩短管坯在结晶器内的停留时间，减小拉坯阻力和防止“絮死”。进入正常拉坯阶段后，拉速也应加以限制。现场实践表明对于∮130mm的铸坯，拉速宜控制在2.3m/min2.5m/min（比其它钢种要低），低于2.3m/min钢水拉不完；高于2.5m/min轻则铸坯出现缩孔、中间裂纹，重则发生漏钢事故。 图1 拉坯曲线 Fig1 Curves of casting billet 5.5 反推量 反推是水平连铸特有的工艺过程，是指将铸坯沿拉坯的反方向推动一段很小的距离。其主要作用是促成铸坯“新”、“旧”坯壳的焊合，促使铸坯与结晶器内壁的分离，以减小拉坯阻力。同时，反推还可减轻或消除铸坯的表面纵裂。但反推又不宜过大，否则会在连铸坯表面上形成折皱。对于12Cr2MoWVTiB钢，由于其高温强度高、变形抗力大，拉坯阻力也大，为充分发挥反推的作用，相应地增加反推量是必要的。生产实践表明反推量应控制在4.5mm5.5mm之间。 6 结论 ⑴生产实践表明，用水平连铸生产12Cr2MoWVTiB钢圆管坯是一条可行的、经济的工艺路线。圆管坯的质量完全符合YB/T 5137-1998高压用无缝钢管圆管坯要求，生产成功与否，关键因素是在对一些工艺参数的正确控制。 ⑵水平连铸分离环材质的主要成份为BN，在生产12Cr2MoWVTiB钢时，为减轻钢液中的硼、氮反应产物BN在分离环上的形核、长大，进而带来的拉坯阻力增加，降低钢液中的氮含量是必要的，同时，硼应控制在0.006以下，V、Ti按上限控制，以充分发挥其固氮作用。此外，应加强非BN材质分离环的研究工作，为生产含B钢创造物质条件。另外，为提高钢的焊接性能，钢中的S、P及五害元素也应加以控制P≤0.015、S≤0.010、∑As＋Sn＋Pb＋Sb＋Bi≤0.040。 ⑶水平连铸生产∮130mm的12Cr2MoWVTiB钢铸坯时，应做到精炼炉吊包温度控制在16405℃之内；使用经过改制的、锥度较小的结晶器；采用“一步起铸”技术，起铸拉速控制在0.8m/min左右、正常生产时拉速度控制在2.3m/min2.5m/min；反推量控制在5mm左右。 参考文献 [1] 冼爱平,张盾,等.钢中残余元素及其对钢性能的研究.钢铁,1999,1064-68. 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