CN107254639B - 一种超超临界高压锅炉管用钢及其连铸坯中心裂纹的控制方法 - Google Patents

一种超超临界高压锅炉管用钢及其连铸坯中心裂纹的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超超临界高压锅炉管用钢及其连铸坯中心裂纹的控制方法，所述超超临界高压锅炉管用钢，包括以下重量百分比的化学成分：C：0.08～0.12％，Si：0.20～0.50％，Mn：0.30～0.60％，Cr：8.20～8.90％，Mo：0.90～1.05％，V：0.18～0.20％，Nb：0.06～0.07％，Ti≤0.008％，Zr≤0.008％，N：0.040～0.050％，P≤0.008％，S≤0.001％，Al≤0.001％，O≤0.0020％，余为Fe和其它不可避免的杂质。采用本发明的钢化学成分、工艺流程和生产工艺参数生产的超超临界高压锅炉管用钢连铸坯，连铸坯中心裂纹级别≤1.0级，连铸坯中心裂纹长度≤30mm。

Description

一种超超临界高压锅炉管用钢及其连铸坯中心裂纹的控制 方法
技术领域
本发明涉及一种超超临界高压锅炉管用钢及其连铸坯中心裂纹的控制方法。
背景技术
T/P91是美国上世纪70年代研制开发的火力发电厂锅炉蒸汽管道、集热箱、再热器、蒸汽导管等用热强钢，具有高的许用应力、持久强度、蠕变抗力、疲劳强度、热导率和良好的焊接性、较好的抗蚀性。当今美、欧、日等先进国家的火力发电厂已普遍使用了T91和P91钢，取得了良好的经济效益。
目前，国内外主要采用模铸工艺生产P91钢。近年来，随着连铸技术的进步，以及降低生产成本的需要，有少数厂家开始采用连铸工艺生产P91钢。但P91中Nb、V等微合金元素和Cr、Mo等合金元素含量和N含量均较高，在连铸凝固过程中，铸坯通常都会产生中心裂纹缺陷，且中心裂纹级别高(中心裂纹≥2.5级，中心裂纹直径达到100mm以上)。为了去除连铸圆坯的中心裂纹以满足制管的需要，制管厂通常采用机加工的方法先将中心裂纹缺陷去除，再进行钢管轧制，这使得连铸工艺生产的P91钢管成材率低，生产成本提高。因此，很有必要进行P91钢连铸圆坯中心裂纹控制方法研究。
发明内容
基于上述背景，本发明提供了一种超超临界高压锅炉管用钢及其连铸坯中心裂纹的控制方法。采用本发明公开的化学成分及控制方法，得到的超超临界高压锅炉管用钢连铸坯的中心裂纹级别≤1.0级，连铸坯的中心裂纹长度≤30mm。
本发明采取的技术方案为：
一种超超临界高压锅炉管用钢，包括以下重量百分比的化学成分：C：0.08～0.12％，Si：0.20～0.50％，Mn：0.30～0.60％，Cr：8.20～8.90％，Mo：0.90～1.05％，V：0.18～0.20％，Nb：0.06～0.07％，Ti≤0.008％，Zr≤0.008％，N：0.040～0.050％，P≤0.008％，S≤0.001％，Al≤0.001％，O≤0.0020％，余为Fe和其它不可避免的杂质。
所述超超临界是指温度为580℃以上、压力为28MPa以上的超超临界状态。
进一步地，所述超超临界高压锅炉管用钢，包括以下重量百分比的化学成分：C：0.085～0.095％，Si：0.40～0.49％，Mn：0.35～0.52％，Cr：8.30～8.80％，Mo：0.95～1.04％，V：0.18～0.20％，Nb：0.06～0.07％，Ti≤0.002％，Zr≤0.002％，N：0.043～0.048％，P≤0.008％，S≤0.001％，Al≤0.001％，O≤0.0020％，余为Fe和其它不可避免的杂质。
更进一步地，所述超超临界高压锅炉管用钢，包括以下重量百分比的化学成分：C：0.09％，Si：0.49％，Mn：0.36％，Cr：8.35％，Mo：1.04％，V：0.20％，Nb：0.07％，Ti：0.001％，Zr：0.00:1％，N：0.043％，P：0.006％，S：0.001％，Al：0.001％，O：0.001％，余为Fe和其它不可避免的杂质。
本发明还提供了一种超超临界高压锅炉管用钢的连铸坯中心裂纹的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：
(1)电弧炉或转炉冶炼；
(2)LF炉精炼；
(3)RH或VD真空脱气；
(4)圆坯连铸；
(5)连铸坯缓冷；
所述步骤(5)中，圆坯连铸后及时入缓冷坑，确保入缓冷坑温度≥700℃，出缓冷坑温度≤100℃。
在所述步骤(4)中，优化连铸坯拉速和二冷比水量，二冷比水量控制在0.1～0.15L/kg钢，确保连铸坯矫直温度≥900℃；生产中采用恒速浇铸，避免拉速大幅度波动。
进一步地，连铸坯拉速为0.15～0.60m/min，恒速浇铸的速度根据规格设置为:Φ800mm规格为0.16m/min，Φ700mm规格为0.22m/min，Φ600mm规格为0.30m/min，Φ500mm规格为0.40m/min，Φ380mm规格为0.58m/min。
所述步骤(4)中，在结晶器、铸流、凝固末端三段采用电磁搅拌技术；以减轻连铸坯裂纹敏感性，其工艺参数见表1；
表1电磁搅拌工艺参数
所述步骤(4)中，采用中包感应加热技术，实现中包钢水过热度≤10℃的低过热度浇注；以减轻连铸坯成分偏析及裂纹敏感性。
所述连铸坯的规格为Φ380mm～Φ800mm。
为了实现对超超临界高压锅炉管用钢的连铸坯中心裂纹的控制，本发明在钢成分设计上，对P91钢成分进行优化设计，在不影响性能的前提下，适当降低裂纹敏感性元素含量，如N、Nb、V、Al等，同时严格控制钢中杂质元素O、P、S等的含量，控制Mn/S在200以上；钢成分中，各元素的作用如下：
Nb：Nb可以与C、N结合形成细小弥散的MX型第二相析出物Nb(C，N)，该类析出物细小、弥散，尺寸基本为纳米级，在高温服役过程中组织稳定性很好，可有效提高材料的高温持久强度。但Nb为强裂纹敏感性元素。综合考虑本发明钢选取Nb含量为0.06-0.07％。
V：与Nb类似，V与C，N可以形成细小弥散的第二相析出物V(C,N)。形成的第二相尺寸在高温长时条件下保持稳定，不易粗化，可以有效的提高材料的高温持久强度。但V也为强裂纹敏感性元素。综合考虑本发明钢选取V含量为0.18-0.20％。
Al：尽管加入Al元素对提高体素体耐热钢的抗氧化性能有利，但Al与N有较强的结合倾向，对钢中N元素作用的发挥有不利的影响，同时，AlN也是导致钢裂纹敏感性增强的主要元素，因此本发明钢严格控制Al含量在0.001％以下。
N：N在钢中一方面和Nb、V形成碳氮化物，可以有效的提高材料的高温持久强度等，另一方面，N过高会导致铸坯皮下气泡和裂纹的产生，因此N需要控制在一个较合适范围。综合考虑本发明钢选取N含量为0.040-0.050％。
P：P能在钢液凝固时形成微观偏析，随后在奥氏体化温度加热时偏聚在晶界，使钢的脆性显著增大，所以控制P的含量在0.008％以下。
S：钢中不可避免的不纯物，形成MnS夹杂和在晶界偏聚会恶化钢的韧性，使钢的裂纹敏感性增强，因而控制其含量在0.001％以下。
O：氧在钢中形成各种氧化物夹杂。在应力的作用下，在这些氧化物夹杂处容易产生应力集中，导致微裂纹的萌生，从而恶化钢的力学性能。因此，在冶金生产中须采取措施尽可能降低其含量。考虑到经济性，控制其含量在0.0020％以下。
采用本发明的钢化学成分、工艺流程和生产工艺参数生产的超超临界高压锅炉管用钢连铸坯，连铸坯中心裂纹级别≤1.0级，连铸坯中心裂纹长度≤30mm。
具体实施方式
下面结合实施例1～5及比较例1～2对本发明进行详细说明
一种超超临界高压锅炉管用钢，包括以下重量百分比的化学成分，如表2所示：
表2各实施例钢的熔炼化学成分重量百分比(wt％)
实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5
C 0.10 0.08 0.12 0.09 0.085
Si 0.21 0.33 0.42 0.49 0.42
Mn 0.32 0.59 0.41 0.36 0.48
P 0.008 0.007 0.005 0.006 0.004
S 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001
Cr 8.22 8.80 8.70 8.35 8.75
Mo 0.91 0.93 0.99 1.04 0.96
Ti 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001
Zr 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001
N 0.041 0.049 0.048 0.043 0.046
V 0.18 0.20 0.19 0.20 0.19
Nb 0.06 0.06 0.07 0.07 0.06
Als 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001
O 0.001 0.002 0.001 0.001 0.001
所述超超临界高压锅炉管用钢的连铸坯采用以下工艺生产：
(1)电弧炉或转炉冶炼；
(2)LF炉精炼；
(3)RH或VD真空脱气；
(4)圆坯连铸；
(5)连铸坯缓冷；
在所述步骤(4)中，采用中包感应加热技术，实现中包钢水过热度≤10℃的低过热度浇注，以减轻连铸坯成分偏析及裂纹敏感性；优化连铸坯拉速和二冷比水量，确保连铸坯矫直温度≥900℃；生产中采用“恒速浇铸”，避免拉速大幅度波动；连铸在结晶器、铸流、凝固末端三段采用电磁搅拌技术，以减轻连铸坯裂纹敏感性；
所述步骤(5)中圆坯连铸后及时入缓冷坑，确保入缓冷坑温度≥700℃，出缓冷坑温度≤100℃。
各实施例的生产工艺参数及得到的连铸坯中心裂纹的检测结果如表3所示：
表3各实施例的生产工艺参数及连铸坯中心裂纹检测结果
比较例1
(2)保持实施例4中的钢成分不变，只是将超超临界高压锅炉管用钢的连铸坯采用常规工艺生产，其生产工艺过程为：电弧炉或转炉冶炼→LF炉精炼→RH或VD真空脱气→模铸→圆坯或方坯连铸，在连铸过程中无中包感应加热、无连铸三段电磁搅拌工艺→连铸坯缓冷。
按照此种生产工艺生产出的P91连铸坯，其中心裂纹级别≥2.5级，中心裂纹长度≥100mm，远远劣于本发明得到的超超临界高压锅炉管用钢的连铸坯的质量。
比较例2
一种超超临界高压锅炉管用P91钢，包括以下重量百分比的化学成分：C：0.10％，Si：0.36％，Mn：0.42％，Cr：9.03％，Mo：0.93％，V：0.22％，Nb：0.09％，Ti：0.003％，Zr：0.001％，N：0.054％，P：0.013％，S：0.001％，Al：0.013％，O：0.0035％，余为Fe和其它不可避免的杂质。
其连铸坯的生产工艺过程同实施例4，按照此种生产工艺生产出的P91连铸坯，其中心裂纹级别≥2.5级，中心裂纹长度≥100mm，远远劣于本发明得到的超超临界高压锅炉管用钢的连铸坯的质量。
将实施例1～5及比较例1～2得到的连铸坯，进一步加工成超超临界高压锅炉管用钢管，其规格为Φ505mm×Φ75mm，并对钢管的组织形态及力学性能进行检测，其检测结果如表4所示：
表4各实施例及比较例得到的连铸坯进一步加工成钢管后的性能测试结果
项目 实施例1 实施例2 实施例3 实施例4 实施例5 比较例1 比较例2
常温下R<sub>p0.2</sub>/MPa 482 497 488 494 481 473 479
常温下R<sub>m</sub>/MPa 647 653 641 650 646 614 627
常温下A％ 27 26 28 27 27 25.5 24
常温下KV2/J 201 208 213 215 212 181 171
晶粒度/级 8.0 8.0 8.0 8.0 8.0 7.0 7.0
600℃下短时拉伸R<sub>p0.2</sub>/MPa 302 310 317 309 312 283 289
600℃下短时拉伸R<sub>m</sub>/MPa 334 331 344 338 336 316 313
上述参照实施例对一种超超临界高压锅炉管用钢及其连铸坯中心裂纹的控制方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种超超临界高压锅炉管用钢的连铸坯中心裂纹的控制方法，其特征在于：包括以下重量百分比的化学成分：C：0.08～0.12%，Si：0.20～0.50%，Mn：0.30～0.60%，Cr：8.20～8.90%，Mo：0.90~1.05%，V：0.18～0.20%，Nb：0.06～0.07%，Ti≤0.008%，Zr≤0.008%，N：0.040~0.050%，P≤0.008%，S≤0.001%，Al≤0.001%，O≤0.0020%，余为Fe和其它不可避免的杂质；
所述控制方法包括以下步骤：
（1）电弧炉或转炉冶炼；
（2）LF炉精炼；
（3）RH或VD真空脱气；
（4）圆坯连铸；
（5）连铸坯缓冷；
所述步骤（5）中，圆坯连铸后及时入缓冷坑，确保入缓冷坑温度≥700℃，出缓冷坑温度≤100℃；
在所述步骤（4）中，优化连铸坯拉速和二冷比水量，二冷比水量控制在0.1~0.15L/kg钢，确保连铸坯矫直温度≥900℃；生产中采用恒速浇铸，避免拉速大幅度波动；
所述步骤（4）中，在结晶器、铸流、凝固末端三段采用电磁搅拌技术。
2.根据权利要求1所述的超超临界高压锅炉管用钢的连铸坯中心裂纹的控制方法，其特征在于：包括以下重量百分比的化学成分：C：0.085～0.095%，Si：0.40～0.49%，Mn：0.35～0.52%，Cr：8.30～8.80%，Mo：0.95~1.04%，V：0.18～0.20%，Nb：0.06～0.07%，Ti≤0.002%，Zr≤0.002%，N：0.043~0.048%，P≤0.008%，S≤0.001%，Al≤0.001%，O≤0.0020%，余为Fe和其它不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的超超临界高压锅炉管用钢的连铸坯中心裂纹的控制方法，其特征在于：包括以下重量百分比的化学成分：C：0.09%，Si：0.49%，Mn：0.36%，Cr：8.35%，Mo：1.04%，V：0.20%，Nb：0.07%，Ti：0.001%，Zr：0.001%，N：0.043%，P：0.006%，S：0.001%，Al：0.001%，O：0.001%，余为Fe和其它不可避免的杂质。
4.根据权利要求1所述的超超临界高压锅炉管用钢的连铸坯中心裂纹的控制方法，其特征在于：连铸坯拉速设置为0.15~0.60m/min，恒速浇铸的速度根据规格设置为:Φ800mm规格为0.16m/min，Φ700mm规格为0.22m/min，Φ600mm规格为0.30m/min，Φ500mm规格为0.40m/min，Φ380mm规格为0.58m/min。
5.根据权利要求1~4任意一项所述的超超临界高压锅炉管用钢的连铸坯中心裂纹的控制方法，其特征在于：所述步骤（4）中，采用中包感应加热技术，实现中包钢水过热度≤10℃的低过热度浇注。
6.根据权利要求1~4任意一项所述的超超临界高压锅炉管用钢的连铸坯中心裂纹的控制方法，其特征在于：所述连铸坯的规格为Φ380mm~Φ800mm。
7.根据权利要求1~4任意一项所述的超超临界高压锅炉管用钢的连铸坯中心裂纹的控制方法，其特征在于：所述连铸坯的中心裂纹级别≤1.0级，连铸坯的中心裂纹长度≤30mm。
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