CN107460403A

CN107460403A - 一种高压锅炉管用钢圆坯、高压锅炉管用钢及其制备方法

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Publication number: CN107460403A
Application number: CN201710569089.7A
Authority: CN
Inventors: 袁淑君; 刘兵; 戈文英; 任琪; 范黎明; 梁娜
Original assignee: Shandong Iron and Steel Group Co Ltd SISG
Current assignee: Shandong Iron and Steel Group Co Ltd SISG
Priority date: 2017-07-13
Filing date: 2017-07-13
Publication date: 2017-12-12

Abstract

本发明提供了一种高压锅炉管用钢圆坯，该钢的化学成分质量百分比为：C：0.10‑0.15％、Si：0.17‑0.37％、Mn：0.55‑0.70％、Cr：1.05‑1.20％、P：≤0.015％、S：≤0.005％、Mo：0.25‑0.35％、V：0.18‑0.25％、Al：0.008‑0.020％、Cu：≤0.20％、Ni：≤0.20％、Sn：≤0.010％、Sb：≤0.010％、As：≤0.015％、Pb：≤0.010％、Bi：≤0.010％、[N]：≤80ppm、[O]：≤20ppm、[H]：≤2.0ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。本发明还提供了该钢种的制备方法。本发明通过合理设计化学成分，严格控制钢中P、S、五害元素以及气体含量，来保证在500℃‑550℃高温下材料良好的高温性能、抗氧化性能以及组织稳定性能，并且有效的控制了碳的偏析。

Description

一种高压锅炉管用钢圆坯、高压锅炉管用钢及其制备方法

技术领域

本发明属于锅炉合金结构钢技术领域，具体涉及一种高压锅炉管用钢圆坯、高压锅炉管用钢及其制备方法。

背景技术

高压锅炉管是电站锅炉的重要组件，用于制造高压和超高压电站锅炉，主要用于建造大中型火电站。随着电力能源需求的急剧增长以及电力工业的迅速发展，火电建设将主要向高效率高参数的超临界及超超临界火电机组方向发展；通过提高蒸汽的参数(压力和温度)，极大的提高火力发电厂的效率。而蒸汽参数的增加则要求所用的高压锅炉管材料能具有更好的高温性能，或者在材料性能保持不变时，管的壁厚成倍地增大,因此大口径厚壁高压锅炉管需求量急剧增加。

原先生产大口径厚壁无缝钢管一般采用模铸钢锭作为坯料，模铸钢锭存在洁净度差、成分均匀性差和成材率低等缺点；随着连铸工艺技术的发展，连铸圆坯规格的增大，现已有采用Φ800mm及以上规格连铸圆坯作为大口径厚壁无缝钢管的坯料。但随着连铸坯型的增大，其碳偏析情况更加严重，且碳偏析在后续的轧管等工艺中很难被消除，将给高压锅炉管的使用安全性带来许多不利影响。

发明内容

本发明针对高压锅炉管用大口径厚壁管性能及加工工艺要求，通过合理的成分设计和工艺控制，提供了一种高压锅炉管用大规格连铸圆坯及其制备方法。

本发明提供了一种高压锅炉管用大规格连铸圆坯，通过合理设计化学成分，严格控制钢中P、S、五害元素以及气体含量，来保证在500℃-550℃高温下材料良好的高温性能、抗氧化性能以及组织稳定性能。本发明还提供了Φ800mm规格连铸圆坯的制备方法，该方法可以保证材料较高的洁净度以及成分均匀性。

本发明提供了一种高压锅炉管用钢，其化学成分质量百分比为：C：0.10-0.15％、Si：0.17-0.37％、Mn：0.55-0.70％、Cr：1.05-1.20％、P：≤0.015％、S：≤0.005％、Mo：0.25-0.35％、V：0.18-0.25％、Al：0.008-0.020％、Cu：≤0.20％、Ni：≤0.20％、Sn：≤0.010％、Sb：≤0.010％、As：≤0.015％、Pb：≤0.010％、Bi：≤0.010％、[N]：≤80ppm、[O]：≤20ppm、[H]：≤2.0ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。

作为上述技术方案一种更好的选择，所述高压锅炉管用钢的碳极差(连铸圆坯断面上不同点的碳含量之间最大的差值)≤0.03％。

本发明中钢中的各元素的作用如下：

碳：为保证材料良好的焊接性能以及加工性能，采用低碳钢作为基体，同时较低的碳含量可使钢基体具有大量的铁素体，铁素体的高熔点和组织的稳定性有利于耐热，可提高钢的热强性；但适当增加含碳量，可显著提高钢的强度以及降低钢的时效敏感性。为综合考虑材料的焊接性能、耐热性以及强度要求，碳含量控制在0.10-0.15％，优选为0.11-0.14％。

硅：是炼钢过程中常用的脱氧剂，同时可提高材料的抗氧化性能；但过高时会加速促进钢材在高温下组织石墨化，影响材料组织稳定性。因此硅含量控制在0.17-0.37％，优选为0.20-0.35％。

锰：是固溶强化元素，可提高低碳时材料的强度，同时不恶化材料的韧性；但过高时，会影响钢的焊接性能。因此锰含量控制在0.55-0.70％，优选为0.60-0.65％。

铬：是高温材料中使用的最基本元素，可提高钢的高温抗氧化性以及耐腐蚀性，但过高时会增强钢的回火脆性以及影响钢的焊接性能，因此铬含量控制在1.05-1.20％，优选为1.10-1.20％。

钼：可以提高钢的高温蠕变强度、抗蒸汽腐蚀能力，消除钢的回火脆性，降低热脆性；但过高时，会显著增加材料成本，造成成本浪费；因此钼含量控制在0.25-0.35％，优选为0.26-0.30％。

钒：在材料中主要起沉淀强化作用，其钒的碳化物为均匀弥散分布，可强化铁素体基体，使钢在高温下组织更加稳定；同时钒是强碳化物形成元素，可降低铬、钼元素由铁素体向碳化物中转移的速度，更好的发挥铬、钼提高耐热性的作用；但过高的钒反而会使钒的碳化物粗化，降低材料的韧性；因此钒含量控制在0.18-0.25％，优选为0.20-0.23％。

铝：在高温下会加速促进材料组织石墨化，不利于材料的组织稳定性；但铝是炼钢过程中常用的脱氧剂，也可固定钢中的游离氮，可以起到细化晶粒及强化作用；因此铝控制为0.008-0.020％，优选为0.010-0.020％。

磷、硫及五害元素(As、Sn、Sb、Pb和Bi)：由于P、S、As、Sn、Sb、Pb、Bi等有害元素会在晶界聚集，导致晶界弱化，将显著降低中高温合金钢的疲劳强度、抗应力腐蚀强度和热蠕变性能。降低钢的强度，恶化钢材的高温性能，增大回火脆性倾向，同时以使钢材表面出现裂纹，因此要求P：≤0.015％、S：≤0.005％、Sn：≤0.010％、Sb：≤0.010％、As：≤0.015％、Pb：≤0.010％、Bi：≤0.010％，优选为P：≤0.012％、S：≤0.004％、Sn：≤0.005％、Sb：≤0.005％、As：≤0.010％、Pb：≤0.005％、Bi：≤0.005％。

气体元素：氧、氮、氢在钢中均为有害元素；氧在钢中会形成氧化物杂质，对钢的强度、塑性、疲劳强度等有严重的影响；氮在铁素体中的溶解能力差，在长时间及高温条件下，易发生时效，从而降低钢的塑性；氢会引起氢脆、白点等缺陷；因此要求[N]：≤80ppm、[O]：≤20ppm、[H]：≤2.0ppm；优选为[N]：≤70ppm、[O]：≤15ppm、[H]：≤1.5ppm。

在上述优化设计基础上，为保证钢的性能稳定一致，，一种更好的钢的组成按质量百分数为：C：0.11-0.14％、Si：0.20-0.35％、Mn：0.60-0.65％、Cr：1.10-1.20％、P：≤0.012％、S：≤0.004％、Mo：0.26-0.30％、V：0.20-0.23％、Al：0.010-0.020％、Cu：≤0.10％、Ni：≤0.05％、Sn：≤0.005％、Sb：≤0.005％、As：≤0.010％、Pb：≤0.005％、Bi：≤0.005％、[N]：≤70ppm、[O]：≤15ppm、[H]：≤1.5ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。

本发明还提供了上述的高压锅炉管用钢圆坯的制备方法，该方法在浇注时，中间包钢水温度控制在1539-1544℃；拉速控制在0.16-0.18m/min；二冷段配水量控制在0.16-0.18L/kg钢。

本发明还提供了另一上述的高压锅炉管用钢圆坯的制备方法，该方法在浇注时，结晶器电磁搅拌的电流控制200-300A、频率控制在2-3Hz，凝固末端电磁搅拌的电流控制在350-400A、频率控制在8-12Hz。

本发明通过控制材料洁净度以及碳偏析控制技术来控制产品质量。碳偏析的形成主要由是选分结晶导致的，主要是在连铸过程中产生的，连铸坯型越大，碳偏析情况越严重；且碳偏析在后续的轧管等工艺中很难被消除，对高压锅炉管的使用安全性带来许多不利影响。因此强制性要求连铸圆坯中碳极差≤0.03％，优选为碳极差≤0.025％。

本发明生产连铸圆坯经热穿管工艺生产的大口径厚壁钢管夹杂物很少，洁净度极高，组织为铁素体+珠光体，晶粒细小、均匀分析，晶粒度达到8.0级。

具体的，本发明高压锅炉管用大规格连铸圆坯的制备方法具体包括以下步骤：

(1)冶炼

采用电炉冶炼，入炉原料为铁水和优质废钢，为降低电耗，铁水比例要求不低于60％，优先高质量铁水，要求铁水中As：≤0.010％、Sn：≤0.003％、Pb：≤0.005％、Sb：≤0.003％、Bi：≤0.005％；废钢优选优质废钢，不允许加入高磷、高硫废钢，对加入的合金等原材料进行烘烤，以减少氮、氢等气体含量的代入。电炉冶炼过程造好泡沫渣，均匀脱碳，减少吸氮，控制电炉出钢终点[C]:0.05-0.07％、[P]:≤0.007％，残余元素含量符合设计要求，钢水的出钢温度控制在1620-1640℃；出钢过程进行钢包合金化，随钢流添加钢芯铝2.0-3.0kg/t钢、造渣料10-15kg/t钢。

(2)精炼

采用LF炉进行炉外精炼，精炼过程中全程造白渣，白渣保持时间≥25分钟，控制精炼渣碱度3.0-3.3，加入硅铁、低锰、低铬、钼铁、钒铁等合金，精确控制Si、Mn、Cr、Mo、V在要求范围内；出钢前，喂入钙线1.0-2.5m/t钢，进行夹杂物变形处理，减少大颗粒夹杂物。精炼后钢包进行扒渣后进行VD真空处理，真空度小于67Pa保持时间≥15分钟；破空后采用定氢仪进行过程氢的测定，氢含量不大于1.5ppm；后进行软吹氩，软吹氩时间≥20分钟。

(3)浇注

连铸圆坯断面直径为φ800mm。连铸采用全程保护浇注，大包保护采用长水口，中间包采用整体式浸入式水口，选用专用结晶器保护渣，控制保护渣碱度为0.65-0.75，熔化温度为1165-1180℃，粘度为1.5-1.7Pa·S，以防止钢水二次氧化，降低铸坯表面出现纵向裂纹的倾向。为保证成分均匀性、减轻碳偏析，过热度控制在20-25℃，即中间包钢水温度控制在1539-1544℃；拉速控制在0.16-0.18m/min；二冷段配水量控制在0.16-0.18L/kg钢，并配合结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌技术，结晶器电磁搅拌的电流控制在200-300A、频率控制在2-3Hz，凝固末端电磁搅拌的电流控制在350-400A、频率控制在8-12Hz；同时严格圆坯缓冷管理，入坑温度大于750℃，出坑温度小于100℃，缓冷时间96-106h；通过本工艺制得的圆坯碳极差控制在0.010-0.025％。

以上制备方法中未加限定的工艺条件均可参照本领域常规技术。

本发明针对高压锅炉管用大口径厚壁管性能及加工工艺要求，通过合理的成分设计和工艺控制，得到了一种高压锅炉管用大规格连铸圆坯。本发明通过合理设计化学成分，严格控制钢中P、S、五害元素以及气体含量，来保证在500℃-550℃高温下材料良好的高温性能、抗氧化性能以及组织稳定性能，并且有效的控制了碳的偏析。采用本发明制得的高压锅炉管用大规格连铸圆坯成分均匀、芯部质量优良，加工成的大口径厚壁高压锅炉管在550℃高温下具有较好的高温性能、抗氧化性能以及组织稳定性能。

附图说明

图1a和图1b为本申请制备管用钢的金相图；

图2、连铸圆坯碳含量取样位置示意图；

图3、本申请制备获得钢的低倍组织图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

采用UHP超高功率电炉、LF精炼、VD真空脱气处理工艺冶炼，连铸浇注铸坯生产Φ800mm规格连铸圆坯。具体生产控制工艺如下：

(1)冶炼

采用电炉冶炼，入炉原料为铁水和优质废钢，铁水比例为65-76％，中铁水中As：≤0.010％、Sn：≤0.003％、Pb：≤0.005％、Sb：≤0.003％、Bi：≤0.005％；废钢优选优质废钢，对加入的合金等原材料进行烘烤。电炉冶炼过程造好泡沫渣，均匀脱碳，减少吸氮，控制电炉出钢终点[C]:0.05-0.07％、[P]:0.004-0.007％，残余元素含量符合设计要求，钢水的出钢温度为1622-1638℃；出钢过程进行钢包合金化，随钢流添加钢芯铝2.0-3.0kg/t钢、造渣料10-15kg/t钢。

(2)精炼

采用LF炉进行炉外精炼，精炼过程中全程造白渣，白渣保持时间为28-35分钟，精炼渣碱度为3.1-3.3，加入硅铁、低锰、低铬、钼铁、钒铁等合金，控制Si、Mn、Cr、Mo、V在要求范围内；出钢前，喂入钙线1.0-2.5m/t钢，进行夹杂物变形处理，减少大颗粒夹杂物。

精炼后钢包进行扒渣后进行VD真空处理，真空度小于67Pa保持时间为16-18分钟；破空后采用定氢仪测定过程氢为1.0-1.2ppm；后进行软吹氩，软吹氩时间为26-32分钟。

(3)浇注

连铸圆坯断面直径为φ800mm。连铸采用全程保护浇注，大包保护采用长水口，中间包采用整体式浸入式水口，选用专用结晶器保护渣，控制保护渣碱度为0.65-0.75，熔化温度为1165-1180℃，粘度为1.5-1.7Pa·S。过热度为22-25℃，即中间包钢水温度控制在1541-1544℃；拉速控制为0.17-0.18m/min；二冷段配水量控制在0.16-0.18L/kg钢，并配合结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌技术，结晶器电磁搅拌的电流为260-280A、频率控制在2.6-2.8Hz，凝固末端电磁搅拌的电流控制在360-380A、频率控制在10-11Hz；同时严格圆坯缓冷管理，入坑温度为780-820℃，出坑温度为70-95℃，缓冷时间为98-105h。

表1是实施例的化学成分控制情况，图1a和图1b为本申请制备获得的高压锅炉管的组织图，表2是实施例碳含量及碳极差控制情况，图2是连铸圆坯碳含量取样位置示意图。表3是在实施例连铸工艺参数及铸坯缓冷工艺参数。表4和图3是实施例低倍组织检验结果。表5为实施例制得的高压锅炉管的常温力学性能。表6为实施例制得的高压锅炉管的高温机械性能。表7为实施例制得的高压锅炉管的非金属夹杂物及晶粒度。

表1实施例化学成分(重量，％)

实施例	C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	V	Ni	Cu	Al
												1	0.13	0.29	0.63	0.011	0.004	1.12	0.27	0.21	0.02	0.03	0.010
2	0.12	0.27	0.64	0.010	0.002	1.12	0.27	0.21	0.03	0.02	0.014
												3	0.13	0.29	0.62	0.011	0.003	1.12	0.28	0.22	0.02	0.02	0.013
4	0.13	0.29	0.62	0.011	0.004	1.12	0.28	0.20	0.03	0.02	0.016
												5	0.13	0.28	0.63	0.012	0.002	1.12	0.27	0.21	0.03	0.02	0.013

表1实施例化学成分(重量，％)(续表)

表2实施例碳含量及碳极差(重量，％)

表3连铸工艺参数及铸坯缓冷工艺参数

表4实施例低倍组织结果(级)

实施例

中心疏松

缩孔

中心裂纹

中间裂纹

皮下裂纹

皮下气泡

1

1.0/1.0

0.5/0.0

0/0

2

1.0/0.5

0.5/0.5

0/0

3

0.5/0.5

0/0

4

1.0/1.0

0.5/0.5

0/0

5

1.0/1.0

0.5/0.5

0/0

表5钢管常温力学性能

实施例	R_p0.2/MPa	Rm/MPa	A/％	KV₂/J
					1	380/405	540/580	30/31	142/156/165
2	365/392	520/545	31/31.5	150/170/184
					3	402/445	568/596	29/30	152/165/184
4	394/430	554/578	30/31	146/158/162
					5	386/412	548/597	30/30.5	160/174/183

表6钢管高温机械性能

表7钢管非金属夹杂物及晶粒度

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种高压锅炉管用钢圆坯，其特征在于：

钢的化学成分质量百分比为：C：0.10-0.15％、Si：0.17-0.37％、Mn：0.55-0.70％、Cr：1.05-1.20％、P：≤0.015％、S：≤0.005％、Mo：0.25-0.35％、V：0.18-0.25％、Al：0.008-0.020％、Cu：≤0.20％、Ni：≤0.20％、Sn：≤0.010％、Sb：≤0.010％、As：≤0.015％、Pb：≤0.010％、Bi：≤0.010％、[N]：≤80ppm、[O]：≤20ppm、[H]：≤2.0ppm，其余为Fe和不可避免的杂质，该钢坯的直径为800mm以上。

2.根据权利要求1所述的高压锅炉管用钢圆坯，其特征在于：钢的组成按质量百分比为：

C：0.11-0.14％、Si：0.20-0.35％、Mn：0.60-0.65％、Cr：1.10-1.20％、P：≤0.012％、S：≤0.004％、Mo：0.26-0.30％、V：0.20-0.23％、Al：0.010-0.020％、Cu：≤0.10％、Ni：≤0.05％、Sn：≤0.005％、Sb：≤0.005％、As：≤0.010％、Pb：≤0.005％、Bi：≤0.005％、[N]：≤70ppm、[O]：≤15ppm、[H]：≤1.5ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。

3.根据权利要求1所述的高压锅炉管用钢圆坯，其特征在于：所述高压锅炉管用钢的碳极差≤0.03％。

4.使用权利要求1-3任一所述高压锅炉管用钢圆坯制得的高压锅炉管用钢。

5.权利要求1-3任一所述的高压锅炉管用钢圆坯的制备方法，其特征在于：浇注时，中间包钢水温度控制在1539-1544℃；拉速控制在0.16-0.18m/min；二冷段配水量控制在0.16-0.18L/kg钢。

6.权利要求1-3任一所述的高压锅炉管用钢圆坯的制备方法，其特征在于：浇注时，结晶器电磁搅拌的电流控制200-300A、频率控制在2-3Hz，凝固末端电磁搅拌的电流控制在350-400A、频率控制在8-12Hz。