CN104651754A - 一种高压锅炉管用低合金钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高压锅炉管用低合金钢及其制备方法，所述钢的组成按质量百分数计为：C：0.05～0.15％、Si：≤0.50％、Mn：0.30～0.60％、P：≤0.015％、S：≤0.005％、Cr：1.80～2.60％、Mo：0.80～1.20％、Nb：0.02～0.08％、Als：0.008～0.020％、Cu：≤0.20％、Ni：≤0.25％、V：≤0.08％、As：≤0.015％、Sn：≤0.015％、Pb：≤0.010％、Sb：≤0.010％、Bi：≤0.010％、[O]≤20ppm、[H]≤2.0ppm、[N]≤90ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。其制备方法采用电炉冶炼、LF精炼+VD真空脱气处理、连铸全保护浇注。采用本发明制得的高压锅炉管可以在不高于570℃的高温环境下使用。

Description

一种高压锅炉管用低合金钢及其制备方法
技术领域
本发明属于低碳低合金钢技术领域，具体涉及一种高压锅炉管用低合金钢及其制备方法。
背景技术
21世纪以来，随着电站锅炉向大容量、高参数超临界机组发展，对所使用的高压锅炉管提出了更高的质量要求。由于高压锅炉用无缝钢管的工作条件十分恶劣，要在高温和高压下，在高速气流、水流、燃气的冲刷和腐蚀下可安全工作10-20年，甚至30-40年。因而作为高压锅炉用钢要具有足够高的高温强度、高温塑性、优良的抗氧化性、耐蚀性以及良好的加工及焊接性能。目前国际上钢制高压锅炉已广泛应用于石油化工、机械、冶金、能源、轻工、国防、环保、海洋等工业领域，具有广阔的市场前景。
本发明针对高压锅炉管的作业环境和使用要求，通过合理的成分和制造工艺设计，提供了一种高压锅炉管用低合金钢及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于，提供了一种高压锅炉管用低合金钢及其制备方法，是以低碳C-Mn钢为基础，采用Cr、Mo、Nb、Al多元合金化，严格控制钢中P、S、As、Sn、Pb、Sb、Bi有害元素含量以及钢中气体含量，来保证钢材的高温力学性能及耐蚀、加工性能；本发明的制备方法生产的低碳低合金钢纯净度高、综合性能良好，能够满足高压锅炉管的用钢要求。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种高压锅炉管用低合金钢，通过合理的成分设计及工艺过程控制，提高材料高温、高压、耐蚀及加工性能。其化学成分质量百分数为：C：0.05～0.15％、Si：≤0.50％、Mn：0.30～0.60％、P：≤0.015％、S：≤0.005％、Cr：1.80～2.60％、Mo：0.80～1.20％、Nb：0.02～0.08％、Als：0.008～0.020％、Cu：≤0.20％、Ni：≤0.25％、V：≤0.08％、As：≤0.015％、Sn：≤0.015％、Pb：≤0.010％、Sb：≤0.010％、Bi：≤0.010％、[O]≤20ppm、[H]≤2.0ppm、[N]≤90ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。
此外，为控制钢的回火脆性，还对化学成分进行综合控制，As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.035％、回火脆性敏感系数J＝(Si+Mn)×(P+Sn)×104≤100、CEF＝P+2.4As+3.6Sn+8.2Sb≤0.1％，式中各元素按照质量百分数计。
本发明的技术特点之一在于钢的成分设计。以低碳C-Mn钢为基础，根据高压锅炉管用钢的技术要求，采用Cr、Mo、Nb、Al多元合金化，严格控制钢中P、S、As、Sn、Pb、Sb、Bi有害元素含量以及钢中气体含量，来保证钢材的高温力学性能及耐蚀、加工性能。碳是钢中最基本的强化元素，为保证钢的强度、韧性和焊接性能，C含量控制在0.05～0.15％比较合适；锰起到固溶强化的作用，可提高钢的强度和韧性，改善钢的加工性能，但较高的锰含量又会降低钢的抗腐蚀能力和焊接性能，因此将Mn含量控制在0.30～0.60％；铬能显著的提高钢的强度、抗氧化性和耐腐蚀性，由此采用高铬含量设计，Cr含量控制在1.80～2.60％；Mo可细化晶粒，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力，Mo含量控制在0.80～1.20％；为提高钢的焊接性能，加入Nb，使其控制在0.02～0.08％；硅、铝是脱氧的主要元素，同时硅可提高钢的强度，铝可以起到细化晶粒的作用，从保证钢液脱氧和降低钢的洁净度的角度出发，控制Si：≤0.50％、Als：0.008～0.020％。另外，钢中有害元素P、S、As、Sn、Pb、Sb、Bi会增加钢在晶界或亚晶界的偏聚，可显著降低合金钢的高温疲劳强度、抗应力腐蚀强度和热蠕变性能，增大其脆化倾向，使合金钢在临氢环境腐蚀条件下断裂的性能更加明显，本发明严格控制钢中P：≤0.015％、S：≤0.005％、As：≤0.015％、Sn：≤0.015％、Pb：≤0.010％、Sb：≤0.010％、Bi：≤0.010％，且控制钢的回火脆性敏感系数J＝(Si+Mn)×(P+Sn)×104≤100、CEF＝P+2.4As+3.6Sn+8.2Sb≤0.1％；钢中气体含量会对钢的洁净度、氢致裂纹造成不利影响，为保证钢的可靠性和内部质量，控制钢中[O]≤20ppm、[H]≤2.0ppm、[N]≤90ppm。
在上述优化设计基础上，为保证钢的性能稳定一致，优选的，按质量百分数计，钢的组成为：
C：0.08～0.13％、Si：0.17～0.30％、Mn：0.40～0.50％、P：≤0.008％、S：≤0.003％、Cr：2.00～2.35％、Mo：0.95～1.05％、Nb：0.03～0.05％、Als：0.008～0.020％、Cu：≤0.10％、Ni：≤0.10％、V：≤0.05％、As：≤0.010％、Sn：≤0.003％、Pb：≤0.005％、Sb：≤0.003％、Bi：≤0.005％、[O]≤15ppm、[H]≤1.5ppm、[N]≤70ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明的技术特点之二在于合理的生产工艺，提高钢的纯净度，严格控制钢中氧、氢、氮含量，P、S及As、Sn、Pb、Sb、Bi有害元素含量，控制钢的回火脆性敏感系数J、CEF尽可能低；保证钢良好的高温高压性能和质量可靠性，满足高压锅炉用钢的质量要求。
本发明一种高压锅炉管用低合金钢的制备方法，钢的化学成分设计要求如上所述，所述方法包括以下步骤：
1)冶炼
采用电炉冶炼，电炉冶炼入炉原料为优质废钢及铁水，铁水比例≥60％，铁水中有害元素的成分应符合As：≤0.010％、Sn：≤0.003％、Pb：≤0.005％、Sb：≤0.003％、Bi：≤0.005％，且As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.035％；
冶炼过程造好泡沫渣，均匀脱碳，减少吸氮，采用大渣量、深脱碳以加强脱磷操作；控制终点[C]≤0.06％，[P]≤0.005％，残余元素含量符合设计要求；准确控制出钢温度在1610～1640℃之间，出钢过程进行钢包合金化，随钢流加钢芯铝2.0～3.0kg/t钢、铬铁，控制铬成分含量1.90～2.20％，出钢过程严禁下渣；
2)精炼
采用LF精炼+VD真空脱气处理；LF精炼过程保持白渣，炉渣碱度3.0～3.5，加强脱硫操作；按成分要求调整各元素含量，调整铬成分含量采用低碳铬铁合金；LF出钢前，按照1.5～3.0m/t钢喂入钙线进行钙变质处理；
精炼后真空处理，用定氢仪进行过程氢的测定，氢含量不大于1.5ppm；真空度小于67Pa，保持时间大于15分钟，VD后软吹氩时间大于20分钟；
3)浇注
采用连铸全保护浇注铸坯，稳定中间包浇注条件，控制合理的中间包钢水液面高度；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、使用覆盖剂、选用性能优良的专用结晶器保护渣，以防止钢水二次氧化；做好连铸工艺操作的“恒液面、恒温、恒拉速”的稳定控制；连铸中采用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌；控制中间包钢水温度1541～1551℃，根据不同圆坯坯型选择拉速0.12～0.40m/min，制得规格圆坯；制得的圆坯要及时入坑缓冷，入坑温度大于750℃，出坑温度小于100℃，根据圆坯规格缓冷时间24h～160h，以保证铸坯质量。
采用本发明低合金钢制得的高压锅炉管可以在不高于570℃的高温环境下使用。
与现有技术相比，本发明的技术方案的优良效果如下：
第一，采用Cr、Mo、Nb、Al多元合金化，从高温强度、高温塑性、抗氧化性、耐蚀性、回火脆性、加工及焊接性能等各方面综合考虑材料的成分设计，使钢材具有良好的综合性能；
第二，综合控制钢中的有害元素，并通过合理的工艺设计和严格的过程控制，钢水的洁净度高、组织均匀。
附图说明
图1为本发明实施例2铸坯的低倍组织图。
具体实施方式
下面以附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1-3：
一种高压锅炉管用低合金钢及其制备方法。采用UHP超高功率电炉、LF炉外精炼、VD真空脱气处理工艺冶炼，连铸浇注圆形铸坯生产钢材。实施例是以Φ600mm规格圆坯的生产工艺来具体说明本发明是如何实施的。
制备方法如下：
1)冶炼
采用电炉冶炼，电炉冶炼入炉原料为优质中重型废钢及铁水，铁水比例不小于60％～70％，铁水中有害元素的成分应符合As：≤0.010％、Sn：≤0.003％、Pb：≤0.005％、Sb：≤0.003％、Bi：≤0.005％，且As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.035％；冶炼过程造好泡沫渣，均匀脱碳，减少吸氮，采用大渣量、深脱碳以加强脱磷操作；控制终点[C]＝0.04～0.06％，[P]＝0.003～0.005％，残余元素含量符合设计要求；准确控制出钢温度在1620～1640℃之间，出钢过程进行钢包合金化，随钢流加钢芯铝2.5～3.0kg/t钢、铬铁，控制铬成分含量2.00～2.20％，出钢过程严禁下渣；
2)精炼
采用LF精炼+VD真空脱气处理；精炼过程保持白渣，炉渣碱度3.0～3.5，加强脱硫操作；按成分要求调整各元素含量，调整铬成分含量采用低碳铬铁合金；LF出钢前，按照2～2.5m/t钢喂入钙线进行钙变质处理；
精炼后真空处理，用定氢仪进行过程氢的测定，氢含量不大于1.5ppm；真空度小于67Pa，保持时间15～20分钟，VD后软吹氩时间20～25分钟；
3)浇注
采用连铸浇注圆形铸坯；稳定中间包浇注条件，控制合理的中间包液面高度；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、使用覆盖剂、选用性能优良的专用结晶器保护渣，以防止钢水二次氧化；做好连铸工艺操作的“恒液面、恒温、恒拉速”的稳定控制；连铸中采用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌；控制中间包钢水温度1541～1551℃，拉速0.20～0.30m/min，制得规格圆坯。制得的圆坯及时入坑缓冷，入坑温度大于750℃，出坑温度小于100℃，缓冷时间80h～110h，以保证铸坯质量。
表1是实施例高压锅炉管用钢化学成分、气体含量以及回火脆性敏感系数控制情况，表2是连铸中间包钢水温度、拉坯速度、缓冷入坑温度、出坑温度和缓冷时间。
表1实施例1-3化学成分(质量百分数，％)
实施例 1 2 3
C 0.11 0.12 0.12
Si 0.2 0.18 0.19
Mn 0.41 0.42 0.4
P 0.0072 0.0075 0.0066
S 0.004 0.003 0.003
Cr 2.11 2.15 2.13
Mo 0.96 0.95 1
Nb 0.035 0.036 0.038
Als 0.017 0.017 0.019
Cu 0.03 0.03 0.03
Ni 0.04 0.03 0.03
V 0.008 0.008 0.008
O×10-4 14 13 15
H×10-4 1.3 1.2 1.3
N×10-4 65 70 68
As 0.0085 0.0089 0.0084
Sn 0.0024 0.0021 0.002
Pb 0.0004 0.00036 0.0002
Sb 0.0021 0.0023 0.0011
Bi 0.0002 0.0002 0.0002
Fe 余量 余量 余量
As+Sn+Pb+Sb+Bi 0.0136 0.0139 0.0119
J 58.56 57.6 50.74
CEF 0.054 0.055 0.043
表2实施例1-3连铸中间包钢水温度、拉坯速度、入坑温度、出坑温度、缓冷时间
采用常规方法对实施例1-3制得的连铸圆坯进行低倍组织检测，结果如图1(实施例2铸坯)和表3所示。
表3低倍检验结果
采用常规方法对连铸圆坯制得的高压锅炉管的机械性能进行检测，结果如表4所示。
表4钢管机械性能
由表3中圆坯低倍组织检验看，低倍组织致密，工艺设计和控制理想；由表4中钢管机械性能检验看，具有良好的综合性能，满足标准要求。
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该理解，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 (6)

1.一种高压锅炉管用低合金钢，其特征在于，所述钢的组成按质量百分数计为：
C：0.05～0.15％、Si：≤0.50％、Mn：0.30～0.60％、P：≤0.015％、S：≤0.005％、Cr：1.80～2.60％、Mo：0.80～1.20％、Nb：0.02～0.08％、Als：0.008～0.020％、Cu：≤0.20％、Ni：≤0.25％、V：≤0.08％、As：≤0.015％、Sn：≤0.015％、Pb：≤0.010％、Sb：≤0.010％、Bi：≤0.010％、[O]≤20ppm、[H]≤2.0ppm、[N]≤90ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.如权利要求1所述的高压锅炉管用低合金钢，其特征在于，控制钢的回火脆性敏感系数J＝(Si+Mn)×(P+Sn)×104≤100、CEF＝P+2.4As+3.6Sn+8.2Sb≤0.1％，式中各元素按照质量百分数计。
3.如权利要求1或2所述的高压锅炉管用低合金钢，其特征在于，所述钢的组成按质量百分数计为：
C：0.08～0.13％、Si：0.17～0.30％、Mn：0.40～0.50％、P：≤0.008％、S：≤0.003％、Cr：2.00～2.35％、Mo：0.95～1.05％、Nb：0.03～0.05％、Als：0.008～0.020％、Cu：≤0.10％、Ni：≤0.10％、V：≤0.05％、As：≤0.010％、Sn：≤0.003％、Pb：≤0.005％、Sb：≤0.003％、Bi：≤0.005％、[O]≤15ppm、[H]≤1.5ppm、[N]≤70ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。
4.一种高压锅炉管用低合金钢的制备方法，所述方法包括以下步骤：
1)冶炼
采用电炉冶炼，电炉冶炼入炉原料为优质废钢及铁水，铁水比例≥60％，铁水中有害元素的成分应符合As：≤0.010％、Sn：≤0.003％、Pb：≤0.005％、Sb：≤0.003％、Bi：≤0.005％，且As+Sn+Pb+Sb+Bi≤0.035％；
控制终点[C]≤0.06％，[P]≤0.005％；出钢温度1610～1640℃，出钢过程进行钢包合金化，随钢流加钢芯铝、铬铁，控制铬成分含量2.00～2.20％，出钢过程严禁下渣；
2)精炼
采用LF精炼+VD真空脱气处理，LF精炼过程保持白渣，炉渣碱度3.0～3.5，加强脱硫操作；按成分要求调整各元素含量，调整铬成分含量采用低碳铬铁合金；LF出钢前，按照1.5～3.0m/t钢喂入钙线进行钙变质处理；
精炼后真空处理，用定氢仪进行过程氢的测定，氢含量≤1.5ppm；真空度小于67Pa，保持时间大于15分钟，VD后软吹氩时间大于20分钟；
3)浇注
采用连铸全保护浇注圆形铸坯，稳定中间包浇注条件，控制合理的中间包液面高度；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，使用覆盖剂、专用结晶器保护渣，以防止钢水二次氧化；
连铸采用“恒液面、恒温、恒拉速”；连铸中采用结晶器电磁搅拌和末端电磁搅拌；控制中间包钢水温度1541～1551℃，根据不同圆坯坯型选择拉速0.12～0.40m/min，制得规格圆坯并及时入坑缓冷。
5.根据权利要求4所述的高压锅炉管用低合金钢的制备方法，其特征在于，所述步骤1)中，钢芯铝的加入量为2.0～3.0kg/t钢。
6.根据权利要求4所述的高压锅炉管用低合金钢的制备方法，其特征在于，所述步骤3)中，入坑温度大于750℃，出坑温度小于100℃，根据圆坯规格缓冷时间24h～160h。
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