HP13Cr不銹鋼工藝實(shí)踐

袁續(xù)陽(yáng)，祖 峰，王豐產(chǎn)，宋智宇

（天津天管特殊鋼有限公司，天津 300301）

HP13Cr不銹鋼工藝實(shí)踐

袁續(xù)陽(yáng)，祖 峰，王豐產(chǎn)，宋智宇

（天津天管特殊鋼有限公司，天津 300301）

天津天管特殊鋼有限公司采用電爐出鋼鋼水與感應(yīng)爐熔煉合金鋼水相兌，通過LF、VOD、模鑄工藝生產(chǎn)HP13Cr超低碳不銹鋼，分析和檢驗(yàn)結(jié)果表明，吹氧后碳含量可達(dá)0.017%。VOD還原后，Mn、Cr、Si元素的平均收得率分別可達(dá)89.4%、98.4%、84.6%，鋼錠鍛造后的管坯冶金質(zhì)量均滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

不銹鋼；管坯；電弧爐；感應(yīng)爐；LF+VOD；模鑄

1 引言

我國(guó)不銹鋼的生產(chǎn)與應(yīng)用正處在前所未有的高速發(fā)展期，世界范圍內(nèi)，不銹鋼的生產(chǎn)與應(yīng)用也進(jìn)入了競(jìng)爭(zhēng)更加激烈的新階段[1]。面對(duì)國(guó)內(nèi)外這一形勢(shì)，天津天管特殊鋼有限公司于2006年進(jìn)行了不銹鋼冶煉設(shè)備改造，通過對(duì)實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析，經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，不斷改進(jìn)生產(chǎn)工藝，目前生產(chǎn)的不銹鋼產(chǎn)品質(zhì)量合格，深得客戶的信賴。

HP13Cr是超級(jí)馬氏體鋼不銹鋼，含碳量低，加入一定量的Mo相當(dāng)于提高了Cr的含量，再加上Ni的配合，可有效地提高HP13Cr耐蝕性能，特別是在含二氧化碳和硫化氫介質(zhì)環(huán)境中的耐蝕性能有很大的提高。因此，HP13Cr不銹鋼在石油和天然氣開采中，作為高鋼級(jí)抗二氧化碳和硫化氫腐蝕的石油套管坯料，得到了廣泛的應(yīng)用。其化學(xué)成分見表1。

2 工藝路徑及主要設(shè)備參數(shù)

HP13Cr不銹鋼管坯生產(chǎn)工藝路徑為：電爐鋼水+感應(yīng)爐預(yù)熔合金→LF（扒渣）→VOD→模鑄主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表2。

表1 HP13Cr的化學(xué)分/%

3 生產(chǎn)過程控制

3.1 電爐冶煉工藝

電爐冶煉采用“全管頭（含鉻、鉬）+鐵水”配料方案，降低入爐料的P、S含量及五害元素含量，生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明：與“普通廢鋼+鐵水”配料方案入爐料相比，可降低鋼水60%初始S含量，降低到0.030%，同時(shí)回收廢鋼中鉻、鉬，其入爐料總裝入量控制在 80～85 t，出鋼量可控制在 58～60t。由于相對(duì)裝入量較小，鋼液面較正常冶煉時(shí)低，因此冶煉過程中需要注意及時(shí)造渣、換渣操作，保證出鋼鋼水P≤0.007%[2-3]。通過偏心爐底出鋼，防止下渣，出鋼時(shí)終點(diǎn)碳控制在0.04%～0.06%，可有效防止鋼水過氧化，降低鋼水中氧含量[2]，減少回磷。出鋼過程中按脫氧效果先弱后強(qiáng)的順序加脫氧劑、合金，這樣可以使生成的低熔點(diǎn)脫氧產(chǎn)物，在鋼液中碰撞易于聚集生成大顆粒夾雜，再通過氬氣攪拌而浮出鋼液表面，最后加入渣料，通過鋼渣混沖進(jìn)行脫硫。

表2 主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)

3.2 感應(yīng)爐冶煉工藝

感應(yīng)爐主要用來(lái)熔化合金及部分返回廢鋼。要求使用低P（P≤0.030%）、S含量的合金，確保混合后的鋼水P含量不超規(guī)格上限，鋼水S含量相對(duì)也較低，為L(zhǎng)F處理提供有利條件。裝料順序和供電曲線如下：先裝入低熔點(diǎn)的鎳板（熔點(diǎn)為1 425～1 455℃）、高鉻（熔點(diǎn)：1 520～1 550℃）。起始送電采用先小功率，約3000W，10min后送電功率提高到5000～6000W，待鎳板、高鉻全部熔化后，且合金熔液溫度在1 550℃以上時(shí)，再分批加入HP13Cr返回廢鋼，總量控制到10～15 t。最后升功率到7000W以上，通過料倉(cāng)分批加入低鉻（熔點(diǎn)：1 600～1 640℃）。爐內(nèi)料位升起后，加入覆蓋劑，防止渣面結(jié)殼。感應(yīng)爐出鋼溫度控制在1 620～1 640℃，待電爐出鋼鋼水就位到感應(yīng)爐出鋼位，鋼包接通氬氣后，翻爐出鋼。出鋼時(shí)，調(diào)整好氬氣流量，保證鋼水?dāng)嚢杈鶆颉?/p>

3.3 LF精煉工藝

為進(jìn)一步降低鋼水中S含量，在LF爐中加高堿度頂渣（主要成分CaO）進(jìn)行精煉處理，充分吹氬，氬氣流量控制在100～120NL/min，精煉處理過程中采用螢石調(diào)渣，保證頂渣堿度及流動(dòng)性。使用鋁粉及復(fù)合脫氧劑進(jìn)行渣面脫氧，確保脫S效果[4]。LF進(jìn)行粗調(diào)合金成分，目標(biāo)值控制如表3所示。

表3 LF處理后成分控制目標(biāo)/%

其他元素V、Nb，在VD處理前調(diào)整；剩余部分Ni板作為VOD后冷卻鋼水合金使用。

LF處理結(jié)束前，加入螢石調(diào)渣，保證渣子流動(dòng)性良好，控制吊包扒渣溫度1 630～1 645℃，扒渣后要求鋼水“鏡面”裸露80%以上。

3.4 VOD處理工藝

扒渣結(jié)束后，開始進(jìn)行VOD處理，VOD處理開始的溫度為1 580～1 600℃，以保證吹氧后鋼水溫度在1 720℃左右（不會(huì)過高或過低）。鋼包就位后，調(diào)整好氬氣，流量控制在30～50NL/min，以氬氣攪拌剛剛裸露出鋼液面為宜（此為扒渣后裸露面）VOD處理鋼水量控制在88～93 t，鋼包自由空間控制在1000～1 200mm。VOD吹氧總量以LF后成分為準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，具體見表4。

表4 VOD吹氧總量計(jì)算/Nm·3t-1

VOD吹氧過程按表5進(jìn)行控制，要求脫碳速度平緩進(jìn)行，這樣鋼水噴濺相對(duì)較小。

MTA（多功能氣體分析儀）是一個(gè)廢氣測(cè)量的新系統(tǒng)，通過廢氣量的檢測(cè)達(dá)到過程監(jiān)控的目的通過畫面中CO、CO2含量等曲線變化，見圖1，可以對(duì)吹氧過程、真空碳脫氧過程進(jìn)行精確控制，減少Cr、Mn的氧化損失。

根據(jù)MTA曲線判斷停止氧氣噴吹：

（1）與金屬反應(yīng)氧大于70%。

表5 VOD吹氧過程主要控制參數(shù)

圖1 MT A曲線

（2）脫碳速度明顯降低，小于1.5 kgC/min。

（3）脫碳量明顯降低，小于0.025 kg。

（4）吹氧總量到計(jì)算值。

另外，緩吹過程首先是Si的氧化，計(jì)算出Si的總耗氧量，并根據(jù)MTA顯示，吹氧初期，與金屬反應(yīng)的氧明顯降低，CO含量稍微降低，可以提高氧氣噴吹量，轉(zhuǎn)為主吹。當(dāng)CO含量曲線與CO2含量曲線相交后，CO含量曲線明顯降低時(shí)，可以降低氧氣噴吹量，轉(zhuǎn)為緩吹。

停氧后，降低系統(tǒng)真空度（＜1 kPa），進(jìn)行VCD處理，一般只有超低碳不銹鋼進(jìn)行VCD處理，VCD處理時(shí)間大于10min。VCD處理結(jié)束后，根據(jù)取樣結(jié)果，進(jìn)行還原及造渣操作。采用一定比例硅鐵及鋁塊對(duì)鋼水進(jìn)行還原。加入一定量的石灰、白云石石灰、螢石調(diào)渣，加入時(shí)根據(jù)鋼渣實(shí)際情況按比例進(jìn)行調(diào)整。

還原后進(jìn)行VD處理，要求高真空（＜67 Pa）保持時(shí)間大于10min，保證脫氧及脫硫效果。處理結(jié)束后按照成品目標(biāo)值進(jìn)行V、Nb、Si、Mn的成分微調(diào)，采用鋁粉進(jìn)行渣面脫氧，保證白渣操作，提高金屬收得率。進(jìn)行吹氮?dú)庠龅に嚕档獣r(shí)間大于15 min，流量大于500NL/min。溫度合適后，根據(jù)目標(biāo)成分喂入鋁絲，調(diào)整最終鋁含量大于0.015%，間隔一定時(shí)間后喂入硅鈣絲，弱攪拌15 min以上，確保夾雜物變性充分上浮。弱攪拌結(jié)束后，進(jìn)行模鑄，溫度控制在大于1 560℃。

3.5 模鑄工藝操作

3.5.1 模鑄錠模的準(zhǔn)備

清理干凈模鑄錠模，對(duì)模鑄錠模、底盤進(jìn)行烘烤，保證模鑄時(shí)錠模的溫度不低于80℃，底盤的溫度不低于100℃。

3.5.2 模鑄澆注

澆注過程中采用氬氣保護(hù)澆注，防止鋼水二次氧化。澆注時(shí)保證錠模充滿，脫模要求模表面溫度小于200℃。

3.5.3 模鑄保護(hù)材料

使用專門模鑄保護(hù)材料，模鑄保溫劑：混合型新型發(fā)熱劑。模注保護(hù)渣：MB1。

3.5.4 紅送鋼錠

鋼錠在澆注結(jié)束2.0h左右進(jìn)行脫帽口操作紅送鋼錠進(jìn)行鍛造加工，確保紅送時(shí)錠模表面溫度大于600℃。

4 生產(chǎn)效果

4.1 成分情況

根據(jù)20爐冶煉數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，吹氧后碳平均控制在0.017%；VOD處理前后，主要合金元素平均收得率見表6。

表6 合金元素平均收得率

經(jīng)檢驗(yàn)，特鋼公司生產(chǎn)的HP13Cr超低碳不銹鋼，成分全部合格，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2 夾雜物情況

鋼管非金屬夾雜物控制情況較好，A粗0級(jí)，A細(xì)0.5級(jí)，B類0級(jí)，C類0級(jí)，D粗0級(jí)，D細(xì)0.5級(jí)，未出現(xiàn)夾雜物超標(biāo)，完全滿足用戶協(xié)議要求。抽取5爐中的10個(gè)樣品的夾雜物評(píng)級(jí)情況見表7。

表7 HP13Cr夾雜物評(píng)級(jí)情況

4.3 低倍組織情況

通過對(duì)鍛坯酸侵低倍檢驗(yàn)表明，鍛坯內(nèi)部質(zhì)量良好，沒有發(fā)現(xiàn)內(nèi)部質(zhì)量問題，達(dá)到了預(yù)期的效果：皮下裂紋0級(jí)，中部裂紋0級(jí)，芯部裂紋0級(jí)，潔凈度0級(jí)，縮孔0級(jí)，皮下氣泡0級(jí)，中心疏松1級(jí)，中部氣泡0級(jí)。低倍的具體情況見圖2。

經(jīng)檢驗(yàn)評(píng)定，冶煉HP13Cr超級(jí)馬氏體不銹鋼低倍組織及夾雜物評(píng)級(jí)[8]均滿足技術(shù)條件的要求。

通過設(shè)計(jì)合理的工藝過程和化學(xué)成分，采用關(guān)鍵生產(chǎn)技術(shù)和相關(guān)措施，有效地解決了生產(chǎn)HP13Cr超低碳不銹鋼的技術(shù)難題，使鋼的實(shí)物質(zhì)量滿足了高鋼級(jí)抗二氧化碳和硫化氫的石油套管坯料的使用要求。

圖2 HP13Cr鋼種鍛坯低倍檢驗(yàn)情況

5 結(jié)論

依據(jù)天津天管特殊鋼有限公司現(xiàn)有的設(shè)備條件，通過設(shè)計(jì)合理的工藝流程和化學(xué)成分，天津天管特殊鋼有限公司生產(chǎn)的HP13Cr超級(jí)馬氏體不銹鋼，經(jīng)過低倍檢驗(yàn)，夾雜物評(píng)級(jí)，性能檢驗(yàn)等分析，實(shí)物質(zhì)量完全滿足用戶協(xié)議要求。

[1] 陸世英.不銹鋼概論[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[2] 邱紹岐，祝桂華.電爐煉鋼原理及工藝[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996.

[3] 趙沛.爐外精煉及鐵水預(yù)處理實(shí)用技術(shù)手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社,2004.

[4] 崔中圻，劉北興.金屬學(xué)與熱處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社1989.

Practice of HP13Cr Stainless Steel Production Process

YUAN Xu-yang,ZU Feng,WANG Feng-chan and SONG Zhi-yu

(Tianjin Tianguan Special Steel Company Limited,Tianjin 300301,China)

HP13Cr ultra low carbon stainless steel is produced by EAF molten steel charged with IF molten alloy steel through LF-VOD-Mould Casting process at Tianjin Tianguan Special Steel Company Limited.Analysis and test results show that carbon content after oxygen blowing can reach0.017%and average yields of Mn,Cr and Si after VOD reduction,89.4%,98.4%and 84.6%respectively.The metallurgical quality of billet produced by ingot forging meets all requirements of technical standard.

stainless steel;pipe billet;EAF;IF;LF+VOD;mould casting

10.3969/j.issn.1006-110X.2014.02.017

2013-09-15

2013-10-12

袁續(xù)陽(yáng)（1984—），男，工程師，主要從事煉鋼工藝方面的研究工作。