不銹鋼焊帶的研制及其在加氫反應器上的應用★

武顯斌， 李 俊

（1.山西太鋼不銹鋼精密帶鋼有限公司， 山西 太原 030003； 2.山西太鋼不銹鋼股份有限公司， 山西太原 030003）

加氫反應器是現代煉化領域的關鍵設備，主要用于石油煉制和重油的加氫裂化、加氫精制以及催化重整、脫硫、脫除重金屬等工藝過程，其工作溫度400℃以上，壓力20 MPa，同時內壁長期接觸油氣、氫氣、硫化氫等腐蝕介質，使用工況十分惡劣，屬于有爆炸危險的臨氫承壓設備，因此加氫反應器的制造有一定難度，特別是內壁的耐高溫、防腐蝕工作非常重要[1]。目前國內外通常采用的措施是在厚壁低合金Cr-Mo鋼內壁上堆焊不銹鋼焊帶，堆焊層包括過渡層和耐腐蝕層，過渡層采用TEQ309L焊帶，耐腐蝕層采用TEQ347L焊帶，焊層有效厚度3 mm以上。堆焊層的質量受焊帶質量及焊接方法的影響，直接影響到加氫反應器的使用安全。焊帶質量取決于成分、性能和焊帶板型以及與焊劑匹配的適應性，與成分設計及生產工藝關系密切相關[2]。帶極堆焊包括埋弧帶極堆焊和電渣帶極堆焊兩種，電渣帶極堆焊以其較高的生產效率、較低的母材稀釋率和良好的焊縫成型等優勢越來越受到人們的關注。我國在20世紀80年代采用埋弧堆焊的方法生產加氫反應器，但所用的不銹鋼焊帶全部依賴國外進口[3]，近年來山西太鋼不銹鋼股份有限公司（全文簡稱太鋼）為了滿足國內市場需求，利用技術和裝備優勢開始研制不銹鋼焊帶TEQ309L和TEQ347L，產品分硬態和軟態兩種，規格（0.4～0.5）mm×（50～60）mm，同時可以滿足埋弧堆焊和電渣堆焊的使用要求，在國內外加氫反應器等設備制造中得到廣泛應用。本文重點介紹太鋼堆焊用不銹鋼焊帶TEQ309L和TEQ347L的研制及在其加氫反應器上的堆焊應用情況。

1 不銹鋼焊帶TEQ309L和TEQ347L的技術要求

國內不銹鋼焊帶采購標準多采用《承壓設備用焊接材料訂貨技術條件 第5部分：堆焊用不銹鋼焊帶和焊劑》（NB/T47018.5—2011），該標準規定了不銹鋼焊帶的成分、表面要求及板型等并對熔敷金屬成分、性能提出了要求，確保冷彎、晶間腐蝕、無損檢測和滲透檢驗合格。不銹鋼焊帶及熔敷金屬的成分見表1。

表1 不銹鋼焊帶及熔敷金屬的成分 %

2 不銹鋼焊帶的成分設計思路

在不銹鋼焊帶的所有指標中，最關鍵的是成分，其對堆焊工藝性能、堆焊層成分及堆焊層組織和性能影響很大，因此，在成分設計階段就需要考慮以下幾點：

2.1 適量鐵素體組織的控制

純奧氏體不銹鋼在焊接凝固時易產生方向性很強的粗大柱狀晶組織，見圖1-1，易使鋼中雜質在晶界偏聚引起開裂。若能在設計階段增加鐵素體相形成元素，減少奧氏體相形成元素，使鋼液以FA模式凝固，由于鐵素體可有效阻止奧氏體相的枝晶粗大發展傾向，見圖1-2，從而產生一定的細化晶粒和打亂結晶方向的作用，有效避免凝固裂紋的形成。同時由圖2鐵素體含量與焊接熱裂紋敏感性之間的關系也可以看出，為確保焊接熱裂紋傾向最小，奧氏體不銹鋼焊帶中鐵素體相含量控制在5%～20%[4]。但在實際使用過程中，鐵素體并非越多越好，長期的高溫下服役時，其中的鐵素體向σ相轉變，即δ→σ+γ′，σ相是一種硬脆的金屬間化合物，促使堆焊層脆化，煉油過程產生的氫進入基體與堆焊層之間，致使堆焊層剝離基體，產生“氫剝離”現象，因此鐵素體含量也不宜超過15%。

圖1 δ相在γ相基底上的分布模型

圖2 鐵素體含量與焊接熱裂紋之間的關系

組織中鐵素體含量由 C、Cr、Ni、Nb、N 元素決定，其中 C、Ni、N是奧氏體形成元素，Cr、Nb是鐵素體形成元素，根據WRC-1992公式可以計算出常溫下焊態組織中的鐵素體含量，實際生產中可以通過嚴格控制這幾個元素含量得到理想的鐵素體含量。

2.2 低P、S控制防止焊接熱裂紋

P、S是易偏析元素，其在鐵素體相中的溶解度遠大于其在奧氏體相中的溶解度（如P在鐵素體相中的溶解度為2.8%，在常溫奧氏體相中只有0.025%）。超過溶解度的P、S將析出與Fe、Ni等形成Fe-FeS、Ni-Ni3S2、Ni-Ni3P等低熔點共晶體，其熔點為600～800℃，遠低于奧氏體的熔點（1300～1360℃），在凝固后期收縮應力的作用下形成裂紋[5]。因此，必須嚴格控制P、S元素含量。

2.3 防止熔敷金屬晶間腐蝕產生

C元素是奧氏體不銹鋼及其焊縫金屬引起晶間腐蝕的最主要的元素。在高溫下溶解了C的奧氏體不銹鋼迅速冷卻到室溫時，C就會以過飽和的形式固溶，若再次在敏化溫度范圍內保溫或緩慢冷卻時，過飽和的C就會以Cr23C6形式沉淀出來。但Cr的擴散速度遠低于C的擴散速度，當Cr23C6形成時，鋼中遠離晶界的Cr不能及時補充到邊界，只能消耗晶界附近的Cr，造成晶界貧Cr，從而發生晶間腐蝕，所以C含量應該控制在較低的水平[6]。但C是奧氏體形成元素，其形成奧氏體能力是Ni的30倍，太低的C含量導致鐵素體含量上升。另一個影響晶間腐蝕的元素是Nb，Nb和C的親和力很強，遠高于Cr和C的親和力，過飽和的C析出時優先和Nb結合，形成穩定的碳化物NbC和Nb6C5，從而有效抑制了Cr23C6的形成，緩解了奧氏體晶界貧鉻現象的發生。

3 不銹鋼焊帶生產工藝控制

與普通的奧氏體不銹鋼生產相比，不銹鋼焊帶在成分控制、組織性能上都有更為嚴格的要求，實際生產過程必須嚴加控制。其具體的生產流程為：轉爐→VOD爐→LF爐→連鑄→熱軋→冷軋→分條→包裝。相關工藝及設備參數見表2。

表2 不銹鋼焊帶生產相關工藝參數

3.1 冶煉成分控制

采用國內首條 “三脫”預處理鐵水為主要原料的不銹鋼冶煉生產線，即先在預處理站對鋼水進行脫硅、脫硫和脫磷，之后再兌入轉爐，同時加入鉻鎳合金進行不銹鋼冶煉。這種冶煉方法與普通的廢鋼冶煉不銹鋼相比的優點是硫、磷等有害元素可以降到很低，其他雜質元素如Cu、Ti等的含量都非常低。脫磷在鐵水預處理站采用”雙渣法”進行。雙渣法脫磷基本的工藝是按照脫磷的熱力學條件，在爐渣堿度R≥2.0的前期下，在吹煉前期加入紅泥球，提高爐渣中FeO含量，冶煉6 min以上保證化渣良好，鋼水溫度降低時搖爐倒渣，將爐渣中已形成的P2O5倒掉一部分，然后造新渣繼續冶煉。雙渣法可以將鐵水的磷含量降到0.01%以下,確保成品磷在0.02%以下。鐵素體含量根據WRC—1992公式計算，LF精煉過程通過控制 C、Cr、Ni、Nb、N等 5 個元素，使鐵素體含量落入要求的范圍。

3.2 熱軋過程避免開裂控制

不銹鋼焊帶的凝固組織為鐵素體和奧氏體兩相組織，鐵素體以網狀形式分布在奧氏體基體上，見圖3-1。在高溫軋制條件下，奧氏體相的塑形高于鐵素體相，奧氏體組織優先發生變形，鐵素體滯后變形，但前者變形程度遠大于后者[7]。隨著軋制變形程度的增加，奧氏體組織突破網狀鐵素體的束縛，并沿著軋制方向向前流動，鐵素體組織受到奧氏體組織流動的沖刷，聚集到奧氏體沖刷力最小的地方，逐漸形成條帶狀組織，見圖3-2。當熱軋溫度下降后，鐵素體相的流動性變弱，對奧氏體變形的阻力逐漸增大，很容易在兩相相界處產生應力集中，在大的變形速率下晶粒來不及回復和再結晶，很容易在相界處產生開裂，見圖3-3。裂紋由開裂處向鋼板內部延伸，其走向與組織中鐵素體走向一致，具有明顯的沿晶裂紋特征[8]。因此，熱軋過程必須在兩相組織的最佳熱塑性區間完成熱軋變形，工藝上可采用搶溫快軋、少道次大變形及減少冷卻水等措施，否則很容易產生熱軋裂紋缺陷[9]。

圖3 不銹鋼焊帶組織

4 不銹鋼焊帶實物質量

太鋼不銹鋼焊帶經國內焊接權威機構焊接評定后，焊帶母材及熔敷金屬的性能全部滿足加氫反應器的設計要求。

4.1 焊帶母材的化學成分

采用GB/T 223對焊帶進行化學成分分析，并根據WRC—1992計算鐵素體含量，結果見表3。

表3 焊帶母材的化學成分 %

4.2 焊接工藝參數

采用TEQ309L+TEQ347L焊帶雙層電渣堆焊并配合焊劑，焊接工藝參數見表4，焊接工藝性能良好，無飛濺，易脫渣，焊道搭接好，成形美觀，見圖4、圖5。

表4 焊接評定工藝參數

圖4 堆焊過程

圖5 堆焊層熔敷金屬外觀

4.3 熔敷金屬的化學成分

在距離堆焊層表面3 mm深處鉆取化學成分試樣，采用GB/T223化學分析方法，結果見下頁表5。

4.4 熔敷金屬的硬度

堆焊后，從截面處制樣，進行硬度檢測，結果見表6。

表5 堆焊后熔敷金屬的化學成分%

表6 熔敷金屬硬度（HV）

4.5 冷彎

堆焊層經705℃保溫2 h熱處理后，進行橫向和縱向側彎，彎曲半徑為2倍厚度，彎曲角度180°，彎曲部位無裂紋，見圖6。

圖6 冷彎試樣照片

4.6 晶間腐蝕

依照GB/T 4334.5，對焊道取規格80 mm×10 mm×4 mm的試樣兩塊，經過16 h的硫酸—硫酸銅溶液微沸腐蝕之后，再進行彎曲試驗，結果如圖7所示，試樣無裂紋出現。表明堆焊的耐蝕層具有良好的耐晶間腐蝕性能。

圖7 晶間腐蝕照片

5 應用

太鋼突破了冶煉成分控制精度高、熱軋易開裂及外觀質量要求高等難點，成功開發出加氫反應器內壁堆焊用不銹鋼焊帶TEQ309L和TEQ347L。太鋼焊帶與一重天津重型裝備研制的焊劑形成的配套產品在2012年經中國機械工程學會、中石化洛陽工程有限公司、哈焊所、鋼鐵研究總院等專家鑒定，認為太鋼與一重研制不銹鋼焊帶及焊劑實物質量達到國際先進水平，可以替代進口應用于加氫反應器的制造。

不銹鋼焊帶開發以來，已經與國內知名焊材公司如哈焊所、北京金威、昆山京群、一重天津重型裝備等焊劑相匹配，試驗結果均滿足GB/T47018及加氫反應器的設計要求，表明太鋼的焊帶具有較強的適應性。目前太鋼焊帶已廣泛應用于國內加氫反應器等大型壓力容器的制造，滿足了國內重點領域和重點項目的需求，形成年產1000 t以上能力的生產線，對我國煉化裝備制造的健康、可持續發展有重要意義。

6 結論

1）太鋼采用“轉爐→VOD爐→LF爐→連鑄→熱軋→冷軋→分條→包裝”的工藝路線，通過合理的成分設計和解決熱軋過程開裂問題，開發出加氫反應器用不銹鋼焊帶TEQ309L和TEQ347L。

2）經焊接工藝評定，不銹鋼焊帶TEQ309L和TEQ347L焊接工藝性能良好，焊道成形美觀，熔敷金屬的各項性能均滿足加氫反應器的設計要求。

3）太鋼焊帶形成年產1000 t以上的生產規模，已廣泛應用于國內加氫反應器的制造，專家組鑒定，太鋼焊帶實物質量達到國際先進水平。

[1]高彥.帶極電渣堆焊層成形及磁控裝置在加氫反應器堆焊中的應用[J].焊接技術，2010（1）：40-41.

[2]張心保.E347L不銹鋼焊帶設計生產及其埋弧焊堆焊性能[J].中國表面工程，2011（6）：92-97．

[3]張瑞華，朱旻，李巖，等.國內不銹鋼焊帶的研究現狀[J].材料導報，2010（5）：97-100.

[4]尹士科，李鳳輝，等.不銹鋼及耐熱耐蝕合金焊接熱裂紋概述[J].焊接，2012（10）：35-38．

[5]滿達虎，王麗芳.奧氏體不銹鋼焊接熱裂紋的成因及防止對策[J].熱加工工藝，2012，41（11）：181-184．

[6]史勤益，顏余任，趙先銳，等.304奧氏體不銹鋼的熱處理工藝研究[J].科學技術與工程，2011，11（24）：5910-5913．

[7]陸世英.不銹鋼概論[M].北京：科學技術普及出版社，2007：20-40．

[8]常鍔，葉曉寧，等.奧氏體不銹鋼309L的組織及力學性能分析[J].寶鋼技術，2011（2）：54-58.

[9]舒瑋，李俊，廉曉潔，等.熱處理對奧氏體不銹鋼00Cr24Ni13鑄坯高溫熱塑性的影響[J].工程科學學報，2015，37（2）：190-195．