金一标;李亚军;胡学峰;张庭志
【摘 要】P91耐热钢焊接用芯线中Al会与N结合生成AlN,造成强化析出相(Nb、V)(C、N)的减少,使钢的持久强度和抗蠕变性能降低.以真空熔炼加电渣重熔技术研究P91耐热钢焊接用芯线中的Al含量,在真空条件下通过热力学计算得出真空熔炼时坩埚中氧化铝被碳还原与真空度的关系,当真空度为2 Pa时,Al含量最大达到0.0085％.因此,必须合理使用耐火材料刚玉粉才能使Al含量满足不超过0.0010％的要求.电渣采用渣系CaF2-MgO冶炼的电渣锭顶部和底部Al含量分别为0.0007％、0.0008％,实现了电渣过程不增Al.电渣锭金相组织为马氏体,有少量灰夹杂物,夹杂物为氧化物复合相(Fe、Mn、Cr) xOy,未发现铝及铝的氧化物存在.
【期刊名称】《四川冶金》
【年(卷),期】2017(039)005
【总页数】5页(P24-28)
【关键词】析出强化;控铝;真空熔炼;电渣重熔
【作 者】金一标;李亚军;胡学峰;张庭志
【作者单位】四川大西洋申源特种材料科技有限责任公司,四川自贡643000;四川大西洋焊接材料股份有限公司,四川自贡643000;四川大西洋申源特种材料科技有限责任公司,四川自贡643000;四川大西洋申源特种材料科技有限责任公司,四川自贡643000
【正文语种】中 文
【中图分类】TF764;TF744
选料网随着我国经济的快速发展,对能源资源的需求日益增加,而燃煤火力发电已成为我国主要的能源供应方式,其装机容量占电力行业的70%左右[1]。当前,燃煤火力发电的热效率正在从亚临界(16.77 MPa、540℃)向超临界(24.0-30.0 MPa、580-610℃)及以上发展,大容量、高温、高压超超临界机组代表了电站锅炉今后发展的趋势[2,3]。为适应高压锅炉环境,美国工作者开发出T/P91钢,其具有较高的高温强度、良好的抗蠕变性能和抗氧化性能、优异的焊接性能和加工性能、较低的热膨胀系数、良好的导热性及组织稳定性等优点,被广泛地使用于超临界锅炉的过热器、高温再热器以及蒸汽管道,成为高压锅炉制造的重要材料[4-6]。
T/P91合金化特点是在钢中加入析出强化元素Nb、V,调整C、N含量,控制Si、Ni、Al的加入量。因此,T/P91钢中Al含量必须控制较低。通常Al在炼钢作为脱氧剂,与氮能结合生成Al N,其具有显著的细化晶粒效果,并消除氮的危害,但考虑到高温持久性和抗蠕变性时,Al含量的存在会减少主要强化析出相(Nb、V)(C、N)的数量,使钢的抗蠕变性降低,脆性增加[7]。
高压锅炉用P91耐热钢配套焊接材料熔敷金属的Al含量也有严格的要求。目前,四川大西洋焊接材料关于P91芯线中Al含量标准不大于0.0010%。采用真空熔炼加电渣重熔,控制焊接用P91芯线中的Al含量,使其不大于0.0010%,保证了P91耐热钢芯线中Al含量的要求。
真空感应炉:300 kg真空感应炉型ZG-300;捣结烧制的电熔镁砂坩埚。
电渣重熔炉:单立柱100 kg电渣重熔炉。
金相显微镜:Olynpus-tokyo光学显微镜。
扫描电镜:EVO18钨灯丝扫描电子显微镜。
实验所用的主要原料为碳,纯铁,金属铬,钼条,电解锰,工业硅等,电渣脱氧剂为硅钙合金。
2.3.1 真空熔炼
真空熔炼环境下主要发生的反应为:真空去气、氧化夹杂物的分解、氧化物的还原、坩埚与钢液反应以及高蒸气压元素的蒸发。因此,真空感应熔炼炉能够准确地控制合金成分,减少易氧化元素的损失,并去除有害气体及有害元素。真空熔炼P91耐热钢时,必须注意如下几点:
(1)原材料的精选
为保护易烧损元素的收得率,真空条件下一般采用无渣冶炼,因此原材料必满足低硫、低磷。为了控制P91中Al含量,原料纯铁中的Al含量必须满足小于0.0010%的要求。
(2)坩埚材料
真空感应熔炼的坩埚材料主要为电熔镁砂,坩埚捣结时采用线圈部分干打,减少水分带入,便于烤炉烧结。线圈上部分湿打,便于修筑浇道。当熔炼钢种有超低铝要求时,打结坩埚时必须控制刚玉粉的加入量,因为采用石墨芯烧结坩埚和烧结后洗炉可以使镁砂与刚玉烧结为致密的尖晶石。而修补的浇道无法烧结,因此不允许加入刚玉粉。因钢水与坩埚接触时,能够发生碳还原氧化铝的反应。
(3)材料收得率
因真空浇注采用上浇法,钢锭表面质量差,缩孔深,切除帽口、表面车削打磨材料收得率不足75%,甚至部分缺陷隐藏在内部,最终在拉丝环节暴露出来,影响焊丝线材表面质量,同时该材料具有马氏体转变,会导致真空浇注钢锭出现中心裂纹。因此采用真空感应熔炼加电渣重熔工艺提高表面质量,消除钢锭内部疏松,提高材料的收得率。
(4)熔炼工艺过程
①脱氧剂
碳具有优良的脱氧性能,碳含量1/3随炉,余下放在料斗合金化期加入。
中药煎药器②精炼温度
经计算该钢熔点为1500℃左右,控制精炼温度为不小于1600℃。
③真空度
精炼期:为达到良好的碳氧反应效果,控制真空度为2-5 Pa。
合金化期:为保护蒸汽压较高的元素的收得率,充Ar压力控制为0.02-0.03 MPa,并且注意控制合金化期的钢水温度,减少活泼元素的烧损。
④化学成分分析
化学成分要求及取样分析见表1。P91中含有的析出强化元素:Nb、V、N通过焊接时药皮过渡到焊缝金属中,因此在P91芯线材料中可不控制其含量。
2.3.2 电渣重熔
电渣重熔的特点是净化钢水,电渣过程具有熔炼与浇注的性能,钢水穿过渣池后,进入结晶器,在强制冷却的优越条件下进行定向凝固。提高钢液洁净度,改善了钢锭的结晶组织。电渣渣壳可使电渣锭表面光滑,减少表面缺陷。
电渣重熔主要参数:结晶器规格为上口Φ135 mm,下口Φ165 mm,高度720 mm。钢锭经锻造加工为Φ80 mm圆柱体,作为电渣重熔电极。采用低碳固态引弧剂CaF2-TiO2,电渣重熔渣系为CaF2 80%,Mg O20%。渣量为4.6 kg。渣料烘烤温度:CaF2烘烤温度、时间,400℃×4 h;电熔镁砂烘烤温度、时间,800℃×4 h。电渣工艺过程如下:
(1)同材质底板放于水冷底座上,固态引弧剂约3-4 cm一块,放置于底板上。
(2)电极棒对中,然后下降到刚好接触引弧剂。
(3)结晶器上口接入Ar保护气体,并通气5 min。
(4)通电前,先加入少量氟化钙,待引弧成功后,逐步加入混合后的其他渣料。熔炼参数:二次电压电压40 V,电流3600-3800 A。
(5)脱氧剂为硅钙合金,每隔2 min加入一次,总加入量为电极棒重量的1.5%。
(6)电渣结束后静置25 min,电渣锭脱模埋砂缓冷。
整个电渣过程:电渣工艺稳定,电渣锭表面质量较好,中下部有轻微夹渣,渣壳厚约3-5 mm。分别对电渣锭头尾取样分析,分析结果见表2。
真空感应熔炼中,Al元素的来源由两部分构成,一部分是原材料带入的Al,熔炼过程中没有被氧化掉,最终进入钢水形成酸溶铝;另一部分是氧化铝被还碳原生成Al。原材料中的铝含量,可以通过预先筛选原材料,使其达到要求。但耐火材料带入的氧化铝必须严格控制,在真空熔
炼条件下,我们采用热力学计算碳与氧化铝的反应情况。
由方程(4)可以计算出真空熔炼过程中,氧化铝被碳还原与真空度的关系,见图1。
根据计算结果显示:氧化铝能够在真空条件下被碳还原为Al,并随着真空度的升高,碳还原能力越强,反应生成的Al含量也越高。本次试验采用真空度范围为2-5 Pa,钢水Al含量最高能达到0.0085%。综上所述,在真空熔炼过程中,氧化铝质耐火材料必须正确使用,捣结坩埚中合理控制刚玉粉加入比例,使其烧制成为致密的镁铝尖晶石;坩埚修补过程中只能采用细粉镁砂修补,不允许再次加入刚玉粉,因为修补过程中捣结力度不足,致密性降低,钢水的温度也不足以使其烧结成为完全的尖晶石,容易造成修补的耐火材料疏松、脱落,最终被碳还原导致钢水增Al。
氟化钙与氧化铝组合渣系是电渣重熔中运用最广泛的渣系,通常的配比为CaF2 70%,Al2 O3 30%,其中氧化铝具有很好的电阻率,对稳定渣池热量,提高重熔效率有极大的效果。但在重熔过程中化学平衡反应式:Al2 O3(S)=2[Al]+3[O],因此会导致Al元素进入到电渣锭中。向大林[8]等人在对汽轮机转子电渣重熔中发现:不论是否使用脱氧剂,电渣过程均会出现增Al,最高达到0.03%的增Al量。可见采用CaF2-Al2 O 3渣系,无法保证P91钢芯线不大于0.0010%
edi电源的要求。
本次实验采用了一种新的渣系CaF2-MgO,国内外很少有文献报道,但在实际生产中控制铝含量达到了意想不到的效果。氧化镁的添加会促进渣池表面形成一层半凝固膜,可防止渣池吸氧及防止渣中变价氧化物向金属熔池传递供氧。本次采用渣系CaF2∶MgO=80∶20,电渣锭的顶部和底部Al含量分别为0.0007%、0.0008%,实现了电渣过程不增铝,满足了Al含量不大于0.0010%的要求。电渣锭在锻造加工前需锯切掉底板,然后靠近切除面2 cm锯切取金相试样及扫面电镜试样。依据GB/T 13298-1991,在Olynpus-tokyo光学显微镜上观察金相组织,浸蚀剂为三氯化铁盐酸水溶液,金相组织见图2,其组织为马氏体,并有少量灰夹杂物存在,最大约10μm。在扫描电镜中可以看出夹杂物形态为不规则的三角或四边形,如图3所示。通过扫描电镜的EDS分析,夹杂物主要化学成分为(Fe、Mn、Cr)x Oy的氧化物,没有发现铝及铝的氧化物存在。
容器景何(1)真空条件下控制钢水中铝含量的措施有3种:①精选原材料;②烧制坩埚时必须适量的加入刚玉粉,通过石墨芯高温烧结为致密的尖晶石;③修补坩埚时不能使用刚玉粉。
(2)通过热力学公式计算得出:真空熔炼时,能够发生耐火材料中氧化铝被碳还原,导致钢水增
温泉浴片Al。随着真空度的增加,碳的还原能力越强,Al含量增加越多。
(3)渣系CaF2∶MgO=80∶20能够控制电渣锭不增铝,最终Al含量不大于0.0010%。电渣锭微观组织分析不存在铝及铝的氧化物存在。
【相关文献】
[1] 杨华纯,屠 勇.超(超)临界机组锅炉钢管选材与国产化可行性[C]//超(超)临界锅炉用钢及焊接技术论文集,苏州,2005.
中远电梯[2] 宁保.T91铁素体耐热钢相变过程及强化工艺[D].天津:天津大学,2007:1-5.
[3] 高加强,王起江,周冶东.P91耐热钢600℃短时蠕变行为探讨[J].物理测试,2015,33(4):1-5.
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