一种高压锅炉管用低合金钢及其制备方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0006] -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:彡0. 50%、Mn:0. 30 ~0. 60%、P:彡 0. 015%、S:彡 0. 005%、Cr:1. 80 ~2. 60%、M〇 :0. 80 ~1. 20%、 Nb:0? 02 ~0? 08%、Als:0? 008 ~0? 020%、Cu:彡 0? 20%、Ni:彡 0? 25%、V:彡 0? 08%、As: ^ 0. 015%,Sn 0. 015%,Pb0. 010%,Sb0. 010%,Bi0. 010%, [0] ^ 20ppm,
[H] < 2.Oppm、[N] < 90ppm，其余为Fe和不可避免的杂质。
[0007]此外，为控制钢的回火脆性，还对化学成分进行综合控制， 八8+511+?匕+5匕+81彡0.035%、回火脆性敏感系数了=(51+]?11)\(?+511)\104彡100、〇￡卩= P+2. 4As+3. 6Sn+8. 2Sb彡0? 1%，式中各元素按照质量百分数计。
[0008] 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、A1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:彡0. 015%、S:彡0. 005%、As:彡0. 015%、 Sn:彡 0? 015%、Pb:彡 0? 010%、Sb:< 0? 010%、Bi:彡 0? 010%，且控制钢的回火脆性敏 感系数J= (Si+Mn)X(P+Sn)X104彡 100、CEF=P+2. 4As+3. 6Sn+8. 2Sb彡 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 [0] ^ 20ppm> [H] ^ 2. 0ppm> [N] ^ 90ppm〇
[0009] 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：
[0010]C:0? 08 ~0? 13%、Si:0? 17 ~0? 30%、Mn:0? 40 ~0? 50 %、P:彡 0? 008%、S: 彡 0. 003%、Cr:2. 00 ~2. 35%、Mo:0. 95 ~1. 05%、Nb:0. 03 ~0. 05%、Als:0. 008 ~ 0. 020%,Cu0. 10%,Ni0. 10%,V0. 05%,As0.010%,Sn 0. 003%,Pb： 彡 0? 005%、Sb:彡 0? 003%、Bi:彡 0? 005%、[0]彡 15ppm、[H]彡 1. 5ppm、[N]彡 70ppm，其 余为Fe和不可避免的杂质。
[0011] 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。
[0012] 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：
[0013] 1)冶炼
[0014] 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:彡 0? 010%、Sn:彡 0? 003%、Pb:彡 0? 005%、Sb:彡 0? 003%、Bi: 彡 0? 005 %，且As+Sn+Pb+Sb+Bi彡 0? 035 % ;
[0015] 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°C之间，出钢过程进行钢包合金化，随钢流加钢芯铝2. 0~3.Okg/t钢、铬 铁，控制铬成分含量1. 90~2. 20%，出钢过程严禁下渣；
[0016] 2)精炼
[0017] 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.Om/t钢喂入钙线进行钙变质处理；
[0018] 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后软吹氦时间大于20分钟；
[0019] 3)浇注
[0020]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°C，根据不同圆述述型选择拉速0. 12~0. 40m/min，制得 cp500~800mm规格圆坯；制得的圆坯要及时入坑缓冷，入坑温度大于750°C，出坑温度小于 l〇〇°C，根据圆坯规格缓冷时间24h~160h，以保证铸坯质量。
[0021] 采用本发明低合金钢制得的高压锅炉管可以在不高于570°C的高温环境下使用。
[0022] 与现有技术相比，本发明的技术方案的优良效果如下：
[0023] 第一，采用Cr、Mo、Nb、A1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