宝钢T91钢转炉冶炼工艺探讨

第十四届全国炼钢学术会议文集142宝钢T91钢转炉冶炼工艺探讨马志刚徐海澄郑建忠（宝钢分公司炼钢厂，上海200941）摘要：根据T91钢的冶金及成分特性要求，从氮含量控制、多元合金成分控制、磷、硫的控制、总氧控制等方面，介绍了宝钢T91转炉冶炼的相关工艺技术。关键词：T91钢高压锅炉管转炉工艺converterprocessdiscussionofBaosteel’sT91steelMaZhigang（Steel-MakingPlant，BaosteelBranch，Shanghai200941，China）Abstract：BasedonspecialrequirementofmetallurgicalcharactersandchemicalcompositionsofT91steel,converter-relatedprocesstechniquesareintroducedinthepaperconcerningthecontrolofnitrogencontent,multi-alloycompositions,[P]、[S]contentandtotaloxygencontentetc.keywords：T91steelhighpressureboilertubeconverterprocess1前言T91高压锅炉管是80年代初由美国CE公司与美国橡树岭国家实验室联合开发成功的一种钢种，该钢是在T9钢(9Cr1Mo)基础上添加铌、钒元素和控制适量的氮元素，通过铌、钒和碳氮化合物的析出强化作用，提高钢在600℃左右的蠕变断裂强度。T91钢除保持优良的抗高温腐蚀性能优点外，600℃的蠕变强度差不多是T9钢的3倍，并且持久断裂塑性稳定。T91钢所具有的优异物理与机械综合性能，得以在电站工程中投入了工业性应用，广泛用于德国、法国、英国、美国、加拿大等国家的大型火电机组，经过多年的运行经验，T91钢已成为一个比较成熟的超临界锅炉用钢种。由于T91钢冶炼及轧制难度很高，国内锅炉行业急需的T91高压锅炉管主要依靠进口。随着我国火力发电技术的进步，发电设备向大容量发展，蒸汽条件向高温高压方向发展，对T91高压锅炉管的需求量越来越大，要求宝钢自制T91高压锅炉管的需求越来越迫切。在此背景条件下，宝钢于2001年开始研制、生产T91高压锅炉管，通过不断试验攻关，目前已能稳定批量生产T91高压锅炉管，这对宝钢扩大新产品、增加新经济增长点，替代进口产品都具有非常好的社会和经济效益。2T91钢的转炉冶炼工艺2.1T91钢成分特性T91钢成分的具体特性为钢中氮含量的要求为高氮含量控制，通过铌、钒和碳氮化合物的析出强化作用，可以提高钢在600℃左右的蠕变断裂强度；为了提高其高温强度，在使用期间使钢中各碳化物能缓慢析出，必须将钒含量控制在0.25%以下，同时添加Nb能进一步提高其高温强度，使C以NbC的形式固定下来；钢中元素Mo是决定高Cr铁素体耐热钢高温蠕变断裂强度的重要合金元素，高含量的Mo可起到固溶强化作用和碳化物及金属间化合物(Fe2Mo)析出强化作用；钢中S和P的含量都要求低，为了改善此钢的纯净性和抗辐照脆化的要求，有研究表明，钢中的硫和硫化物是T91锅炉管持久塑性降低的主要原因，S在晶界上偏析，形成非连续的MnS质点，削弱了晶界，促使空洞形成，使延伸率下降；钢中[H]、[O]、[N]的含量如不能控制到合理的水平，则钢锭容易产生皮下气孔，甚至冒涨，因此也增加了冶炼控制的难度；钢中的铝含量必须控制在较低的水平，须选择适宜的脱氧方法,限制脱氧时加入的铝含量，因为脱氧后残留在钢中的铝含量相对较高时,它优先与氮结合,影响了起析出强化作用的(Nb,V)(C,N)的析出数量,是引第十四届全国炼钢学术会议文集143起持久强度降低的原因之一[1][2][3]。由于T91钢质量要求高，在成分控制上，要求低碳、低磷、低硫、低铝、及高铬、高氮，ASMESA-213标准所规定的T91钢化学成分见表1。表1T91钢化学成分（%）标准CSiMnPSCrMoVNbAlNASMESA－2130.08～0.120.20～0.500.30～0.60≤0.020≤0.0108.00～9.500.85～1.050.18～0.250.06～0.10≤0.0400.030～0.070T91钢特有的成分特性决定了其力学性能，为了获得最佳综合性能，宝钢结合自身的原料使用状况及冶金生产条件，保证在热处理时能够形成合适的亚显微组织，获得所需要的高温持久性能，制订了合理严格的内控成分范围标准，宝钢T91钢在625℃10万h的持久强度可达71.8MPa，完全满足ASMESA-213标准68.5MPa的要求。[4]2.2T91钢转炉冶炼特点攀钢集团成都无缝钢管有限责任公司于1991年首次研制生产出了T91钢，后来上海钢管厂、大冶钢厂、长城特殊钢公司也都进行过试制。由于此钢种成分要求的特殊性决定了其冶炼的复杂性，对于T91的冶炼工艺，一般是通过电炉冶炼—LF钢包炉－VD(VOD)－浇铸进行生产[5]，但由于此钢种冶炼难度很大，造成了国内生产的T91钢质量不稳定、材料收得率低、交货不及时、生产组织周期长、圆坯价格高等原因，国内钢厂很难形成稳定批量生产T91钢管的能力。宝钢自2001年开始采用300t转炉冶炼T91钢以来，解决了一系列转炉首创冶炼T91高压锅炉管的生产难点，在试验攻关过程中，合金总量高达10.5％，造成出钢过程温降大，要求转炉出钢温度高、钢包精炼炉升温幅度大，存在合金加入量大温度补偿难的难题；目标成品氮含量高达480ppm，钢水增氮难度很大，存在高氮成分控制的难题；合金加入量大，钢水量变化大，造成成分控制难度大，存在合金成分控制的难题；T91钢属于低碳钢，一方面需考虑大量合金带入的增碳量，另一方面需考虑钢包精炼炉长时间电极升温电极增碳及脱氧剂所造成的增碳，存在成分碳控制的难题；钢包炉通电时间长，冶炼出现异常后基本无钢种可改，必须保证各工序设备的稳定正常，存在耐材要求高、生产组织难的难题。我们主要通过掌握T91钢最佳转炉处理工艺路径、摸索出各工序的增氮规律、建立各工序合理的内控成分及温度标准、采用转炉大渣量低温脱磷工艺、采用LF炉深脱硫工艺及各工序适宜的脱氧方法等措施,克服了以上各难题，实现了稳定批量生产。宝钢转炉冶炼T91钢的基本工艺路径如图1所示，铁水预处理工序进行铁水脱硫，转炉工序进行脱磷、脱碳、升温及合金化，LF工序进行升温、脱氧、脱硫、合金化，RH工序进行脱氢、脱氧、增氮及合金化，LF/CAS工序为增氮及合金微调。铁水预处理LF转炉CAS/LFRH模铸图1T91钢冶炼基本工艺路径3T91钢转炉冶炼实绩3.1氮的控制氮对T91钢的高温性能起着至关重要的作用，因此钢液增氮工艺成为制造T91钢的关键工艺。T91钢含有较多铬、钼等与氮亲和力高的元素，有助于提高氮的溶解度。Chipman提出，在一个大气压下，氮在高合金钢中达到平衡的溶解度可用下式表示[6]。Nef75.0T328025.1T188N%lg第十四届全国炼钢学术会议文集144Cr%045.0Mn%023.0Mo%01.0Ni%01.0Si%047.0C%13.0fN式中[%N]e：平衡N浓度；T：钢液温度(k)；fN：活度系数热力学条件完全满足T91钢液增氮至300～700ppm的要求，但如此高的含氮钢种在宝钢转炉炼钢厂冶炼属首例，工艺控制上由于缺乏经验有相当的难度，因此如何在成本最优的基础上，对钢水进行稳定顺利地增氮成为T91钢种处理的关键工艺之一。通过充分摸索转炉吹炼的增氮规律，精炼各工序的增氮规律，RH精炼的脱氮规律及向钢液加氮化物合金的增氮规律，最终摸索出整套精确控制T91成品终点氮技术。T91成品氮含量平均为477ppm，标准偏差为45ppm,完全能精确稳定地控制成品氮含量。3.2多元合金成分的控制T91钢的冶炼难度较大，特别是其合金成分的控制，此钢种的合金总量高达10.5％，对300t转炉系统，合金加入总量超过40ton,合金加入量大，一方面造成钢水量变化大，另一方面合金控制的元素又多，钢中的碳含量又低，因此要稳定合理地控制T91钢中合金成分难度较大。通过研究各种合金元素在不同工序加入时的收得率，同时建立各工序合理的合金控制方案，各合金成分的控制水平如表2所示，各合金元素的实绩成品成分全部控制在内控标准成分范围内，而且经统计准偏差较小，这一方面说明了T91的炼钢成分控制技术稳定合理，另一方面也开拓了合金总量高达10％以上高合金钢的转炉冶炼模式。表2T91成品主要合金成分控制水平（单位：%）CSiMnCrMoVNb标准偏差0.00880.0130.0220.040.0020.0050.00343.3磷、硫的控制根据T91钢的成分特性，钢中P和S的含量都要求越低越好，对磷的控制主要采用了转炉大渣量低温脱磷工艺技术，对硫的控制主要采用了LF炉的深脱硫工艺技术，最终成品磷如图2所示，基本可以稳定控制在150ppm以下理想水平，最终成品硫如图3所示，基本可以控制在10ppm的低硫水平，而且从图中可看出成品[P]和[S]的变化趋势随处理工艺的不断完善稳步下降。0.0100.0110.0120.0130.0140.0150.0160.0170.0180.019010203040统计炉次成品成分[P](%)图2T91成品磷的分布情况图3T91成品硫的分布情况3.4总氧的控制T91钢脱氧后如果残留在钢中的铝含量较高,由于它优先与N结合,影响了起析出强化作用的(Nb,V)(C,N)析出数量,是T91持久强度降低的一个原因,因此对铝含量加以限制是非常必要的。要保证T91钢的性能,必须选择适宜的脱氧方法,限制脱氧时加入的铝含量，控制成分铝含量增加了T91钢脱氧的难度，0.00000.00050.00100.00150.00200.00250.00300.00350.00400510152025303540统计炉次成品成分[S](%)第十四届全国炼钢学术会议文集145宝钢T91钢成品的总氧分布情况如图4所示，可看出总氧水平从攻关初期的平均70ppm，稳定地下降到了批量生产的平均42ppm，实物质量控制达到了国际先进水平。为了保证T91钢的使用性能，要求最大限度地降低钢中氧含量和氧化物夹杂，攻关初期及批量生产后非金属夹杂物的控制情况如表3所示，可看出现在除了有部分B类夹杂外，其它夹杂已控制非常好。20304050607080900510152025303540统计炉次成品成分[O](ppm)图4成品氧分布情况表3非金属夹杂物的控制情况统计炉次A类B类C类D类攻关初期0.51.02.00.0批量生产0.01.00.00.0注：A类－硫化物类型；B类－氧化铝类型；C类－硅酸盐类型；D类－球状氧化物3.5批量生产情况高压锅炉管T91合金总量高达10.5％，成品[N]要求高达500ppm，同时对成品氧有特殊要求，是目前炼钢厂冶炼难度最高的钢种之一。经过近4年的不断工艺摸索和改进，实现了稳定批量生产，最高月产量达到16炉，历年宝钢T91钢的炼钢处理量如图5所示。T91钢炼钢生产过程正常稳定，实物质量完全达到用户要求的先进水平，市场形势看好，此钢种的稳定批量生产，充分体现了宝钢炼钢技术的进步及操作水平的提高。1431407801020304050607080生产炉数（炉）20012002200320042005图5T91历年生产炉数统计第十四届全国炼钢学术会议文集1464结语1)T91钢是高难度、高技术、高附加值的产品，宝钢摸索并掌握了T91高压锅炉管的氮含量控制、多元合金成分控制、炼钢过程温度控制、炼钢过程综合脱氧等工艺技术，形成了转炉系统冶炼T91钢的独特工艺技术。2)目前冶炼生产及工艺过程控制稳定，在ASMESA-213标准的基础上实现了宝钢内控成分标准，使实物质量控制达到了国际先进水平，同时实现了稳定批量生产，满足了国内市场的需要，产生了巨大的经济效益和社会效