2.25Cr-1Mo-0.25V加氢模拟环锻件钢的冶炼

薛永栋 晋帅勇 汪 勇 赵 越 郭 彪 贺 强 赵阳磊

(中信重工机械股份有限公司，河南471039)

作者简介：薛永栋，男，博士，工程师，从事大型铸锻件冶炼、锻造及热处理技术研究。

晋帅勇，男，硕士，助理工程师，从事大型铸锻件冶炼技术研究。

目前石油化工和煤化工发展迅猛，设备规模越来越趋向于大型化[1]，石化核心设备加氢反应器重量已经超越千吨级。此外，国内一大批板焊结构的加氢反应器正向锻焊结构升级改造，这为大型加氢反应器锻件制造业创造了难得的发展机遇。近年来，国内相关单位参考国际标准，在传统的2.25Cr-1Mo的基础上，添加了微合金化元素钒，成功开发出了改进型加钒铬钼钢2.25Cr-1Mo-0.25V，它大大提高了钢的强度以及抗腐蚀、抗氢脆、抗氢致剥离及抗回火脆性的能力[2]，可以在不增加厚度的前提下保证加氢反应器的各项性能。

中信重工高度重视石化加氢反应器制造领域，对2.25Cr-1Mo-0.25V加氢锻件的制造工艺技术进行研究，与相关单位联合制造加氢模拟环锻件。目前已经成功冶炼浇注了2.25Cr-1Mo-0.25V双超加氢模拟环锻件用195 t钢锭。

1 2.25Cr-1Mo-0.25V加氢模拟环锻件钢技术条件要求

1.1 化学成分

2.25Cr-1Mo-0.25V加氢模拟环锻件钢的化学成分要求见表1。

1.2 回火脆化敏感性系数

表1 2.25Cr-1Mo-0.25V加氢模拟环的化学成分要求(质量分数，%)Table 1 The chemical composition of 2.25Cr-1Mo-0.25V simulated hydrogenation ring (mass fraction，%)

注：H含量≤2×10-6，O含量熔炼分析≤30×10-6、产品分析≤20×10-6，N含量≤80×10-6。

J系数=(Si+Mn)(P+Sn)×104≤ 100

P+Sn ≤ 0.012

式中，Si、Mn、P、Sn为各元素含量(质量分数，%)。

2 冶炼技术难点

2.25Cr-1Mo-0.25V加氢模拟环是我公司目前生产的直径最大、壁厚最厚的加氢产品，同时也是公司首次生产的带钒加氢钢。根据加氢模拟环锻件的力学性能要求，确定主要合金元素的化学成分内控范围及目标值。

为达到回火脆化敏感性系数J不大于100及P+Sn不大于0.012的要求，控制有害杂质元素含量至关重要。

根据公司实际冶炼生产经验，分析该钢种的冶炼难点如下：

(1)控制钢中碳含量尽量接近上限。根据实践经验，要保证2.25Cr-1Mo-0.25V双超锻件性能合格，冶炼时碳含量至少为0.14%。由于采用两包合浇工艺，冶炼时间长，易使钢液增碳，碳含量不易精确控制。

(2)控制钢中硅含量不大于0.10%。采用铝粉和碳粉扩散脱氧，易使钢液增硅。

(3)控制易氧化元素Nb、B、Ti等微合金化元素达到内控范围，以满足加氢模拟环锻件性能要求。

(4)控制P、S、Sb、Sn、As等有害脆化元素至极低含量。

(5)加氢模拟环锻件对钢的洁净度要求严格。要使加氢锻件钢中氧含量达到20×10-6以下，硫含量达到0.004%以下(实际控制S≤0.002%)，必须对公司现有冶炼工艺进行优化。

3 冶炼工艺过程及控制措施

3.1 工艺路线

考虑加氢模拟环冶炼的难点及化学成分要求，采用双真空(VCD-VC)冶炼工艺，同时优化精炼工艺。具体工艺过程为：EBT初炼→LF精炼→VCD→VC(两包合浇)，即采用两炉EBT电炉初炼钢水无渣出钢，然后分别转至LF精炼及真空处理，最后进行两包氩气保护真空浇注。

3.2 冶炼工艺控制措施

3.2.1 精选原材料

加氢锻件对易产生回火脆化的P、S、Cu、Sb、Sn、As含量要求严格，并且Cu、Sb、Sn、As等元素在冶炼过程中基本无法去除。为保证残余有害元素控制在尽可能低的范围，采用含P、S、Cu、Sb、Sn、As等有害元素低的高级专用废钢、生铁及专用铁合金，确保炉料熔清后钢中Cu、Sb、Sn、As含量满足技术条件要求。

3.2.2 EBT初炼钢水

钢水初炼阶段的主要任务是脱磷，同时去除夹杂物及气体。EBT电炉初炼时，炉底加大石灰配入量，以利于增加熔化初期渣的碱度及渣量。在温度较低时提前造高碱度炉渣，充分发挥脱磷的作用。通过多次换渣操作，将磷脱到0.001%以下。合理布料，以利于炉料快速熔化。保证合适的配碳量，采用吹氧操作促进C-O反应，以利于去除气体及促进夹杂物上浮。EBT出钢时严禁氧化渣进入钢包。

3.2.3 LF精炼及真空处理

LF精炼主要是脱氧、脱硫、调整合金成分及去除夹杂物，通过真空处理脱除气体。具体措施为EBT出钢时加入适量铝块以快速预脱氧及造铝渣，分批加入渣料。优化加氢钢脱氧制度，采用碳粉、铝粉进行扩散脱氧，造高铝渣深度脱硫，每间隔一定时间加入扩散脱氧剂。精确控制合金加入量，使主要合金元素成分达到目标值。真空处理时保证工作压力低于60 Pa，有效时间不少于15 min，根据液面翻腾情况调整氩气流量。易氧化的Ti和B在真空处理返回LF后调整。返回LF微调合金后，成分温度合适时，出钢前静置5 min，保证夹杂物充分上浮，两炉精炼钢水同时出钢，做好合浇准备。两包钢水各个时期化学成分变化如图1和图2所示。

图1 第一包钢水初炼和精炼化学成分变化Figure 1 The chemical composition variation of 1st ladle molten steel during initial smelting and refining

图2 第二包钢水各阶段化学成分变化Figure 2 The chemical composition variation of of 2nd ladle molten steel during various stages

3.2.4 真空浇注

第一包精炼钢水倒包结束，第二包精炼钢水迅速做好倒包准备。采用氩气保护及吹氩真空浇注，避免钢水氧化，促使钢流扩散，增大钢液与真空的接触面积，使扩散钢流中的氧进一步和碳发生反应生成CO气泡。CO气泡在高真空状态下迅速膨胀爆裂，带动钢流雾化，钢流滴落后夹杂物浮在钢水表面，能够有效降低钢中夹杂物含量及气体含量，最终可以将钢中氧含量降到20×10-6以下，氢含量降到2×10-6以下，达到较高的洁净度。

4 研制结果

模拟环采用195 t钢锭两包合浇而成，钢锭表皮外观良好，钢锭化学成分达到技术条件要求，模拟环锻件毛坯超声检测合格，化学成分熔炼分析及成品分析结果见表2。

表2 化学成分熔炼分析及成品分析结果(质量分数，%)Table 2 The chemical composition of heat analysis and product analysis (mass fraction，%)

注：H含量熔炼分析和成品分析结果分别为1.5×10-6和0.8×10-6；O含量熔炼分析和成品分析结果为16×10-6；N含量熔炼分析和成品分析结果分别为79×10-6和75×10-6；J系数熔炼分析和成品分析结果分别为0.004 5%和0.004 6%。

从图1、图2及表2可以看出，模拟环熔炼分析各炉次、两炉加权平均值及锻件成品化学成分分析结果均满足技术条件要求。加氢模拟环锻件中氢含量达到0.8×10-6，氧含量低至16×10-6，J系数低至28.9，P+Sn为0.004 6%，取得较好的效果。冶炼的2.25Cr-1Mo-0.25V加氢模拟环锻件达到了洁净钢的要求。

5 结论

2.25Cr-1Mo-0.25V双超加氢模拟环的冶炼与公司以往生产的加氢锻件相比采用了新的冶炼工艺，冶炼技术指标均有较大提高。冶炼浇注的钢水和钢锭化学成分及各项检验指标均达到技术条件要求。该工艺能有效减少钢中的氧含量，降低非金属夹杂物含量，大大提高锻件成品的洁净度，证明冶炼双超加氢锻件钢采用的工艺路线合理，为公司进军大型石化加氢锻件制造领域奠定了坚实的基础。

[1] 聂颖新. 加氢反应器等大型石化容器制造的发展现状. 压力容器， 2010，27(8): 33-39.

[2] 陈崇刚， 黎国磊. 我国2 1/4Cr-1Mo-1/4V抗氢钢的开发. 石油化工设备技术， 2002，23(5): 38-42.