3tC422电渣锭轧制实践与质量控制

2018-04-25供稿肖洋XIAOYang

金属世界 2018年1期

供稿|肖洋 / XIAO Yang

内容导读

通过对C422钢种特性研究，制定相应的加热、轧制以及热处理工艺，确认800半连轧生产线具备3 t C422 电渣锭轧制生产的可行性，阐述了汽轮机叶片钢C422采用3t电渣锭轧制的工艺开发过程。从而实现了以轧代锻，不仅可以提高生产效能，降低制造成本，而且产品表面质量得到了改善，各项性能指标良好。

C422钢作为美国材料标准(ASTM)中高温叶片的代表钢种之一，是当今广泛应用的超临界汽轮机组高温叶片材料，因其工作条件复杂、工作环境恶劣，质量要求相应较高。20世纪90年代之前，汽轮机叶片钢一直是本钢特钢厂的拳头产品，如：1Cr13、2Cr13、1Cr12Mo、2Cr12NiMo1W1V(C422)、1Cr11MoV、17-4PH等。但是2000年以后，随着汽轮机行业的萧条，叶片钢合同量也随之减少。而特钢厂轧制生产线也开始设备转型，由锻造开坯多火成材的高能耗高成本多产线，改制成800半连轧线机组。800产线改造的完成为低成本低能耗生产高附加值叶片钢的轧制开坯奠定了基础。本钢特钢厂采用800半连轧线机组成功试生产汽轮机叶片钢C422，为产品结构调整，降低制造成本，挖掘企业新的利润增长点，增强企业生存能力创造条件。

生产工艺

生产工艺流程

电极棒冶炼→电渣重熔成3 t电渣圆锭→钢锭退火→均热炉加热→800初轧机轧制开坯→缓冷→钢坯退火→钢坯表面清理→加热炉加热(二火成材)→轧制→缓冷→轧材退火→矫直→磨光→包装。

冶炼工艺

C422为马氏体型不锈钢，合金含量高、裂纹敏感性大，对非金属夹杂物、δ-铁素体含量都有严格要求，冶炼过程中加强氧化操作，严格控制出钢碳含量，禁止钢水过氧化。δ-铁素体是一种富钨、钼、铬和钒，且贫锰相，在室温下有磁性，脆而硬，其能增加钢的缺口敏感性，显著地降低钢的冲击韧性，降低基体抗腐蚀性，并消弱固溶强化的效果。因此将δ-铁素体形成元素按照成分下限冶炼，锰和镍按照上限控制，以抑制δ-铁素体析出，从而获得完全的马氏体组织以及良好的综合力学性能。表1为C422的化学成分控制。

加热工艺

制定加热工艺时，既要考虑钢锭的导热性能和过热敏感温度区，又要满足轧制的必要条件。C422钢在热加工中可能会由于加热温度过高而出现高温δ-铁素体，以及热加工后冷却过程中可能出现开裂等现象。因此，加热温度不能过高以防止出现高温δ-铁素体，通过低温进炉，缓慢加热的办法来克服和解决钢锭在加热过程中的加热应力和转变应力产生的缺陷，采用比锻造温度略高的均热温度来满足轧制条件。

表1 C422化学成分(质量分数)%

3 t电渣锭采用换热式均热炉加热，炉内提前备温，炉温控制在400℃左右，使电渣锭实际温度与炉内温度一致后按加热工艺执行。由于钢锭在炉内是斜靠炉墙，通过盖与墙的辐射受热，会出现钢锭受热不均，可能导致钢锭加热时不均匀延伸，而在钢锭热辐射阴面产生纵向拉应力，因此，在高温段增加电渣锭翻面均热操作。

严格控制低温加热速度，保证钢锭缓慢升温，预热温度850±20℃，加热最高温度1220±20℃，高温段保温2～3h保证透烧，透烧后立即组织出炉，严禁在高温区停留时间过长。加热工艺曲线如图1所示。

图1 加热工艺

开坯工艺

C422钢属于马氏体不锈钢，具有合金含量高、变形抗力大、导热系数小、冷热裂纹敏感性大的特点。应用户要求，同时考虑到初轧生产效率，以3 t C422电渣锭为原料二火成材生产。在轧制过程中关掉高压水除鳞，以及全部冷却水，防止冷却水造成轧坯边角部降温快而出现黑钢及角裂。考虑C422钢锭的高温变形抗力大、塑性区间窄等因素，采用小压下量、多道次的轧制方法进行轧制，压下量≤25mm，编制初轧机压下规程，校验确认800初轧机具备3 t C422钢锭的生产能力。轧制孔型采用800初轧机的通用开坯孔型240×240方坯。

轧制能力校核

改造后的800产线是由φ800mm初轧开坯机和平立交替连轧生产线组成的半连轧机组，其中保留了原有的φ650 mm四架轧机。因C422钢高温强度大，加工难度大，在轧制过程中，为防止温降过快，关掉所有的冷却水，加快轧制速度，以保证成品表面质量，同时注意控制轧制压下量，防止变形抗力过大造成轧辊断裂事故。

根据热轧压力计算公式，计算C422钢平均轧制压力，选取φ650mm四架轧机中变形量最大的H4作为校核对象，轧制温度取1000℃。C422中C质量分数0.20%～0.25%，取0.22%，Mn质量分数 0.50%～1.00%，取0.80%；Cr质量分数11.00%～12.50%，取11.50%，则静载时的变形抗力为118.6 MPa，黏性系数η=0.5 N·s/mm2。通过计算平均压下量、轧辊轧槽半径、轧辊转数以及轧制速度等数据，可以得出单位轧制压力为158.3 MPa，则轧制压力为P=5401 kN。

对轧辊强度和机架强度进行校核，从而判断轧机能力是否能够满足大变形抗力钢种的生产要求。根据轧制压力对轧制力矩、附加摩擦力矩以及空转力矩进行计算的结果“老四架”650轧机电机功率，能够达到轧制力要求。同理，对连轧480轧机与576轧机进行轧制能力校核，各电机功率均能达到轧制力要求的功率，因此C422满足试生产条件。

热处理工艺

为了防止中间坯以及成品因应力开裂，将中间坯入缓冷坑进行缓慢冷却，以充分消除轧制过程的变形应力。C422冷却组织为马氏体，其组织转变开裂倾向比较严重，因此缓冷后钢材应及时进行高温回火或退火处理，以去除组织应力，防止产生裂纹。

C422属于马氏体不锈钢，能在空气中淬硬，其退火制度如果选择不当，便会产生裂纹。初轧开坯得到的中间坯，下一道工序需要再次加热，退火的目的是消除加工变形应力和组织转变应力所产生的缺陷。成品缓冷后，为去除内应力，便于后续的表面机械加工处理，以及达到用户需要的硬度值，还需经退火处理来降低硬度。

由于C422中合金成分Cr含量超出5%，采用适合不锈钢临界点的公式计算Ac3和Ac1温度。根据GB/T8732—2004 “汽轮机叶片用钢”标准化学成分(见表1)，计算得出临界点Ac3约为820℃，Ac1约为770℃。采用完全的退火方式，退火温度860±10℃。退火工艺曲线为图2所示。

图2 退火工艺

产品质量

化学成分

为保证高温叶片材料的使用寿命，采用电渣重熔冶炼C422，以得到纯净度更高，成分以及组织均匀，结构致密，成品硫含量控制在0.001%左右，磷含量控制在0.01%左右，有害残余元素铜控制在0.03%以下，达到了进口C422钢材控制水平，同时，为减少δ-铁素体含量，将其形成元素按照下限控制冶炼。化学成分满足表1内控要求。

非金属夹杂物

对于汽轮机叶片钢的生产和使用，非金属夹杂物是评价其质量高低的一个重要指标，影响其抗腐蚀性。有效的控制钢中夹杂物等级，提高电渣锭质量，对开发高附加值产品起到重大作用。C422夹杂物主要是硫化物和氧化物，硫化物以MnS为主，氧化物以Al2O3为主，控制钢种的硫和氧含量是控制C422夹杂物的有效途径。电渣重熔冶炼的C422非金属夹杂物检验结果见表2。

表2 非金属夹杂物检验结果

δ- 铁素体

由于汽轮机叶片是汽轮机的核心部件，因此汽轮机叶片用钢的技术要求很高，不仅要求冶炼钢的纯净度高，钢中各类夹杂物含量控制在比较低的水平，还要求钢材最终的组织得到比较精确的控制，严格控制组织中的δ-铁素体含量，以保证叶片制造后能够满足技术要求。C422钢轧制成品显微组织中δ-铁素体含量最严重视场不超过8%(标准10%)，一般能控制在5%左右。图3为显微组织中δ-铁素体最严重视场形貌情况。