马氏体钢12Cr5Mo的开发生产

于洪波，朱卫东

（山东寿光巨能特钢有限公司，山东 寿光262711）

1 前言

12Cr5Mo合金钢属于铬钼钒钢，主要用于石油裂化用无缝钢管，也是用于管壁温度≤650℃的高压锅炉过热器管、集箱和蒸汽管道的主要钢种。这些部件除要求高温强度和抗高温氧化腐蚀外，根据用途不同还要求有足够的韧性、良好的可加工性和焊接性以及一定的组织稳定性。山东寿光巨能特钢有限公司根据市场需求，组织了马氏体钢12Cr5Mo的研制和开发。通过分析钢种对连铸及轧制工艺的影响，设计了钢的化学成分内控要求及工艺控制要点。开发生产的12Cr5Mo圆钢产品外观尺寸、低倍和高倍组织等均完全满足标准要求。

2 钢种对生产工艺的影响

2.1 钢种对连铸工艺的影响

12Cr5Mo属于包晶钢，易产生裂纹。根据包晶相的生长机制可知，Fe-C合金包晶相（γ）的生长分为3个阶段：包晶反应阶段（L+δ→γ）、包晶转变阶段（δ→γ）和直接凝固阶段（L→γ）。包晶反应和直接凝固阶段因有液相的参与，液态金属的流动弥补了凝固前沿的收缩，此两个阶段不会导致铸坯裂纹的产生。而包晶转变阶段，是由晶体结构为体心立方的δ相转变为晶体结构为面心立方的γ相，因其晶格致密度的增加，将发生较大的体积收缩。该收缩是在固相组织中发生，收缩得不到液相的补充，当此收缩引起的实际变形量超过了材料允许变形时，就易萌生裂纹。所以Fe-C包晶相变的包晶转变阶段（δ→γ）是导致包晶钢铸坯裂纹的主要原因。该包晶转变引起的收缩贯穿于合金凝固的整个过程中：准液相区、可补缩区、不可补缩区和晶间搭桥区4个阶段。在不可补缩区，包晶相变的3个阶段引起的收缩均得不到补偿，其收缩最为剧烈，容易导致铸坯裂纹；尤其是在零塑性温度（ZDT）附近，钢自身的高温性能差，Fe-C合金包晶相变引起的收缩使得铸坯极易产生裂纹［1］。所以12Cr5Mo钢对连铸的冷却工艺、比水量、拉矫参数等都提出了更高的要求。

2.2 钢种对轧制工艺的影响

12Cr5Mo含Cr较高，较多的合金元素的加入，破坏了钢的原子排列规律性，使热传导困难，因而高铬钢的导热性差。为了避免热应力裂纹的产生，铸坯在加热炉加热时应缓慢升温，并应有足够的保温均热时间。铬钢的变形抗力随合金化程度而提高。高铬钢在加工时，每次变形量要小。锻、轧后要缓冷，以免产生白点［2］。

2.3 钢种成分设计

根据GB/T 9948—2013标准要求确定具体成分，同时结合钢种对连铸及轧制工艺影响分析，采取窄成分控制，制定内控成分要求，加严了对有害元素P、S的要求，适当控制酸溶铝范围。

3 生产过程控制

12Cr5Mo钢采用如下生产工艺流程进行开发生产：顶底复吹转炉→LF炉外精炼→真空脱气→连铸→热装→双蓄热步进梁式加热炉→水除鳞→轧机产材→剪切→入坑缓冷→检查→收集。

3.1 控制要求

1）转炉工艺终点控制：C≤0.06%，P≤0.010%，温度≥1 650℃；出钢先用钢芯铝预脱氧，再加入铁合金以保证铁合金的收得率。

2）精炼炉浇次第一炉出钢温度控制在1 680～1 700℃，连浇炉次出钢温度降低20℃，控制在 1 660～1 680℃；VD炉真空度≤67 Pa，保持时间＞20 min，软吹氩＞15 min。

3）连铸过程加强氩气保护；钢水过热度控制在15～30℃；二冷水采用水和气水雾化冷却，比水量0.18 L/kg；圆钢采用多点矫直，矫直力由300～400 kN逐步升高。

4）加热控制：由于此钢种相对一般合金钢含有更高的合金成分，对温度的敏感程度更高，需要控制钢在加热炉内的升温速度。生产采取热送工艺，热送温度控制在550～700℃。为避免升温速度过快，铸坯在炉加热时间均＞10 h，均衡出钢节奏。生产期间严控预热段温度，缓慢加热。预热段温度≤900℃，加热段1 200～1 240℃，均热段控制在1 200～1 240℃。

5）轧制：根据此钢种相对高温塑性差的特性，整个轧制环节均采用较小的变形制度进行轧制，避免因拉应力过大造成中间坯角部拉裂。初轧采用17道次，总延伸率3.045。连轧采用6道次出成品轧件，总延伸率2.442。

3.2 控制要点

1）12Cr5Mo钢在凝固过程中会发生包晶反应，并且伴随这一转变还出现较大的体积变化和线收缩，所以此钢种容易发生结晶器漏钢事故和连铸坯表面质量缺陷，是连铸较难浇注的钢种。由于初生凝固坯壳生长不均匀，在冷却水量控制方面要求进行弱冷。本次开发生产结合钢种特性、拉速、断面等确定了适合的冷却方式和最佳比水量等工艺参数以增强坯壳的变形能力。另外此钢种合金含量较高，使铸坯的临界应变降低，同时改变脆性区间温度范围，钢的裂纹敏感性增强，所以拉矫力也要适当控制，不易过大。

2）控制钢中有害元素含量。钢在高温回火（450～650℃）过程中，钢中杂质元素S、P等易偏聚于晶界，形成网状或片状化合物，降低晶界强度。为了尽量降低钢的回火脆性，控制P、S含量在0.020%以下。

3）控制轧制，细化晶粒。严格控制轧制温度，通过轧制细化晶粒。12Cr5Mo钢轧制主要采用“未再结晶区轧制”中的γ未再结晶区（950℃～Ar3）轧制。当轧制温度降低到950℃以下时，γ相的再结晶被抑制。此时，随着压下量的增加，γ晶粒伸长，并在晶粒内产生大量的形变带。γ/α相变时，在γ晶界和形变带上都产生α核，使α的形核点增多，起到细化晶粒的作用［3］。

4 产品实物质量分析

1）化学成分。12Cr5Mo钢标准要求成分、内控成分及实际生产中材料的化学成分控制情况见表1，钢的化学成分满足标准（GB/T 9948—2013）及内控成分要求。

表1 12Cr5Mo钢化学成分 %

2）表面质量。轧材表面未出现孔型设计产生的缺陷，只产生了少量的轻微划伤，经过修磨处理后合格，证明孔型设计合理。

3）低倍和夹杂物级别。12Cr5Mo钢低倍组织形貌见图1，低倍评级：一般疏松0级，中心疏松1级，偏析0级，满足YB/T 5137—2007标准要求。夹杂物平均级别见表2。

图1 12Cr5Mo钢Φ220 mm规格低倍组织形貌

表2 12Cr5Mo钢夹杂物实际控制情况 级

5 结语

通过对连铸过热度、二冷水冷却方式、比水量、矫直机的矫直力参数以及轧制过程中坯料的慢速升温、长时间保温、小压下量轧制等工艺的优化，同时匹配好连铸和轧制节奏，保证坯料按制定的工艺温度范围入炉，共进行了两个浇次的试生产，生产12Cr5Mo棒材约600 t。除少量划伤外，棒材无其他表面质量缺陷，化学成分稳定在内控要求范围，低倍级别均≤1.0级，非金属夹杂物≤1.0级，满足YB/T 5137—2007标准的要求。