本發(fā)明屬于冶金，具體涉及一種特大規(guī)格高溫服役環(huán)境用高壓鍋爐管鋼連鑄圓坯及其制造方法。

背景技術(shù)：

1、經(jīng)過多年的發(fā)展，無縫鋼管的產(chǎn)量越來越高，gb/t5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》對高壓鍋爐管材料的化學(xué)成分、性能、熱處理制度等有嚴(yán)格的要求，近年來我國低效鍋爐逐步淘汰，高效鍋爐用管需求提升，而高效燃煤鍋爐對高壓鍋爐管的性能提出了更高的要求，管的壁厚成倍增大，大口徑厚壁高壓鍋爐管需求量急劇增加。

2、原先生產(chǎn)大口徑厚壁無縫鋼管一般采用模鑄鋼錠作為壞料，模鑄鋼錠存在潔凈度差、成分均勻性差和成材率低等缺點；隨著連鑄工藝技術(shù)的發(fā)展，連鑄圓壞規(guī)格的增大，現(xiàn)已有采用直徑φ800mm及以上規(guī)格連鑄圓壞作為大口徑厚壁無縫鋼管的壞料。但隨著連鑄規(guī)格的增大，其截面的各元素的偏析情況更加嚴(yán)重，且低倍質(zhì)量和鋼材純凈度控制難度提升巨大。因此生產(chǎn)φ800mm-φ1000mm圓大規(guī)格高壓鍋爐管需要嚴(yán)格控制冶煉全流程和工藝參數(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種大規(guī)格高溫服役環(huán)境用高壓鍋爐管用鋼連鑄圓坯及其制造方法，涉及一種最佳的連鑄工藝設(shè)計生產(chǎn)規(guī)格φ800mm-φ1000mm的低合金鋼連鑄圓坯，利用kr鐵水預(yù)處理、bof轉(zhuǎn)爐、lf鋼包精煉爐、rh真空循環(huán)脫氣、ccm連鑄(圓坯)的先進、高效、低耗的綠色連鑄技術(shù)替代傳統(tǒng)、低效、高耗能的模鑄技術(shù)，通過合理的成分設(shè)計和優(yōu)化控制冶煉全流程和工藝參數(shù)以確保材料的潔凈度和成分的均勻性，保證鋼材在500～550℃高溫狀態(tài)下仍保持較高的熱強性和組織的穩(wěn)定性。

2、本發(fā)明要求的技術(shù)指標(biāo)如下：

3、(一)鋼中非金屬夾雜物的存在會破壞金屬基體的連續(xù)性，使鋼的品種變差，并導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而降低了鋼的塑形、韌性和抗疲勞性能。如鋼中硫和硫化物，對鋼結(jié)構(gòu)有著嚴(yán)重危害，鋼中的另一種危害是降低了鋼的塑性、韌性、和抗疲勞性能，如果鋼中硫化物超過一定水平，在冶煉和連鑄過程會造成坯料裂紋。鋼中氧元素與al、si、cr等元素反應(yīng)生成氧化物，鋼中氧化物和硅酸鹽的存在，破壞了鋼基體的連續(xù)性并導(dǎo)致了應(yīng)力集中，從而降低鋼的塑性、韌性和抗疲勞性能。

4、本發(fā)明方法獲得的連鑄圓坯中夾雜物細小，其合格級別滿足：a細系≤1.0級、a粗系≤0.5級、b細系≤1.5級、b粗系≤10級、c細系≤1.5級、c粗系≤1.5級、d細系≤1.5級、d粗系≤1.5級、ds≤2.0級。而宏觀夾雜物顯著降低了鋼的耐磨性、造成嚴(yán)重的應(yīng)力集中且易成為腐蝕的起始點，造成高壓鍋爐管的失效。本發(fā)明鋼的缺陷按gb/t10561a法(鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法)。

5、?(二)連鑄圓坯低倍組織的均勻性和致密度對高壓鍋爐管的成型和使用壽命有重要影響，低倍組織采用yb/t?153對連鑄圓坯低倍組織評級，本發(fā)明鋼連鑄圓坯中心疏松≤1.5級、縮孔≤1.0級、中心裂紋≤1.5級。

6、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種高溫服役環(huán)境用高壓鍋爐管用鋼連鑄圓坯，其化學(xué)成分按質(zhì)量百分比計：c≤0.20%，si0.20～0.40%，mn0.40～0.60%，p≤0.015%，s≤0.005%，cr0.95～1.25%，mo0.25～0.35%，v0.15～0.20%，ni≤0.30%，cu≤0.20%，n≤0.0070%，al≤0.020%，h≤0.0003%，o≤0.0020%，余量為fe及其他不可避免的雜質(zhì)元素，連鑄圓坯直徑φ800mm-φ1000mm。本發(fā)明的高溫服役環(huán)境用高壓鍋爐管用鋼連鑄圓坯的化學(xué)成分設(shè)計依據(jù)如下：

7、1)c含量的確定

8、含碳量越高，鋼的硬度就越高，但是它的可塑性和韌性就越差，當(dāng)碳含量超過0.23%時，鋼的焊接性能變壞，因此為保證材料良好的焊接性能和加工性能，含碳量一般不超過0.20%，碳含量高還會降低鋼的耐大氣腐蝕能力，此外，碳能增加鋼的冷脆性和時效敏感性。本發(fā)明c含量的范圍確定為≤0.20%，優(yōu)選0.1～0.2%；

9、2)si含量的確定

10、si是煉鋼過程中良好的脫氧劑，鋼中加入si，可以強化鐵素體，提高強度、彈性極限和淬透性，并且可以增強鋼液的流動性，在連鑄生產(chǎn)模式中起到有益的作用。但是，高si使鋼中的可塑性和韌性下降。因此本發(fā)明si含量的范圍確定為0.20～0.40%；

11、3)mn含量的確定

12、mn作為煉鋼過程的脫氧元素，是對鋼的強化有效的元素，起固溶強化作用，能提高鋼的強度，消弱和消除硫的不良影響，并能提高鋼的淬透性，但是過高會影響鋼材的焊接性能，因此本發(fā)明mn含量的范圍確定為0.40～0.60%；

13、4)p含量的確定

14、p元素在鋼的凝固時引起元素偏析，其溶于鐵素體使晶粒扭曲、粗大，且增加冷脆性，使焊接性能變壞，降低塑性，使冷彎性能變壞。本發(fā)明p含量的范圍確定為≤0.015%；

15、5)s含量的確定

16、s元素易使鋼產(chǎn)生熱脆性，降低鋼的延展性和韌性，形成的硫化物還破壞了鋼的連續(xù)性，因此確定≤0.005%；

17、6)mo含量的確定

18、mo元素具有良好的細化晶粒作用?？梢越档弯摰倪^熱傾向性，提高高溫蠕變強度、抗腐蝕能力，本發(fā)明mo含量確定為0.25～0.35%；

19、v元素能細化鋼的晶粒組織，提高鋼的強度、韌性和耐磨性，提高熱穩(wěn)定性。其沖擊性能和疲勞強度都會提高，本發(fā)明v含量的范圍確定為0.15～0.20%；

20、7)cr含量的確定

21、cr是碳化物形成元素，能夠提高鋼的淬透性、高溫抗氧化性和耐腐蝕性能，但cr含量過高，與鋼中的碳結(jié)合，容易形成大塊碳化物，這種難溶碳化物使鋼的韌性降低，致使高壓鍋爐管壽命下降，本發(fā)明cr含量的范圍確定為0.95～1.25%；

22、ni元素能提高鋼的強度和韌性，提高淬透性.含量高時，可顯著改變鋼和合金的一些物理性能，提高鋼的抗腐蝕能力，本發(fā)明ni含量確定為≤0.30%；

23、8)cu含量的確定

24、cu元素能提高鋼中奧氏體的穩(wěn)定性，所以可提高可淬性和淬透性，但含cu量較高時將導(dǎo)致鋼具熱脆性，而使熱鍛軋加工困難，本發(fā)明cu含量確定為≤0.20%；

25、9)al含量的確定

26、ai在高溫下會加速促進材料組織石墨化，不利于材料的組織穩(wěn)定性，且al含量過多時，鋼水熔煉過程中易形成大顆粒al2o3等脆性夾雜，降低鋼水純凈度，影響成品的使用壽命。本發(fā)明ai含量的范圍確定為≤0.020%；

27、10)o、n、h含量的確定

28、氣體元素氧、氮、氫在鋼種均為有害元素，氧在鋼種會形成氧化物夾雜，對鋼的強度、塑性、疲勞強度都有較大影響；氮在鐵素體中溶解能力差，高溫環(huán)境下降低鋼的塑性；氫會引起氫脆、白點缺陷，本發(fā)明n含量的范圍確定為n≤0.0070%，h≤0.0003%，o≤0.0020%。

29、本技術(shù)的另一目的是提供一種大規(guī)格高溫服役環(huán)境用高壓鍋爐管用鋼連鑄圓坯的制造方法，采用連鑄圓坯代替模鑄的方式冶煉坯料，制造流程為：kr鐵水預(yù)處理、bof轉(zhuǎn)爐、lf鋼包精煉爐、rh真空循環(huán)脫氣、ccm連鑄(圓坯)、緩冷、精整、入庫。

30、首先，將冶煉原料依次經(jīng)kr鐵水預(yù)處理、bof轉(zhuǎn)爐初煉、lf鋼包精煉、rh真空脫氣得到高純凈、化學(xué)成分符合規(guī)定的鋼水，冶煉過程中，應(yīng)冶煉符合標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分的鋼水，降低鋼中有害元素含量，使用高爐鐵水，通過鐵水預(yù)處理裝置進行脫s，要求s≤0.01%，同時嚴(yán)格控制廢鋼質(zhì)量以及加入量、合金及輔料的質(zhì)量，進一步降低鋼中有害元素的含量，保證as≤0.015%、sn≤0.010%、pb≤0.010%、sb≤0.005%、bi≤0.010%。轉(zhuǎn)爐冶煉過程中嚴(yán)格控制出鋼溫度1620℃～1680℃，并采用擋渣出鋼防止轉(zhuǎn)爐出鋼下渣，同時做好合金化處理，出鋼過程加al預(yù)脫氧。

31、lf精煉過程中要加強脫氧，鋁的含量不做調(diào)整，避免形成大顆粒氧化鋁夾雜，利用鋼水中的良好的動力學(xué)條件，進行集中提前脫氧發(fā)揮lf爐冶煉去氧去夾雜物的優(yōu)勢。rh真空脫氣全過程氬氣攪拌，高真空下(133pa)脫氣時間15-30min，破空后在線定氫，控制[h]≤1.2ppm，真空脫氣后經(jīng)長時間的軟吹氬處理，軟吹時間≥15min，保證非金屬夾雜物充分上浮。

32、ccm連鑄（圓坯）是將鋼水澆注成規(guī)格為φ800mm～φ1000mm連鑄圓坯。選擇專用保護渣充分吸附夾雜物；采用連鑄過程全氬封的保護措施，防止鋼水二次氧化；二冷區(qū)采用分段冷卻方式進行冷卻：二冷區(qū)按鑄坯凝固過程中不同時間所需冷卻能力的大小分段對圓坯進行冷卻，分為三段進行霧化冷卻，比水量為0.2l/kg。一段冷卻最強，圓坯經(jīng)過二冷水一段整個過程，凝固坯殼厚度能從20%r增加到約50%r，r為鑄坯半徑，確保表面坯殼強度足夠承載心部鋼水及拉矯機施加的拉力，防止漏鋼；二段冷卻強度減半，直至凝固坯殼厚度能達到70%r；三段采用空冷，在凝固坯殼足夠厚時，降低冷卻強度，使鑄坯表面有個回溫過程，防止鑄坯進入矯直輥時溫度過低而產(chǎn)生表面的矯直裂紋。創(chuàng)新采用多段電磁攪拌技術(shù)，安裝于結(jié)晶器內(nèi)的電磁攪拌(m-ems)、鑄流電磁攪拌(s-ems)和凝固末端電磁攪拌(f-ems)調(diào)整控制電磁攪拌參數(shù)可以改善鑄坯等軸晶帶，擴大和細化等軸晶帶可以增加鑄坯抗裂性、消除中心縮孔、減輕中心疏松和中心偏析，電磁攪拌可通過流動的鋼液對樹枝晶前端折斷和溶蝕作用而造成大量晶枝碎片供作晶核，同時加大液芯傳熱使過熱度迅速降低，加上強力流動加速傳質(zhì)，使凝固前沿擴散邊界層減薄而濃度梯度增大，所以電磁攪拌改善鑄坯組織的有效措施。電磁攪拌參數(shù)如下：m-ems＝攪拌頻率為1.0-10.0hz/攪拌電流100-600a、s-ems=攪拌頻率1.0-10.0hz/攪拌電流50-500a、f-ems=攪拌頻率1.0-10.0hz/攪拌電流100-600a，使鋼水邊凝固邊攪拌，在提高鋼的純凈度的同時，增加細小致密的等軸晶，減少粗大疏松的柱狀晶；

33、連鑄采用低過熱度澆注，連鑄過熱度控制在10-40℃；采用輕壓下技術(shù)，主要是在鑄坯凝固末期，用夾輥對連鑄坯的凝固末端進行微量壓下，用以彌補鑄坯凝固過程中的體積收縮，促進枝晶脫落和重熔，增加等軸晶比例，減少中心疏松和縮孔，從而達到提高連鑄坯中心質(zhì)量的效果。工藝參數(shù)如下：輕壓下在中心固相率fs<4.0范圍內(nèi)進行，單輥壓下量<10mm，總壓下量<100mm增加低倍組織致密度。

34、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：