劉自立，張漢謙，劉春明

(1.東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110004;2.寶山鋼鐵股份有限公司，上海 201900)

0 引言

加氫反應(yīng)器是加氫裝置中的關(guān)鍵設(shè)備，承受高溫(400～500℃)、高壓(10～20 MPa)、臨氫作用［1］。如此苛刻的服役環(huán)境，對(duì)用來(lái)制造臨氫設(shè)備的鋼種性能提出了很高的要求。其材料必須滿足耐高溫、抗蠕變、抗氫脆化、抗回火脆性等特點(diǎn)［2］。此外，企業(yè)要求裝置的操作周期不斷加長(zhǎng)，對(duì)設(shè)備可靠性、安全性提出了越來(lái)越嚴(yán)格的要求［3］。通常臨氫設(shè)備都采用抗高溫蠕變、抗氫腐蝕能力較強(qiáng)的鉻鉬鋼，12Cr2Mo1R正是臨氫設(shè)備設(shè)計(jì)、制造常用的典型鋼種之一。為提高12Cr2Mo1R厚板的性能，國(guó)內(nèi)寶鋼、舞陽(yáng)、漢冶特鋼、濟(jì)南鋼鐵等鋼鐵企業(yè)都對(duì)12Cr2Mo1R產(chǎn)品開(kāi)發(fā)作了大量的研究工作［4－10］。

由于臨氫設(shè)備特殊的服役條件，用戶對(duì)臨氫設(shè)備用12Cr2Mo1R厚板的探傷要求較高，通常要求按 JB/T 4730.3—2005［11］Ⅰ級(jí)合格。在企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，偶有個(gè)別鋼板局部探傷不能滿足JB/T 4730.3—2005Ⅰ 級(jí) 要 求。 文 中 結(jié) 合12Cr2Mo1R鋼的實(shí)際生產(chǎn)情況，通過(guò)各種試驗(yàn)手段，對(duì)探傷不合格原因進(jìn)行了較為系統(tǒng)的分析和研究，以期更好地改善該類鋼板的內(nèi)部質(zhì)量，盡量減少由于探傷不合格引起的質(zhì)量損失。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用12Cr2Mo1R鋼板是在寶鋼股份5 m厚板生產(chǎn)線生產(chǎn)，其主要工藝流程如下:

轉(zhuǎn)爐煉鋼→精煉→模鑄→鑄錠加熱→開(kāi)坯→鋼坯加熱→除磷→軋制→熱矯直→探傷→正火→回火→取樣→性能檢測(cè)。

試驗(yàn)用鋼板的化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗(yàn)用鋼的主要化學(xué)成分(熔煉成分) %

1.2 試驗(yàn)方法

在探傷不合格12Cr2Mo1R鋼板上分別取化學(xué)分析試樣及金相和夾雜物分析試樣。按JIS G 1253—2002要求［12］，分析鋼板不同厚度位置的化學(xué)成分;將金相試樣進(jìn)行研磨、拋光后在LEICA MEF4A光學(xué)顯微鏡及掃描電鏡(S－4200場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡+EDS)下進(jìn)行金相組織及夾雜物觀察，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 鋼板成分分析

試驗(yàn)用12Cr2Mo1R鋼板不同厚度位置的化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表2，可以看出，鋼板的化學(xué)成分符合GB 713—2008要求且在鋼板的厚度方向分布均勻，厚度方向不存在明顯的成分偏析?；瘜W(xué)成分不是引起探傷不合格的原因。

表2 試驗(yàn)用鋼上表面、板厚1/4、板厚1/2處的主要化學(xué)成分 %

2.2 鋼板組織

圖1示出板厚上表面、板厚1/4、板厚1/2處金相組織照片。可以看出，12Cr2Mo1R鋼板在板厚方向，鋼板上表面、板厚1/4、板厚1/2處的金相組織均為回火貝氏體組織。板厚表面組織與板厚1/4及板厚1/2處比較，其貝氏體更為細(xì)小。板厚1/2位置，組織為均勻的回火貝氏體組織，未發(fā)現(xiàn)有混晶、組織異常情況。

圖1 板厚上表面、板厚1/4、板厚1/2處金相組織照片

2.3 鋼板厚度方向夾雜物

12Cr2Mo1R板厚不同位置夾雜物金相照片如圖2所示。

2.3.1 夾雜物的數(shù)量、尺寸、形態(tài)和分布

由圖2可看出，在12Cr2Mo1R鋼板的上表面及板厚1/4位置，夾雜物彌散分布，夾雜物的大小在10 μm以內(nèi)，形態(tài)主要有球形、紡錘形、方形等，且上表面夾雜物數(shù)量明顯少于板厚1/4位置。

板厚1/2位置，單個(gè)夾雜物的形貌為球形和橢圓形，尺寸在10 μm以下，但是其分布特征表現(xiàn)為:一系列夾雜物沿軋制方向連續(xù)成串狀，串狀?yuàn)A雜物的尺寸明顯增大到80～100 μm，有的甚至超過(guò)100 μm。

圖2 板厚上表面、板厚1/4、板厚1/2處夾雜物金相照片

綜上，試驗(yàn)用12Cr2Mo1R鋼板厚度方向單個(gè)夾雜物的尺寸小于10 μm，其形貌有球形、紡錘形、方形、橢圓形等，在鋼中的分布隨板厚而變化，鋼板夾雜物數(shù)量，鋼板上表面、板厚1/4、板厚1/2位置數(shù)量依次增加，且在板厚1/2處單個(gè)夾雜物沿鋼板的軋制方向成串狀分布，形成尺寸較大的串狀?yuàn)A雜物。

2.3.2 夾雜物的組成成分

12Cr2Mo1R鋼板厚度方向各個(gè)位置夾雜物的組成成分如圖3所示。板厚表面鋼中夾雜物的主要成分為Al2O3;板厚1/4處夾雜物的組成成分包括 Al2O3，MgO，CaO，同時(shí)含有一定量的 K，Na元素;板厚1/2處串狀?yuàn)A雜物的主要化學(xué)組成為:以Al2O3為主，含有少量MgO，CaO。

圖3 板厚表面、板厚1/4、板厚1/2處夾雜物SEM及EDS分析結(jié)果

3 分析與討論

3.1 12Cr2Mo1R 鋼板化學(xué)成分與組織

厚板尤其是特厚鋼板的探傷不合格的主要原因是由于鑄錠由液態(tài)鋼水凝固時(shí)化學(xué)成分偏析導(dǎo)致鋼質(zhì)不均。通常，元素在液態(tài)鋼水中的溶解度要高于其在固態(tài)鋼錠中的溶解度。因此，在鋼水凝固過(guò)程中，鋼液的凝固前沿會(huì)有溶質(zhì)元素不斷富集，當(dāng)富集溶質(zhì)元素的鋼液被凝固前沿捕捉后，便在鑄錠中形成了溶質(zhì)偏析區(qū)。若在后續(xù)熱處理過(guò)程中，未能使偏析元素得到充分?jǐn)U散，則會(huì)導(dǎo)致化學(xué)成分偏析存在于成品鋼板中。同時(shí)，由于局部成分偏析導(dǎo)致鋼板在熱處理過(guò)程中形成了不同于其他未偏析區(qū)域的組織，造成鋼板的組織不均，從而對(duì)鋼板的探傷及其他力學(xué)性能造成不良影響。

由表2及圖1的結(jié)果可以看出，12Cr2Mo1R鋼板厚度方向各元素分布較均勻，沒(méi)有明顯的成分偏析。組織均為貝氏體組織，未發(fā)現(xiàn)組織異常。所以，鋼板的化學(xué)成分及組織不是造成鋼板探傷不合格的主要原因。

另外，鋼中氫含量較高，會(huì)導(dǎo)致鋼板氫脆缺陷嚴(yán)重，也會(huì)造成鋼板探傷不合格［6］。而文中試驗(yàn)用鋼板的氫含量控制在不大于2 ppm，從而保證了鋼板不產(chǎn)生氫脆缺陷。

3.2 鋼板中夾雜物

鋼的生產(chǎn)過(guò)程決定了不可能完全去除鋼中的夾雜物。按夾雜物的來(lái)源，夾雜物可以分為內(nèi)生夾雜物和外生夾雜物［13］。內(nèi)生夾雜物即鋼水冶煉過(guò)程中由于脫氧、澆注及凝固過(guò)程中產(chǎn)生的夾雜物，在冶煉過(guò)程中未能及時(shí)上浮排除而留在鋼中。外來(lái)夾雜物通常指在冶煉、澆注等過(guò)程中由耐火材料及保護(hù)渣等卷入鋼水中而形成的夾雜物。無(wú)論內(nèi)生夾雜還是外生夾雜，當(dāng)其數(shù)量、尺寸、形態(tài)和分布達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)對(duì)材料的性能產(chǎn)生不利影響。因此人們一直致力于減少鋼中的夾雜物，以得到更純凈的鋼質(zhì)，提高鋼材的性能。

由圖2和圖3可以確認(rèn)，12Cr2Mo1R鋼中主要的夾雜物為Al2O3，其在板厚1/2處形成較大尺寸(70 μm以上)的串狀?yuàn)A雜物是造成鋼板探傷不合格的主要原因。若要避免鋼板探傷不合格，則必須清楚Al2O3夾雜物來(lái)源并降低鋼中Al2O3夾雜物的含量，避免其形成大尺寸串狀A(yù)l2O3夾雜物。

3.2.1 12Cr2Mo1R 鋼中 Al2O3夾雜物的來(lái)源

12Cr2Mo1R(H)抗氫鋼中Al2O3夾雜物的形成十分復(fù)雜，涉及轉(zhuǎn)爐冶煉、精煉、澆注各個(gè)過(guò)程及這些過(guò)程中使用的輔料等。首先在轉(zhuǎn)爐冶煉吹氧脫碳階段，大量氧氣被吹入鋼水，如果轉(zhuǎn)爐終點(diǎn)氧尤其鋼水中溶解氧控制太高，在出鋼脫氧反應(yīng)中，就會(huì)生成大量的Al2O3夾雜物。二次精煉脫氧時(shí)易生成Al2O3夾雜物;若吹氬時(shí)間、流量控制不當(dāng)，則造成鋼包及真空槽內(nèi)的Al2O3夾雜物不能充分上浮，滯留在鋼液中;鋼包渣中的Al元素二次氧化形成Al2O3夾雜物;空氣中的氧氣進(jìn)入RH浸漬管，使得鋼液中的Al被氧化，形成Al2O3夾雜物。澆注過(guò)程中保護(hù)渣卷入鋼液中，不能及時(shí)去除，形成夾雜物(如圖3中板厚1/4位置夾雜物能譜分析，發(fā)現(xiàn)夾雜物中含有K，Na等元素)。

在鋼液凝固過(guò)程中，凝固前沿大量Al2O3夾雜物不斷富集，隨著鋼液溫度的逐漸降低，在凝固末期，即鑄錠的中心位置，由于剩余未凝固鋼液中夾雜物密度較大，尺寸較小的夾雜物，易聚集形成尺寸較大的串狀A(yù)l2O3夾雜物，鑄錠經(jīng)軋制后，最終這些串狀?yuàn)A雜物聚集在鋼板板厚1/2處，從而導(dǎo)致鋼板探傷不合格。

3.2.2 12Cr2Mo1R 鋼中 Al2O3夾雜物的控制

通過(guò)分析煉鋼過(guò)程中夾雜物的來(lái)源，采取措施減少鋼液中Al2O3夾雜物的生成，是避免形成大尺寸串狀?yuàn)A雜物的主要手段。為達(dá)到上述目的，采取措施如下:

(1)在轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí)，適當(dāng)控制脫碳反應(yīng)，通過(guò)減少脫氧用鋁的添加量以達(dá)到減少Al2O3夾雜物的生成量。但是值得注意的是，脫碳反應(yīng)時(shí)，鋼液中較高濃度的溶解氧是必要的。因?yàn)槊撎紩r(shí)，如果溶解氧濃度低，則脫碳反應(yīng)速度也會(huì)降低。另一方面，發(fā)生操作故障及煉鋼溫度管理不恰當(dāng)時(shí)，有時(shí)也會(huì)達(dá)不到所要求的煉鋼溫度。此時(shí)可能會(huì)通過(guò)添加少量的鋁，利用鋁氧化燃燒產(chǎn)生的熱量確保煉鋼的溫度，但為減少Al2O3夾雜物的生成量，應(yīng)盡量減少或不使用這種操作手段。

(2)在二次精煉時(shí)，可采用多種手段。如通過(guò)適當(dāng)?shù)拇禋逯贫?，使得脫氧產(chǎn)物能不斷地聚集成團(tuán)，并促進(jìn)夾雜物的上浮分離。為達(dá)到這個(gè)目的，必須確保脫氧后的RH環(huán)流時(shí)間，適當(dāng)調(diào)整環(huán)流氣體量，以提升夾雜物的碰撞頻率，提高其聚集上浮的概率。

(3)必須降低爐渣中(Fe2O)，(MnO)，(SiO2)等氧化物的活度。方法為:在爐渣中添加含金屬Al的鋁精煉渣以降低(Fe2O)，(MnO)活度，添加石灰(CaO)降低SiO2活度。

(4)二次精煉時(shí)，將RH浸漬管用氬氣密封，以防止空氣進(jìn)入鋼液。

(5)澆注時(shí)，采用全程保護(hù)澆注，并選擇合適的澆注溫度和澆注速度，防止保護(hù)渣卷入，同時(shí)便于鋼液內(nèi)夾雜物的上浮、去除。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)分析表明，12Cr2Mo1R鋼板厚度方向的化學(xué)成分均勻，不存在嚴(yán)重的成分偏析現(xiàn)象、金相組織均為回火貝氏體組織。鋼板厚度1/2處較大尺寸(70 μm以上)的串狀A(yù)l2O3夾雜物是鋼板探傷不合格的主要原因。

(2)防止因Al2O3夾雜物而引起探傷不合格的主要措施為:嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí)鋼水中的溶解氧含量，減少脫氧Al的用量;采用合理的二次精煉制度，尤其是合理的吹氬制度，促進(jìn)夾雜物的上浮分離;采用合理的澆注工藝，防止保護(hù)渣卷入。

［1］ 談金祝，黃衛(wèi)民.在役加氫反應(yīng)器材料損傷分析［J］.南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，22(3):47 －50.

［2］ 徐磊.淺談石化行業(yè)加氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及損傷對(duì)策［J］.中國(guó)石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2013(5):26.

［3］ 陳崇剛.我國(guó)加氫反應(yīng)器制造面臨的課題［J］.煉油技術(shù)與工程，2011，41(7):16 －20.

［4］ 姜洪生，張漢謙，叢郁，等.臨氫設(shè)備用12Cr2Mo1R(SA387Gr22Cl2)厚鋼板的開(kāi)發(fā)［J］.鋼鐵，2008，43(12):67－70.

［5］ 姜洪生，宋冬利，張漢謙，等.臨氫設(shè)備用12Cr2Mo1R厚鋼板臨界厚度研究［J］.材料熱處理學(xué)報(bào)，2009，30(2):192－194.

［6］ 楊海林，王祖芳.壓力容器用12Cr2Mo1R鋼板的研制［J］.寬厚板，1997，3(1):17 －21.

［7］ 楊東，唐鄭磊，李紅洋，等.壓力容器用12Cr2Mo1R 120～150 mm特厚鋼種的研發(fā)實(shí)踐［J］.山西冶金，2012，35(2):17 －19.

［8］ 蔣善玉.12Cr2Mo1R鋼相變規(guī)律研究［J］.山東冶金，2013，35(3):11 －14.

［9］ 蔣善玉.熱處理工藝對(duì)12Cr2Mo1R鋼的組織和性能影響［J］.山東冶金，2013，35(4):34 －36.

［10］ 李友生.大型儲(chǔ)罐用高強(qiáng)度鋼板國(guó)產(chǎn)化開(kāi)發(fā)［J］.壓力容器，2013，30(4):76 －80.

［11］ JB/T 4730.3—2005，承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分:超聲檢測(cè)［S］.

［12］ JIS G 1253:2002，鋼鐵火花放電原子發(fā)射光譜分析法［S］.

［13］ 秦華，劉麗芳，胡傳順，等.2.25Cr1Mo鋼中的夾雜物和晶粒度［J］.理化檢驗(yàn) －物理分冊(cè)，2008，44(5):235－237.