HP13Cr不锈钢工艺实践

袁续阳，祖 峰，王丰产，宋智宇

（天津天管特殊钢有限公司，天津 300301）

HP13Cr不锈钢工艺实践

袁续阳，祖 峰，王丰产，宋智宇

（天津天管特殊钢有限公司，天津 300301）

天津天管特殊钢有限公司采用电炉出钢钢水与感应炉熔炼合金钢水相兑，通过LF、VOD、模铸工艺生产HP13Cr超低碳不锈钢，分析和检验结果表明，吹氧后碳含量可达0.017%。VOD还原后，Mn、Cr、Si元素的平均收得率分别可达89.4%、98.4%、84.6%，钢锭锻造后的管坯冶金质量均满足技术标准要求。

不锈钢；管坯；电弧炉；感应炉；LF+VOD；模铸

1 引言

我国不锈钢的生产与应用正处在前所未有的高速发展期，世界范围内，不锈钢的生产与应用也进入了竞争更加激烈的新阶段[1]。面对国内外这一形势，天津天管特殊钢有限公司于2006年进行了不锈钢冶炼设备改造，通过对实际生产数据分析，经验总结，不断改进生产工艺，目前生产的不锈钢产品质量合格，深得客户的信赖。

HP13Cr是超级马氏体钢不锈钢，含碳量低，加入一定量的Mo相当于提高了Cr的含量，再加上Ni的配合，可有效地提高HP13Cr耐蚀性能，特别是在含二氧化碳和硫化氢介质环境中的耐蚀性能有很大的提高。因此，HP13Cr不锈钢在石油和天然气开采中，作为高钢级抗二氧化碳和硫化氢腐蚀的石油套管坯料，得到了广泛的应用。其化学成分见表1。

2 工艺路径及主要设备参数

HP13Cr不锈钢管坯生产工艺路径为：电炉钢水+感应炉预熔合金→LF（扒渣）→VOD→模铸主要设备技术参数见表2。

表1 HP13Cr的化学分/%

3 生产过程控制

3.1 电炉冶炼工艺

电炉冶炼采用“全管头（含铬、钼）+铁水”配料方案，降低入炉料的P、S含量及五害元素含量，生产数据表明：与“普通废钢+铁水”配料方案入炉料相比，可降低钢水60%初始S含量，降低到0.030%，同时回收废钢中铬、钼，其入炉料总装入量控制在 80～85 t，出钢量可控制在 58～60t。由于相对装入量较小，钢液面较正常冶炼时低，因此冶炼过程中需要注意及时造渣、换渣操作，保证出钢钢水P≤0.007%[2-3]。通过偏心炉底出钢，防止下渣，出钢时终点碳控制在0.04%～0.06%，可有效防止钢水过氧化，降低钢水中氧含量[2]，减少回磷。出钢过程中按脱氧效果先弱后强的顺序加脱氧剂、合金，这样可以使生成的低熔点脱氧产物，在钢液中碰撞易于聚集生成大颗粒夹杂，再通过氩气搅拌而浮出钢液表面，最后加入渣料，通过钢渣混冲进行脱硫。

表2 主要设备技术参数

3.2 感应炉冶炼工艺

感应炉主要用来熔化合金及部分返回废钢。要求使用低P（P≤0.030%）、S含量的合金，确保混合后的钢水P含量不超规格上限，钢水S含量相对也较低，为LF处理提供有利条件。装料顺序和供电曲线如下：先装入低熔点的镍板（熔点为1 425～1 455℃）、高铬（熔点：1 520～1 550℃）。起始送电采用先小功率，约3000W，10min后送电功率提高到5000～6000W，待镍板、高铬全部熔化后，且合金熔液温度在1 550℃以上时，再分批加入HP13Cr返回废钢，总量控制到10～15 t。最后升功率到7000W以上，通过料仓分批加入低铬（熔点：1 600～1 640℃）。炉内料位升起后，加入覆盖剂，防止渣面结壳。感应炉出钢温度控制在1 620～1 640℃，待电炉出钢钢水就位到感应炉出钢位，钢包接通氩气后，翻炉出钢。出钢时，调整好氩气流量，保证钢水搅拌均匀。

3.3 LF精炼工艺

为进一步降低钢水中S含量，在LF炉中加高碱度顶渣（主要成分CaO）进行精炼处理，充分吹氩，氩气流量控制在100～120NL/min，精炼处理过程中采用萤石调渣，保证顶渣碱度及流动性。使用铝粉及复合脱氧剂进行渣面脱氧，确保脱S效果[4]。LF进行粗调合金成分，目标值控制如表3所示。

表3 LF处理后成分控制目标/%

其他元素V、Nb，在VD处理前调整；剩余部分Ni板作为VOD后冷却钢水合金使用。

LF处理结束前，加入萤石调渣，保证渣子流动性良好，控制吊包扒渣温度1 630～1 645℃，扒渣后要求钢水“镜面”裸露80%以上。

3.4 VOD处理工艺

扒渣结束后，开始进行VOD处理，VOD处理开始的温度为1 580～1 600℃，以保证吹氧后钢水温度在1 720℃左右（不会过高或过低）。钢包就位后，调整好氩气，流量控制在30～50NL/min，以氩气搅拌刚刚裸露出钢液面为宜（此为扒渣后裸露面）VOD处理钢水量控制在88～93 t，钢包自由空间控制在1000～1 200mm。VOD吹氧总量以LF后成分为准进行计算，具体见表4。

表4 VOD吹氧总量计算/Nm·3t-1

VOD吹氧过程按表5进行控制，要求脱碳速度平缓进行，这样钢水喷溅相对较小。

MTA（多功能气体分析仪）是一个废气测量的新系统，通过废气量的检测达到过程监控的目的通过画面中CO、CO2含量等曲线变化，见图1，可以对吹氧过程、真空碳脱氧过程进行精确控制，减少Cr、Mn的氧化损失。

根据MTA曲线判断停止氧气喷吹：

（1）与金属反应氧大于70%。

表5 VOD吹氧过程主要控制参数

图1 MT A曲线

（2）脱碳速度明显降低，小于1.5 kgC/min。

（3）脱碳量明显降低，小于0.025 kg。

（4）吹氧总量到计算值。

另外，缓吹过程首先是Si的氧化，计算出Si的总耗氧量，并根据MTA显示，吹氧初期，与金属反应的氧明显降低，CO含量稍微降低，可以提高氧气喷吹量，转为主吹。当CO含量曲线与CO2含量曲线相交后，CO含量曲线明显降低时，可以降低氧气喷吹量，转为缓吹。

停氧后，降低系统真空度（＜1 kPa），进行VCD处理，一般只有超低碳不锈钢进行VCD处理，VCD处理时间大于10min。VCD处理结束后，根据取样结果，进行还原及造渣操作。采用一定比例硅铁及铝块对钢水进行还原。加入一定量的石灰、白云石石灰、萤石调渣，加入时根据钢渣实际情况按比例进行调整。

还原后进行VD处理，要求高真空（＜67 Pa）保持时间大于10min，保证脱氧及脱硫效果。处理结束后按照成品目标值进行V、Nb、Si、Mn的成分微调，采用铝粉进行渣面脱氧，保证白渣操作，提高金属收得率。进行吹氮气增氮工艺，吹氮时间大于15 min，流量大于500NL/min。温度合适后，根据目标成分喂入铝丝，调整最终铝含量大于0.015%，间隔一定时间后喂入硅钙丝，弱搅拌15 min以上，确保夹杂物变性充分上浮。弱搅拌结束后，进行模铸，温度控制在大于1 560℃。

3.5 模铸工艺操作

3.5.1 模铸锭模的准备

清理干净模铸锭模，对模铸锭模、底盘进行烘烤，保证模铸时锭模的温度不低于80℃，底盘的温度不低于100℃。

3.5.2 模铸浇注

浇注过程中采用氩气保护浇注，防止钢水二次氧化。浇注时保证锭模充满，脱模要求模表面温度小于200℃。

3.5.3 模铸保护材料

使用专门模铸保护材料，模铸保温剂：混合型新型发热剂。模注保护渣：MB1。

3.5.4 红送钢锭

钢锭在浇注结束2.0h左右进行脱帽口操作红送钢锭进行锻造加工，确保红送时锭模表面温度大于600℃。

4 生产效果

4.1 成分情况

根据20炉冶炼数据统计，吹氧后碳平均控制在0.017%；VOD处理前后，主要合金元素平均收得率见表6。

表6 合金元素平均收得率

经检验，特钢公司生产的HP13Cr超低碳不锈钢，成分全部合格，满足设计要求。

4.2 夹杂物情况

钢管非金属夹杂物控制情况较好，A粗0级，A细0.5级，B类0级，C类0级，D粗0级，D细0.5级，未出现夹杂物超标，完全满足用户协议要求。抽取5炉中的10个样品的夹杂物评级情况见表7。

表7 HP13Cr夹杂物评级情况

4.3 低倍组织情况

通过对锻坯酸侵低倍检验表明，锻坯内部质量良好，没有发现内部质量问题，达到了预期的效果：皮下裂纹0级，中部裂纹0级，芯部裂纹0级，洁净度0级，缩孔0级，皮下气泡0级，中心疏松1级，中部气泡0级。低倍的具体情况见图2。

经检验评定，冶炼HP13Cr超级马氏体不锈钢低倍组织及夹杂物评级[8]均满足技术条件的要求。

通过设计合理的工艺过程和化学成分，采用关键生产技术和相关措施，有效地解决了生产HP13Cr超低碳不锈钢的技术难题，使钢的实物质量满足了高钢级抗二氧化碳和硫化氢的石油套管坯料的使用要求。

图2 HP13Cr钢种锻坯低倍检验情况

5 结论

依据天津天管特殊钢有限公司现有的设备条件，通过设计合理的工艺流程和化学成分，天津天管特殊钢有限公司生产的HP13Cr超级马氏体不锈钢，经过低倍检验，夹杂物评级，性能检验等分析，实物质量完全满足用户协议要求。

[1] 陆世英.不锈钢概论[M].北京：化学工业出版社，2007.

[2] 邱绍岐，祝桂华.电炉炼钢原理及工艺[M].北京：冶金工业出版社，1996.

[3] 赵沛.炉外精炼及铁水预处理实用技术手册[M].北京：冶金工业出版社,2004.

[4] 崔中圻，刘北兴.金属学与热处理[M].北京：机械工业出版社1989.

Practice of HP13Cr Stainless Steel Production Process

YUAN Xu-yang,ZU Feng,WANG Feng-chan and SONG Zhi-yu

(Tianjin Tianguan Special Steel Company Limited,Tianjin 300301,China)

HP13Cr ultra low carbon stainless steel is produced by EAF molten steel charged with IF molten alloy steel through LF-VOD-Mould Casting process at Tianjin Tianguan Special Steel Company Limited.Analysis and test results show that carbon content after oxygen blowing can reach0.017%and average yields of Mn,Cr and Si after VOD reduction,89.4%,98.4%and 84.6%respectively.The metallurgical quality of billet produced by ingot forging meets all requirements of technical standard.

stainless steel;pipe billet;EAF;IF;LF+VOD;mould casting

10.3969/j.issn.1006-110X.2014.02.017

2013-09-15

2013-10-12

袁续阳（1984—），男，工程师，主要从事炼钢工艺方面的研究工作。