【鄂钢高炉炉壳用钢WSM50C的研制和热处理工艺浅析】 鄂钢高炉

　　摘 要：利用铌微合金化技术及控制轧制、控制冷却工艺、热处理工艺，武钢集团鄂钢公司自主研发了高炉炉壳用钢WSM50C。WSM50C钢质纯净，硫、磷含量低，钢板焊接性能优良，具有高强度、良好的韧性、良好的表面和内部质量。
　　关键词：高炉炉壳用钢；WSM50C；微合金化；控制冷却；热处理工艺
　　1 前言
　　高炉炼铁是在一个外有钢壳、内有耐火炉衬并安装有冷却设备的密封竖炉内进行，其冶炼特点是炉料和煤气在逆流运行过程中完成还原、造渣、传热及渣铁反应等过程，得到化学成分和温度较为理想的液态铁水。作为炉体一部分的炉壳结构，除起密封作用不让煤气泄漏外，更重要的是承受自重、设备荷重、炉料作用力，有时还要抵抗煤气爆炸、崩料、坐料等巨大冲击荷载。其荷载工况、壳体受力及应力分布十分复杂，不同于一般压力容器和普通钢结构，炉壳钢板和焊接质量的任何缺陷都会影响高炉的安全运转和使用寿命。炉壳一旦损坏将会酿成重大事故，给人身安全、国家财产、经济效益、环境保护等造成不可弥补的损失。
　　炉壳用钢一直处于无明确国家标准可寻的状态，各设计单位炉壳钢材选用较随意，导致高炉寿命短，一般生产使用几年后需要进行中修和大修，造成巨大的经济损失。随着钢铁工业的高速发展，对炉壳材质提出了新的要求，在钢材硬度、韧性、耐急冷急热、加工性能及焊接性能方面应适应高炉强化冶炼和高炉一代役15年（无中修）以上长寿的需要。针对这一状况，武钢集团鄂钢公司提出研制炉壳钢WSM50C作为新阶段的高炉炉壳材料，经试验检验，该钢种母材和焊接接头具有强度高、抗变形能力强和抗脆性断裂等综合最佳性能。
　　2 试验材料及试验方案
　　2.1 化学成分设计
　　高炉高炉炉壳用钢WSM50C的成分设计既要考虑高强度和良好的低温韧性，还要考虑其应用性能——即焊接性能，这说明钢的基础成分应是低碳高锰，同时添加微合金元素。
　　由于碳的降低可以显著提高相变温度，有利于铁素体的形成。在高炉高炉炉壳用钢WSM50C的化学成分设计中，为使得钢板具有良好的焊接性能、较好的低温冲击韧性，必须降低钢中含碳量，将其控制在0.14～0.17%左右为宜。锰元素的主要作用是降低奥氏体转变温度，细化铁素体晶粒，提高钢的强度和韧性，还可以消除硫对钢材的影响。因此，在化学成分设计中把锰含量控制在上限，为1.35～1.55%左右。特别是焊接要求的高锰钢种，其Mn/C的比值越大，钢的低温韧性就越好。
　　微合金化是指向钢中添加Nb、V、Ti等合金元素。这些合金元素在钢中可以与碳、氮结合成碳化物、氮化物及碳氮化合物，这些化合物具有在高温时溶解，在低温时析出的特性，因此可以在钢坯加热时阻碍原始奥氏体晶粒长大，在轧制过程中抑制再结晶及再结晶后的晶粒长大，在低温时起到析出强化作用。
　　因此，WSM50C钢采用低碳路线，复合加入Nb、Ti等元素，具体化学成分见表1。连铸坯端面尺寸选用300×1800mm，成品厚度30mm～75mm。
　　表1 高炉高炉炉壳用钢WSM50C化学成分 wt%
　　2.2 控制轧制工艺设计
　　采用的工艺生产流程为：铁水预处理-转炉冶炼-LF精炼-真空脱硫-连铸-加热炉加热-轧制-控冷-正火。其中轧制工艺设计包括控制轧制和控制冷却工艺。
　　为保证较低的轧制变形抗力，并结合微合金元素碳氮化合物的完全固熔温度（≥1150℃），确定钢坯的最高加热温度为1150～1260℃。轧制阶段采用两阶段控制轧制，一阶段采用高温大压下轧制，以阻止奥氏体形核长大；二阶段为保证有足够的压下率，中间坯厚度应是成品厚度的2倍以上。连铸坯断片尺寸选用300×1800mm，轧制成品厚度为30mm～75mm。控轧工艺见表2。
　　表2 高炉炉壳钢WSM50C的控轧工艺
　　轧制过程中，利用Nb能提高奥氏体再结晶温度、有利于在奥氏体未再结晶区轧制的特点进行控制轧制。待温后总压下率≥50％，以细化晶粒，提高钢板的强度和韧性。
　　2.3 控制冷却工艺设计
　　控制冷却是通过控制轧制后钢板的冷却条件来控制奥氏体的组织状态、相变条件、碳化物析出行为，最终控制相变后钢板组织和性能的一种冷却工艺。在控制轧制过程中，通过反复形变-再结晶，可以细化晶粒，改善钢的强度和韧性，但形变过程诱发形变，使At3温度提高，致使铁素体在较高温度下析出，出轧后缓冷确易使晶粒长大，因此要控制适当的冷却速度。为了保证WSM50C获得优良的综合力学性能，根据板厚的不同，轧后采用不同的层流冷却，通过调整冷却极管组数，确保返红温度在630～700℃之间。
　　2.4热处理工艺设计
　　炉壳钢WSM50C的热处理为了提高钢板性能的稳定性，热处理包括正火。在热处理炉里对钢板进行正火处理，正火温度控制在AC3以上30～50℃。
　　3 试验结果及分析
　　3.1 低倍结果
　　通过低倍观察铸坯的夹杂物，其夹杂物级别见表3。
　　表3 铸坯低倍结果
　　板坯经酸浸低倍检验结果表明，各类低倍缺陷级别较低，中心疏松基本在0.5级以下，中心偏析均为C类，且全部低于1.5级，裂纹缺陷基本都在0.5级以下。板坯低倍组织较好。
　　3.2 力学性能结果
　　WSM50C钢检验批次钢板力学性能见表4、表5。
　　表4 正火前WSM50C钢板的力学性能
　　表5 正火后WSM50C钢板的力学性能
　　3.3 讨论
　　从试制的结果看，从冶炼、轧制到热处理，各个工艺设计的都比较合理，冶炼铸坯表面质量较好，除鳞效果也很好，钢板表面质量良好，热处理前后各项指标全部符合技术条件及客户要求。
　　通过表4和表5正火前后力学性能的对比可以发现，经过AC3以上30～50℃的正火后钢板的力学性能有明显改善。
　　一般正火后，由于消除了轧制时产生的位错缠结，和热轧状态相比，强度(屈服和抗拉强度)会有不同程度的下降。但本试验的强度不仅没有下降，反而所有提高。主要原因是，一方面正火后位错缠结现象会有一定程度的消除，势必使强度有明显的下降；另一方面正火后晶粒度级别提高较多，晶粒细化也可以提高钢板的强度，这会抵消位错缠结释放作用导致的强度下降，甚至大于其下降的程度。
　　对含有V、Nb、Ti等强碳化物形成元素的低合金钢，由于在未再结晶区的大压下轧制，导人了大量的位错。轧制钢板的大量位错缠结作用，以及V、Nb强碳化物第二相对晶界的钉扎作用，都不利于热处理时晶界的扩散。另外，微合金元素都有阻碍碳的扩散，其碳化物第二相的扩散速度也较低，显著延缓钢中的组织转变，不利于第二相的溶解以及奥氏体的均匀化 。因此在进行正火处理时，一般都要提高正火温度，以及延长热处理的加热时间，才可以加速合金碳化物的溶解和奥氏体的均匀化。加Nb、V等微合金化元素的合金钢，一般都不同程度提高了临界温度，故加热温度都较高，有资料认为加Nb、V、Ti等强碳化物形成元素的合金钢，加热温度为AC3+(100～150)℃ 。
　　但是根据WSM50C钢的具体情况，一方面为了较少能耗，一方面也为了防止晶粒快速粗化，正火温度使用AC3以上30～50℃。经过生产试验及检验结果可知，该热处理工艺制定较为合理。
　　4 结论
　　鄂钢依靠科技进步，大力开展技术创新及新产品开发，利用现有设备，采用微合金化和控轧控冷工艺，成功开发出了高炉炉壳用钢WSM50C。利用开发工艺生产的WSM50C各项性能指标符合用户要求，冲击指标较高，强度波动范围小，产品质量稳定可靠，化学成分、力学性能等指标满足了标准规定。高炉炉壳用钢在鄂钢已批量生产，为鄂钢增加了新的利润增长点，提高了鄂钢的市场竞争力，取得了良好的经济效益和社会效益。
　　参考文献
　　[1] 吴水斌.控制轧制与高强度韧性钢板的试制[J].宽厚板：1999，5（3）：6-10.
　　[2] 刘阳春，刘海燕，高金成.微合金化技术及应用[J].江苏冶金，2001，29（6）：27-29.
　　[3] 但泽义，李业绩，薛尚玲等.高炉及配套热风炉炉壳用钢拓展性研究[J].钢结构，2009，7(24):33-36.
　　[4] 但泽义，邓玉孙.高炉炉壳用钢[J].钢铁技术，2009，2：44-46.