TLA-OHF耐热无磁钢在矿热炉中应用展望

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TLA-OHF耐热无磁钢在矿热炉中应用展望

TLA-OHF耐热无磁钢在矿热炉中应用展望
摘要：TLA-OHF（20Mn23AlSiMoTi）属于C-Mn-Fe系奥氏体钢，其特点是具有良好的强韧性、的无磁性，并具有一定的耐高温，耐氧化性，不产生晶间腐蚀裂纹，成本相对低廉，整体综合性价比不锈钢，是矿热炉炉体用钢的优良材料。
关键词：20Mn23AlSiMoTi、矿热炉
Abstract:
TLA-OHF (20Mn23AlSiMoTi) belongs to C-Mn-Fe austenitic steel, which is characterized by good toughness, excellent non-magnetic properties, and has certain high temperature resistance, oxidation resistance, and no intergranular corrosion cracking. The cost is relatively low, and the overall comprehensive cost performance is higher than that of stainless steel. It is the preferred material for the steel used in the furnace of the submerged arc furnace.
Keywords: 20Mn23AlSiMoTi arc furnace

一、前言
国内早的20Mn23AlV无磁钢作为一种钢铁功能材料，是一种在磁场作用下基本不产生磁感应的低磁钢铁材料，相对磁导率＜1.01，其所谓的“无磁”性是指在室温、中温（常温~800℃）下组织均为稳定的单一奥氏体，生产方和使用方都形象地称之为无磁钢。20Mn23AlV作为功能性材料，用途已涉及电力、轨道交通、建筑以及等诸多领域，尤其是电力行业20Mn23AlV已是各大变压器厂变压器内部结构件用隔磁钢板的牌号，年用量在1万吨以上。近年来随着对20Mn23AlV钢的研究深入，我公司与太钢共同新研发出矿热炉TLA-OHF耐热无磁钢，已开始在硅铁炉、电石炉上进行了替代性使用，效果良好，故此展望在与同工况条件下的矿热炉、硅铁炉、镍铁炉、工业硅炉中也可以完全替代高成本、易开裂的304、321不锈钢。
二、TLA-OHF（20Mn23AlSiMoTi）的钢种特性
1、成分特点：
20Mn23AlSiMoTi为C-Mn-Fe体系的奥氏体钢，各元素的添加是依据钢种的特性（稳定的奥氏体组织，具有较好的抗氧化性、抗磁性能及高温冲击韧性、塑性）来进行匹配的。主要化学元素如下：
表1 20Mn23AlSiMoTi化学成分

成分 C Si Mn P、S Al Mo Ti
范围 0.14-0.20 0.8-1.3 21.5-25.0 ≤0.030 1.50-2.50 0.3-0.5 0.03-0.08
①碳对钢性能的影响
碳在钢中的主要作用是提高钢的强度和平衡奥氏体组织，随着钢中碳含量的增加，钢材的强度随之提高，但韧性和塑性却降低。由于该钢要求强度高，韧性也要求高，因而钢中碳含量不宜太高，碳含量为0.14~0.20%，较低C含量有利于改善焊接性能，同时大大降低无磁结构钢的线膨胀系数。
②锰对钢性能的影响
锰是稳定化奥氏体主要元素，可细化钢的组织，从而提高材料的强度，并提高钢的耐磨性，Mn同时又是冷加工硬化元素，强化效果非常明显，含量为21.5~25.0%。另外，锰还有脱氧固定硫的作用，可阻止因生成FeS而导致热脆现象。
③铝对钢性能的影响
铝能有效抑制 γ一ε马氏体相变，从而使奥氏体组织更加稳定。同时由于Al也是一种耐热性的元素，高温状态下会使钢的表面形成一种致密耐高温氧化膜（Al2O3或AlN），工件高温寿命大幅度延长。除以上2种作用，Al还具有细化晶粒，以及提高韧性的作用，含量为1.50-2.50%。可有利于降低钢材表面硬化现象，同时有利于机械冷加工。
④钼在钢中的作用
钢中加入钼以后，由于含钼的氧化膜较为致密，能阻止氯离子的穿透，抗多种类酸腐蚀，提高钝化膜强度和耐点蚀性，以及缝隙腐蚀。特别在卤盐或氯离子的冷却水里，可提高钢的相对氯化物应力腐蚀的能力，还可以提高钢的高温强度，抗蠕变性。
⑤硅在钢中的作用
硅在钢中和铬一样，可形成FeO.SiO2致密氧化层，即可形成钝化氧化膜，提高钢的抗高温氧化性，能部分的代替铬。当硅含量小于2%时，还能提高钢的抗渗碳性和硫气氛中的抗蚀能力。
⑥钛在钢中的作用
钛可细化晶粒，它能使钢的内部组织致密，还能提高耐蚀性，可有效防止产生晶间腐蚀，还能降低时效敏感性和冷脆性，改善焊接性能。

2、机械性能
1）常温
表2 20Mn23AlSiMoTi力学性能
样品厚度 抗拉强度
Rm（MPa） 屈服强度
Rel（MPa） 延伸率
A（%） 180°冷弯d=2a
12-16mm 680 490 40 无裂纹
标准要求 ≥530 ≥255 ≥30 无裂纹
2）高温性能
表3 20Mn23AlSiMoTi高温状态下强度性能变化

厚 度mm 试 验 温 度 ℃
20 200 250 300 350 400 450 500 600
Rel（MPa）
12-16mm 390 360 330 310 290 270 250 235 225
3、磁性能
表4 20Mn23AlSiMoTi磁性能
磁场强度,A/m 相对磁导率μr
实物性能 标准要求
16000 1.003 ≤1.05
100000 1.005
太钢万邦炉料有限公司，针对TLA-OHF、321、310S，三种材料进行了感应电压值测试：
TLA-OHF 5.3 5.4伏
321 5.5 5.7伏
310S 5.7 5.9伏
以此衡量材料的磁性能水平，数字说明TLA-OHF耐热无磁钢磁导率低，隔磁效果好。
4、抗氧化性能
表5 20Mn23AlSiMoTi抗氧化性能
温度 保温时间 平均失重率,g/m2.h 平均腐蚀速度，mm/y 抗氧化性等级 备注
650℃ 200小时 12.45 0.1 Ⅱ级 Ⅰ级：完全抗氧化性，腐蚀速度≤0.1 mm/y
Ⅱ：抗氧化性，腐蚀速度≤0.1 -1.0mm/y
Ⅲ：弱抗氧化性，腐蚀速度≤1.0 -3.0mm/y
300小时 21.66 0.15
400小时 27.75 0.18
800℃ 200小时 24.75 0.22 Ⅱ级
300小时 41.75 0.34
400小时 56.81 0.46
5、焊接性能
20Mn23AlSiMoTi的焊条种类较多（不锈钢奥氏体焊条A307、A307Si以及高MnCrNi无磁钢焊条THJ286WCI），为焊接金属低磁导率，组织均匀性以及晶间无缺陷，建议选择20Mn23AlSiMoTi焊接的焊条THJ286WCI-2，焊后可不经过热处理，其焊后抗磁性能好，抗裂性能。
THJ286WCI-2高锰无磁钢焊条，金相组织为单相奥氏体，熔敷金属成分也接近20Mn23AlSiMoTi耐热无磁钢，在设计上就解决了不锈钢焊条双相组织有较强磁性的不足。20Mn23AlSiMoTi由于锰含量较大，在理论上淬硬倾向大，特别是大厚板（板厚大于15mm）的焊接，在多次循环热输入条件下，焊接裂纹的倾向增大不可避免。为了解决这一问题，经过三年来多次实验得出，20Mn23AlSiMoTi无磁钢焊缝，应采用THJ286WCI酸性焊材与THJ286WCI-2高锰无磁钢焊材，共同焊接。即先使用THJ286WCI-2焊条打底焊接。焊接力学性能稳定，不开裂，后可使用THJ286WCI覆盖一层，无磁，使用这一方法弯曲试验合格，焊缝无磁性。
由我公司和天津大桥焊条厂共同研制生产的THJ286WCI-2高锰无磁钢焊条，焊前焊条经过300℃-320℃烘焙一小时到三小时，方可使用。THJ286WCI焊条焊前经过350℃-370℃烘焙二小时到三小时保温，可正常使用。
表6 使用THJ286WCI-2焊接试样焊缝拉伸试验
试样
编号 抗拉强度
Rm（MPa） 抗拉强度平均值
Rm（MPa） 平均延伸率
A（%） 断裂位置
母材为20Mn23AlSiMoTi同种钢 1 551 561 32.5 母材
2 575 母材
3 556 母材
母材为20Mn23AlSiMoTi +Q235异种钢 4 365 387 48.5 母材Q235
5 338 母材Q235
6 385 母材Q235

三、20Mn23AlSiMoTi用于矿热炉的优势
1、使用20Mn23AlSiMoTi替代现行304、321的可行性
1）运行温度650℃以下安全性可得到保障
高温抗磁钢是矿热炉、电石炉、硅铁炉、镍铁炉、工业硅炉等的金属材料。炉业制造商生产的7500KVA、12500KVA、30000KVA等不同类型的矿热炉，现均采用1Cr18Ni9Ti（321）或0Cr18Ni9不锈钢，封闭式矿热炉炉气温度要求控制在600℃，局部辐射高温区大于800℃（误操作可达1200℃），水冷构件钢材表面低于炉气温度，对强度要求不高，从表3中可得到在600℃以下20Mn23AlSiMoTi的机械性能没有大的改变，反而是1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9的高温强度变化较大，对设备安全运行构成隐患（见表7），水冷构件是可以使用20Mn23AlSiMoTi替代现行304、321。
表7不同钢种高温强度数据
牌 号 厚 度
mm 试 验 温 度 ℃
20 200 250 300 350 400 450 500 600
Rel（MPa）
20Mn23AlSiMoTi 12-16 390 360 330 310 290 270 250 235 225
1Cr18Ni9Ti 200-235 144 139 135 129 124 119 116 108
0Cr18Ni9 180-215 104 96 88 84 81 78 76 72
20g 235-245 185 165 150 135 130 125 120 110
2）具有的低磁性能及稳定性
众所周知，1Cr18Ni9Ti（321）或0Cr18Ni9不锈钢属于亚稳定态的奥氏体不锈钢，本质应该属于弱磁钢，其在受到形变后（冷弯、焊接热形变）都会导致材料磁性能的变化（形变马氏体），而20Mn23AlSiMoTi属于稳定态的奥氏体钢，如前所述成分设计是采用高Mn适当的Al（抑制马氏体相变），使该钢种在形变发生较大改变的情况下组织仍是奥氏体。将该钢条分别冷弯90度和180度后，无任何磁感现象。不锈钢则大不同，冷弯后有较强磁性。
表8 不同无磁钢形变后对导磁率的变化
钢种 冷加工变形量
0% 3% 5% 10% 15%
20Mn23AlSiMoTi 1.003 1.003 1.005 1.008 1.016
1Cr18Ni9Ti 1.040 1.050 1.150 1.330 1.580
0Cr18Ni9 1.040 1.045 1.130 1.250 1.500
矿热炉为大电流设备，国内大型矿热炉窑电流可达10WA，正常也在3WA左右，所以矿热炉四周磁场强度，金属结构件对抗磁场性能要求也，大程度的减少无功损耗及磁滞损失。20Mn23AlSiMoTi磁导率低更低而电阻率高等特性，在磁场中的涡流损耗较小。从而减少由于电磁感应引起的电能损耗。现在的炉盖、炉体、投料管等部件设计使用不锈钢是为了达到隔磁，不产生涡流耗电的目的，但实际上不锈钢304或321是有弱磁性的不稳定奥氏体钢，消耗电能不少；若选有磁的普碳钢板做炉盖材料、产生涡流耗能严重。由此认为从磁性和节电的角度选材，20Mn23AlSiMoTi是一种优良的材料。
3）具有的耐晶间氧化（或晶间腐蚀）
1Cr18Ni9Ti（321）或0Cr18Ni9在高温下使用，不能回避的一个问题是易发生敏化而导致晶间腐蚀的问题。发生晶间腐蚀的机理是贫铬，晶间腐蚀是指奥氏体不锈钢在350~850℃区间受热后，原来固溶在奥氏体中的碳与铬结合，在奥氏体晶界以Cr23C6碳化物的形式析出，造成了晶界区的奥氏体贫铬，即铬降到不锈钢耐腐蚀所需要的低含量以下，从而使腐蚀集中在晶界的贫铬区。贫铬区的厚度为10~41nm。贫铬区成为微阳极，Cr23C6和其余奥氏体区成了微阴极，于是构成了腐蚀微电池。这就是通常所说的奥氏体不锈钢晶界腐蚀的贫铬论。炉体使用又恰好在这一温度范围，晶间腐蚀一但发生，其补焊将非常困难，理论上应该选低碳、高Cr、Ni型含Si、Mn、Ti的，3Cr18Ni20Si2、1Cr25Ni20Si2、或是08Cr18Ni12Mo3Ti，但大部分用户选用普通304或321不锈钢做炉体设备，极易造成晶间腐蚀，出现裂纹，发生漏水故障。20Mn23AlSiMoTi耐热无磁钢中不存在铬，就不会存在晶间腐蚀。它的腐蚀来自表面的长期氧化，如需补焊时，打磨干净即可焊接完成，焊后也不会出现晶粒粗化和贫铬现象。
2、具有低成本，选材更加经济，低碳环保型经济
20Mn23AlSiMoTi耐热无磁钢属于高合金碳钢，合金主要为常用合金Mn和Al，受国际金属价格波动影响小，成本变化也小。无磁性能和节电效果明显。不锈钢321、304需要使用比较昂贵的Ni、Cr。当前国际Ni价波动性较大，材料成本随之波动，对高成本采购的下游制造企业的生产成本形成一定的冲击。当304，321由自身的弱磁性经过加工，变形，焊接，高温，影响下会产生较明显磁性，进而产生涡流发热，影响节能节电。中国是一个Ni资源匮乏的国家，主要依赖进口，选用无Ni的的20Mn23AlSiMoTi耐热无磁钢符合国家倡导的低碳环保型创新。
四、结论
太钢生产的无磁钢是国内品种规格较全，已在全国变压器行业、电磁铁行业、电炉制造企业得到广泛应用。主要用于铁芯拉杆、夹件、油箱壁、法兰、炉盖、炉裙、水套、保护屏、压力环、下料管、下料嘴、钢梁、炉体、下把持筒等结构件制作，要求不导磁的部件上。
20Mn23AlSiMoTi耐热无磁钢在矿热炉制作钢结构件方面具有如下特性：
1、在650℃ 46小时，900℃ 140小时后抗磁性能仍保持稳定在1.05高/奥，完全满足矿热炉的抗磁要求。
2、在650℃、900℃时抗氧化性为Ⅱ级，能够满足在水冷条件下矿热构件的高温工作要求。
3、在900℃ 400小时后，金相无碳化析出，无新相出现，有助于在使用中发现渗漏及时焊补，方便后期的切割、焊接等局部维修；1Cr18Ni9Ti则有碳化物Cr23C6析出，呈现晶间腐蚀，沿着或紧挨着金属的晶粒边界发生腐蚀、裂纹缺陷，出现渗漏后，不好现场切割，难以抢修焊补。
4、韧性好，金相组织为奥氏体，可直接采用火焰切割，方便易行；相同材料焊接、与碳钢不锈钢焊接不易产生裂纹和其它缺陷，具有较好的可焊性。
5、1Cr18Ni9Ti在冷加工时易出现形变马氏体，产生出磁性，不利于矿热炉用非磁性材料的要求。在强磁场中会产生涡流，增加电耗，装备的构件发热、烧红现状。
6、20Mn23AlSiMoTi的传热系数1Cr18Ni9Ti，更利于做水冷构件，使用周期较一般不锈钢更长久。
7、20Mn23AlSiMoTi焊接有的焊条THJ286WCI-2，焊接金属磁导率低，抗磁性能好，抗裂性能。
8、20Mn23AlSiMoTi与1Cr18Ni9Ti相比较，，是创新驱动发展的。
综上所述，在矿热炉制造中，使用20Mn23AlSiMoTi比1Cr18Ni9Ti、304无论从性能上还是价格上都有很强的优势和潜力。