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TLA-OHF耐熱無磁鋼在礦熱爐中應用展望

摘要：TLA-OHF（20Mn23AlSiMoTi）屬于C-Mn-Fe系奧氏體鋼，其特點是具有良好的強韌性、優異的無磁性，并具有一定的耐高溫，耐氧化性，不產生晶間腐蝕裂紋，成本相對低廉，整體綜合性價比高于不銹鋼，是礦熱爐爐體用鋼的首選優良材料。

關鍵詞：20Mn23AlSiMoTi、礦熱爐

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

國內最早的20Mn23AlV無磁鋼作為一種鋼鐵功能材料，是一種在磁場作用下基本不產生磁感應的低磁鋼鐵材料，相對磁導率＜1.01，其所謂的“無磁”性是指在室溫、中溫（常溫~800℃）下組織均為穩定的單一奧氏體，生產方和使用方都形象地稱之為無磁鋼。20Mn23AlV作為功能性材料，用途已涉及電力、軌道交通、建筑以及國防軍工等諸多領域，尤其是電力行業20Mn23AlV已是各大變壓器廠變壓器內部結構件用隔磁鋼板指定的專用牌號，年用量在1萬噸以上。近年來隨著對20Mn23AlV鋼的研究深入，我公司與太鋼共同新研發出礦熱爐專用TLA-OHF耐熱無磁鋼，已開始在硅鐵爐、電石爐上進行了替代性使用，效果良好，故此展望在與同工況條件下的礦熱爐、硅鐵爐、鎳鐵爐、工業硅爐中也可以完全替代高成本、易開裂的304、321不銹鋼。

二、TLA-OHF（20Mn23AlSiMoTi）的鋼種特性

1、成分特點：

20Mn23AlSiMoTi為C-Mn-Fe體系的奧氏體鋼，各元素的添加是依據鋼種的特性（穩定的奧氏體組織，具有較好的抗氧化性、抗磁性能及高溫沖擊韌性、塑性）來進行匹配的。主要化學元素如下：

表1  20Mn23AlSiMoTi化學成分

①碳對鋼性能的影響

碳在鋼中的主要作用是提高鋼的強度和平衡奧氏體組織，隨著鋼中碳含量的增加，鋼材的強度隨之提高，但韌性和塑性卻降低。由于該鋼要求強度高，韌性也要求高，因而鋼中碳含量不宜太高，碳含量為0.14~0.20\%，較低C含量有利于改善焊接性能，同時大大降低無磁結構鋼的線膨脹系數。

②錳對鋼性能的影響

錳是穩定化奧氏體主要元素，可細化鋼的組織，從而提高材料的強度，并提高鋼的耐磨性，Mn同時又是冷加工硬化元素，強化效果非常明顯，含量為21.5~25.0\%。另外，錳還有脫氧固定硫的作用，可阻止因生成FeS而導致熱脆現象。

③鋁對鋼性能的影響

鋁能有效抑制 γ一ε馬氏體相變，從而使奧氏體組織更加穩定。同時由于Al也是一種耐熱性的元素，高溫狀態下會使鋼的表面形成一種致密耐高溫氧化膜（Al₂O₃或AlN），工件高溫壽命大幅度延長。除以上2種作用，Al還具有細化晶粒，以及提高韌性的作用，含量為1.50-2.50\%。可有利于降低鋼材表面硬化現象，同時有利于機械冷加工。

④鉬在鋼中的作用

鋼中加入鉬以后，由于含鉬的氧化膜較為致密，能阻止氯離子的穿透，抗多種類酸腐蝕，提高鈍化膜強度和耐點蝕性，以及縫隙腐蝕。特別在鹵鹽或氯離子的冷卻水里，可提高鋼的相對氯化物應力腐蝕的能力，還可以提高鋼的高溫強度，抗蠕變性。

⑤硅在鋼中的作用

     硅在鋼中和鉻一樣，可形成FeO.SiO2致密氧化層，即可形成鈍化氧化膜，提高鋼的抗高溫氧化性，能部分的代替鉻。當硅含量小于2\%時，還能提高鋼的抗滲碳性和硫氣氛中的抗蝕能力。

⑥鈦在鋼中的作用

     鈦可細化晶粒，它能使鋼的內部組織致密，還能提高耐蝕性，可有效防止產生晶間腐蝕，還能降低時效敏感性和冷脆性，改善焊接性能。

2、機械性能

1）常溫                                    

表2   20Mn23AlSiMoTi力學性能

2）高溫性能                              

表3  20Mn23AlSiMoTi高溫狀態下強度性能變化

3、磁性能                                 

表4   20Mn23AlSiMoTi磁性能

太鋼萬邦爐料有限公司，針對TLA-OHF、321、310S，三種材料進行了感應電壓值測試：

以此衡量材料的磁性能水平，數字說明TLA-OHF耐熱無磁鋼磁導率最低，隔磁效果最好。

4、抗氧化性能                  

表5  20Mn23AlSiMoTi抗氧化性能

5、焊接性能

20Mn23AlSiMoTi的焊條種類較多（不銹鋼奧氏體焊條A307、A307Si以及高MnCrNi無磁鋼焊條THJ286WCI），為保證焊接金屬低磁導率，組織均勻性以及晶間無缺陷，建議選擇20Mn23AlSiMoTi焊接專用的焊條THJ286WCI-2，焊后可不經過熱處理，其焊后抗磁性能好，抗裂性能極高。

THJ286WCI-2高錳無磁鋼焊條，金相組織為單相奧氏體，熔敷金屬成分也接近20Mn23AlSiMoTi耐熱無磁鋼，在設計上就解決了不銹鋼焊條雙相組織有較強磁性的不足。20Mn23AlSiMoTi由于錳含量較大，在理論上淬硬傾向大，特別是大厚板（板厚大于15mm）的焊接，在多次循環熱輸入條件下，焊接裂紋的傾向增大不可避免。為了解決這一問題，經過三年來多次實驗得出，20Mn23AlSiMoTi無磁鋼焊縫，應采用THJ286WCI酸性焊材與THJ286WCI-2高錳無磁鋼焊材，共同焊接。即先使用THJ286WCI-2焊條打底焊接。保證焊接力學性能穩定，不開裂，最后可使用THJ286WCI覆蓋一層，保證無磁，使用這一方法彎曲試驗合格，焊縫無磁性。

由我公司和天津大橋焊條廠共同研制生產的THJ286WCI-2高錳無磁鋼焊條，焊前焊條必須經過300℃-320℃烘焙一小時到三小時，方可使用。THJ286WCI焊條焊前必須經過350℃-370℃烘焙二小時到三小時保溫，可正常使用。

表6   使用THJ286WCI-2焊接試樣焊縫拉伸試驗

三、20Mn23AlSiMoTi用于礦熱爐的優勢

1、使用20Mn23AlSiMoTi替代現行304、321的可行性

1）運行溫度650℃以下安全性可得到保障

高溫抗磁鋼是礦熱爐、電石爐、硅鐵爐、鎳鐵爐、工業硅爐等必不可少的金屬材料。爐業制造商生產的7500KVA、12500KVA、30000KVA等不同類型的礦熱爐，現均采用1Cr18Ni9Ti（321）或0Cr18Ni9不銹鋼，封閉式礦熱爐爐氣溫度要求控制在600℃，局部輻射高溫區大于800℃（誤操作可達1200℃），水冷構件鋼材表面低于爐氣溫度，對強度要求不高，從表3中可得到在600℃以下20Mn23AlSiMoTi的機械性能沒有大的改變，反而是1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9的高溫強度變化較大，對設備安全運行構成隱患（見表7），水冷構件是可以使用20Mn23AlSiMoTi替代現行304、321。

表7不同鋼種高溫強度數據

2）具有優秀的低磁性能及穩定性

眾所周知，1Cr18Ni9Ti（321）或0Cr18Ni9不銹鋼屬于亞穩定態的奧氏體不銹鋼，本質應該屬于弱磁鋼，其在受到形變后（冷彎、焊接熱形變）都會導致材料磁性能的變化（形變馬氏體），而20Mn23AlSiMoTi屬于穩定態的奧氏體鋼，如前所述成分設計是采用高Mn適當的Al（抑制馬氏體相變），使該鋼種在形變發生較大改變的情況下組織仍是奧氏體。將該鋼條分別冷彎90度和180度后，無任何磁感現象。不銹鋼則大不同，冷彎后有較強磁性。

表8  不同無磁鋼形變后對導磁率的變化

礦熱爐為大電流設備，國內大型礦熱爐窯電流可達10WA，正常也在3WA左右，所以礦熱爐四周磁場強度極高，金屬結構件對抗磁場性能要求也極高，最大程度的減少無功損耗及磁滯損失。20Mn23AlSiMoTi磁導率低更低而電阻率高等特性，在磁場中的渦流損耗較小。從而減少由于電磁感應引起的電能損耗。現在的爐蓋、爐體、投料管等部件設計使用不銹鋼是為了達到隔磁，不產生渦流耗電的目的，但實際上不銹鋼304或321是有弱磁性的不穩定奧氏體鋼，消耗電能不少；若選有磁的普碳鋼板做爐蓋材料、產生渦流耗能嚴重。由此認為從磁性和節電的角度選材，20Mn23AlSiMoTi是一種優良的材料。

3）具有優異的耐晶間氧化（或晶間腐蝕）

1Cr18Ni9Ti（321）或0Cr18Ni9在高溫下使用，不能回避的一個問題是易發生敏化而導致晶間腐蝕的問題。發生晶間腐蝕的機理是貧鉻，晶間腐蝕是指奧氏體不銹鋼在350~850℃區間受熱后，原來固溶在奧氏體中的碳與鉻結合，在奧氏體晶界以Cr23C6碳化物的形式析出，造成了晶界區的奧氏體貧鉻，即鉻降到不銹鋼耐腐蝕所需要的最低含量以下，從而使腐蝕集中在晶界的貧鉻區。貧鉻區的厚度為10~41nm。貧鉻區成為微陽極，Cr23C6和其余奧氏體區成了微陰極，于是構成了腐蝕微電池。這就是通常所說的奧氏體不銹鋼晶界腐蝕的貧鉻論。爐體使用又恰好在這一溫度范圍，晶間腐蝕一但發生，其補焊將非常困難，理論上應該選超低碳、高Cr、Ni型含Si、Mn、Ti的，3Cr18Ni20Si2、1Cr25Ni20Si2、或是08Cr18Ni12Mo3Ti，但大部分用戶選用普通304或321不銹鋼做爐體設備，極易造成晶間腐蝕，出現裂紋，發生漏水故障。20Mn23AlSiMoTi耐熱無磁鋼中不存在鉻，就不會存在晶間腐蝕。它的腐蝕來自表面的長期氧化，如需補焊時，打磨干凈即可焊接完成，焊后也不會出現晶粒粗化和貧鉻現象。

2、具有低成本，選材更加經濟，低碳環保型經濟

20Mn23AlSiMoTi耐熱無磁鋼屬于高合金碳鋼，合金主要為常用合金Mn和Al，受國際金屬價格波動影響小，成本變化也小。無磁性能和節電效果明顯。不銹鋼321、304需要使用比較昂貴的Ni、Cr。當前國際Ni價波動性較大，材料成本隨之波動，對高成本采購的下游制造企業的生產成本形成一定的沖擊。當304，321由自身的弱磁性經過加工，變形，焊接，高溫，影響下會產生較明顯磁性，進而產生渦流發熱，影響節能節電。中國是一個Ni資源匱乏的國家，主要依賴進口，選用無Ni的性價比高的20Mn23AlSiMoTi耐熱無磁鋼符合國家倡導的低碳環保型創新。

四、結論

太鋼生產的無磁鋼是國內品種規格較全，已在全國變壓器行業、電磁鐵行業、電爐制造企業得到廣泛應用。主要用于鐵芯拉桿、夾件、油箱壁、法蘭、爐蓋、爐裙、水套、保護屏、壓力環、下料管、下料嘴、鋼梁、爐體、下把持筒等結構件制作，要求不導磁的部件上。

20Mn23AlSiMoTi耐熱無磁鋼在礦熱爐制作鋼結構件方面具有如下特性：

1、在650℃ 46小時，900℃ 140小時后抗磁性能仍保持穩定在1.05高/奧，完全滿足礦熱爐的抗磁要求。

2、在650℃、900℃時抗氧化性為Ⅱ級，能夠滿足在水冷條件下礦熱構件的高溫工作要求。

3、在900℃ 400小時后，金相無碳化析出，無新相出現，有助于在使用中發現滲漏及時焊補，方便后期的切割、焊接等局部維修；1Cr18Ni9Ti則有碳化物Cr₂₃C₆析出，呈現晶間腐蝕，沿著或緊挨著金屬的晶粒邊界發生腐蝕、裂紋缺陷，出現滲漏后，不好現場切割，難以搶修焊補。

4、韌性好，金相組織為奧氏體，可直接采用火焰切割，方便易行；相同材料焊接、與碳鋼不銹鋼焊接不易產生裂紋和其它缺陷，具有較好的可焊性。

5、1Cr18Ni9Ti在冷加工時易出現形變馬氏體，產生出磁性，不利于礦熱爐用非磁性材料的要求。在強磁場中會產生渦流，增加電耗，裝備的構件發生發熱、燒紅現狀。

6、20Mn23AlSiMoTi的傳熱系數高于1Cr18Ni9Ti，更利于做水冷構件，使用周期較一般不銹鋼更長久。

7、20Mn23AlSiMoTi焊接有專用的焊條THJ286WCI-2，焊接金屬磁導率低，抗磁性能好，抗裂性能極好。

8、20Mn23AlSiMoTi與1Cr18Ni9Ti相比較，性價比高，是創新驅動發展的典范。

綜上所述，在礦熱爐制造中，使用20Mn23AlSiMoTi比1Cr18Ni9Ti、304無論從性能上還是價格上都有很強的優勢和潛力。