汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子用75 t電渣錠生產(chǎn)

溫培建 向大林

(浙江電渣核材有限公司，浙江314305)

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汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子用75 t電渣錠生產(chǎn)

溫培建 向大林

(浙江電渣核材有限公司，浙江314305)

通過采用低H、低Al控制技術(shù)，成功生產(chǎn)了兩根汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子用75 t電渣錠。電渣錠底部成型良好，表面光潔，無渣溝，頂部補(bǔ)縮平整密實(shí)。

汽輪機(jī)；低壓轉(zhuǎn)子；電渣錠；電渣重熔

汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子是發(fā)電設(shè)備的核心部件。根據(jù)JB/T 7178—2002《300 MW～600 MW汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件技術(shù)條件》，要求電渣錠純凈度高，夾雜少，成分均勻性高，同時(shí)低Si、低P、低S、低H、超低Al(Al≤0.010%)。電渣重熔的方法為生產(chǎn)高品質(zhì)巨型電渣錠提供了新方法、新途徑。本文報(bào)告了兩根汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用75 t電渣錠的生產(chǎn)及對鍛壓電渣錠的一些認(rèn)識。

1 技術(shù)方案

制定兩根75 t電渣錠技術(shù)方案主要考慮以下幾個(gè)因素：

1.1 低H控制技術(shù)

低壓轉(zhuǎn)子對H特別敏感，電渣錠H含量必須控制在2×10-6以內(nèi)。大氣下電渣重熔對H的控制是有難度的，北方空氣干燥，稍好些，南方空氣潮濕，濕度課達(dá)到30 g/m3。利用直徑1.8 m結(jié)晶器，氣渣接觸界面很大，加之巨型電渣錠重熔時(shí)間長達(dá)數(shù)十小時(shí)。因此，低H控制是一大難題。

我公司130 t電渣爐裝備氣體保護(hù)設(shè)施，具有可靠又可控的保護(hù)熔煉功能，可以在線測量大氣和爐內(nèi)濕度，爐內(nèi)濕度始終小于1 g/m3，而且不存在濕度梯度。圖1為利用最大2 m結(jié)晶器空載狀態(tài)下測量的爐內(nèi)濕度值。

1.2 低Al的控制技術(shù)

鋼中Al含量超過0.010%時(shí)會對蠕變斷裂性能產(chǎn)生不利的影響，特別是CrMoV鋼。

01/4r1/2r3/4rr11109876543210.70.80.80.80.80.80.80.80.80.90.90.70.70.80.80.80.80.80.80.80.80.90.70.70.70.70.80.80.80.80.80.80.90.60.70.70.70.70.70.80.80.80.80.80.70.70.70.70.80.80.80.80.80.90.9

圖1 2 m結(jié)晶器內(nèi)濕度分布

Figure 1 The humidity distribution of 2 m casting mold

電渣錠中鋁的來源有以下幾個(gè)方面：

(1)自耗電極中的殘余鋁；

(2)重熔過程中加入的含鋁脫氧劑；

(3)熔渣組元Al2O3。

自耗電極中的殘余鋁可以控制到0.010%以下。

重熔過程中也可以不加入含鋁的脫氧劑。但在一定的渣制度下，不含鋁的脫氧劑如果使用不當(dāng)，也可能引起增鋁，比如用Ca-Si脫氧，重熔過程中就有可能發(fā)生如下反應(yīng)而使金屬熔池增鋁。

3Ca+Al2O32Al+3CaO

(1)

3Si+2Al2O34Al+3SiO2

(2)

由于渣中有約20%Al2O3的，渣鋼之間勢必存在著如下平衡：

Al2O32Al+3O

(3)

因此，在一定的渣制度下，當(dāng)自耗電極中鋁含量較低時(shí)，熔池就可能增鋁，就是在Si、Mn大量氧化燒損的情況下也可能增鋁。而當(dāng)自耗電極中的鋁含量較高時(shí)，又不宜用減少脫氧劑以提高渣中FeO含量的辦法來解決。鋁畢竟是殘余元素，再高至少也應(yīng)比易氧化的Si、Mn等合金元素低一個(gè)數(shù)量級。因此，這可能只是Si、Mn等合金元素的氧化，而Al卻不被氧化，降不下來。若讓其自然燒損到0.010%以下，這樣勢必發(fā)生Si、Mn的大量燒損而脫格，造成鋼中氧含量上升，脫硫率下降，最終惡化鋼的冶金質(zhì)量，甚至不合格。

顯而易見，需要解決控制冶金反應(yīng)的方向、順序和限度的問題，保證在用低鋁電極(Al≤0.010%)重熔時(shí)，不增鋁。當(dāng)電極鋁高于0.010%時(shí)，又能保證把鋁降到0.010%以下，而Si、Mn燒損又不太嚴(yán)重。同時(shí)還要保證高的氧純凈度和高的硫純凈度。這就要研制適宜的渣系和與之配合的脫氧制度。

采用55%CaF2、20%CaO、20%Al2O3、5%SiO2渣系。石灰密封保存，避免吸潮，隨用隨取。螢石精選，達(dá)到特級，CaF2≥98%，SiO2≤1.5%，P≤0.030%，避免增P，塊度?5 mm～50 mm。

重熔過程加脫氧劑的目的是為了脫掉進(jìn)入熔渣及鋼中的氧，脫氧元素能優(yōu)先被氧化，既起到脫氧的作用，又對鋼錠成分影響最小。脫氧元素優(yōu)先被氧化的前提條件是：與鋼種要求的該元素平衡時(shí)鋼中氧的活度值最小。

鋼中某元素M和O發(fā)生反應(yīng)：

x[M]+y[O](MxOy)

(4)

(5)

反應(yīng)平衡時(shí)鋼中氧的活度值為：

(6)

式中，a[MxOy]為渣中氧化物(MxOy)的活度；a[O]、a[M]分別為鋼中O和M的活度；K為平衡常數(shù)。

由式(5)可見，平衡時(shí)氧的活度與氧化物生成的自由能有關(guān)，與該元素在鋼中的含量有關(guān)，還與渣中該氧化物的活度有關(guān)。通常，鋼中含有若干種易氧化元素，但是其中必有一種元素控制著鋼中最低氧含量，即與他平衡時(shí)鋼中氧活度最低。

所以選擇Al-Ca和Si-Ca復(fù)合脫氧。合適的脫氧劑用量是指所加的脫氧劑剛好把進(jìn)入渣中的氧脫除而自身也全被氧化。

1.3 電渣錠成分均勻性

電極6個(gè)爐號，共57根，生產(chǎn)方法：EAF+LF+VOD。各爐號化學(xué)成分見表1 。

利用公司專利技術(shù)[1-5]，將上述成分有差異的6個(gè)爐號、57根電極(表1)成功生產(chǎn)出成分高度均勻的兩根汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子用75 t電渣錠。其中一根汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子用75 t電渣錠軸向化學(xué)成分變化如表2所示。大鋼錠的均勻性控制很難。電渣錠直徑約1 800 mm，電渣重熔時(shí)間最長達(dá)40 h。既要注意控制大截面凝固偏析以獲得橫向均勻性，又要在長達(dá)40 h的重熔期間注意控制合金元素?zé)龘p以獲得高的縱向均勻性。

鋼錠的偏析取決于凝固冷卻速度，從提高冷卻速度的傳熱入手，充分發(fā)揮電渣技術(shù)高速冷卻、快速凝固的優(yōu)勢獲得橫向高均勻性。對電極的組配、渣系的選擇、熔渣堿度及氧化性的控制、重熔工藝、脫氧工藝等方面充分考慮。對比表2和表1可以看出，取得了很好的效果。

2 電渣重熔過程控制技術(shù)

2.1 引燃造渣

表1 自耗電極成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 電渣錠軸向成分分布(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

本鋼種電極、引錠板引燃造渣，渣料不預(yù)熱。研究和生產(chǎn)結(jié)果表明，爐氣濕度、渣池氫、金屬熔池氫三者之間有一個(gè)平衡關(guān)系。生產(chǎn)過程中，有可靠的干燥空氣保護(hù)，爐內(nèi)濕度始終保持小于1 g/m3，渣料使用前不烘烤。70多只50 t～124 t的多種牌號的電渣錠生產(chǎn)結(jié)果表明，電渣錠底部H含量不但不存在峰值，而且和整個(gè)鋼錠一致，都在2×10-6以下。這既減少了設(shè)備投入，又節(jié)約了能耗，降低了成本，同時(shí)還改善了勞動環(huán)境。

利用公司專門的引燃造渣技術(shù)，升溫速度快，造渣時(shí)間短，電渣錠底部成型棱角分明，底部質(zhì)量優(yōu)良。

2.2 正常重熔

電渣重熔結(jié)晶組織的決定性因素是重熔過程中熔池的深度。經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，熔池深度不應(yīng)超過鋼錠的半徑。

熔池的深度取決于輸入功率，輸入功率決定電流電壓，同時(shí)電流電壓為熔化速度服務(wù)，所以熔池深度的控制就相當(dāng)于熔化速度的控制，而熔化速度的控制可以通過支臂的下降速度來控制。

重熔過程中，適時(shí)逐漸降低電壓，不允許升電壓?？刂齐娏鞯钠胶?，在保證規(guī)定熔化速度和不明弧的前提下，最小的電流就是最優(yōu)選電流。這樣渣層里電極斷面是平的，而不是有錐頭。

補(bǔ)縮是逐漸降低功率，逐漸降低熔化速度，逐漸降低熔池深度的過程。熔池深度的變化是從引燃造渣的零深度逐漸增加，達(dá)到熱輸入和冷卻平衡時(shí)為最大，然后一直保持這個(gè)深度直至補(bǔ)縮開始。補(bǔ)縮階段，溫度降低，熔池深度逐漸變淺直至補(bǔ)縮結(jié)束。

3 分析與討論

電渣錠鍛造并機(jī)加工后經(jīng)超聲檢測，沒有發(fā)現(xiàn)密集缺陷，單個(gè)缺陷數(shù)量少，尺寸小，都在?1.6 mm以下。經(jīng)成分分析，H含量在1.6×10-6以下，Al含量在0.010%以下。下面對電渣錠鍛造的一些認(rèn)識進(jìn)行一些討論。

3.1 鉗把應(yīng)壓在頂端

電渣錠的優(yōu)勢之一是鋼錠利用率高。電渣錠熱塑性好，鍛壓裂紋少甚至不產(chǎn)生裂紋，燒剝清理大大減少。鋼錠利用率較高的突出表現(xiàn)還在于兩端切除量少。不管是冷啟動還是熱啟動，只要重熔工藝得當(dāng)，底端的冶金質(zhì)量都是好的。

眾所周知，電渣錠盡管有長時(shí)間的補(bǔ)縮，但頂端補(bǔ)縮的最后凝固部位，仍不免會存在一定的凝固缺陷。這是一切鋼錠凝固的自然規(guī)律和正常現(xiàn)象，只要將鉗把壓在頂端，鍛壓時(shí)，補(bǔ)縮最后凝固部位的缺陷就不致發(fā)生凹縮，而且又可避免頂端補(bǔ)縮最后凝固部位可能出現(xiàn)的鍛造裂紋的擴(kuò)展。

采用專利技術(shù)[5]鍛壓，還可以使頂端補(bǔ)縮的最后凝固部位鼓出，然后進(jìn)行拔長。此時(shí)，由于頂端呈鼓形凸面，在拔長過程中不致凹縮，最后頂端切除量大大減少，鋼錠利用率大大提高。壓機(jī)若有抱鉗，用這種方法鍛壓，可以用抱鉗夾住鼓出的鋼錠頂部直接拔長而省去鉗把，鋼錠利用率可達(dá)90%。

3.2 應(yīng)注重變形量，不必追求鍛比

應(yīng)該看到，電渣錠與電爐錠不同，自然，鍛壓也應(yīng)與電爐錠有所不同。

電渣錠不是像電爐錠那樣以總量液態(tài)金屬而是以少量金屬熔池形式進(jìn)行凝固的。電渣重熔是邊熔煉邊凝固，整個(gè)過程中，處于液體狀態(tài)的金屬重量要比電渣錠重量小許多倍。而且，在凝固過程中，電渣錠不是像電爐錠那樣靠自然冷卻緩慢結(jié)晶，而是在強(qiáng)制冷卻條件下快速凝固的。

電渣錠在凝固過程中，上部始終有高溫渣池加熱，同時(shí)底部又受到強(qiáng)制水冷，模壁與鋼錠之間的渣殼和凝固收縮形成的間隙，起到徑向絕熱作用。這樣，液態(tài)金屬熔池同時(shí)受到定向加熱和定向冷卻的雙重作用，這種雙重作用使凝固過程不是在封閉的體積內(nèi)進(jìn)行，而保持在很陡的溫度梯度條件下的定向漸進(jìn)結(jié)晶特點(diǎn)，凝固收縮可以得到源源不斷的液體金屬補(bǔ)充。所以，電渣錠沒有縮孔和疏松，組織極其致密，中心也是致密的，以致未經(jīng)鍛壓的電渣錠的密度與鍛比為4～6的電爐鋼鍛件的密度相當(dāng)。因此，電渣錠無需反復(fù)鐓拔(特別是高合金鋼更不宜反復(fù)鐓拔)，不必像鍛壓電爐錠那樣追求鍛比，熱加工給予的變形量只要足以破碎鑄態(tài)組織能成型即可。

4 結(jié)論

汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子用電渣錠的生產(chǎn)，應(yīng)充分考慮低H控制、低Al控制、高純凈度和高均勻性的獲得。

目前，國內(nèi)越來越多的企業(yè)認(rèn)識到電渣重熔技術(shù)的重要性，近幾年新建了幾臺電渣爐，電渣技術(shù)得到了蓬勃的發(fā)展。

[1] 向大林，等. 一種多個(gè)小爐生產(chǎn)大型鋼錠的電渣重熔法：中國， ZL 2012 1 0247584.3[P].

[2] 向大林，等.電渣重熔爐：中國，ZL 2013 1 0069507.8[P].

[3] 向大林，等.一種電渣鋼殘余鋁的控制方法：中國，ZL 2012 1 0252479.9[P].

[4] 向大林，等.一種電渣重熔的低氫控制方法：中國，ZL 2012 1 0252486.9[P].

[5] 謝培德，周永達(dá)，汪建明，等. 一種電渣錠鍛壓臺階軸的鍛造方法：中國，2013 1 0012336.5[P].

編輯 杜青泉

Production of 75 t ESR Ingot for LP Rotor of Steam Turbine

Wen Peijian, Xiang Dalin

By adopting the control technique with low hydrogen and low aluminum, 75 t ESR ingots used for two LP rotors of steam turbine have been manufactured successfully. The bottom appearance of two ESR ingots is good with smooth surface and free of slag runner. Meanwhile, the feeding on the top of ingots is flat and tight.

steam turbine; LP rotor; ESR ingot; electroslag remelting

2016—07—29

TF142

B