53 t 12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子電渣錠研制

溫培建 向大林

(浙江電渣核材有限公司，浙江314305)

生產(chǎn)技術(shù)

53 t 12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子電渣錠研制

溫培建 向大林

(浙江電渣核材有限公司，浙江314305)

利用自主研發(fā)的130 t電渣爐，結(jié)合對12%Cr材料的認(rèn)識和巨型高品質(zhì)電渣錠的生產(chǎn)經(jīng)驗，制定了技術(shù)方案，生產(chǎn)了53 t 12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子電渣錠，在氬氣保護(hù)、渣系和脫氧制度等關(guān)鍵技術(shù)方面積累了經(jīng)驗。

12%Cr；超超臨界轉(zhuǎn)子；電渣錠

超超臨界轉(zhuǎn)子在高溫、高壓及過熱蒸汽環(huán)境中高速旋轉(zhuǎn)，承受高應(yīng)力、高溫度的雙重作用，服役條件惡劣，因此對材料提出了更高的要求。

超超臨界轉(zhuǎn)子鍛件生產(chǎn)的限制性環(huán)節(jié)在于缺乏高品質(zhì)巨型鋼錠，高品質(zhì)巨型鋼錠的生產(chǎn)技術(shù)一直是大鍛件制造的關(guān)鍵核心技術(shù)，是衡量一個國家制造業(yè)發(fā)展水平和科學(xué)技術(shù)擁有一定攻堅能力的重要標(biāo)志之一[1]。為了解決超超臨界轉(zhuǎn)子國產(chǎn)化的問題，研制轉(zhuǎn)子鍛件用鋼錠迫在眉睫，本文報告了電渣錠研制過程取得的成果。

1 技術(shù)要求

1.1 化學(xué)成分

材料牌號為12Cr10Mo1W1NiVNbN，電渣錠化學(xué)成分要求見表1。

1.2 對材料的認(rèn)識

為了滿足性能要求，超超臨界轉(zhuǎn)子鋼的化學(xué)成分設(shè)計與制造要求非常嚴(yán)格，成分更加復(fù)雜，合金元素含量越來越多，以Cr、Mo、V 為主，同時適當(dāng)添加W、Nb、N、Co、B 等元素。

12%Cr合金含量高，成分易偏析，鋼液的粘度大，夾雜物不易排出，電爐冶煉產(chǎn)生的以鉻氧化物為主的夾雜物易于凝集在鋼錠底部，且鋼錠下部易形成含碳量少的負(fù)偏析區(qū)，因此需要用電渣重熔法冶煉，才能獲得高純凈度和高均勻性的鋼錠。

通過表1可見，C、Si含量低，對脫氧制度提出了更高的要求。Al含量超過0.010%會對蠕變斷裂性能產(chǎn)生不利的影響，特別是CrMoV鋼，因此要求超低鋁。Nb和氧親和力強(qiáng)，為易氧化元素，在Si和Al含量低的情況下，Nb的控制是一個難題，不但要保證合格，而且要保證從下到上、從里到外的均勻性。

12%Cr轉(zhuǎn)子為馬氏體不銹鋼，電渣錠脫模后，退火處理。

表1 電渣錠化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The requirements of chemical composition of ESR ingot (mass fraction, %)

2 技術(shù)方案

2.1 結(jié)晶器

超超臨界轉(zhuǎn)子用電渣錠重量53 t，根據(jù)電渣錠重量尺寸，考慮到鍛造因素，公司設(shè)計并委托廠家制造匹配的結(jié)晶器，尺寸為?1560 mm/1630 mm×4450 mm。

2.2 氬氣保護(hù)

根據(jù)超超臨界轉(zhuǎn)子用鋼材料的特點，決定在惰性氣體氬氣保護(hù)下電渣重熔。公司沒有氬氣保護(hù)專用設(shè)備，專門設(shè)計并制造了氬氣保護(hù)裝置。

氬氣為液態(tài)，純度99.9%，容器容量30 t。液氬從容器出來后，經(jīng)氣化裝置轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，再經(jīng)穩(wěn)壓器調(diào)壓，通入6 m3的容器，再經(jīng)過干燥機(jī)處理，最后通過公司專有設(shè)備吹入結(jié)晶器。為了檢測氬氣保護(hù)的效果，冷態(tài)下調(diào)試，干燥后的氬氣濕度為0.3 g/m3，氬氣密度大于空氣，15 min后，結(jié)晶器內(nèi)充滿氬氣，測量結(jié)晶器不同位置濕度均為0.3 g/m3。調(diào)整氬氣流量，從450 m3/h逐漸減小至150 m3/h，結(jié)晶器內(nèi)濕度始終為0.3 g/m3。

開爐前，冷態(tài)下，再次測量氬氣保護(hù)效果，與上次不同的是，結(jié)晶器內(nèi)加入了未預(yù)熱的渣料。測量過程同上，但結(jié)晶器內(nèi)濕度差別很大，見表2。渣料未預(yù)熱，渣中的濕氣擴(kuò)散到氬氣中，影響到測量結(jié)果。結(jié)合兩次的檢測結(jié)果，決定氬氣流量為300 g/m3。

2.3 電極復(fù)檢

電極到達(dá)生產(chǎn)車間后，取樣復(fù)檢，分析結(jié)果見表3。

表2 結(jié)晶器內(nèi)濕度分布Table 2 The humidity distribution in the casting mold

表3 自耗電極成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Chemical composition of consumable electrodes (mass fraction, %)

3 生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)和過程控制

3.1 渣系

煉鋼就是煉渣，根據(jù)技術(shù)條件要求和電極復(fù)檢結(jié)果，決定在傳統(tǒng)6∶2∶2渣系的基礎(chǔ)上加入少量的石英砂。

Al2O32Al+3O

(1)

由式(1)可知，Al2O3含量過高，可能導(dǎo)致重熔過程增鋁。Al2O3具有典型的兩性特點，束縛一部分自由氧離子會影響渣系的堿度，降低渣鋼之間硫的分配系數(shù)，降低渣系去硫能力。因此，7∶3渣系是不可取的。Al2O3含量低，渣阻小，會影響熔化速度和增加電耗。因此，控制渣中Al2O3的含量在17%～25%范圍是合理的。

石灰干燥保存，隨用隨取，螢石精選。

渣中含量必須控制在0.5%以內(nèi)。既溶于渣池，也溶于鋼液，存在如下平衡關(guān)系。

FeOFe+O

(2)

在鋼渣這兩個互不相溶的液相里，其濃度在達(dá)到平衡時服從分配定律。在一定的溫度下，平衡濃度在鋼渣之間的分配系數(shù)為：

(3)

(4)

從式(2)、式(3)、式(4)可以看出，當(dāng)含量較高時，渣鋼間的氧平衡發(fā)生移動。為了達(dá)到新的平衡，渣中氧勢必向鋼中擴(kuò)散，導(dǎo)致鋼中氧含量升高和Si、Mn、Nb等合金元素的燒損。降低，則有[O]>L0[FeO]，鋼中氧就會向渣中轉(zhuǎn)移，這就是擴(kuò)散脫氧的原理。

在控制FeO<0.5%的前提下，必須提高活度α[FeO]，這可通過調(diào)節(jié)和控制爐渣的堿度來實現(xiàn)，因此加入了少量的石英砂。

3.2 氬氣保護(hù)

非密封狀態(tài)下，冷態(tài)和熱態(tài)氬氣保護(hù)效果差距甚遠(yuǎn)。在冷態(tài)條件下，氬氣密度比空氣大，很快充滿結(jié)晶器，只要很小的流量補(bǔ)充即可保證氬氣的保護(hù)效果。而熱態(tài)下，則截然不同，電渣重熔過程，在高溫條件下，氬氣分子間距變大，密度變小，在壓力差下與外界空氣產(chǎn)生對流。

氬氣保護(hù)效果與制定的工藝方案擬定的效果有很大的差距，通過電渣重熔后鋼錠化學(xué)成分變化即可證明。怎樣保證電渣重熔過程中氬氣保護(hù)效果是重點需要解決的問題。

計劃從以下兩個角度進(jìn)行改進(jìn)。在目前爐蓋的基礎(chǔ)上，制作專用工裝，盡量減少爐口敞開面積。難點在于，電渣重熔過程，爐口長期處于高溫輻射下，什么樣的耐火材料適用。如果做成水冷結(jié)構(gòu)，笨重不便于操作。在電渣重熔過程中，加大氬氣的流量，具體量化值還有待于生產(chǎn)過程驗證。

目前，國內(nèi)幾家企業(yè)為了超超臨界轉(zhuǎn)子用鋼錠新上了從國外引進(jìn)的單相氣密保護(hù)電渣爐，效果如何，未見報道。

3.3 脫氧制度

12%Cr鋼中易氧化元素很多，并且范圍狹窄，這就對脫氧提出了更高的要求。通過脫氧制度實現(xiàn)電渣錠從底部到頂部，從外到內(nèi)的成分均勻性。煉鋼就是煉渣，要至始至終控制渣的還原性，公司利用鋁、硅鈣和鋁鈣綜合脫氧，達(dá)到控制渣中FeO≤0.5%的目的[2]。

電渣重熔過程中，因氬氣保護(hù)效果與預(yù)定方案有出入，到電渣重熔中后期，渣顏色逐漸由白變灰。渣由還原性逐漸向氧化性轉(zhuǎn)變，這是個由量變到質(zhì)變的過程。通過加強(qiáng)脫氧力度，脫氧量高達(dá)130 g/min，爭取控制渣的還原性。但最后階段，因渣氧化性逐漸積累到一定程度，造成鋼錠頂部質(zhì)量不好，高度為700 mm～800 mm。

3.4 電渣錠頂部孔洞

電渣錠模冷5 h脫模，脫模后，發(fā)現(xiàn)電渣錠頂部有1個洞，形狀似碗，深約400 mm，直徑約700 mm，見圖1。

圖1 53 t 12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子用電渣錠Figure 1 53 t ESR ingot for 12%Cr ultra-supercritical rotor

此鋼種為馬氏體不銹鋼，如冷卻時間長，鋼錠底部溫度降至相變溫度以下，有開裂風(fēng)險，所以制定的模冷5 h比計算出的6 h提前了1 h。另外，電渣重熔后期，渣變灰，氧化性已很強(qiáng)，煉鋼效果很差，很易形成鋼渣混合，如若再嚴(yán)重，就會出現(xiàn)渣冒漲的風(fēng)險。

在此之前，某研究所通過模擬計算提出，電渣重熔過程中電渣錠底部溫度低于馬氏體相變溫度，鋼錠有開裂的風(fēng)險。如果電渣重熔超超臨界轉(zhuǎn)子用鋼，要通過抽錠的方式，在鋼錠底部專門設(shè)計保溫設(shè)備。我公司分析，電渣重熔把冶煉和冷卻合二為一[3]，上部渣池熔池溫度向下傳遞，鋼錠內(nèi)部溫度向外傳遞，重熔過程不會有開裂的風(fēng)險，經(jīng)此次生產(chǎn)證明，我們的分析是正確的。

通過電渣錠頂部孔洞的尺寸，可以佐證大直徑電渣錠電渣重熔過程熔池深度約為直徑的一半。

3.5 電渣錠退火

電渣錠脫模退后，進(jìn)熱處理爐退火。450℃保溫10 h，升溫至730℃保溫30 h，緩冷至180℃，出爐。

3.6 電渣錠成分控制

電渣錠退火后，利用錠身溜鋼取樣分析成分，結(jié)果如表4所示。

從表3和表4對比可以看出，電渣錠Nb燒損嚴(yán)重，燒損率近60%，其余各元素都在合格范圍內(nèi)，與電極成分基本一致。為了進(jìn)一步確定Nb

表4 電渣錠成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 4 Chemical composition of ESR ingot (mass fraction, %)

的含量，送樣復(fù)檢，結(jié)果和表4一致。

4 需要改進(jìn)的地方

4.1 氬氣保護(hù)

氬氣保護(hù)，開口狀態(tài)下冷態(tài)和熱態(tài)相差甚遠(yuǎn)。制作專門的爐口工裝，增加爐口的密封度。改進(jìn)輸送氬氣裝置，增大氬氣流量和提高流量的穩(wěn)定性。在冷態(tài)不加入渣料的情況下，測量結(jié)晶器內(nèi)不同位置濕度分布。

4.2 成分控制

通過提高氬氣保護(hù)效果和改進(jìn)脫氧制度，控制各元素成分，尤其是Nb，不但要保證合格，而且要保證從下到上、從里到外的均勻性。

4.3 脫模

脫模時間延長1 h至6 h。

5 結(jié)束語

通過12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子53 t電渣錠的研制，取得了很多寶貴的關(guān)鍵技術(shù)，積累了經(jīng)驗。同時提出需要改進(jìn)的地方，如氬氣保護(hù)、關(guān)鍵成分控制等。

[1] 向大林.關(guān)于巨型鋼錠電渣技術(shù)之我見[J].大型鑄鍛件,2010(4):38-47.

[2] 溫培建,向大林. 電渣重熔大型高品質(zhì)鋼錠脫氧制度研究[J].大型鑄鍛件,2016(1):23-25.

[3] 向大林.大型電渣重熔值得注意的幾個問題[J].大型鑄鍛件,2011(1):26-33.

[4] 溫培建,向大林. 28.4t 1Mn18Cr18N護(hù)環(huán)電渣錠生產(chǎn)[J]. 大型鑄鍛件,2016(4):42-44.

[5] 溫培建,向大林,楊新旭. 56t～79t加氫反應(yīng)器用電渣錠批量生產(chǎn)[J]. 大型鑄鍛件,2015(4):29-33.

[6] 向大林,辜榮如. CAP1400主管道用112t電渣錠研制[J]. 大型鑄鍛件,2014(3):26-29.

[7] 溫培建,向大林. 汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子用75t電渣錠生產(chǎn)[J]. 大型鑄鍛件,2016(6):48-50.

[8] 向大林,辜榮如,談家寶. 130t電渣爐的技術(shù)特點[J]. 大型鑄鍛件,2014(4):25-28.

編輯 杜青泉

Development of 53 t ESR Ingot for 12%Cr Ultra Supercritical Rotor

Wen Peijian, Xiang Dalin

By using the self-developed 130 t electroslag furnace, and combining the understanding of 12%Cr material and the production experience of heavy high-quality ESR ingot, the technical solution has been prepared, and 53 t ESR ingot for 12%Cr ultra-supercritical rotor has been manufactured. Meanwhile, the experience of key technology in the aspect of argon shield, slag system and deoxidation technology has been gained.

12%Cr; ultra-supercritical rotor; ESR ingot

2016—09—29

溫培建(1982—)，男，碩士，從事巨型高品質(zhì)電渣錠工藝技術(shù)和研發(fā)。

TF142

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