300 t級超低碳不銹鋼鑄件冶煉技術(shù)研究

鄧 琴 李洪波 謝云飛 鞠慶紅 稅遠強 李 笑 曾 杰 楊先芝

(二重集團(德陽)重型裝備股份有限公司鑄鍛公司，四川618000)

近年來，隨著水電建設(shè)的不斷發(fā)展，一方面水電鑄件的超大型化明顯，其水輪機主要不銹鋼部件——上冠、下環(huán)的單件鋼水量已達到300 t級，超大型化的不銹鋼鑄件對重型機械制造企業(yè)的冶煉能力提出了更高的要求；另一方面，對上冠、下環(huán)等主要鑄件的要求也越來越嚴格。目前國內(nèi)大型及超大型水電不銹鋼鑄件上冠、下環(huán)基本采用Cr13型的材質(zhì)，標準中的化學(xué)成分均要求超低碳、低釩和低氣體含量，對鑄件的化學(xué)成分、純凈度等要求極其嚴格，因此也就對制造企業(yè)在冶煉過程中的化學(xué)成分控制、鋼水純凈度控制等環(huán)節(jié)提出了更高的要求。

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備條件，生產(chǎn)超大型C≤0.04%的Cr13型水電不銹鋼鑄件，我廠煉鋼工序采取VOD工藝流程，在一定的真空條件下實現(xiàn)“脫碳保鉻”的目的，使鋼中的C達到≤0.04%的要求。受冶煉爐臺能力的制約，煉鋼需要雙包VOD冶煉合澆300 t級的超低碳水電不銹鋼鑄件。由于涉及到雙包VOD生產(chǎn)的環(huán)節(jié)、影響因素，存在問題相較于單包VOD冶煉也更多，特別是VOD后保碳、控氮、鋼液純凈度、設(shè)備承受能力及安全等一系列問題，生產(chǎn)超大型超低碳水電不銹鋼鑄件難度非常大。

1 材料化學(xué)成分要求

我廠為某企業(yè)生產(chǎn)的大型上冠、下環(huán)鑄件產(chǎn)品，其化學(xué)成分要求見表1，殘余有害元素和氣體元素控制要求與其他同材質(zhì)標準比較見表2。

從表1和表2可以看出，該企業(yè)產(chǎn)品與其他相同或類似材質(zhì)的標準要求相比，殘余有害元素P、S、V和氣體元素H、O、N要求嚴格，尤其是S、V、O、N元素。同時該企業(yè)產(chǎn)品力學(xué)性能要求高，無損檢測要求嚴，因此對鋼水純凈度也提出了更高的要求。

表1 某企業(yè)上冠、下環(huán)鑄件產(chǎn)品熔煉及成品化學(xué)成分要求(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Smelting of crown and band castings and chemical compositionrequirement of final product of one enterprise (Mass,%)

表2 殘余有害元素和氣體元素控制要求對比(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 2 Control requirement comparison between residual harmful elements and gas elements (Mass,%)

2 難點分析

2.1 化學(xué)成分

2.1.1 元素C

VOD過程中，C含量往往已經(jīng)降到0.030%以下的極低程度，但下一步的真空處理過程中常出現(xiàn)C含量意外增加的現(xiàn)象，極易導(dǎo)致鋼中C含量超出標準要求。同時先VOD包次在等后包次VOD過程中也容易出現(xiàn)增C現(xiàn)象，所以達到標準要求的C≤0.04%非常困難。

2.1.2 元素V

該企業(yè)產(chǎn)品熔煉及成品均要求V≤0.05%，沒有成品分析偏差，在同類產(chǎn)品中要求比較嚴格。Cr13型不銹鋼冶煉時需要加入大量的鉻鐵合金，而普通鉻鐵合金中含V均較高，使用普通鉻鐵生產(chǎn)V≤0.05%的Cr13型不銹鋼很難達到，而搭配部分金屬鉻的生產(chǎn)成本又太高。

2.1.3 元素O

由于VOD過程的特殊性，鋼液在VOD結(jié)束后的一段時間內(nèi)鋼液內(nèi)的氧是過飽和的，因此也就導(dǎo)致了后續(xù)精煉過程中鋼液的脫氧任務(wù)很重，要保證滿足標準中O含量的要求困難較大。

2.1.4 元素N

因為N易與Cr等元素結(jié)合生成氮化物，特別是在Cr含量達12.3%以上的鋼種中，根據(jù)公式計算，N的飽和溶解度可達0.086%，而標準中要求N≤0.0150%，同時由于僅有一臺VOD設(shè)備，先VOD包次在等待后包次VOD的長時間過程中也容易出現(xiàn)增氮現(xiàn)象。因此，如何減少鋼中N含量并滿足標準要求有較大的難度。

2.2 鋼液純凈度控制難

煉鋼廠僅有一臺大型VOD冶煉設(shè)備，不能同時進行VOD生產(chǎn)，需要一爐鋼水VOD操作后，再進行另一爐鋼水VOD操作。這就存在先VOD冶煉完成后的鋼水在等待下一包鋼水VOD冶煉的過程中，鋼液容易吸氣及氧化程度加深，這增加了對鋼液純凈度的控制難度。

3 工藝技術(shù)分析

3.1 工藝流程

工藝流程為：EF→LF(S)→LF1(VOD)+ LF2(VOD)→合澆鑄件。

3.2 優(yōu)選原輔材料

使用成分明確的廢鋼和低碳、低釩、低雜質(zhì)的鐵合金，盡量減少P、S、Cu、W、V等有害元素和殘余元素的帶入量，同時精選造渣材料等。

3.3 電爐冶煉低磷粗水

電爐備料考慮一定的配碳量，使粗水在氧化脫碳過程中有一定的脫碳量，確保熔池有合適的沸騰改善傳質(zhì)和傳熱條件，但又不至于配碳過高，使得脫碳負擔(dān)加重。

通過強氧化、大渣量、換渣等手段冶煉出P≤0.003%的鋼水，以保證鋼包爐精煉后的成品鋼液中P含量達到最低水平。

3.4 鋼包爐造渣

在鋼包爐整個冶煉過程中造渣操作極其重要，因此根據(jù)不同的冶煉時期造不同的渣，如VOD結(jié)束后，除加入脫氧劑外，還需要加入石灰。因為石灰的加入對VOD后的精煉至關(guān)重要，是提升鋼液純凈度的重要保證，鋼液中加入的石灰形成熔渣后，是吸收脫氧產(chǎn)物的必要載體，也是阻隔鋼液再次吸氣的屏障。

3.5 鋼包爐化學(xué)成分控制

綜合考慮VOD過程中溫度升高、后期合金加入量、自由空間限制等因素，精煉合金化過程中主要控制C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo元素，合金元素調(diào)整到位后盡量做到VOD后不調(diào)整Cr、Ni、Mo含量。

3.5.1 控制元素C

3.5.1.1 分析增碳原因

根據(jù)2009～2014年煉鋼車間VOD生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，對VOD過程后增碳量進行了分析，其具體分布圖見圖1。

圖1 VOD過程后增碳量分布圖Figure 1 Carbon increased distribution map after VOD process

煉鋼采用VOD工藝流程在完成真空吹氧降碳工序后要加入脫氧劑和石灰，以還原渣中的鉻并促進液態(tài)渣的形成。在加入脫氧劑和石灰后常常出現(xiàn)C含量意外增加0.005%～0.025%的現(xiàn)象。從圖1可以看出，C含量增加的比例達50%，最大增碳量0.039%，其中增碳量在0～0.01%最多，比例達到30%，這極易導(dǎo)致鋼中C含量超出內(nèi)控范圍或標準要求。

通過分析認為，脫氧劑幾乎不影響鋼液中的C含量，不是增碳的主要影響因素，而石灰質(zhì)量對增碳的影響最大，是增碳的主要原因。

3.5.1.2 控制C≤0.04%的措施

對2009～2014年VOD冶煉不銹鋼情況及VOD過程異常增碳原因分析后，認為在現(xiàn)有的設(shè)備和工藝流程條件下，生產(chǎn)C≤0.04%的低碳Cr13型不銹鋼，要從增強反應(yīng)條件和減少VOD后增碳量這兩方面入手。采取的措施如在鋼包爐熔渣精煉過程中，整個冶煉操作過程中控制氬氣流量，強化攪拌，提高碳氧反應(yīng)的動力學(xué)條件，精選燒透的石灰等。

在真空吹氧過程需密切關(guān)注真空度、氧濃差電勢、廢氣溫度等參數(shù)調(diào)整及變化情況，并在氧濃差電勢處于谷底水平一定時間后，再綜合參考吹氧時間、真空度等因素的變化情況后再停氧，確保真空吹氧將碳脫到工藝要求，又不致使鋼液過度氧化。同時VOD后鋼液的C含量較低，還需要采取措施防止異常增碳。

3.5.2 控制V元素

3.5.2.1 分析V的來源

根據(jù)多年的生產(chǎn)經(jīng)驗，無論采用哪種廢鋼作為原材料，經(jīng)電爐氧化冶煉的粗水V含量均在0.01%以下。而在鋼包爐冶煉碳(錳)鋼、低Cr合金鋼或其他不含V的鋼種時，熔煉分析V含量均≤0.01%。在生產(chǎn)不銹鋼時，隨著鐵合金的加入(除鉻鐵合金外)，V含量增加不明顯，而一旦加入鉻鐵合金時，鋼水V含量明顯增加。因此，可以判斷鋼水V含量主要來源于鉻鐵合金。

3.5.2.2 控制V≤0.05%的措施

V作為殘余元素在冶煉過程不可能有意添加釩，帶入的釩均以鉻鐵為主的鐵合金帶入，這極大地增大了生產(chǎn)難度和生產(chǎn)成本。

國家標準中并未對鉻鐵合金中的V元素做要求，常規(guī)的鉻鐵合金中的V含量通常比較高，在冶煉過程中往往加入一部分鉻鐵后，需加入金屬鉻，才能保證V≤0.05%的要求，這使得生產(chǎn)成本大大增加。因此需采購合適的鉻鐵，既能滿足Cr13型水電不銹鋼中V≤0.05%的要求，又能大大節(jié)省生產(chǎn)成本。

3.5.3 控制O元素

鋼液的O含量過高，鋼液凝固過程中會與碳反應(yīng)生產(chǎn)CO氣體，造成鑄件出現(xiàn)氣孔。另外，氧與鋼中易氧化元素反應(yīng)產(chǎn)生的氧化物，若殘留鋼中，會形成非金屬夾雜物。一般來說，氧在鋼液中的含量高低可表征鋼液純凈的好壞，氧在成品鋼中過多的存在是鋼液冶金質(zhì)量較差的表現(xiàn)。因此，如何保證鋼液的低氧含量并滿足標準要求是冶煉過程控制的重要目標。

VOD結(jié)束后，鋼液中存在大量的氧，需要進行充分脫除，此時必須采取沉淀脫氧與擴散脫氧的綜合手段，才能取得較好的脫氧效果。

3.5.4 控制N元素

鋼液中的N會與鋼中的Cr、V、Nb等元素形成氮化物，在不銹鋼中，由于Cr含量較高，氮化物的形成在所難免，一般來說，在馬氏體不銹鋼中，一定數(shù)量的氮化物因熔點高、尺寸小，可成為結(jié)晶的核心，細化晶粒，形成氮化物細晶強化效果，對提高鋼的塑性、韌性有幫助，但若氮化物數(shù)量過多，會造成強度偏高、補焊區(qū)硬度偏高及產(chǎn)生時效脆性等問題。

VOD的主要作用是降碳保鉻，其次是可借助吹氧脫碳反應(yīng)過程創(chuàng)造的條件降低鋼中N含量。在吹氧過程中，碳氧反應(yīng)形成的CO氣泡相當于小真空室，在吸附擴散過來的氮氣之后，氣泡上浮并逸出到真空系統(tǒng)中，從而使N含量降低。另外，碳氧反應(yīng)的進行使得熔池的攪拌狀況良好，也促進了N的擴散，使VOD后鋼液的N含量達到較低水平。同時還需要采取措施防止異常增氮。

3.6 終脫氧

為使鋼液中的氧進一步降低和減少澆注過程中的二次氧化程度，具備出鋼條件后，需要對鋼液進行終脫氧。利用強脫氧劑中與氧親和力強的元素和氧的結(jié)合并排除來達到脫氧目的。

表3 成品化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 3 Analysis result of chemical composition of final product (Mass,%)

4 生產(chǎn)結(jié)果

部分超大型ZG04Cr13Ni4Mo鑄件不銹鋼產(chǎn)品的成品取樣分析結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出：(1)所有元素的成品分析值均在標準要求范圍內(nèi)。(2)C含量均≤0.030%，說明控碳措施是正確的。(3)有害元素P≤0.010%、S≤0.005%，殘余元素V≤0.04%、Cu≤0.04%，說明優(yōu)選原輔材料的措施是有效的。(4)成品氣體含量均在要求范圍內(nèi)，除324+212爐號中O含量偏高外，其余爐號O≤60×10-6，說明鋼液脫氧效果、純凈度良好。

5 結(jié)束語

(1)二重在一臺VOD爐冶煉雙包VOD的條件下，批量生產(chǎn)的C≤0.04%、V≤0.05%的超大型Cr13型水電不銹鋼鑄件，其產(chǎn)品化學(xué)成分均很好地滿足了標準要求。其中殘余有害元素P、S、Cu、W、V均控制在較低的水平，說明二重在生產(chǎn)Cr13型不銹鋼水電鑄件時對殘余有害元素的控制方面所采取的措施非常有效。同時，氣體含量控制較低，說明了鋼液脫氧、脫氣效果好，鋼液的純凈度好。

(2)二重生產(chǎn)的C≤0.04%、V≤0.05%的超大型Cr13型水電不銹鋼鑄件，其成品C含量基本控制在≤0.030%，因此可以考慮拓展標準要求C≤0.03%的超超低碳Cr13型水電不銹鋼鑄件產(chǎn)品的市場。

[1] 黃希祜. 鋼鐵冶金原理[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1980.

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