利用加氫筒節(jié)性能余料重熔電渣錠工藝研究

樊應(yīng)劍 康永斌

(中國(guó)一重鑄鍛鋼事業(yè)部工藝技術(shù)部，黑龍江161042)

為了提高加氫小件材料收得率，降低生產(chǎn)成本，使我公司能夠在此類產(chǎn)品中盈利，將加氫筒節(jié)性能余料氣割成矩形坯，根據(jù)坯料規(guī)格尺寸兩兩配對(duì)焊接成矩形坯電極。我公司擁有120 t三相雙極串聯(lián)電渣爐和10 t雙臂交替電渣爐。根據(jù)10 t電渣爐的爐型參數(shù)、生產(chǎn)能力及矩形電極坯規(guī)格與化學(xué)成分，將電極進(jìn)行分組重熔。用合理的電渣重熔工藝來保證重熔過程的穩(wěn)定性，以保證產(chǎn)品質(zhì)量為前提，最終取得良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

由于受加氫筒節(jié)性能余料本身規(guī)格尺寸的限制，兩兩拼焊后的矩形電極坯橫截面非常小，電極長(zhǎng)度比較短。填充比過小會(huì)改變?nèi)鄢氐男螤睿鄢剡^深易造成低倍偏析等缺陷[1]，并且渣池表面與大氣接觸面積變大，渣池吸氣，電極表面氧化嚴(yán)重，對(duì)鋼錠質(zhì)量產(chǎn)生影響。針對(duì)此問題，通過優(yōu)化電渣重熔工藝參數(shù)、調(diào)整脫氧制度、采用氣體保護(hù)及合理的冷卻制度來保證電渣錠的質(zhì)量。

1 技術(shù)要求

1.1 化學(xué)成分

加氫反應(yīng)器12Cr2Mo1V主體材料的化學(xué)成分按GB/T 223規(guī)定的方法進(jìn)行熔煉分析和成品分析?；瘜W(xué)成分要求如表1所示。

1.2 超聲檢測(cè)

鍛件超聲檢測(cè)按NB/T 47013.3—2015中質(zhì)量Ⅰ級(jí)執(zhí)行。

(1)單個(gè)缺陷當(dāng)量直徑≤?4 mm。

(2)密集區(qū)缺陷當(dāng)量直徑≤?2 mm。

1.3 金相組織

按GB/T 10561規(guī)定，主體材料中A類(硫化物類)、B類(氧化鋁類)、C類(硅酸鹽類)、D類(球狀氧化物類)、DS類(單顆粒球狀類)等非金屬夾雜物(包括粗系和細(xì)系)均不得大于1.5級(jí)，且應(yīng)滿足A+C≤2.0，B+D≤2.0，總和A+B+C+D+DS≤4.5。

表1 12Cr2Mo1V鍛件化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of 12Cr2Mo1V forgings(mass fraction, %)

圖1 電制度曲線Figure 1 Curve of electrical system

2 優(yōu)化前電渣重熔工藝

2.1 自耗電極制備及要求

(1)將加氫筒節(jié)性能余料氣割后用45 MN油壓機(jī)展成矩形坯。

(2)用半自動(dòng)線性切割機(jī)平矩形坯兩端頭，將表面的鐵銹、氧化鐵皮、結(jié)疤及重皮等打磨干凈。根據(jù)坯料的規(guī)格尺寸進(jìn)行兩兩配對(duì)組焊在假電極端頭，焊接時(shí)兩組坯料四周必須對(duì)齊，與假電極務(wù)必保證對(duì)中，焊肉充足，焊口牢固。

2.2 工藝參數(shù)

2.2.1 主要參數(shù)

重熔鋼種材質(zhì)為12Cr2Mo1V，鋼種代號(hào)為06673，錠型為11 t，鋼錠尺寸為?905/945 mm×2087 mm，產(chǎn)品名稱為頂部人孔大法蘭。采用鋁粒脫氧，渣子精煉期預(yù)脫氧用量為400 g，正常重熔期鋁粒用量為70～80 g/5 min。平均熔速控制在600～700 kg/h，化渣期時(shí)間為40 min，精煉期時(shí)間為30 min，正常重熔期時(shí)間為16～18 h，補(bǔ)縮期時(shí)間為1.5 h，補(bǔ)縮重量按400 kg控制。

2.2.2 結(jié)晶器及自耗電極規(guī)格

10 t結(jié)晶器規(guī)格為?940/980 mm×2600 mm，自耗電極坯共有5組，其中3組規(guī)格為310 mm×420 mm×2600 mm，另外2組規(guī)格分別為310 mm×420 mm×2200 mm與310 mm×420 mm×1800 mm，填充比(截面面積比)為0.18。

2.2.3 渣系配比及重量

采用三元渣系，渣系組元CaF2∶Al2O3∶MgO分別為65∶30∶5。渣料總重量為450 kg，其中CaF2為293 kg，Al2O3為135 kg，MgO為22 kg。

2.3 電制度曲線

(1)冶煉期間的電制度曲線原則采用圖1所示的工藝曲線規(guī)定參數(shù)執(zhí)行，但可根據(jù)實(shí)際爐況、熔化速度及電壓波動(dòng)情況略微調(diào)整。

(2)正常重熔期間以恒熔速控制為原則，采取遞減功率控制。

2.4 冷卻制度

補(bǔ)縮結(jié)束后鋼錠模冷180 min，脫模后罩冷144 h，罩冷完畢后出罩空冷至室溫。

2.5 工藝要點(diǎn)

(1)采用石墨電極化渣，焦炭引弧劑引弧。

(2)渣料化清后，換入自耗電極前10 min加鋁粒400 g。

(3)補(bǔ)縮重量按400 kg控制，補(bǔ)縮時(shí)間按圖1工藝曲線執(zhí)行，可采取手動(dòng)補(bǔ)縮。

(4)重熔過程中電壓若有異常波動(dòng)，工藝人員根據(jù)實(shí)際爐況調(diào)整工藝參數(shù)。

(5)電渣錠脫模后罩冷，在距鋼錠水口端面50 mm處、冒口端面30 mm處套取?20 mm×100 mm試料棒各1個(gè)，做化學(xué)成分及氣體含量分析。

3 重熔后存在的問題與原因分析

3.1 電渣錠裂紋及原因分析

3.1.1 裂紋

電渣錠罩冷結(jié)束10天后錠身中部環(huán)裂一圈，裂紋單向延伸至冒口端面，裂紋寬度小于1 mm，如圖2所示。將鋼錠裂紋處冷壓開后邀請(qǐng)金相專業(yè)人員查找裂紋源，經(jīng)仔細(xì)觀察后無(wú)法確定裂紋源。鋼錠斷面照片如圖3所示。

3.1.2 原因分析

由于電渣錠的重熔特性是邊熔化邊靠水冷凝固，且11t錠型直徑較大，脫模后水、冒口溫差為400℃左右，心部與表面溫差大，在罩冷過程中，熱應(yīng)力可能去除不夠；冷卻過程組織轉(zhuǎn)變時(shí)，產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力，容易出現(xiàn)體積膨脹而導(dǎo)致開裂。

表2 12Cr2Mo1V電渣錠化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Chemical compositions of 12Cr2Mo1V electroslag ingot(mass fraction, %)

圖2 裂紋照片F(xiàn)igure 2 Picture of cracks

圖3 斷面照片F(xiàn)igure 3 Picture of the cross-section

3.2 成分不合格及原因分析

化學(xué)成分及氣體含量分析結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，水、冒口H含量超標(biāo)，冒口O超標(biāo)，個(gè)別元素出現(xiàn)燒損，但沒有超出規(guī)格要求。

3.2.1 H含量超標(biāo)原因分析

針對(duì)H的來源，主要有以下三個(gè)方面：

(1)電極坯料H含量高。

(2)渣料烘烤時(shí)間及溫度不夠，渣料吊出后到化渣引弧之前時(shí)間過長(zhǎng)，容易增氫。

(3)正逢雨季，空氣濕度大，并且填充比太小，渣池表面與空氣接觸面積大，容易增氫。

3.2.2 O含量超標(biāo)原因分析

渣冒顏色為深灰色，從化學(xué)成分分析結(jié)果看出O含量超標(biāo)、元素出現(xiàn)輕度燒損，說明重熔中后期脫氧效果不好，脫氧劑加入量不足。

3.3 填充比太小

填充比過小會(huì)使渣池發(fā)熱面積小，爐溫低，此時(shí)必須依靠提高電壓、電流來保證爐溫及熔速，輸入功率變大，使得熔池變成深“V”字型[2]，鋼錠局部冷卻變慢，結(jié)晶方向接近于徑向，從而易造成低倍偏析等缺陷；并且渣池表面與大氣接觸面積變大，渣池吸氣，電極表面氧化嚴(yán)重，對(duì)鋼錠質(zhì)量產(chǎn)生影響[3]。

4 優(yōu)化后電渣重熔工藝與結(jié)果分析

4.1 優(yōu)化后電渣重熔工藝

針對(duì)電渣錠成分不合格及裂紋產(chǎn)生的原因，將電渣重熔工藝參數(shù)及脫氧制度進(jìn)行了優(yōu)化，并且在氣體保護(hù)及電渣錠冷卻制度方面采取了相應(yīng)的措施。

4.1.1 工藝參數(shù)及脫氧制度

(1)渣料烘烤爐溫不低于700℃，烘烤時(shí)間不少于12 h，保溫溫度不低于500℃；渣料吊出后立即引弧化渣。

(2)熔速控制在500～600 kg/h，使熔池變淺，改善電渣錠質(zhì)量。

(3)未達(dá)到平均熔速之前鋁粒按0.14%計(jì)算加入，正常重熔期每隔兩小時(shí)取1個(gè)渣樣，及時(shí)調(diào)整脫氧制度。

4.1.2 氣體保護(hù)

采用氬氣保護(hù)裝置，防止元素?zé)龘p及吸氣。

4.1.3 冷卻制度

電渣錠脫模后按新制定的加氫電渣錠熱處理方案執(zhí)行，如圖4所示。

圖4 爐冷工藝Figure 4 Process of furnace cooling

(1)H含量為中間值時(shí)，保持時(shí)間用內(nèi)差法求出。

(2)電渣錠脫模后應(yīng)及時(shí)入爐；爐冷工藝降溫到400℃以下可轉(zhuǎn)罩冷。

表3 12Cr2Mo1V電渣錠化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Chemical compositions of 12Cr2Mo1V electroslag ingot(mass fraction, %)

表4 高低倍分析結(jié)果Table 4 Results of microstructure and macrostructure analysis

(3)根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，鋼錠可配入其它產(chǎn)品的鍛后熱處理工藝(退火或正火+回火)代替爐冷工藝，高溫段和回火段不受溫度限制，但須考慮鋼錠的截面，使鋼錠保溫時(shí)間充分。如僅在回火段配入，需滿足上述爐冷工藝。

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 化學(xué)成分

優(yōu)化工藝后電渣錠化學(xué)成分及氣體含量均滿足技術(shù)要求，如表3所示。

4.2.2 超聲檢測(cè)

鍛件按NB/T 47013.3—2015中質(zhì)量Ⅰ級(jí)檢測(cè)后，未發(fā)現(xiàn)缺陷記錄，檢測(cè)合格。

4.2.3 高低倍分析

高低倍分析結(jié)果均滿足技術(shù)條件要求，如表4所示。

5 結(jié)論

(1)通過電渣重熔工藝的優(yōu)化，有效的解決了加氫電渣錠成分不合格及裂紋方面存在的問題，目前已重熔30爐次，全部檢測(cè)合格，沒有出現(xiàn)質(zhì)量問題。

(2)利用加氫筒節(jié)性能余料重熔電渣錠，提高了加氫小件材料收得率，降低了生產(chǎn)成本，使我公司在此類產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)盈利。

參考文獻(xiàn)

[1] 李正邦.電渣冶金的理論與實(shí)踐[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

[2] 姜周華，董艷伍，耿鑫，等.電渣冶金學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2015.

[3] 周德光，徐君浩.軸承鋼電渣重熔過程中氧的控制及作用研究[J].鋼鐵，1998，33(3):13-17.