超臨界汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸用ZG13Cr9Mo1VNbN 不銹鋼鑄件冶煉澆注工藝研究

常龍軍

(中國第一重型機(jī)械股份公司鑄鍛鋼事業(yè)部工藝技術(shù)部，黑龍江161042)

超臨界機(jī)組汽輪機(jī)缸體鑄鋼件是火力發(fā)電機(jī)組的重要零件之一，高壓內(nèi)缸是在高溫下工作且承壓的鑄鋼件，材質(zhì)與亞臨界機(jī)組缸體有著本質(zhì)的不同。現(xiàn)行的亞臨界汽輪機(jī)組缸體鑄鋼材料，如ZG15Cr2Mo1、ZG15Cr1Mo1V等，在566℃或更高溫度的蒸汽條件下，強(qiáng)度尤其是高溫蠕變斷裂強(qiáng)調(diào)是不夠的，因此采用了一種抗蠕變斷裂強(qiáng)度高、韌性、焊接性能優(yōu)良，又有良好鑄造性能的材料，即ZG13Cr9Mo1VNbN鑄鋼材料，以適應(yīng)超臨界汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸的需要。

根據(jù)生產(chǎn)核電、加氫、轉(zhuǎn)子、支承輥、超低碳不銹鋼等高合金特種鋼的經(jīng)驗(yàn)，研究超臨界汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸用不銹鋼鑄件的超純凈鋼水冶煉與澆注工藝。

1 技術(shù)要求

本次生產(chǎn)的超臨界汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸用不銹鋼ZG13Cr9Mo1VNbN熔煉化學(xué)成分要求如表1所示。殘余元素及氫、氧含量要求見表2。

2 冶煉工藝方案制定

該材質(zhì)化學(xué)成分對Cu、As、Sn等殘余元素要求較嚴(yán)格，配料過程需挑選優(yōu)質(zhì)返回廢鋼及含殘余元素較低的鐵合金。由于化學(xué)成分中Cr元素含量較高，精煉期間調(diào)整Cr元素加入大量鉻鐵合金會增加鋼水冶煉時(shí)間，但是該材質(zhì)C元素要求含量較低，在LF爐長時(shí)間的冶煉會導(dǎo)致鋼水增碳。為了減少鋼水冶煉時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，選用電弧爐與中頻感應(yīng)爐相結(jié)合的方式，由電弧爐和中頻感應(yīng)爐分別提供40 t粗煉鋼水，在中頻感應(yīng)爐配入優(yōu)質(zhì)廢鋼及低碳鉻鐵合金，提前熔化為鋼水。

針對H、O元素控制苛刻，對鋼水采用真空處理去除氣體H，并采用硅鐵、錳鐵沉淀脫氧與硅鐵粉、碳粉擴(kuò)散脫氧相結(jié)合方式進(jìn)行脫氧。材質(zhì)對N元素有一定的含量要求，而N元素的調(diào)整只能在真空結(jié)束后采用含氮鐵合金或者氮?dú)膺M(jìn)行調(diào)整，若采用前者，鐵合金加入時(shí)會將精煉渣卷入到鋼水中而不易分離，污染鋼水。為了獲得高純凈鋼水，采用氮?dú)庹{(diào)整N含量。最終制定冶煉工藝方案為：EBT粗煉+中頻爐熔煉→LF爐外精煉→真空脫氣處理→氮?dú)馓幚怼鷿沧ⅰ?/p>

表1 化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition requirements (mass fraction,%)

表2 殘余元素及氣體含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Residual element and gas content (mass fraction, %)

表3 部分元素內(nèi)控表(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Partial element internal control table (mass fraction, %)

表4 實(shí)測熔煉化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 4 Measured melting chemical composition (mass fraction, %)

表5 實(shí)測殘余元素及氣體含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 5 Measured residual element and gas content (mass fraction,%)

3 冶煉過程實(shí)施

3.1 粗煉環(huán)節(jié)控制

根據(jù)產(chǎn)品熔煉化學(xué)成分及鋼水量要求，中頻爐熔煉配入35.5 t優(yōu)質(zhì)低碳高鉻廢鋼和5.5 t低碳鉻鐵合金，要求熔清C、Nb元素及殘余元素P、S、Cu、As、Sn滿足表3要求。電弧爐配入9 t生鐵，35 t廢鋼，在爐內(nèi)配入石灰、螢石等造渣材料，送電后待大料見紅采用氧槍吹氧助熔，噴碳造泡沫渣，熔化后期溫度合適通過放渣造新渣等手段去除P元素，使粗煉鋼水部分元素滿足表3要求。待兩個(gè)爐臺均完成鋼水粗煉，在精煉包包底加入一定量硅鐵、錳鐵合金，將中頻爐內(nèi)所有鋼水翻入精煉包內(nèi)，并將電弧爐內(nèi)鋼水采用倒包卡渣方式與之合兌，合兌后鋼水部分元素成分見表3。

3.2 爐外精煉要點(diǎn)控制

在LF爐內(nèi)按4∶1的比例加入活性石灰和螢石造渣，并加入粉狀脫氧劑硅鐵粉和碳粉進(jìn)行擴(kuò)散脫氧，由于粉狀脫氧劑的脫氧反應(yīng)只在渣鋼界面進(jìn)行，鋼液中氧向反應(yīng)界面擴(kuò)散較慢，精煉時(shí)間較長，不利于脫氧脫硫，因此在包底通入氬氣，采用氬氣攪拌鋼液，加速脫氧脫硫的同時(shí)有利于均勻鋼液溫度和成分。當(dāng)脫氧完成渣色變白后進(jìn)行合金化操作，除N元素之外的所有元素調(diào)入內(nèi)控值后，鋼液溫度提升至1650～1660℃范圍內(nèi)，進(jìn)行VD真空脫氣處理。在高真空條件下保持20 min，并在此期間加大氬氣攪拌力度，使H、O、N等氣體隨同氬氣氣泡一同上浮，另外氣體上浮過程中還會有吸附夾雜物的作用，達(dá)到凈化鋼液的目的。真空結(jié)束后，取氣體樣分析鋼液中H、O、N含量，并將氬氣改為氮?dú)?，由氮?dú)馓娲鷼鍤鈱︿撘哼M(jìn)行弱攪拌，通過氣體樣N元素含量分析結(jié)果控制氮?dú)鈹嚢钑r(shí)間，直至N元素調(diào)入內(nèi)控值。鋼液成分熔煉分析見表4、表5，給電提升鋼液溫度出鋼澆注。

4 澆注過程控制

鋼水澆注前1 h撤去熱風(fēng)爐，在鋼水過跨時(shí)，向型腔內(nèi)充滿氬氣，并在每個(gè)澆口上方使用氬氣保護(hù)罩并通入氬氣進(jìn)行保護(hù)，在氬氣保護(hù)罩上方放鋁帽和紙帽，防止燒氧產(chǎn)物進(jìn)入型腔對鋼水造成二次污染，澆注前對每個(gè)鋼包水口進(jìn)行外引流。

5 結(jié)論

本次冶煉超臨界汽輪機(jī)高壓內(nèi)缸用ZG13Cr9Mo1VNbN不銹鋼鋼水，采用優(yōu)質(zhì)的廢鋼、鐵合金和生鐵進(jìn)行配料，通過合理的爐臺搭配，不僅提高了粗煉鋼水冶煉效率，而且保證殘余元素Cu、As、Sn等均滿足熔煉化學(xué)成分的要求。在爐外精煉過程對鋼水采用真空脫氣處理，降低了鋼液中有害氣體H、O含量，真空處理之后采用氮?dú)鈹嚢?，調(diào)整N元素含量的同時(shí)，促使鋼液中夾雜物上浮脫離鋼液被精煉渣吸附，進(jìn)一步提高鋼水純凈度，為提升產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。