超臨界汽輪機(jī)缸體用鋼冶煉工藝優(yōu)化

梁子卿，李金良

超臨界汽輪機(jī)缸體是火電機(jī)組的大型關(guān)鍵零部件、鑄件形狀復(fù)雜并且處在高溫、高壓下工作[1]。產(chǎn)品需進(jìn)行磁粉、射線、超聲波探傷，重要部位不允許有缺陷存在[2]。我公司以前生產(chǎn)此類產(chǎn)品冶煉方案為：EBT （粗煉） +LF （爐外精煉） +VD（真空脫氣處理） +澆注[3]。此工藝方案中碳的控制是冶煉中的一大難點(diǎn)，生產(chǎn)過程中易發(fā)生碳含量超出規(guī)格上限，生產(chǎn)不能順利進(jìn)行。此類鋼種合金量大，在精煉序調(diào)整成分時(shí)，要長(zhǎng)時(shí)間加熱，易使鋼液增碳，為保證碳含量不超出要求，在精煉過程中要使用價(jià)格較高的低碳鉻鐵合金，在冶煉過程中脫氧劑的使用和脫氧程度受到限制。為實(shí)現(xiàn)降本增效，經(jīng)過充分論證，從2020 年開始我公司成功開發(fā)中頻感應(yīng)爐熔化水電廢鋼返回料+VOD（真空氧脫碳） +VD+澆注的工藝流程，已成功生產(chǎn)多支超臨界汽輪機(jī)缸體鑄件。

1 主要冶煉參數(shù)

1.1 化學(xué)成分要求

超臨界汽輪機(jī)缸體用鋼ZG1Cr10MoVNbN 的化學(xué)成分（見表1），要求Cu、Pb、As、Sn、Sb 應(yīng)嚴(yán)格控制并提供報(bào)告，O2≤20 ppm；H2≤3 ppm。

表1 化學(xué)成分 （wt.%）

1.2 中頻感應(yīng)爐裝料量的確定

與電爐冶煉相比，感應(yīng)爐不使用電極，可以更好地控制碳含量；感應(yīng)爐合金元素?fù)p失少，金屬收得率高，且由于電磁攪拌作用使鋼液成分更均勻?？紤]到用我廠之前積壓的水電廢鋼冶煉，決定采用感應(yīng)爐裝料。

本工藝方案粗煉鋼液全部由感應(yīng)爐冶煉，感應(yīng)爐裝入本鋼種返回料，裝入前分析入爐成分，防止混入W 元素和Ni、Mo 含量超標(biāo)。

感應(yīng)爐裝入重量為：

式中：M感—感應(yīng)爐裝入本鋼種返回料重量；M澆—缸體鑄件澆注鋼水量；M外引流—大包澆注前外引流鋼水量；M注余—精煉包澆注結(jié)束時(shí)包內(nèi)殘余鋼水量；M精煉合金—精煉序微調(diào)合金重量；98%—感應(yīng)爐冶煉鋼水收得率。

由于有VOD 工序，感應(yīng)爐裝料成分表中碳元素范圍可放寬至0.10%～0.35%（見表2），所以在返回料不足時(shí)還可裝入價(jià)格較低的高碳鉻鐵和部分廢鋼。

表2 感應(yīng)爐裝料成分 （wt.%）

1.3 精煉加熱

本工序主要完成脫氧、脫硫任務(wù)，同時(shí)進(jìn)行成分微調(diào)，為執(zhí)行VOD 操作做準(zhǔn)備。

當(dāng)鋼液成分達(dá)到要求（見表3），溫度處于1 650 ℃～1 670 ℃之間，吊出鋼包翻出全部精煉渣后吊回精煉包，鋼包移至VOD 工位，執(zhí)行真空氧脫碳操作。

表3 VOD 前成分控制 （wt.%）

1.4 VOD 操作

影響脫碳工藝的主要因素有：供氧強(qiáng)度、鋼水初始成分、鋼水溫度、氧槍高度、真空度、底吹氬氣攪拌強(qiáng)度等。目前，通過VOD 參數(shù)控制（見表4），冶煉本材質(zhì)鋼種可將C 含量控制在0.04%～0.07%。

表4 VOD 過程工藝參數(shù)

1.5 VD 操作

本工序的任務(wù)是在造渣脫氧，真空除氣的同時(shí)提高鋼液純凈度。VOD 工序完成后，鋼包轉(zhuǎn)至加熱工位，首先按一定比例，分批次加入造渣材料石灰2 000～2 500 kg，螢石200～300 kg；同時(shí)加入沉淀脫氧劑鋁塊2 kg/t，擴(kuò)散脫氧劑鋁粉2.5 kg/t。

合金調(diào)整結(jié)束后，在1 640 ℃～1 660 ℃時(shí)進(jìn)行真空除氣操作，在真空度小于2 乇下保持20 min。真空結(jié)束調(diào)整N 元素時(shí)，為避免加入含氮鐵合金時(shí)帶入的鋼渣破壞鋼液純凈度，采用底吹氮?dú)庹{(diào)整N 元素，吹氮時(shí)間35～45 min，確保N 元素調(diào)至內(nèi)控值。吹氮結(jié)束后切換氬氣軟吹10～15 min 后出鋼，通過以上冶煉流程，鋼液成分C：0.09%～0.11%、O ≤20 ppm、H ≤2 ppm、N：0.03%～0.05%。

2 生產(chǎn)試制

從2020 年3 月開始，我公司按上述工藝參數(shù)生產(chǎn)多件超臨界汽輪機(jī)用缸體鑄鋼件，產(chǎn)品滿足技術(shù)文件要求，在冶煉過程中未出現(xiàn)碳高于規(guī)格現(xiàn)象。

3 工藝方案對(duì)比

本工藝方案的優(yōu)點(diǎn)是使感應(yīng)爐提供鋼水最大化。中頻感應(yīng)爐的電磁攪拌使熔化過程中產(chǎn)生的氧化物夾雜聚集長(zhǎng)大并上浮到渣中。無電極的電離作用使得H 含量較低，初煉鋼水純凈度高。電弧爐由于大量氧化使鋼水含氧量非常高，在后續(xù)脫氧過程中產(chǎn)生大量氧化夾雜，使精煉期脫氧任務(wù)繁重，而中頻感應(yīng)爐脫氧任務(wù)較輕，可以穩(wěn)定得到低氧、低夾雜物的優(yōu)質(zhì)鋼水。此外，感應(yīng)爐可減少金屬材料及貴重金屬的燒損，能耗比電弧爐大大減少，車削廢料和廢鋼也得到最大限度地利用，加上本工藝可以采用價(jià)格相對(duì)較低的高碳鉻鐵，生產(chǎn)成本大幅降低。

由于采用VOD 操作，鋼液中碳含量較低，所以可進(jìn)行二次真空操作，進(jìn)一步降低鋼液中氣體含量。在VOD 后通過優(yōu)化渣系，提高爐渣吸附夾雜物能力，鋼液的純凈度進(jìn)一步提高。

與原工藝相比，優(yōu)化工藝在精煉環(huán)節(jié)總冶煉時(shí)間增加1.5～2 h，對(duì)此，今后應(yīng)優(yōu)化配料和精煉，縮短總冶煉時(shí)間，以進(jìn)一步降低成本。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用中頻感應(yīng)爐熔化返回料+VOD+VD+澆注工藝流程，優(yōu)化過程控制，最終獲得低氫、低氧和碳、氮含量滿足要求的超臨界汽輪機(jī)缸體鑄件。通過廢鋼再利用降低生產(chǎn)成本，生產(chǎn)過程可控，實(shí)現(xiàn)超臨界汽輪機(jī)缸體鑄件穩(wěn)定、批量生產(chǎn)。