大型FB2鋼錠制造冶煉控制技術(shù)的實(shí)踐與研究

羅玉立 曾杰 路正平 王剛 金楊 李連龍 葉成立 李亞寧 謝劍鋒 陳庚

(二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司,四川 德陽(yáng) 618000)

我國(guó)是全球第一大電力生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó),從電力構(gòu)成上看,我國(guó)仍以火電為主,其發(fā)電比例高達(dá)70%左右,且這一狀況在短期內(nèi)難以改變。在碳減排的大環(huán)境下,如何提高火電機(jī)組的發(fā)電效率,降低碳排放成為火電機(jī)組長(zhǎng)效發(fā)展必須解決的問(wèn)題。從國(guó)內(nèi)外電力開(kāi)發(fā)的現(xiàn)狀分析,在火電機(jī)組應(yīng)用和發(fā)展超(超)臨界技術(shù)方面,提高其發(fā)電效率是一個(gè)重要的、行之有效的措施和必然趨勢(shì)。

13Cr9Mo2Co1NiVNbNB(FB2)鋼就是制造620℃超超臨界轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵材料,是超超臨界機(jī)組的核心部件,由于其服役于高溫、高壓的蒸汽環(huán)境,要求FB2轉(zhuǎn)子鋼具有較高的長(zhǎng)時(shí)蠕變強(qiáng)度和良好的抗氧化性。一直以來(lái),FB2轉(zhuǎn)子長(zhǎng)期依賴進(jìn)口,FB2鋼錠的制造成為了制約超(超)臨界轉(zhuǎn)子國(guó)產(chǎn)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為此,二重裝備公司多年來(lái)一直致力于FB2鋼的冶煉制造技術(shù)研究,并從材料特性、工藝特性等出發(fā),進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,最終成功開(kāi)發(fā)出百噸級(jí)FB2大型電渣鋼錠,并成功用于了轉(zhuǎn)子的制造。

本文從FB2鋼的技術(shù)背景、電極制造控制、電渣重熔控制等方面進(jìn)行了介紹與回顧,并對(duì)鋼錠質(zhì)量進(jìn)行了回歸性評(píng)價(jià),系統(tǒng)地反映了鋼錠的關(guān)鍵元素和純凈度的控制水平和制造難點(diǎn)。

1 FB2鋼的技術(shù)背景及路線

FB2鋼源于歐洲,是在10%Cr材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改良,成分設(shè)計(jì)方面添加了Co、B以及去掉了W,大量研究[1-4]表明,微量的B元素在該鋼種中起著非常明顯的作用,B元素主要固溶在M23C6中,起到阻礙碳化物長(zhǎng)大的作用。添加的Co用以改善鋼的高溫性能和抗氧化性,增加耐蝕能力,同時(shí)還添加了B、Nb等元素,起到強(qiáng)化作用并抑制鐵素體晶核的形成?？傊?通過(guò)成分設(shè)計(jì)優(yōu)化進(jìn)而析出MX和M23C6進(jìn)行強(qiáng)化,同時(shí)結(jié)合固溶強(qiáng)化提高轉(zhuǎn)子的高溫蠕變性能。

1.1 化學(xué)成分

關(guān)于FB2鋼的化學(xué)成分多篇文獻(xiàn)均有報(bào)道,其中文獻(xiàn)[5-7]對(duì)FB2鋼的化學(xué)成分中每個(gè)元素僅進(jìn)行了點(diǎn)的描述,文獻(xiàn)[8-10]對(duì)FB2鋼的化學(xué)成分給出了確切范圍,綜合文獻(xiàn)[8-10],FB2的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

從表1可看出,FB2鋼為了獲得穩(wěn)定的力學(xué)性能,在每個(gè)元素具體成分設(shè)計(jì)上,給定的控制范圍非常窄,尤其是易氧化元素B;另外該鋼種還具有火電轉(zhuǎn)子鋼的低Si(≤0.010%)、低Al(≤0.010%)、低O(≤0.0035%)的特征。

表1 13Cr9Mo2Co1NiVNbNB化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical composition of 13Cr9Mo2Co1NiVNbNB(mass fraction,%)

1.2 技術(shù)難點(diǎn)與路線

國(guó)外主要采用電渣重熔進(jìn)行生產(chǎn)FB2鋼錠,但微量B元素的添加極大地增加了冶煉難度,文獻(xiàn)[11]中詳盡的描述了B元素的冶煉難題。本文擬采用電爐→鋼包精煉爐→澆注→電極→電渣重熔的工藝路線生產(chǎn)百噸級(jí)FB2鋼錠,其制造中的難點(diǎn)如下:

(1)低氧含量控制難度大

低Si、低Al鋼,不止?fàn)t前脫氧難度大,而且由于平衡氧的元素含量非常低,該類鋼種非常容易吸氧,特別對(duì)于單重達(dá)到30 t以上的大氣下注電極坯,澆注時(shí)間長(zhǎng),受環(huán)境因素影響大,吸氣明顯,其吸氧、增氧幅度比普通Si脫氧鋼大10倍以上。

(2)電渣重熔過(guò)程脫氧難度大

在以往的試驗(yàn)中出現(xiàn)問(wèn)題最多的是電渣鋼錠O含量高,B燒損嚴(yán)重;沒(méi)有很好地掌握脫氧劑用量與Si、Al之間的平衡關(guān)系,容易出現(xiàn)脫氧良好而Si、Al高,或者出現(xiàn)O高而Si、Al低的問(wèn)題,都會(huì)導(dǎo)致化學(xué)成分不合格。

(3)B的穩(wěn)定控制難度大

B元素不僅容易氧化,而且B在鋼渣中還存在一定的平衡關(guān)系,如何在整個(gè)冶煉工序?qū)崿F(xiàn)B的準(zhǔn)確控制,關(guān)系到FB2化學(xué)成分穩(wěn)定控制,成為FB2鋼錠成功制造的關(guān)鍵影響因素。

2 電極的制造

電極制造采用電爐→鋼包精煉爐→澆注→電極,基于流程特點(diǎn)和鋼種特性,主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行電極制造的難點(diǎn)控制。

2.1 殘余元素的控制

從表1可以看出本鋼種殘余及有害元素(As、Sn、Sb、P、S)含量低,特別是P(≤0.010%)、Sb(≤0.0015%)要求嚴(yán)格,基本達(dá)到該高合金鋼的極限控制水平。如何利用已有的資源低成本地生產(chǎn)出符合要求的鋼液是生產(chǎn)中需要解決的一個(gè)重要難題。

(1)As、Sn、Sb的控制

這三種有害元素?zé)o論是電爐煉鋼還是鋼包爐煉鋼,基本都不能去除,為此只能通過(guò)控制鋼鐵料品位,從源頭上控制這些殘余元素的帶入量。

(2)P的控制

基于前述采用的電爐+鋼包爐鋼包精煉電極工藝路線,P主要受鋼包精煉爐鋼水中P含量水平?jīng)Q定,其主要來(lái)源于電爐粗水中的P和合金中的P。同時(shí)為了降低生產(chǎn)成本,鋼包爐上的合金化擬采用普通的低碳鉻鐵和普通鉬鐵,合金加入量達(dá)到18%左右,而這兩類合金中都含有P元素,導(dǎo)致合金化過(guò)程會(huì)大幅增加鋼液中的P含量。為了確保成品P滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,又可以使用性價(jià)比高的合金,就必須將電爐鋼液中的P脫除至很低水平。

電爐冶煉時(shí),在氧化性渣條件下,去磷反應(yīng)是在鋼渣相界面上進(jìn)行的,反應(yīng)[12]如下:

2[P]+8(FeO)=(3FeO·P2O5)+5[Fe]

(1)

為了有效去P,應(yīng)讓渣中的P在上述溫度條件下以更穩(wěn)定的化合物的形態(tài)存在。更穩(wěn)定的化合物是3CaO·P2O5或4CaO·P2O5。當(dāng)熔渣具有高堿度、含有大量游離CaO時(shí),將發(fā)生如下置換反應(yīng)[12]:

2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+5[Fe]

(2)

反應(yīng)式(2)的平衡常數(shù)[12]則為:

(3)

式中a4CaO·P2O5、aFeO、aCaO分別為渣中4CaO·P2O5、FeO、CaO的活度值(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)。w[P]為鋼中P的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)。T為反應(yīng)溫度(K)。

從式3中可以看出:單從熱力學(xué)的角度來(lái)考慮,去P的基本條件是高w(FeO)、高w(CaO)、合適的渣量和低溫。

但在重機(jī)行業(yè)的電爐煉鋼中,爐料來(lái)源是塊料或屑料,其熔化溫度基本都達(dá)到了脫P(yáng)反應(yīng)的溫度,待爐料完全熔化,鋼液溫度已經(jīng)超過(guò)最佳脫P(yáng)溫度,也就錯(cuò)過(guò)了最佳脫P(yáng)時(shí)期。通過(guò)流渣、換渣操作,降低渣中脫P(yáng)產(chǎn)物的濃度,從而促使反應(yīng)式(2)正向進(jìn)行。最終通過(guò)大渣量、高堿度、強(qiáng)氧化性爐渣,將鋼液中P含量降低到0.0015%以下,為后續(xù)LF精煉合金化創(chuàng)造良好的冶煉條件。出鋼過(guò)程中,采用卡渣工藝,嚴(yán)格杜絕電爐的氧化性爐渣進(jìn)入到LF,避免回P現(xiàn)象的發(fā)生。

同時(shí)各類鐵合金中也含有一定量的殘余元素,影響這些元素的最終含量。如鉻鐵、鉬鐵等鐵合金中普遍含有一定量的P,在合金化過(guò)程中鋼液中的P會(huì)隨鉻鐵、鉬鐵的加入而增加。為了保證最終化學(xué)成分合格,在鐵合金選用上必須進(jìn)行嚴(yán)格把控,否則易出現(xiàn)因?yàn)楹辖鸹瘜?dǎo)致的殘余元素超標(biāo)。

2.2 LF爐脫氧控制

在電爐冶煉環(huán)節(jié)為了滿足后續(xù)低成本生產(chǎn)及合金化需求,電爐粗水往往具有超低碳、超飽和氧的特點(diǎn)。鋼液中的氧含量達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài),具有非常強(qiáng)的氧化性。而LF爐的主要任務(wù)則是脫氧、脫硫、合金化,實(shí)現(xiàn)窄成分的精確控制,同時(shí)將O含量控制在較低水平。脫氧則是保證B、Nb收得率的關(guān)鍵因素所在,也是鋼液純凈度的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

鋼水中常用脫氧劑[Al]、[Ti]、[Si]、[B]與[O]反應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2[13]。從圖1可以看出,在1600℃時(shí),易氧化性順序Al>Ti>B>Si,其中B和Si的性質(zhì)相似。

表2 [Al]、[Ti]、[Si]、[B]與[O]反應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)Table 2 Thermodynamic data of the reactionsbetween [Al],[Ti],[Si],[B] and [O]

圖1 [Al]、[Ti]、[Si]、[B]與[O]反應(yīng)的ΔGFigure 1 The ΔG of [Al],[Ti],[Si],[B] reacted with [O]

液態(tài)時(shí)易氧化元素的氧化順序?yàn)锳l>Ti>B>Si。而在本鋼種冶煉過(guò)程中不允許添加Al和Ti,只能用Si質(zhì)等材料進(jìn)行脫氧。實(shí)際生產(chǎn)中由于Si含量也較低,Si質(zhì)材料脫氧劑用量也受限,否則容易出現(xiàn)Si超標(biāo)的問(wèn)題。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)低成本生產(chǎn),采用普通低碳鉻鐵進(jìn)行鉻的合金化,鉻鐵中Cr∶Si比基本在60∶1,即加入9.30%的Cr就會(huì)帶入0.155%的Si,也就是說(shuō)加入鉻鐵帶入的Si含量已經(jīng)遠(yuǎn)大于鋼液中允許的Si含量。為此鋼包精煉爐脫氧操作、合金化操作細(xì)節(jié)控制成為低成本冶煉的關(guān)鍵所在。

(1)Si的控制

電爐鋼液進(jìn)入鋼包爐后,進(jìn)行沉淀脫氧、造渣、擴(kuò)散脫氧及合金化,在整個(gè)過(guò)程中觀察爐渣的變化(見(jiàn)圖2),并對(duì)關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行取樣,分析爐渣堿度及鋼液中的氧含量、Si含量(見(jiàn)表3)。

圖2 FB2鋼冶煉過(guò)程中爐渣顏色變化趨勢(shì)Figure 2 Change trend of slag color in FB2 steel smelting process

表3 鋼液中的Si、O含量和爐渣堿度RTable 3 Content of Si and O in liquid steeland basicity R of slag

從圖2可以看出隨著冶煉的進(jìn)行,爐渣顏色由深逐漸變淺,說(shuō)明脫氧效果越來(lái)越明顯,從表3的數(shù)據(jù)也印證了這一點(diǎn),隨著冶煉的進(jìn)行鋼中氧含量越來(lái)越低,爐渣堿度也越來(lái)越低。說(shuō)明合金化過(guò)程中,鉻鐵里的Si大部分與鋼液中的氧發(fā)生反應(yīng)生成了SiO2進(jìn)入到了爐渣中起到了脫氧作用,少量起到了合金化作用。

(2)B的合金化

B收得率的高低直接與鋼液中的氧含量成反比,即氧含量越低,B的收得率越高。因此鋼包爐鋼水脫氧良好后,再按照一定的收得率加入硼鐵進(jìn)行B的合金化,本試驗(yàn)中B的收得率達(dá)到了75%以上,其合金化后成分見(jiàn)表4。

表4 FB2電極部分元素成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 4 Partial elements of FB2 electrode(mass fraction,%)

從表4電極坯實(shí)際成分可以看出,B元素控制滿足了成分要求,同時(shí)殘余元素的控制完全達(dá)到了成分要求。

表5 鐵液中各元素單位質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低純鐵凝固點(diǎn)的值(℃/%)Table 5 Solidification point value of pure iron reduced by unit mass fraction of each elements in liquid iron

2.3 澆注過(guò)程控制

FB2的液相線按照式(4)[12]以及表5[12]中相關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,其液相線為1503℃?？紤]到鋼水運(yùn)輸過(guò)程的溫降以及澆注過(guò)熱度,出鋼溫度設(shè)計(jì)為TL+(50～90℃)。

(4)

式中TL為液相線溫度(℃);1538為純鐵的熔點(diǎn)(℃);ΔTi為鐵液中各元素單位質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低純鐵凝固點(diǎn)的值(℃/%);w[i]為鋼中元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)。

在澆注環(huán)節(jié),針對(duì)本鋼種易氧化特性,進(jìn)行惰性氣氛全保護(hù)澆注,實(shí)現(xiàn)澆注鋼流與大氣的全隔絕,同時(shí)通過(guò)嚴(yán)格控制保護(hù)渣的加入量及加入方式,有效避免了二次氧化,降低了澆注過(guò)程二次氧化程度,氧含量變化情況見(jiàn)表6。

表6 澆注過(guò)程氧含量變化情況Table 6 Changes of oxygen content in pouring process

2.4 討論

通過(guò)生產(chǎn)實(shí)踐證明,采用普通低碳鉻鐵、鉬鐵進(jìn)行Cr、Mo的合金化,P等殘余元素的增幅可控,且能滿足表1中成分要求;同時(shí)驗(yàn)證了普通低碳鉻鐵進(jìn)行合金化,合金中的Si分流成為脫氧劑和合金化元素,控制了鋼液增Si的問(wèn)題;最后通過(guò)不同的澆注方式,驗(yàn)證了VCD不銹鋼的二次氧化程度,本鋼種易氧化,必須采用保護(hù)澆注。

3 電渣重熔過(guò)程B的控制

澆注制備的電極經(jīng)過(guò)清理后,繼續(xù)在電渣爐進(jìn)行電渣重熔,電渣重熔控制主要在于以下幾個(gè)方面:

(1)設(shè)備選擇

如圖3,采用我公司125 t大型保護(hù)氣氛電渣爐進(jìn)行生產(chǎn),該電渣爐具有“單相穩(wěn)定、氣體保護(hù)、熔速精準(zhǔn)、智能控制、短網(wǎng)優(yōu)秀、錠型自由”等特點(diǎn)。

(2)渣系選擇

電渣重熔三元基礎(chǔ)渣系為CaF2-CaO-Al2O3,但對(duì)于FB2鋼而言,往往需要采用多元渣系進(jìn)行重熔控制。因?yàn)槠湓陔娫厝圻^(guò)程中,Al、Si、B元素不僅要參與氧化還原反應(yīng),同時(shí)還存在鋼渣平衡的問(wèn)題。其三者之間存在如下渣金反應(yīng)[14]:

3[Si]+2(Al2O3)=3(SiO2)+4[Al]

(5)

4[B]+3(SiO2)=2(B2O3)+3[Si]

(6)

2[B]+(Al2O3)=2[Al]+(B2O3)

(7)

圖3 125t大型保護(hù)氣氛電渣爐Figure 3 125 t large protective atmosphere electroslag furnace

當(dāng)上述各反應(yīng)中各物質(zhì)活度以及溫度滿足反應(yīng)條件后,相應(yīng)的存在降Si增Al、降B增Si、降B增Al的風(fēng)險(xiǎn),無(wú)論發(fā)生以上三個(gè)反應(yīng)中的哪一種,都會(huì)造成窄成分Al、Si、B元素的成分變化,變化嚴(yán)重的會(huì)帶來(lái)元素成分超標(biāo)。因此本文在CaF2-CaO-Al2O3傳統(tǒng)電渣渣系的基礎(chǔ)上,考慮窄成分元素渣金反應(yīng)的變化,并依據(jù)自身的工況條件,添加了SiO2、B2O3等組元形成多元渣系。多元渣系的選擇和設(shè)計(jì)是FB2鋼電渣重熔過(guò)程確?；瘜W(xué)成分合格的關(guān)鍵。

(3)鋼錠生產(chǎn)

采用CaF2-CaO-Al2O3-xSiO2-yB2O3等的多元渣系在保護(hù)氣氛(O≤200×10-6)的電渣爐進(jìn)行了FB2鋼的電渣重熔生產(chǎn),通過(guò)合適的熔速和電制度控制,成功制造了百噸級(jí)電渣鋼錠(見(jiàn)圖4)。

4 質(zhì)量評(píng)價(jià)

鋼錠通過(guò)鍛造后被鍛為?1000 mm×15 000 mm的鍛坯,為了驗(yàn)證鋼錠內(nèi)部質(zhì)量和化學(xué)成分的控制效果,對(duì)鍛坯進(jìn)行了細(xì)致的取樣分析(見(jiàn)圖5),圖中陰影部分為取樣位置。同時(shí)根據(jù)鍛造工藝參數(shù),將鍛坯的取樣位置回歸到鋼錠中,得到相應(yīng)鋼錠位置的試樣結(jié)果。

4.1 鋼錠中B、Si、Al成分的分布

(1)B元素含量沿鋼錠軸線高度的分布趨勢(shì)如圖6所示。

由圖6可看出,鋼錠下端B含量低,上端B含量高,下端表面500 mm左右B含量基本合格,芯部略高,在300 mm左右合格。B含量在鋼錠橫截面上分布有一定不均,B含量在鋼錠橫截面上主要呈現(xiàn)為由外向內(nèi)的增高趨勢(shì)。

(2)Si、Al元素含量沿鋼錠軸線分布趨勢(shì)如圖7所示。

圖4 百噸級(jí)FB2電渣鋼錠Figure 4 100-ton class FB2 electroslag ingot

圖5 鍛坯的取試位置示意圖Figure 5 Schematic diagram of test location of forging stock

圖6 B元素沿鋼錠高度的分布Figure 6 Distribution of element B along the steel ingot height

圖7 Al、Si元素沿鋼錠高度的分布Figure 7 Distribution of Al and Si elements along the steel ingot height

對(duì)比表3和圖7數(shù)據(jù)可以看出,在FB2電渣重熔過(guò)程中Si、Al含量都有不同程度增加,但是均處于表1中要求值的合格范圍。說(shuō)明采用的多元渣系適用于FB2轉(zhuǎn)子的電渣重熔,其穩(wěn)定性和可靠性良好。

4.2 純凈度

在鍛件上隨機(jī)挑選位置,進(jìn)行夾雜物評(píng)級(jí)分析,其取試分析結(jié)果見(jiàn)表7。

由表7可看出,夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果良好,均能滿足產(chǎn)品要求。

表7 夾雜物評(píng)級(jí)Table 7 Inclusion rating

4.3 UT檢測(cè)和性能

鋼錠經(jīng)后續(xù)鍛造、熱處理后進(jìn)行檢驗(yàn),其UT檢測(cè)、力學(xué)性能均合格,滿足技術(shù)要求,成功應(yīng)用于轉(zhuǎn)子等鍛件的制造。

5 結(jié)語(yǔ)

本支百噸級(jí)FB2鋼錠從冶煉難點(diǎn)出發(fā),通過(guò)控制原輔材料品位、電爐深脫P(yáng)、合理控制鋼包爐脫氧參數(shù)等措施,克服了殘余元素超標(biāo)的問(wèn)題,掌握了超低殘余元素的控制方法,且易氧化元素收得率穩(wěn)定;通過(guò)保護(hù)澆注有效解決了澆注過(guò)程的二次氧化問(wèn)題;在電渣重熔過(guò)程通過(guò)采用CaF2-CaO-Al2O3-xSiO2-yB2O3等多元渣系,成功解決了Si、Al、B與渣系之間的平衡問(wèn)題,保證了Si、Al、B元素窄成分的合格可控。從質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果看,化學(xué)成分及夾雜物評(píng)級(jí)等各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求,生產(chǎn)出了合格的鍛件,成功地解決了FB2鋼錠的制造技術(shù)難題。