620℃超超臨界含B耐熱鋼大型鑄件冶煉技術(shù)研究

鄧 琴 王 濤 邱 斌 李連龍 李洪波 何亞軍 羅玉立

(中國第二重型機械集團公司大型鑄鍛件研究所，四川618000)

生產(chǎn)技術(shù)

620℃超超臨界含B耐熱鋼大型鑄件冶煉技術(shù)研究

鄧 琴 王 濤 邱 斌 李連龍 李洪波 何亞軍 羅玉立

(中國第二重型機械集團公司大型鑄鍛件研究所，四川618000)

闡述了620℃超高溫超超臨界耐熱鋼材料ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB的冶煉技術(shù)。通過制定合理有效的工藝措施，可將復(fù)雜的化學(xué)成分精確地控制在要求范圍內(nèi)，同時掌握了元素Co、B、N等眾多元素的相關(guān)冶煉數(shù)據(jù)，成功指導(dǎo)了我公司620℃超高溫超超臨界大型鑄件的冶煉生產(chǎn)。

超超臨界;含B鋼;冶煉

620℃超高溫超超臨界耐熱鋼材料ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB屬于改進型12%Cr材料，性能指標(biāo)要求極高，質(zhì)量要求嚴(yán)格。該材料不僅鋼種成分復(fù)雜，合金元素眾多，含有污染元素Co、易氧化元素B、氣體元素N，而且要求范圍窄，化學(xué)成分控制非常困難，冶煉難度很大。同時該材料裂紋傾向大，可焊性差。據(jù)了解在國內(nèi)尚無廠家生產(chǎn)過該材料鑄件，世界上也只有奧鋼聯(lián)生產(chǎn)過。

二重為某企業(yè)生產(chǎn)的該材料汽輪機鑄件，交貨重量超過30 t以上，所需鋼水重量超過90 t。如此大重量和尺寸的超超臨界含B鋼鑄件在國內(nèi)尚屬首次生產(chǎn)。此類產(chǎn)品能否一次性生產(chǎn)成功，對我們掌握620℃超高溫超超臨界大型鑄件的制造技術(shù)有著非常重要的意義。冶煉工序作為產(chǎn)品生產(chǎn)線上的頭道工序，在保證產(chǎn)品的化學(xué)成分及鋼液的純凈度方面是至關(guān)重要的。尤其是掌握眾多元素，特別是易氧化元素B、氣體元素N相關(guān)的冶煉數(shù)據(jù)，對冶煉生產(chǎn)有著重要的指導(dǎo)意義。

1 材料化學(xué)成分要求

材料ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB的技術(shù)條件按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，其鑄件化學(xué)成分的熔煉分析要求見表1。

表1 鑄件化學(xué)成分熔煉分析要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Tab le 1 Heat analysis requirem ents for chem ical com position of casting(mass fraction，%)

從表1可以看出，此鋼種的化學(xué)成分非常復(fù)雜，合金元素眾多，冶煉時需添加10種元素。含有污染元素Co、易氧化元素B、氣體元素N，而且要求范圍窄，成品允許偏差要求嚴(yán)格，例如B只有±0.001%的成品允許偏差。同時，為了保證產(chǎn)品力學(xué)性能和鋼液純凈度，需要嚴(yán)格限制Al、Ti含量，嚴(yán)格控制As、Sn、Sb、Cu，故化學(xué)成分控制非常困難，冶煉難度極大。

表2 化學(xué)成分熔煉及成品分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Heat analysis＆product analysis of chem ical composition(mass fraction，%)

2 難點分析

2.1 化學(xué)成分C、Si、N、B控制

(1)因為需要加入大量的鐵合金，所以會給鋼水造成增C、增Si的影響，工藝措施或冶煉操作稍有不當(dāng)，C、Si即易超標(biāo)。

(2)N含量的范圍僅為70×10-6，可控范圍非常窄。

(3)B含量的范圍僅為30×10-6，同時成品分析偏差僅允許±0.001%，又由于B還原性強、收得率不穩(wěn)定，故可控性極差。

2.2 終脫氧

由于需要嚴(yán)格限制Al、Ti含量，這對終脫氧造成了一定的困難。

2.3 Co污染問題

Co屬于污染元素，生產(chǎn)含Co產(chǎn)品后會產(chǎn)生一系列的問題，諸如精煉包冶煉含Co鋼后的使用，注余、料頭、鋼屑的存放等。

3 生產(chǎn)結(jié)果與工藝技術(shù)分析

3.1 生產(chǎn)結(jié)果

經(jīng)過認(rèn)真分析研究，周密組織，成功生產(chǎn)了兩件超超臨界含B鋼鑄件。兩件鑄件產(chǎn)品的熔煉及成品取樣分析結(jié)果見表2。

從表2中的數(shù)據(jù)可以看出:

(1)所有元素的熔煉分析值和成品分析值均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi);

(2)有害元素P、S、O、As、Sn、Sb、Ti、Cu含量值均控制在較低的范圍，鋼液脫氧、純凈度良好。

3.2 冶煉工藝技術(shù)分析

3.2.1 工藝流程

該產(chǎn)品質(zhì)量要求非常嚴(yán)格，同時鋼水量超過90 t，因此確定工藝流程為:電爐粗煉鋼水，150 t鋼包爐高真空精煉，最后采用滑板吹氬的方式澆注鑄件。

以上工藝流程是我們經(jīng)過長期實踐驗證、多年使用的成熟工藝流程，可最大限度地將鋼液進行脫氣、脫氧、去除夾雜物等，保證鋼液的純凈度。

3.2.2 優(yōu)選原輔材料

從表1看，盡管化學(xué)成分熔煉分析標(biāo)準(zhǔn)中沒有對P、S、As、Sn、Sb、Cu等殘余有害元素含量進行嚴(yán)格的要求，但此材質(zhì)應(yīng)用于620℃超高溫超超臨界耐熱鋼鑄件，性能指標(biāo)要求極高，必須將以上殘余有害元素含量盡可能控制在較低的范圍內(nèi)。因此，在原輔材料的選擇上提出了高的要求，如使用優(yōu)質(zhì)生鐵、優(yōu)質(zhì)廢鋼、優(yōu)質(zhì)海綿鐵配料;使用金屬錳等高純度、低磷、低硅、低雜質(zhì)鐵合金;螢石、活性石灰等輔材要求精選、烘烤、備足。同時要求原輔材料進入冶煉車間后專料專用。

從表2分析結(jié)果看，以上原輔材料的要求從根本上確保了殘余有害元素含量控制在較低的范圍內(nèi):P達到了 0.009%以下、S甚至達到了0.001%;As、Sn、Sb、Cu含量均在極低范圍內(nèi)。

3.2.3 電爐冶煉粗水

(1)電爐爐料由優(yōu)質(zhì)生鐵、海綿鐵和優(yōu)質(zhì)廢鋼組成，并按一定比例配入。

(2)要求出鋼時P≤0.003 0%、S≤0.020%。

以上措施利于鋼液脫磷、脫硫，有效保證鋼液中P、S含量控制在較低范圍。

3.2.4 鋼包爐造渣

在鋼包爐整個冶煉過程中造渣操作極其重要，要根據(jù)不同的冶煉時期造不同的渣。如加合金前應(yīng)使?fàn)t渣流動性、還原性良好;真空處理前后應(yīng)調(diào)整好爐渣的流動性，保持白渣至出鋼。

3.2.5 化學(xué)成分的控制

(1)C、Si:在造渣、擴散脫氧、加合金順序等方面采取了一系列措施，并且加強爐內(nèi)C、Si含量的控制，防止鋼水C、Si超標(biāo)。

(2)N:鋼液中V、Nb、Cr等元素能降低氮的活度系數(shù)及相應(yīng)地提高氮的溶解度，能形成穩(wěn)定的氮化物，它們的穩(wěn)定性隨溫度下降而增加，這些氮化物的形成可增加鋼液中氮的溶解度。由于元素和氧的結(jié)合力大于和氮的結(jié)合力，因此形成氮化物前鋼液必須脫氧良好。

(3)B:此前我們沒有鋼包爐冶煉Cr9系列含B鑄鋼件的經(jīng)驗，僅掌握真空澆注B元素冶煉收得率的相關(guān)數(shù)據(jù)。故根據(jù)B元素的活性，參考真空澆注B的收得率情況，確定出鋼B的控制范圍。

從元素周期表看，元素B的金屬活潑性低于元素Al的金屬活潑性。從氧勢圖看，B與O的親和力雖然沒有Al、Ti與O的親和力強，但也容易生成氧化物B2O3。從生成氮化物反應(yīng)的熱力學(xué)角度看，B與N也有較強的親和力，易生成氮化物BN。因此在調(diào)整B含量之前應(yīng)先調(diào)整N，使氮與其他元素反應(yīng)生成氮化物。同時鋼液必須脫氧良好，加強爐內(nèi)擴散脫氧操作，保持白渣，將鋼中氧含量盡可能控制在最低值，以利于提高B的收得率。

為了準(zhǔn)確控制出鋼B含量，對FeB質(zhì)量、造渣、加入方式和時間均作了詳盡要求。

考慮到B在澆注過程及其他環(huán)節(jié)可能造成B的燒損，故需要在出鋼前將B控制在一個合理的范圍，以保證鑄件本體上B含量達到標(biāo)準(zhǔn)要求值。

從結(jié)果看，通過以上分析及采取的措施，成品B得到了有效控制。

(4)Co:元素Co在鐵液內(nèi)的溶解焓約為零，在高溫的晶型與δFe的大致相同，而且其原子半徑和鐵原子半徑又相差很小，所以與鐵能無限互溶，形成置換式溶體，和鐵的電子譜相近似。又由于Co和Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、還原電勢相近，因此，考慮Co的收得率時，按Ni的收得率考慮。從表2看，元素Co成品收得率約為95%。

制定了詳細的含Co廢鋼回收及使用的管理辦法，以保證最大限度降低含Co廢鋼對其他廢鋼的污染，同時也可充分再利用貴重合金，降低成本、增加效益。

3.2.6 終脫氧的控制

元素B與O親和力很強，易生成非金屬夾雜物，考慮到要嚴(yán)格限制Ti、Al含量，因此，需采用綜合脫氧手段。在適當(dāng)時機加入合適的強脫氧劑脫氧，達到既控制Al、Ti在較低值，又保證鋼液充分脫氧的目的。

成品O≤35×10-6說明鋼液脫氧非常好，采用上述措施是有效可行的。

3.2.7 澆注的控制

(1)澆鋼前將包底清理干凈，以防不潔物落入型腔。

(2)使用滑板吹氬，進行體外引流方式澆注，以避免砸砂落入型腔而污染鋼液。

(3)控制出鋼吊包到澆注時間以及滑板吹氬時間，從而控制澆注溫度。

4 結(jié)語

通過優(yōu)選原輔材料，可以將As、Sn、Sb、Cu等殘余有害元素含量控制在極低的范圍。同時采用電爐粗煉、鋼包爐高真空精煉、滑板吹氬等工藝措施，能夠保證鋼液充分脫磷、脫硫、脫氧，去除鋼中夾雜物，避免外來夾雜物，保證鋼液的純凈度。

合理的工藝流程和有效的冶煉措施解決了ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB的冶煉難點，尤其是實現(xiàn)了將要求范圍較窄的易氧化元素B、氣體元素N控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的目標(biāo)。

［1］ 黃希祜.鋼鐵冶金原理.北京:冶金工業(yè)出版社，1980.

編輯 肖紅原

Research on Smelting Technique for Large Castings of 620℃ Ultra Supercritical Refractory Steel Containing B Element

Deng Qing，W ang Tao，Qiu Bin，Li Lianlong，Li Hongbo，He Yajun，Luo Yuli

This paper expatiates on the smelting technique for the620℃ ultratemperature ultra supercritical refractory steel of ZG13Cr9Mo2Co1NiVNbNB.Bymeans of establishing feasible and effective technologymeasures，complicated chemical compositions can be precisely controlled within the specified range，relevantmelting data ofelements Co＆B＆N etc has beenmastered，and successfully instructour company's smelting production for the620℃ultratemperature ultra supercritical large casting.

Ultra supercritical;steel containing element B;smelting

TG156.3

B

2013—09—26