12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子電渣重熔工藝中試研究

高建軍 巴鈞濤 唐作濱 康永斌

(1.中國(guó)第一重型機(jī)械股份公司天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457；2.中國(guó)第一重型機(jī)械股份公司鑄鍛鋼事業(yè)部水鍛分廠(chǎng)，黑龍江161042)

隨著國(guó)家節(jié)能減排戰(zhàn)略的進(jìn)一步推進(jìn)以及核電裝備的大力發(fā)展，超超臨界機(jī)組成為我國(guó)核電和火電裝備的主流[1]。12Cr%超超臨界轉(zhuǎn)子鋼以其具有良好的鍛造性、淬透性、抗氧化性、焊接性和持久韌性成為1 000 MW超超臨界核電機(jī)組高壓轉(zhuǎn)子的選用材料[2]。中國(guó)第一重型機(jī)械股份公司(簡(jiǎn)稱(chēng)一重)自2008年以來(lái)采用雙真空方式已成功制造多支12Cr%超超臨界轉(zhuǎn)子，但也有部分轉(zhuǎn)子因強(qiáng)度和沖擊性能不合格而造成廢品。采用雙真空方式生產(chǎn)的鋼錠冷卻時(shí)間長(zhǎng)，鑄態(tài)組織晶粒粗大，偏析嚴(yán)重，很難保證鍛件的均質(zhì)性，而電渣重熔鋼錠冷卻速度快(凝固速度系數(shù)可達(dá)到40 mm/min1/2)，鋼錠成分均勻、組織致密、夾雜物少，因此采用電渣重熔方式制造12%Cr轉(zhuǎn)子鋼錠成為必然。

1 大鋼錠制造

由于市場(chǎng)對(duì)核電主管道、12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子等高品質(zhì)大鍛件的需求，我公司于2010年新上了120 t三相雙極串聯(lián)電渣爐，并于2011年4月利用12%Cr廢轉(zhuǎn)子鍛件改制成自耗電極對(duì)120 t電渣爐進(jìn)行了熱調(diào)試。

表1、表2為自耗電極和鋼錠水口端、冒口端的化學(xué)成分和氣體含量。

從表1可以看出，冒口端Mn、Cr、V等元素?zé)龘p嚴(yán)重，氧含量達(dá)到了132×10-6，相對(duì)自耗電極增加了4倍之多。電渣重熔過(guò)程中氧通過(guò)四種途徑進(jìn)入熔渣及鋼液：(1)自耗電極中溶解的氧及不穩(wěn)定的非金屬氧化物夾雜；(2)在電極制造和重熔時(shí)渣池上方電極表面生成的氧化鐵皮；(3)造渣材料中帶入的不穩(wěn)定氧化物；(4)氧直接從大氣中通過(guò)熔渣轉(zhuǎn)移到金屬熔池。對(duì)于廢轉(zhuǎn)子改制的自耗電極，其氧含量為26×10-6，處于較低水平，且渣料純度較高，因此影響鋼錠最終氧含量較高的原因是氣體保護(hù)效果差，大氣中的氧通過(guò)渣池轉(zhuǎn)移到鋼中，其機(jī)理如圖1所示。

表1 自耗電極及鋼錠水口和冒口化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The chemical compositions of consumable electrodes and ingot head and riser(mass fraction,%)

表2 自耗電極及鋼錠水口和冒口氣體含量(×10-6)Table 2 Gas contents of consumable electrodes and ingot head and riser(×10-6)

圖1 氧化物傳氧機(jī)理示意圖Figure 1 The schematic diagram of oxygen-transfer mechanism of oxide

在渣池表面上，低價(jià)的氧化物被空氣中的氧氧化成高價(jià)氧化物，如式(1)所示：

2(FeO)+1/2{O2}=(Fe2O3)

(1)

當(dāng)這些高價(jià)氧化物轉(zhuǎn)移到渣-金界面時(shí)，又與該金屬作用轉(zhuǎn)變成低價(jià)氧化物，從而使氧轉(zhuǎn)入金屬中，如式(2)、式(3)所示：

(Fe2O3)+[Fe]=3(FeO)

(2)

(FeO)=[Fe]+[O]

(3)

通過(guò)上述反應(yīng)可以看出，這個(gè)變價(jià)的氧化鐵起一個(gè)“氣筒”的作用，通過(guò)變價(jià)過(guò)程將空氣中的氧不斷送入金屬熔池[3]。另外，Mn、Cr、V等元素?zé)龘p產(chǎn)生的大量不穩(wěn)定氧化物進(jìn)入渣中，造成渣子性能惡化，從而影響了熔煉的正常進(jìn)行。

2 中試試驗(yàn)

根據(jù)大爐子調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，對(duì)12%Cr材質(zhì)在10 t電渣爐上進(jìn)行了中試試驗(yàn)。在中試試驗(yàn)之前首先對(duì)一些工藝參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，從而為制定更加合理的工藝參數(shù)提供依據(jù)。

2.1 計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果

結(jié)晶器尺寸?760 mm，電極尺寸480 mm，冷卻水水溫11℃，初始渣帽層厚度240 mm，有效電流16 000 A，熔速10 kg/min，渣皮厚度2 mm。圖2為凝固過(guò)程中的溫度場(chǎng)和液相分?jǐn)?shù)模擬。圖3為枝晶間距預(yù)測(cè)。圖4為成斑概率預(yù)測(cè)。

圖2 溫度場(chǎng)和液相分?jǐn)?shù)模擬結(jié)果Figure 2 The simulation results of temperature fields and liquid fractions

圖3 枝晶間距預(yù)測(cè)Figure 3 The prediction of dendrite spacing

圖4 成斑概率預(yù)測(cè)Figure 4 The prediction of freckle formation ratio

從圖2可以看出，金屬熔池深度340 mm，兩相區(qū)厚度270 mm。金屬熔池的深度直接影響了結(jié)晶質(zhì)量，鋼液結(jié)晶方向一定沿金屬熔池曲面的法向方向生長(zhǎng)，所以熔池形狀對(duì)鋼錠的凝固結(jié)晶影響很大，而結(jié)晶的方向與速度又直接影響了鋼錠的冶金質(zhì)量。實(shí)踐證明，一般金屬熔池深度應(yīng)控制為結(jié)晶器直徑的1/2～1/3，這樣的冶金質(zhì)量及工藝效果較好[4]。

由于二次樹(shù)枝晶之間有溶質(zhì)的偏析，因此希望這種樹(shù)枝晶間距越小越好。從圖3可以看出，鑄錠心部一次枝晶1 450 μm，二次枝晶為718 μm；1/2半徑處，一次枝晶為849 μm，二次枝晶間距為363 μm；最大半徑處，一次枝晶間距為197 μm，二次枝晶間距為56 μm。說(shuō)明枝晶間距大小比較合理。

采用熔渣液相線(xiàn)溫度T=1 573 K進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果顯示渣系熔點(diǎn)正常，熔池深度控制比較合理，晶間流動(dòng)的雷諾數(shù)較大，可能會(huì)產(chǎn)生偏析和偏析所致的斑多發(fā)生在心部半徑250 mm區(qū)域內(nèi)。

2.2 中試試驗(yàn)方案

根據(jù)計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果，制定了中試試驗(yàn)方案。自耗電極采用堿性電弧爐冶煉+真空精煉+大氣下注+鍛造的方式制造。鍛造后電極需要機(jī)加扒除氧化鐵皮，并對(duì)電極套料進(jìn)行電極的成分檢測(cè)。渣系采用CaF2-Al2O3-CaO-MgO-SiO2五元渣系。采用氬氣保護(hù)防止冶煉過(guò)程中吸氣。供電參數(shù)采用如圖5所示的恒熔速遞減功率控制。鋼錠脫模后馬上罩冷，待冷至室溫后，沿鋼錠高度方向每隔200 mm處取尺寸為50 mm×50 mm×100 mm試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析和氣體含量檢測(cè)。

2.3 渣系選擇及脫氧方式

酸性渣雖然脫硫、脫氧效果較差，且氧位相對(duì)較高，但酸性渣透氣率低，可以有效防止重熔過(guò)程中鋼錠的增氫，尤其針對(duì)12%Cr材質(zhì)非常重要。另外，酸性渣可以有效控制鋼中非金屬夾雜物的形態(tài)，獲得塑性?shī)A雜物。中試試驗(yàn)采用前蘇聯(lián)巴頓電焊研究所研制的ANF-32的CaF2-Al2O3-CaO-MgO-SiO2五元渣系，根據(jù)資料報(bào)道，該渣系相對(duì)CaF2-Al2O3-CaO渣系所重熔的鋼沖擊韌性可以提高30%～40%左右[5]。采用鋁粒和硅鈣粉復(fù)合間隔脫氧，根據(jù)電極原始氧含量及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)確定脫氧劑用量。

2.4 中試結(jié)果

2.4.1 鋼錠化學(xué)成分

圖6為沿鋼錠高度方向上的不同取樣位置。

圖5 供電參數(shù)Figure 5 The parameters of power supply

圖6 取樣位置Figure 6 The sampling position

CSiMnPSCrNiMoVNbAlW標(biāo)準(zhǔn)要求電極ABCDE0.11～0.130.120.110.110.120.120.11≦0.120.090.090.06<0.05<0.05<0.050.40～0.500.440.390.410.420.430.40≦0.0120.0110.0150.010.0090.0110.01≦0.0050.0030.0020.0020.0020.0020.00210.20～10.6010.8510.6910.8510.6810.9110.940.70～0.800.730.710.710.700.730.711.00～1.101.161.101.111.121.181.130.15～0.250.210.200.200.200.210.200.04～0.060.050.030.040.040.050.03≦0.0100.0050.0070.0090.0090.0080.0090.95～1.051.041.031.031.021.031.03

表4 電極及電渣錠不同取樣位置氣體含量(×10-6)Table 4 Gas contents in various sampling positions of electrode and electroslag ingot(×10-6)

圖7 不同時(shí)刻渣系組員成分變化Figure7 The changes of slag components at the different times

從圖6可以看出，整個(gè)鋼錠表面光滑，無(wú)裂紋和渣溝。其中，字母A代表水口端，E為冒口端。表3、表4為自耗電極及電渣鋼錠不同取樣位置的化學(xué)成分、氣體含量。

從表3、表4可以看出，鋼錠氫含量平均值較原始電極增加了22%左右.在保證鋼錠鋁含量不超標(biāo)的情況下，重熔過(guò)程中采用合理數(shù)量的鋁和硅鈣間隔脫氧，氧含量相對(duì)自耗電極減少了38%左右，氮含量相對(duì)原始電極降低了19%左右。由此可以看出，如果自耗電極成分控制合格，采取合適的電渣工藝參數(shù)能夠滿(mǎn)足12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子產(chǎn)品技術(shù)要求。

2.4.2 冶煉過(guò)程渣系變化

圖7為該渣系在整個(gè)冶煉過(guò)程中其組員成分的變化曲線(xiàn)。冶煉過(guò)程中每隔2 h取一次樣。slag0代表原始渣，slag1～slag5依次隔2 h取一次樣，slag6為渣帽取樣。

從圖7可以看出，原始渣、冶煉過(guò)程中的渣樣以及渣帽渣樣的各個(gè)組員成分在整個(gè)冶煉過(guò)程中變化很小，說(shuō)明整個(gè)冶煉過(guò)程控制良好，證明供電參數(shù)、脫氧制度及電極埋入深度都是合理的，且氣體保護(hù)效果良好。

3 結(jié)論

(1)12%Cr材質(zhì)大型電渣重熔鋼錠冒口氧含量超標(biāo)與氣體保護(hù)效果差造成Cr、Mn、V等元素?zé)龘p生成的不穩(wěn)定氧化物向熔池供氧有關(guān)。

(2)計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果顯示，中試小錠其熔池形狀、熔池深度、二次枝晶間距合理，心部半徑250 mm內(nèi)有可能產(chǎn)生偏析。

(3)嚴(yán)格控制自耗電極成分，采用CaF2-Al2O3-CaO-MgO-SiO2五元渣系、惰性氣體保護(hù)、鋁和硅鈣間隔脫氧的重熔工藝參數(shù)制造的小錠能夠滿(mǎn)足產(chǎn)品技術(shù)要求。

[1] 張百忠.合金元素在12%Cr型超超臨界轉(zhuǎn)子鋼中的作用.大型鑄鍛件，2008(5):9-11.

[2] 孫奉亮，何文武，趙曉東，劉建生.12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子鋼的晶粒長(zhǎng)大規(guī)律.大型鑄鍛件，2011(5):4-8.

[3] 姜周華. 電渣冶金的物理化學(xué)及傳輸現(xiàn)象[M].沈陽(yáng):東北大學(xué)出版社，2000(3):P150.

[4] 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(1):192.

[5] Медовар В И. Проблемы спедиальной электрометаллургии, Наукова думка. Киев,1981(5): 30-34.