超大型鋼錠制造技術(shù)研究

高建軍 巴鈞濤

(中國第一重型機(jī)械股份公司天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

目前，為了改善能源結(jié)構(gòu)，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家都在積極致力于核電技術(shù)的發(fā)展。大型先進(jìn)壓水堆核電站中的反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器及常規(guī)島等關(guān)鍵設(shè)備所需的整體頂蓋、接管段、錐形筒體、管板、水室封頭、整鍛汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子等超大型鍛件的制造技術(shù)和生產(chǎn)能力已成為制約全球核電高速發(fā)展的瓶頸。研制出超大型鍛件的前提是掌握超大型鋼錠的制造技術(shù)，為此中國第一重型機(jī)械股份公司在國家的大力支持下對(duì)超大型鋼錠的研制及共性技術(shù)進(jìn)行了立項(xiàng)研究。通過不斷努力，研制出的超大型鋼錠化學(xué)成分均勻，內(nèi)部純凈，組織致密。本文主要從超純凈鋼水冶煉和特大鋼錠多包合澆差異成分控制兩方面做重點(diǎn)介紹。

1 超純凈鋼水冶煉及控制

核電常規(guī)島低壓轉(zhuǎn)子代表鋼種為30Cr2Ni4MoV。該鋼種含氫量較高時(shí)，在鍛件中的富氫部分極容易產(chǎn)生白點(diǎn)，導(dǎo)致較嚴(yán)重的縱裂傾向，并且冷卻過程中的相變會(huì)引起較為嚴(yán)重的內(nèi)應(yīng)力[1]，因此需將H含量控制在1.5×10-6以下。另外，P、As、Sn、Sb等雜質(zhì)元素會(huì)導(dǎo)致該鋼的回火脆化，Si、Mn等合金元素會(huì)助長脆化傾向，S則使韌性降低，因此必須將這些元素含量盡可能降到最低值。超純凈30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼化學(xué)成分要求見表1。

超純凈鋼水冶煉主要采取強(qiáng)化脫磷、脫硫、真空脫氣、深脫硫及去夾雜處理，這些冶煉技術(shù)在一重已較為成熟。制約鋼錠純凈度的影響環(huán)節(jié)主要體現(xiàn)在中間包的控制上。通過實(shí)驗(yàn)室研究，設(shè)計(jì)了100 t橢圓型中間包裝置及控流技術(shù)，并在現(xiàn)場(chǎng)得到了良好的應(yīng)用。

2 實(shí)驗(yàn)室研究

考慮到中間包吊運(yùn)、砌磚、安放和冶金效果等因素，中間包的形狀由原來使用的圓形改為橢圓形，并設(shè)計(jì)了控流裝置。依據(jù)相似原理建立物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，相似比為1∶4，模型材質(zhì)為有機(jī)玻璃，模擬鋼水的介質(zhì)為水。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，其中RTD(時(shí)間濃度分布曲線)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集卡812pg和電導(dǎo)儀組成。

表1 超純凈30Cr2Ni4MoV轉(zhuǎn)子鋼化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The chemical composition of the ultra-pure rotor with 30Cr2Ni4MoV steel (mass fraction，%)

注：H含量≤1.5×10-6，O含量≤30×10-6，N含量≤80×10-6。

1—中間包 2—流量計(jì) 3—示蹤劑加入器4—塞棒 5—RTD系統(tǒng) 6—數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Figure 1 The schematic diagram of examination equipments

圖2 RTD曲線Figure 2 RTD curve

2.1 停留時(shí)間及流動(dòng)模式結(jié)果分析

正常澆注液位2 000 mm時(shí)的時(shí)間濃度分布曲線(RTD)如圖2所示。

表2 橢圓形中間包停留時(shí)間和流動(dòng)模式Table 2 The residence time and flow mode of elliptical tundish

表3 中間包內(nèi)夾雜物平均去除效果Table 3 The average removal effect of inclusions in tundish

2.2 夾雜物去除結(jié)果分析

采用聚苯乙烯粒子模擬夾雜物，以衡量中間包去除夾雜物的能力。實(shí)驗(yàn)過程中每次加入聚苯乙烯粒子的數(shù)目是1 000粒。夾雜物上浮率的測(cè)定采用階躍式加入方式，每次隨大包注流加入定量(We)的塑料粒子，然后在中間包的水口收集塑料粒子，即捕捉量(Wg)。用上浮率η=(1-Wg/We)×100%表示中間包排除夾雜物的能力[2]。表3為橢圓形中間包內(nèi)夾雜物平均去除情況?？梢钥闯觯瑠A雜物上浮率達(dá)到了96%，表明夾雜物去除效果良好。

2.3 鋼液流動(dòng)物理模擬流場(chǎng)顯示結(jié)果分析

采用藍(lán)黑墨水作為流體流動(dòng)的染色劑[4]，每次加入量為15 ml。利用照相機(jī)拍攝，分析不同時(shí)間中間包內(nèi)流體流動(dòng)情況。圖3為正常澆注液位2 000 mm時(shí)的流場(chǎng)顯示圖。

由圖3可以看出，染色劑在中間包擋墻一側(cè)的停留時(shí)間大大延長，這有利于鋼水成分和溫度由圖2可知，曲線的峰值較小，且不存在明顯的尖峰，所以不存在短路流。表2為中間包鋼液停留時(shí)間和流動(dòng)模式。從表2可以看出，采用橢圓形中間包有利于鋼水成分、溫度的均勻及夾雜物上浮，從而提高鋼水潔凈度。

圖3 液位2 000 mm時(shí)的流場(chǎng)顯示圖Figure 3 The display image of flow field at 2 000 mm liquid level

圖4 液位2 000 mm時(shí)的夾雜物流場(chǎng)顯示圖Figure 4 The display image of flow field of inclusions at 2 000 mm liquid level

圖5 100 t異性中間包照片F(xiàn)igure 5 The photo of 100 t special tundish

圖6 619 t鋼錠C偏析模擬結(jié)果Figure 6 The simulation result of carbon segregation in 619 t steel ingot

2.4 夾雜物流場(chǎng)顯示結(jié)果分析

為了觀察夾雜物流動(dòng)物理模擬流場(chǎng)效果，通過照相機(jī)拍攝分析夾雜物在中間包內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡，以定性的描述夾雜物在中間包內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況[4]。本實(shí)驗(yàn)采用油作為示蹤劑，每次加入量為200 ml，中間包入口和出口流量是1.6 m3/h，正常澆注液位高度2 000 mm時(shí)的夾雜物流場(chǎng)如圖4所示。

結(jié)果表明：夾雜物移動(dòng)的速度很慢，而且絕大部分被擋墻分開，很少能穿過中間包擋墻底部進(jìn)入擋墻的另一邊。即使有少數(shù)模擬夾雜物穿過擋墻底部，因受到擋壩的阻擋而向上移動(dòng)，從而迫使夾雜物上浮，促進(jìn)夾雜上浮的效果非常明顯。

3 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的100 t異性中間包投入現(xiàn)場(chǎng)使用后，鍛件夾雜物評(píng)級(jí)率大大提高，檢測(cè)缺陷明顯減少。圖5為100 t異性中間包實(shí)物照片。

超大鋼錠制作的低壓轉(zhuǎn)子檢測(cè)結(jié)果顯示，沒有大于?1.6 mm的超標(biāo)缺陷，表明鋼錠內(nèi)部十分純凈，也證明了此中間包的流動(dòng)模式有利于夾雜物充分上浮。

4 特大鋼錠多包合澆差異成分控制

超大型鋼錠橫截面大，凝固時(shí)間長，偏析嚴(yán)重。600 t級(jí)鋼錠為確保成分均勻，鋼水合澆時(shí)每包鋼水的化學(xué)成分不同。通過計(jì)算機(jī)模擬，確定每爐鋼的化學(xué)成分、澆注順序和時(shí)間，從而控制大鋼錠成分偏析問題。

4.1 “多包合澆”方案模擬計(jì)算

制定多包合澆方案后，對(duì)該工藝過程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬。圖6為619 t低壓轉(zhuǎn)子鋼錠C偏析模擬結(jié)果。

模擬結(jié)果表明：最大C偏析為0.51%，位于冒口底部；最小C偏析為0.15%，位于鋼錠尾錐；在位于冒口根部以下200 mm與尾錐以上100 mm之間C的化學(xué)成分在0.16%～0.33%之間。

4.2 600 t級(jí)鋼錠解剖分析

為研究鋼錠內(nèi)部冶金質(zhì)量及偏析規(guī)律，我們對(duì)本公司生產(chǎn)的一支600 t級(jí)鋼錠沿最大直徑進(jìn)行了縱剖，徑向和軸向每400 mm取1個(gè)試樣。從鋼錠錠身解剖分析結(jié)果來看，最小C含量為0.22%，最大C含量為0.30%，二者之差為0.08%，顯示出較好的均勻度，證明了多包合澆成分差異控制工藝的合理性。

5 結(jié)論

(1)通過強(qiáng)化脫磷、脫硫、真空脫氣、深脫硫及去夾雜處理，P、S、殘余元素及氣體含量控制達(dá)到較高水平。

(2)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的100 t異性中間包，流動(dòng)模式合理，夾雜物上浮率達(dá)96%。

(3)超大轉(zhuǎn)子內(nèi)部純凈，檢測(cè)結(jié)果未發(fā)現(xiàn)大于?1.6 mm的超標(biāo)缺陷。

(4)采用多包合澆成分差異控制技術(shù)，超大鋼錠成分偏析得到了有效控制。

[1] 康大韜，葉國斌. 大型鍛件材料及熱處理. 北京:龍門書局出版社，1998.

[2] 黃永鋒.提高大鋼錠連澆過程鋼水潔凈度的模擬研究[D].重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

[3] 李寶寬，赫冀成. 煉鋼中的計(jì)算流體力學(xué). 北京：冶金工業(yè)出版社，1998：98-138.

[4] 黃永鋒，文光華，唐萍等.模鑄連澆中間包控流裝置優(yōu)化的水模實(shí)驗(yàn)[J].大型鑄鍛件，2010(3):5-9.