臨氫用12Cr2Mo1V鍛用鋼的留氧冶煉工藝研究

陳建東蘇德利曹立民王　玨( ．上海重型機(jī)器廠有限公司大型鑄鍛件研究所，上海005;．江蘇沙鋼集團(tuán)有限公司轉(zhuǎn)爐煉鋼廠，江蘇565;．中天鋼鐵集團(tuán)有限公司第二煉鐵廠，江蘇0;．安徽工業(yè)大學(xué)冶金與資源學(xué)院，安徽0)

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臨氫用12Cr2Mo1V鍛用鋼的留氧冶煉工藝研究

陳建東1蘇德利2曹立民3王玨4
( 1．上海重型機(jī)器廠有限公司大型鑄鍛件研究所，上海200245;
2．江蘇沙鋼集團(tuán)有限公司轉(zhuǎn)爐煉鋼廠，江蘇215625;
3．中天鋼鐵集團(tuán)有限公司第二煉鐵廠，江蘇213011;
4．安徽工業(yè)大學(xué)冶金與資源學(xué)院，安徽243032)

摘要:臨氫用12Cr2Mo1V鍛用鋼采用VCD真空澆鑄工藝。由于鋼液黏度較大，為防止?jié)茶T時大尺寸夾雜物被卷入鋼液，質(zhì)量控制的要點是采取留氧冶煉工藝。LF操作選用電石粒脫氧，電石粒用量根據(jù)LF第一個目標(biāo)樣C含量確定。鋼液入VD時活度氧控制在( 19．0～23．0)×10－6，VD結(jié)束時活度氧控制在( 14．0～18．0)× 10－6。這樣的留氧量能確保真空澆鑄時，鋼液以滴流狀態(tài)進(jìn)入鋼錠模，從而有效避免鋼液卷入中間包熔損耐材類大尺寸夾雜物。

關(guān)鍵詞:12Cr2Mo1V鍛用鋼;夾雜物;冶煉工藝

臨氫設(shè)備用耐熱鋼長期工作在高溫、高壓環(huán)境下，會出現(xiàn)回火脆性現(xiàn)象［1、2］。這主要是由于耐熱鋼中含有的As、Sn、Sb、P等雜質(zhì)元素熔點較低，在耐熱鋼回火處理時，它們會向奧氏體晶界偏聚，減弱了奧氏體晶界上原子間的結(jié)合力，降低了鋼的晶界斷裂強(qiáng)度。向鋼中加入一定量的Cr可提高鋼的淬透性、抗氧化性、耐氣體腐蝕能力及蠕變強(qiáng)度。鋼中一定量的Mo則能阻礙雜質(zhì)元素在晶界上偏聚，防止析出Fe3CⅡ，從而有效抑制耐熱鋼的這種高溫回火脆性［3］。因此，12Cr2Mo1V耐熱鍛用鋼常被用于臨氫設(shè)備的制造。但是12Cr2Mo1V鍛用鋼的鋼液黏度較大，在真空澆鑄時，被卷入鋼液的中間包熔損耐材夾雜物上浮困難，不易去除，導(dǎo)致鋼材性能不合格。對此，本文研究了12Cr2Mo1V鍛用鋼的留氧冶煉工藝，分析了留氧操作對鋼錠性能的影響，尋求最優(yōu)留氧工藝參數(shù)，以減少真空澆鑄時鋼液卷入的夾雜物，滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求。

1　臨氫用12　Cr2　Mo1　V鍛用鋼的性能及特性

1．1 12Cr2Mo1V鍛用鋼的超聲檢測要求及力學(xué)性能

臨氫設(shè)備按JB/T 4730．3—2005逐件進(jìn)行100%超聲檢測。檢測要求: ( 1)不允許有裂紋、白點及縮孔等缺陷; ( 2)不允許有當(dāng)量直徑≥?4 mm連續(xù)缺陷信號; ( 3)允許?2 mm～?4 mm分散缺陷存在，但相鄰兩個缺陷的距離不小于其較大缺陷直徑的7倍。

表1　臨氫設(shè)備用12Cr2Mo1V鍛用鋼的力學(xué)性能Table 1　Mechanical property of 12Cr2Mo1V forging steel for hydrogen service

臨氫設(shè)備用12Cr2Mo1V鍛用鋼力學(xué)性能按照J(rèn)B 4726—2000執(zhí)行，具體見表1。

1．2 12Cr2Mo1V鍛用鋼檢測及力學(xué)性能不合格原因分析

臨氫設(shè)備是一個筒形的加氫反應(yīng)器，通過鑄錠→鍛壓成型→鍛后熱處理→機(jī)加工的流程進(jìn)行加工。目前上海重型機(jī)器廠有限公司(簡稱上重)的下注鋼錠最大重量是55 t級(國內(nèi)最大下注鋼錠重量是60 t級)，稍大一些的臨氫設(shè)備，僅空心直筒體重量就超過40 t。因此，用12Cr2Mo1V鍛用鋼制造臨氫設(shè)備只能采用真空澆鑄工藝流程。

真空澆鑄鋼錠采用全速澆鑄，注速7．5 t/min左右。鋼水在80 t中間包內(nèi)的停留時間小于12 min。根據(jù)Newton公式［4］，鋼液中夾雜物上浮速度為:

式中νs——夾雜物上浮速度，cm/s;

d——夾雜物直徑，cm。

根據(jù)式( 1)，在沒有氬氣攪拌的中間包熔池中，粒徑3 mm的夾雜物上浮2．5 m的時間為30．8 min，遠(yuǎn)大于鋼水在80 t中間包內(nèi)的停留時間。因此真空澆鑄時，被卷入鋼液的中間包熔損耐材類大尺寸夾雜物來不及上浮去除，這是臨氫設(shè)備鍛用鋼檢測、力學(xué)性能不合格的主要原因。

1．3 12Cr2Mo1V鍛用鋼的化學(xué)成分及特別要求

臨氫用12Cr2Mo1V鋼的化學(xué)成分見表2。

表2　12Cr2Mo1V鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2　Chemical composition of 12Cr2Mo1V steel ( mass fraction，%)

臨氫用12Cr2Mo1V鋼的化學(xué)成分還應(yīng)滿足式( 2)、( 3)規(guī)定的回火脆化敏感性系數(shù)J和焊縫金屬脆化敏感性系數(shù)X，同時也需滿足式( 4)的要求。

1．4 12Cr2Mo1V鍛用鋼的黏度特性

C含量對鋼液黏度的影響較大，這主要是因為C含量使鋼的密度和熔點發(fā)生變化，從而引起鋼液黏度的變化。C含量對鋼液黏度的影響見圖1。此外，鋼液中的Cr、Mo、V含量若過高，易與C生成高熔點、大體積的各種碳化物，使鋼液黏度增加［5］。從圖1來看，12Cr2Mo1V鋼液的黏度較大，這會造成鋼液中的夾雜物上浮困難，不易去除。為此，12Cr2Mo1V鍛用鋼需采用留氧冶煉工藝，避免大尺寸夾雜物在澆鑄時被卷入鋼液。

圖1　C含量對鋼液黏度的影響(溫度高于液相線50℃時)Figure 1　 The influence of carbon content on the viscosity of molten steel( When the temperature is greater than the liquidus temperature of 50℃)

2　臨氫用12　Cr2　Mo1　V鍛用鋼的留氧冶煉工藝

2．1電爐冶煉

采用寶鋼、沙鋼產(chǎn)的生鐵，生鐵配入量不低于35%，本鋼種返回料用量不大于40%，其余為船用鋼板剪切料。確保熔清時As、Sn、Sb滿足表2內(nèi)控要求。爐后除加Mo合金化外，不補(bǔ)加任何合金及脫氧元素。

2．2 LF精煉

2．2．1合金的選擇

因為12Cr2Mo1V鍛用鋼要求［Si］≤0．10%、［Al］≤0．010%。因此選用［Si］＜1．5%的低碳鉻鐵、鉬鐵;為降低成本，配入25%～30%的高碳鉻鐵，所選用的高碳鉻鐵［Si］＜3．0%，確保VD處理前［Si］≤0．10%、［Al］≤0．010%。

2．2．2精煉渣系的選擇

臨氫設(shè)備用12Cr2Mo1V鍛用鋼采用CaOSiO2-CaF2基渣系。實際操作中，任取兩爐VD前、后渣樣。分析結(jié)果見表3。精煉渣系主成分在CaO-SiO2-CaF2基［6］相圖中的投影見圖2。

表3　12Cr2Mo1V鋼VD前、后精煉渣成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3　Composition of the refining slagbefore and after VD process for 12Cr2Mo1V Steel ( mass fraction，%)

圖2　精煉渣在CaO-SiO2-CaF2基渣系中的分布Figure 2　 The distribution of refining slag inCaO-SiO2-CaF2base slag series

2．2．3 LF精煉脫氧劑的選擇及用量

鋼包帶氬轉(zhuǎn)運，進(jìn)入LF加熱工位后，取樣分析，通電升溫。同時漂入電石粒(粒徑3 mm～15 mm，發(fā)氣量≥280 L/kg)進(jìn)行渣面擴(kuò)散脫氧。CaC2脫氧反應(yīng)方程式如下［7］:

由式( 5)可知，CaC2是一種強(qiáng)脫氧劑，能使?fàn)t渣很快變白。LF精煉時，每隔6 min～8 min漂入0．2 kg/t的電石粒，白渣保持40 min后進(jìn)行合金化。

LF精煉過程要進(jìn)行留氧操作，目的是為了使鋼液氧含量合適，確保后續(xù)真空澆鑄終脫氧時的C-O反應(yīng)合適。高真空澆鑄時合適的C-O反應(yīng)所產(chǎn)生的CO氣體能打散鋼液，使鋼液呈滴流狀由中間包水口進(jìn)入鋼錠模，此時由中間包耐材侵蝕后形成的大尺寸夾雜物就不會被液流卷入鋼液內(nèi)部，而是始終浮在液面上，最后可在冒口去除。

因此，入VD脫氣處理前電石粒的用量是12Cr2Mo1V鍛用鋼留氧冶煉的關(guān)鍵。若前期LF精煉時電石粒用量過少，則鋼液留氧太多，C-O反應(yīng)將一直要延續(xù)到鋼錠模內(nèi)，鋼液在鋼錠模內(nèi)翻騰，澆鑄時浮在鋼液表面的夾雜物會被卷入錠身中。若LF精煉時過量使用電石粒脫氧，鋼液中的氧將被降低到較低的水平，真空澆鑄時C-O反應(yīng)產(chǎn)生的CO氣體不足，不能有效打碎鋼液，達(dá)不到鋼液呈滴流狀進(jìn)入鋼錠模的效果。在真空澆鑄時，隨著真空度的降低，碳氧濃度積也降低。1 873 K、100 Pa時，［C］［O］= 2．5×10－6［8］。根據(jù)理論計算，當(dāng)［C］= 0．15%時，［O］= 16．7× 10－6。因此要確保鋼液合適的留氧量，入VD處理前電石粒的用量具體要根據(jù)LF第一只目標(biāo)樣的C含量來確定，如表4所示。

2．3 VD處理

VD處理有效真空度為2 660 Pa～4 000 Pa，有效真空時間25 min。VD脫氣時，在爐渣吹面的“渣眼”處，鋼液沖破渣層，在持續(xù)高真空的作用下，氣體析出鋼液［9］。特別對于原子半徑很小的氫，比較容易脫離鋼液而被去除［5］。而氧主要通過碳氧反應(yīng)以CO的形式去除。

經(jīng)過多爐次的試驗統(tǒng)計，入VD時鋼液活度氧控制在( 19．0～23．0)×10－6(［O］大約在110 ×10－6～140×10－6)，VD結(jié)束時鋼液活度氧控制在( 14．0～18．0)×10－6(［O］大約在80×10－6～100×10－6)，這樣的留氧量能確保真空澆鑄時C-O反應(yīng)產(chǎn)生的CO使鋼液呈滴流狀進(jìn)入鋼錠模。圖3為VD結(jié)束、鋼液活度氧分別為10．5×10－6、16．8×10－6時，中間包水口鋼液的散流情況。顯然，圖3( b)的散流情況符合澆鑄要求，鋼液呈“毛毛細(xì)雨”滴流狀進(jìn)入鋼錠模，大尺寸夾雜物不會被液流卷入鋼液內(nèi)部，始終浮在液面上，后期易于去除。

2．4 VCD真空澆鑄

用80 t中間包進(jìn)行真空澆鑄，熔池高度2 950 mm，水口內(nèi)徑?55 mm，中間包形狀如圖4所示。

真空澆鑄時，塞桿不吹氬，真空度≤65 Pa。在高真空的作用下，經(jīng)中間包水口流出的鋼液C-O反應(yīng)劇烈，鋼液散開后呈滴流狀進(jìn)入鋼錠模，有效避免了將中間包工作襯侵蝕后形成的大尺寸外來夾雜物卷入到鋼液中去。

根據(jù)資料，鋼液流股的沖擊深度有如下關(guān)系式［10］:

式中H——流股沖擊深度，m;

ν0——流股沖擊速度，m/min;

νc——鑄坯速度，取0;

νs——夾雜物上浮速度，m/min;

α——鋼水出口傾角，取90°;

b——鑄坯寬度，取2×2．5 m =5．0 m;

Q——中間包鋼水流量，取7．5 t/min;

ρ——鋼水密度，取7．0 t/m3;

D——中間包水口直徑，取0．055 m;

R——流量系數(shù)，取1。

經(jīng)計算，ν0= 225．6 m/min，H = 691 mm。鋼錠高度4．3 m(其中錠身高度3．5 m)，澆鑄時間19 min。真空澆鑄時，若鋼流不被打散，夾雜物將隨鋼流卷入錠身，由于后續(xù)鋼水不斷覆蓋，剛開始進(jìn)入鋼錠的夾雜物理論上浮到冒口所需要的時間為43 min(夾雜物粒徑按照3 mm計算)，被卷入鋼液的大尺寸夾雜物將來不及上浮。此外，在鋼液凝固過程中，凝固前沿柱狀晶生長呈現(xiàn)不規(guī)則變化，有些樹枝晶生長快一些，造成了相對面的樹枝晶搭橋，阻止液相穴上部的鋼液向下部中空區(qū)的補(bǔ)縮，當(dāng)橋下面的鋼液繼續(xù)凝固時，就不能得到上面鋼液的補(bǔ)充，正在凝固中的鑄坯像一個“小鋼錠”一樣凝固［11］。因此，被卷入鋼液的中間包

表4　入VD處理前電石粒的用量Table 4　The amount of calcium carbide before VD process

圖3　VD結(jié)束、鋼液不同活度氧時，中間包水口的散流情況Figure 3　 The status of diffusing stream for molten steel with different oxygen activity after VD process

圖4　80 t中間包示意圖Figure 4　Schematic diagram of 80 t tundish

耐材夾雜物在未全部上浮到冒口時即被柱狀晶包裹而留在錠身中，如圖5所示。由此可見，真空澆鑄時，鋼液在水口處散流不好將影響鋼錠的質(zhì)量。

圖5　凝固橋形成示意圖Figure 5　Schematic diagram of solidification bridge formation

3　工藝實施效果

2014年7月，上重共計生產(chǎn)臨氫設(shè)備用12Cr2Mo1V鍛用鋼3 920 t( 30支鋼錠)，最大鋼錠重量195 t，最小110 t。鍛件車白后未發(fā)現(xiàn)有當(dāng)量直徑≥?4 mm的連續(xù)缺陷信號，也未出現(xiàn)?2 mm以上的密集性缺陷，晶粒度為6～8級。非金屬夾雜物評級如表5所示。力學(xué)性能如表6所示。

表5　非金屬夾雜物評級Table 5　Rating of non-metallic inclusions

表6　力學(xué)性能Table 6　Mechanical properties

由表5、表6可見，經(jīng)留氧冶煉，臨氫用12Cr2Mo1V鍛用鋼的非金屬夾雜物評級、力學(xué)性能全部滿足用戶要求，力學(xué)性能上富余量較多。

4　結(jié)論

( 1)臨氫設(shè)備鍛用鋼鋼錠大，必須走真空澆鑄( VCD)流程，終脫氧在真空澆鑄時進(jìn)行。

( 2)臨氫用12Cr2Mo1V鍛用鋼質(zhì)量控制的關(guān)鍵是LF爐“留氧”操作，采用電石粒作脫氧劑，電石粒的用量要根據(jù)LF爐第一個目標(biāo)C含量來確定。

( 3)合適的“留氧”可以使鋼流呈滴流狀態(tài)進(jìn)入鋼錠模，有效去除中間包耐材熔損后進(jìn)入鋼液中的外來夾雜物。

( 4)“留氧”太少，中間包水口鋼液散流不好，夾雜物卷入錠身?！傲粞酢碧?，鋼液在鋼錠模內(nèi)翻滾，冒口內(nèi)的夾雜物卷入錠身。

( 5)經(jīng)驗表明，VD前鋼水的活度氧控制在( 19．0～23．0)×10－6內(nèi)，VD畢活度氧控制在( 14．0～18．0)×10－6內(nèi)，這樣的留氧量能確保真空澆鑄時C-O反應(yīng)產(chǎn)生的CO促使鋼液呈滴流狀態(tài)進(jìn)入鋼錠模。

( 6)中間包水口鋼液散流好、壞，對臨氫用12Cr2Mo1V鍛用鋼產(chǎn)品的檢測結(jié)果、力學(xué)性能有非常大的影響。

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編輯杜青泉

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Research on Remaining Oxygen Smelting Process of 12Cr2Mo1V Forging Steel for Hydrogen Service

Chen Jiandong，Su Deli，Cao Limin，Wang Jue

Abstract:VCD vacuum casting process has been adopted for 12Cr2Mo1V forging steel for hydrogen service．Due to high viscosity of molten steel，the remaining oxygen smelting process shall be used to control the quality，in order to prevent the large-sized inclusions from getting into the molten steel during casting process．The calcium carbide has been chosen for deoxidization during LF refining．Meanwhile，the amount of calcium carbide shall be determined according to the C content of first LF sample．The initial oxygen activity shall be controlled in the range of ( 19．0～23．0)×10－6for VD process．After VD process，the final oxygen activity shall be controlled in the range of ( 14．0～18．0)×10－6．Therefore，the appropriate oxygen content could make sure the molten steel poured into ingot mould at the dropping state during vacuum casting，so as to effectively avoid the large-sized inclusions of tundish from getting into the molten steel．

Key words:12Cr2Mo1V forging steel; inclusion; smelting process

收稿日期:2015—07—22

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B

中圖分類號:TF703