超低碳不銹鋼沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪冶煉生產(chǎn)實(shí)踐

田　豐　張騰飛　郭亞非　王鵬飛　薛良良(中信重工機(jī)械股份有限公司，河南471000)

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超低碳不銹鋼沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪冶煉生產(chǎn)實(shí)踐

田豐張騰飛郭亞非王鵬飛薛良良
(中信重工機(jī)械股份有限公司，河南471000)

摘要:通過采用適當(dāng)?shù)囊睙捁に?，?yán)格把控各項(xiàng)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，根據(jù)氧濃差電勢圖、CO曲線、廢氣溫度變化等參數(shù)準(zhǔn)確判斷反應(yīng)終點(diǎn)停氧時間，成功完成了00Cr13Ni5Mo轉(zhuǎn)輪的冶煉生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞:00Cr13Ni5Mo;轉(zhuǎn)輪;冶煉工藝

隨著中國工業(yè)化的不斷發(fā)展，不銹鋼因其良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性得到了廣泛應(yīng)用［1］。沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪就是典型的不銹鋼部件。中信重工機(jī)械股份有限公司采用LF-VOD法成功開發(fā)出了不銹鋼00Cr13Ni5Mo轉(zhuǎn)輪鍛件。本文主要介紹超低碳不銹鋼00Cr13Ni5Mo轉(zhuǎn)輪鋼錠的冶煉生產(chǎn)過程。

1　設(shè)備簡介與VOD控制原理

此次生產(chǎn)采用EBT電爐冶煉→LF爐精煉→倒包除渣→VOD吹煉→VCD脫氣→破空加入渣料及脫氧劑→返回LF精煉→VC澆注→熱送鋼錠的生產(chǎn)工藝。主要冶煉設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表1。

氧濃差電池控制過程原理:式中，R為氣體常數(shù)，R =8．315 J/mol·℃; T為絕對溫度，單位為K; F為法拉第常數(shù)，F(xiàn) = 96 500 C/mol; E為固體電池的電勢，單位為mV。根據(jù)上式，廢氣中氧的分壓PO2(廢)愈低，則電池電勢愈大; PO2(廢)愈高，則電池電勢愈小。當(dāng)PO2(廢) =21 kPa時，E就變?yōu)榱?因PO2(空) = 21 kPa )。由于吹氧過程中產(chǎn)生大量的CO會改變

表1　冶煉設(shè)備技術(shù)參數(shù)Table 1　Technical parameters of smelting equipments

PO2(廢)，脫碳激烈時PO2(廢)極小，E增大;脫碳微弱時，CO很少，E會接近于零。因此根據(jù)氧濃差電勢的開始上升，在一定E值下波動和趨近于零，即可確定吹氧脫碳的起點(diǎn)、過程和終點(diǎn)［2、3］。

2　冶煉過程

超低碳不銹鋼00Cr13Ni5Mo轉(zhuǎn)輪鍛件化學(xué)成分要求見表2。

2．1 EBT電爐初煉

嚴(yán)格挑選優(yōu)質(zhì)廢鋼、鋼板料，選用含鎳高的料頭和加氫專用生鐵，隨一次料配入5%～6%的底灰，以滿足殘余元素的技術(shù)要求。通過加入大量

表2　超低碳不銹鋼00Cr13Ni5Mo轉(zhuǎn)輪鍛件化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2　Chemical composition of extra-low-carbon stainless steel 00Cr13Ni5Mo runner forgings ( mass fraction，%)

石灰并在渣鋼界面吹入氧氣，采用自動流渣操作使出鋼前［P］≤0．005%，［C］≤0．03%，采用留鋼留渣操作，出鋼過程嚴(yán)禁氧化渣進(jìn)入精煉包內(nèi)。為精煉爐提供低磷、低碳鋼液。

2．2 LF精煉

精煉過程中采用C粉和硅鋁鈣鋇粉擴(kuò)散脫氧，脫氧劑要分批加入，保持爐內(nèi)還原氣氛，通過造高堿度精煉渣完成脫硫。此鋼種因合金加入量大，故需分批加入，Cr一般控制在中上限，控制［C］+［Si］＜0．75%。合金加完后要求精煉白渣保持時間≥20 min，以提高鉻鐵合金的回收率。取樣分析，并根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整合金成分。待成分達(dá)到VOD吹煉前工藝要求、溫度為1 630～1 650℃時，出鋼倒包除渣。VOD吹煉前鋼液化學(xué)成分見表3。

表3　VOD吹煉前鋼液化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3　Chemical composition of molten steel before VOD converting ( mass fraction，%)

圖1　D14-286F不銹鋼VOD過程曲線圖Figure 1　VOD process curve of D14-286F stainless steel

2．3 VOD吹煉

倒包除渣完畢后，溫度在1 560～1 570℃，蓋上真空蓋，下調(diào)氧槍至距鋼液面1 200 mm～1 300 mm的吹煉位置，啟動水循環(huán)真空泵，并開啟氧濃差電勢分析儀和CO氣體分析儀。當(dāng)真空度達(dá)到10 kPa～15 kPa時，開始供氧。小流量預(yù)吹時間2 min～3 min，后改大流量主吹，采用定槍位操作。觀察爐內(nèi)反應(yīng)狀況及噴濺情況，隨時調(diào)整供氧強(qiáng)度，防止發(fā)生噴濺燒壞設(shè)備。在此過程中需根據(jù)廢氣溫度、氧濃差電勢以及CO濃度曲線的變化來綜合判斷反應(yīng)終點(diǎn)。吹氧結(jié)束后，調(diào)整Ar氣流量，提起氧槍，關(guān)閉氧氣閥門，啟動蒸汽泵，進(jìn)行真空碳脫氧操作，以進(jìn)一步深脫碳，同時利用鋼液中的殘?zhí)冀档弯撘旱暮趿俊?/p>

2．4 VOD吹煉過程真空度、氧濃差電勢、廢氣溫度、CO曲線分析

VOD過程的主要任務(wù)是脫碳保鉻，由于與氧結(jié)合力強(qiáng)弱的差異，碳會優(yōu)于鉻先被氧化［4～6］，但仍存在一個臨界值，當(dāng)碳降至臨界值以下時，若繼續(xù)吹氧將會加劇鉻的氧化，并且此時脫碳速率顯著降低。本次冶煉需根據(jù)吹煉情況，綜合氧濃差電勢、廢氣溫度以及CO濃度曲線來判斷吹煉終點(diǎn)。VOD吹煉過程曲線見圖1。

從圖1可以看出，真空度保持在10 kPa～15 kPa時開始供氧，吹煉4 min后氧濃差電勢上升至950 mV以上，CO值迅速上升，最高值為41．8%，廢氣溫度也小幅提高，最高值為78℃。氧濃差電勢值趨于零、CO值趨于零，標(biāo)志著真空下的碳氧反應(yīng)接近終點(diǎn)，這時停止供氧。停氧時，廢氣溫度出現(xiàn)拐點(diǎn)3 min，CO值為0．5%。

VCD過程:隨著真空度的提高，氧濃差電勢上升至900 mV以上，CO值也迅速上升，最高值為20．4%。VCD結(jié)束時，氧濃差電勢降至20．1 mV，CO值降至2．06%。破空后，取樣。VCD結(jié)束破空后鋼液化學(xué)成分見表4。

2．5返回LF精煉

將鋼包吊至LF精煉工位測溫，加入我公司研發(fā)的專用造渣材料，采用Al粉、Si-Fe粉進(jìn)行擴(kuò)散脫氧。加入硅鐵進(jìn)行沉淀脫氧，由于硅與氧的結(jié)合力要優(yōu)于鉻，故在前期吹煉過程中所損失的鉻在精煉時被大量還原回來，因此返回LF爐精煉時不需要加入鉻鐵調(diào)整鉻含量，避免了合金化

表4　VCD結(jié)束破空后鋼液化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 4　Chemical composition of molten steel after completing VCD process and vacuum breaking ( mass fraction，%)

表5　鋼水成品化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 5　Chemical composition of product analysis for molten steel ( mass fraction，%)

圖2　冶煉全過程合金收得率Figure 2　 The yielding rate of alloy during the whole smelting process

圖3　D14-286F不銹鋼澆注擴(kuò)散照片F(xiàn)igure 3　 Photograph of pouring diffusion for D14-286F stainless steel

鋼液增碳現(xiàn)象的發(fā)生。在此過程中，要時刻觀察鋼水翻滾情況，適時調(diào)整氬氣壓力和流量，保持微正壓氣氛。同時為防止回碳(如電極滲碳等)現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)嚴(yán)格控制供電電流和電壓。爐前取氣體樣、鋼樣，待成分合格后調(diào)整溫度至1 605～1 615℃出鋼，出鋼時喂入硅鈣線，靜吹后進(jìn)行真空澆注。

3　生產(chǎn)結(jié)果

3．1鋼水成品成分

鋼水成品化學(xué)成分見表5。從表5可以看出，化學(xué)成分滿足技術(shù)要求。

3．2冶煉全過程合金收得率

冶煉全過程合金收得率見圖2。

3．3鋼錠澆注擴(kuò)散

本批轉(zhuǎn)輪鍛件單件毛重19．9 t，澆注錠型30．7 t，均采用雙真空澆注方案，澆注過程中真空度最低可達(dá)10 Pa左右，有效降低了鋼液中的氣體含量。鋼錠澆注擴(kuò)散照片見圖3。

4　結(jié)論

( 1)通過不斷的探索和生產(chǎn)實(shí)踐，此次共澆注30．7 t錠型6支，經(jīng)超聲檢測，全部合格。我公司已完全掌握了超低碳不銹鋼冶煉及真空鋼錠的澆注技術(shù)，完成了沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的整體鍛造。

( 2)為防止返回LF爐精煉過程中發(fā)生回碳現(xiàn)象，選用特配渣料，以鋁粉作為擴(kuò)散脫氧劑，保證了返回精煉時碳始終控制在0．03%以下。

( 3)采用雙真空澆注方案，可有效降低鋼液中的氣體含量，進(jìn)一步提高鋼錠質(zhì)量。

( 4)冶煉超低碳不銹鋼時，根據(jù)氧濃差電勢圖、CO曲線、廢氣溫度變化和吹O2時間等參數(shù)可以準(zhǔn)確判斷終點(diǎn)停氧時間。實(shí)踐證明，開蓋后取樣鋼水含碳量普遍在0．02%以下，鉻的回收率達(dá)到92．5%。

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編輯杜青泉

Smelting Production Practice of Extra-low-carbon Stainless Steel Runner for Impulse Turbine

Tian Feng，Zhang Tengfei，Guo Yafei，Wang Pengfei，Xue Liangliang

Abstract:By adopting the appropriate smelting process，strictly controlling each production process，and accurately estimating the timing for stopping the oxygen supply based on oxygen concentration potential diagram，CO curve and temperature variation of exhaust gas etc．，the smelting of 00Cr13Ni5Mo runner has been finished successfully．

Key words:00Cr13Ni5Mo; runner; smelting process

收稿日期:2015—02—11

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B

中圖分類號:TF703