620℃超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用新材料冶煉工藝研究

羅玉立　李連龍　何亞軍

(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，四川618013)

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620℃超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用新材料冶煉工藝研究

羅玉立李連龍何亞軍

(中國第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，四川618013)

摘要：介紹了620℃超超臨界汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子用FB2鋼的冶煉難點。通過對3支1 t電渣鋼錠的試驗研究，基本掌握了FB2鋼的冶煉技術(shù)。

關(guān)鍵詞：620℃；超超臨界；汽輪機(jī)；轉(zhuǎn)子；冶煉工藝；電渣重熔

火電機(jī)組從亞臨界、超臨界向超超臨界高效機(jī)組發(fā)展，蒸汽溫度從538℃提高到600℃，甚至更高，轉(zhuǎn)子的受熱溫度同比大幅提升，工況變差，為此對轉(zhuǎn)子材料的要求也越來越高。為了適應(yīng)新型高效機(jī)組需求，研究汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件用新材料迫在眉睫，二重針對620℃機(jī)組轉(zhuǎn)子鍛件用FB2鋼開展了系列冶煉試驗研究。

1化學(xué)成分及冶煉難點分析

FB2鋼主要元素成分控制范圍差見表1。FB2鋼殘余元素標(biāo)準(zhǔn)要求見表2。

結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及表1、表2可以看出，冶煉該鋼種主要存在以下幾個方面的難點：

(1)合金含量較高，成分復(fù)雜

表1　FB2鋼主要元素成分控制范圍差(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

注：范圍差=標(biāo)準(zhǔn)上限-標(biāo)準(zhǔn)下限。

表2　FB2鋼殘余元素標(biāo)準(zhǔn)要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

該鋼為不銹鋼，合金含量高，且含Cr、Ni、Mo、Ni、V、Co、Nb、B、N等元素，成分極為復(fù)雜。

(2)N的范圍窄，準(zhǔn)確控制難度大

該鋼種N的變化范圍只有0.015%，但在實際生產(chǎn)過程中澆注電極和電渣重熔過程都有可能導(dǎo)致N的變化，致使N含量滑出標(biāo)準(zhǔn)范圍。

(3)B不僅范圍窄，而且易氧化

B的可控范圍只有0.003%，同時B又特別容易氧化，在熔煉、澆注、重熔過程均有不同程度的燒損，收得率難以精確控制。

(4)低Si、低Al鋼脫氧難度大

標(biāo)準(zhǔn)要求Si≤0.10%、Al≤0.010%，同時對氧含量及夾雜物評級有嚴(yán)格要求，在實際生產(chǎn)中既要確保Si、Al不超標(biāo)，又要脫氧良好，保證O含量和夾雜物評價符合標(biāo)準(zhǔn)要求，難度非常大。

(5)殘余元素要求高

殘余有害元素要求特別高，按目前原材料的質(zhì)量等級及冶煉方法，熔煉分析結(jié)果難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，而且極大地增加了冶煉難度和冶煉成本。

2冶煉過程試驗的目的

鑒于存在以上冶煉難點，為了確保產(chǎn)品的一次冶煉成功，進(jìn)行冶煉工藝試驗研究，旨在摸索N、B、Al、Si、O等元素在電極冶煉、澆注及電渣重熔等過程的變化規(guī)律，研究電渣重熔過程的渣系配比及脫氧劑用量等方面的控制技術(shù)。

31 t電渣鋼錠的試驗研究

針對產(chǎn)品暫定工藝流程，制定試驗流程為：中頻爐冶煉→澆注自耗電極→電極精整→電渣重熔。

3.1第一支1 t鋼錠試驗

按照以上工藝流程生產(chǎn)第一支1 t電渣鋼錠，原材料采用優(yōu)質(zhì)生鐵、廢鋼及各類鐵合金冶煉，電極坯采用砂型鑄造方式澆注，并在型腔內(nèi)進(jìn)行緩冷。

電渣過程采用二元渣系，Al2O3∶CaF2=3∶7，進(jìn)行嚴(yán)格烘烤，選擇Al脫氧劑。通過嚴(yán)格控制各環(huán)節(jié)，生產(chǎn)出了第一支1 t電渣鋼錠。C、Mn、Cr、Ni、Mo、Co、V、N等元素化學(xué)成分全部合格，在整個冶煉、澆注、重熔過程中表現(xiàn)穩(wěn)定。而其余部分易氧化元素變化較大，各環(huán)節(jié)部分成分見表3。

表3　第一支鋼錠生產(chǎn)各環(huán)節(jié)部分

通過本次試驗主要掌握了以下幾個方面的情況：

(1)電極坯冶煉澆注環(huán)節(jié)，化學(xué)成分基本能穩(wěn)定控制；

(2)對于橫截面較小的電極坯通過緩慢冷卻，沒有出現(xiàn)開裂現(xiàn)象；

(3)在電渣重熔過程中Si、B均有大幅燒損，Si的收得率僅為50%，B的收得率僅為33.33%，殘Al較低；

(4)電渣重熔過程脫硫效果非常明顯，脫硫率達(dá)80%以上；

(5)在整個工藝流程中N的變化不明顯，比較穩(wěn)定；

(6)鋼錠中的O含量較高，超出了標(biāo)準(zhǔn)要求；

(7)P、S、As、Sn、Sb等殘余元素含量均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

通過本次試驗基本掌握了各元素的變化情況，從易氧化元素均有不同程度的氧化及鋼錠中O含量過高這一結(jié)果說明脫氧劑加入量不足，應(yīng)加強(qiáng)電渣重熔過程的脫氧。也可以看出，生產(chǎn)該材料電渣鋼錠的主要難點在于電渣重熔過程脫氧的控制。

3.2第二支1 t鋼錠試驗

針對第一支鋼錠出現(xiàn)的問題，進(jìn)行了第二支電渣錠的投料，電渣重熔之前的工序過程控制基本與第一支的一致，變化主要在電渣重熔環(huán)節(jié)。

在電渣重熔環(huán)節(jié)，調(diào)整了渣系，增加了活性石灰和鈦白粉等渣料，采用四元渣，同時加大了脫氧劑的使用量，加強(qiáng)了重熔過程的脫氧，并對重熔過程進(jìn)行氣氛保護(hù)。而且在電極坯冶煉環(huán)節(jié)有意將Si、B等元素含量提高，各環(huán)節(jié)部分成分見表4。

表4　第二支鋼錠生產(chǎn)各環(huán)節(jié)部分

通過對重熔過程控制的調(diào)整，常規(guī)元素成分全部合格，部分氧化性元素成分基本沒有變化，但易氧化元素依然有很大的變化：

(1)Si含量變化不大，而Al有大幅增加；

(2)O含量達(dá)到≤30×10-6的水平，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)要求；

(3)Al含量嚴(yán)重超標(biāo)，脫氧劑使用過多；

(4)在脫氧良好的情況下B仍然有大幅燒損，收得率為45%，基本可以說在電渣重熔過程中B的收得率不易超過50%。

3.3第三支1 t鋼錠試驗

本次試驗是在第二次的基礎(chǔ)上，調(diào)整了脫氧劑用量，進(jìn)一步加強(qiáng)電渣重熔過程的氣氛保護(hù)和過程控制。各環(huán)節(jié)部分元素成分見表5。

表5　第三支鋼錠生產(chǎn)各環(huán)節(jié)部分

表6　電渣重熔過程脫氧劑用量對比分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

從表5可以看出，所有易氧化元素全部合格，說明在電極坯冶煉環(huán)節(jié)大幅提高B元素含量，適當(dāng)按中上限控制Si元素是合理的，在電渣重熔環(huán)節(jié)渣系選擇、脫氧劑用量及保護(hù)措施是有效的。

3.4脫氧劑用量的對比分析

電渣重熔過程脫氧劑用量對比分析見表6。

通過計算脫氧劑總的加入量，結(jié)合對各易氧化元素變化量的分析，電渣重熔過程吸氧非常嚴(yán)重，Al的燒損達(dá)到75%，所以非常容易導(dǎo)致B、Si、V、C、Cr等元素有不同程度的氧化，造成成分不能穩(wěn)定控制，同時造成O含量很高，超出標(biāo)準(zhǔn)要求等問題。

4驗證性試驗研究

我公司為了進(jìn)一步驗證試驗研究結(jié)果，針對25Cr2Ni4MoV、30Cr1Mo1V及Cr9等VCD鋼進(jìn)行了驗證性試驗研究，通過對三種材料3支10 t左右VCD鋼的電渣重熔結(jié)果分析，化學(xué)成分全部合格，特別是Si、Al、Nb、B、O等元素基本控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。通過系列試驗研究掌握了Si≤0.10%、Al≤0.010%鋼種電渣重熔的工藝參數(shù)和過程控制經(jīng)驗。

5結(jié)論

通過對FB2鋼三支1 t電渣鋼錠及驗證性試驗件的生產(chǎn)過程來看，難點在于電渣重熔環(huán)節(jié)，既要保證易氧化元素B含量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，又要保證殘余元素Al、O等不超標(biāo)。通過系列試驗研究，基本掌握了該類鋼的電渣重熔技術(shù)。

(1)電渣重熔過程渣系的選擇以及脫氧劑用量是保證電渣重熔后化學(xué)成分合格的關(guān)鍵因素；

(2)電渣重熔過程N基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，所以在制備電極坯時按標(biāo)準(zhǔn)中限控制即可；

(3)電渣重熔過程中易氧化元素B容易燒損，其收得率基本不會超過50%，故在制備電極坯時必須充分考慮電渣過程B的燒損，否則無法保證B元素達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求；

(4)通過對電渣重熔過程各元素變化情況分析，必須將Si、Nb、B等元素控制在一個比較合理的范圍內(nèi)，才能確保電渣重熔后所有化學(xué)成分均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，從而進(jìn)一步指導(dǎo)電極坯的成分控制；

(5)通過對冶煉過程的精細(xì)化控制，加強(qiáng)脫氧操作等，可以冶煉出成分穩(wěn)定且合格的電極坯。

參考文獻(xiàn)

[1]金楊，馬騰霄.鋼包爐冶煉超低硫鋼研究.大型鑄鍛件，2015(6)：13-15.

[2]魏雪晴，李奇，等.300MW及以上汽輪機(jī)低壓轉(zhuǎn)子冶煉工藝研究.大型鑄鍛件，2014(3)：34-35.

編輯杜青泉

《第十九屆國際鍛造師會議論文集》征訂

國際鍛造師會議是當(dāng)今世界上鍛件制造領(lǐng)域高水平的技術(shù)交流會，在全球鍛造行業(yè)具有很大的影響力。第19屆國際鍛造師會議已于2014年9月29—10月2日在日本千葉縣召開，來自日本、美國、德國、英國、法國、韓國、意大利、中國和印度的代表在會上做了技術(shù)交流。我們根據(jù)會議交流情況編譯出版了《第十九屆國際鍛造師會議論文集》，內(nèi)容涉及國際鍛造行業(yè)市場形勢、設(shè)備情況與技術(shù)發(fā)展水平，對鍛造及相關(guān)行業(yè)的科研開發(fā)、生產(chǎn)技術(shù)以及設(shè)備改造具有非常實際的指導(dǎo)意義。該文集共476頁，收錄論文120余篇，訂價￥600.00元/本。請需要購買的企業(yè)或個人與我們聯(lián)系。

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聯(lián) 系 人： 李韋螢杜青泉

Research on Smelting Process of New Material Used for 620℃ Ultra-Supercritical Steam Turbine Rotor

Luo Yuli, Li Lianlong, He Yajun

Abstract：The difficulties of smelting process of FB2 steel used for 620℃ ultra-supercritical steam turbine rotor have been described. By studying on three 1t electroslag remelting ingots, the smelting technology of FB2 steel has been known well.

Key words：620℃; ultra-supercritical; steam turbine; rotor; smelting process; eletroslag remelting

作者簡介：羅玉立(1979—)，女，高級工程師，從事大型鑄鍛件的冶煉工藝及新產(chǎn)品開發(fā)等工作。電話：13808104609，E-mail：wxlhy1971@163.com

收稿日期：2015—11—02

中圖分類號：TG703

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B