30Cr2Ni4MoV超純凈低壓轉(zhuǎn)子鋼錠冶煉工藝研究

辛雪倩 杜 旋 梁賢淑 張威風 郭顯勝 危亞軍 李建軍 晉帥勇

(河南省大型鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，河南471000)

生產(chǎn)技術(shù)

30Cr2Ni4MoV超純凈低壓轉(zhuǎn)子鋼錠冶煉工藝研究

辛雪倩 杜 旋 梁賢淑 張威風 郭顯勝 危亞軍 李建軍 晉帥勇

(河南省大型鑄鍛件工程技術(shù)研究中心，河南471000)

通過合理配料，初煉爐嚴格脫磷、脫硫、脫錳，出鋼過程留鋼留渣，進入LF爐提溫化渣后再次倒包除氧化渣，精煉爐全程采用碳粉擴散脫氧脫硫，VOD真空脫氣處理，成功冶煉超臨界及超超臨界機組汽輪機低壓轉(zhuǎn)子用30Cr2Ni4MoV超純凈鋼鋼錠。

30Cr2Ni4MoV；低壓轉(zhuǎn)子；冶煉工藝

超臨界及超超臨界機組汽輪機低壓轉(zhuǎn)子是發(fā)電設(shè)備的心臟，運行溫度達到350℃以上，極易發(fā)生回火脆化，要求具有良好的綜合力學性能。目前，電力工業(yè)的迅猛發(fā)展使得轉(zhuǎn)子鋼的需求量越來越大，我國300 MW以上的汽輪機低壓轉(zhuǎn)子鋼的材質(zhì)為30Cr2Ni4MoV，是從美國西屋公司引進的PDS10325UD的國產(chǎn)化材料。國內(nèi)外許多學者對影響30Cr2Ni4MoV材料性能的因素進行了廣泛深入的研究，證實了鋼中P、As、Sn、Sb等雜質(zhì)元素將可能導致鋼的回火脆化，Si、Mn等合金元素會助長脆化，S會導致鋼的韌性降低，而且30Cr2Ni4MoV屬于亞共析鋼，冷卻過程中相變復雜，鋼液H含量較高時，凝固過程會產(chǎn)生較大內(nèi)應力，使鍛件的富氫部位產(chǎn)生白點，造成嚴重的縱裂傾向。因此，在超純凈低壓轉(zhuǎn)子鋼冶煉過程中，必須嚴格控制這些有害雜質(zhì)元素含量。我公司擁有30 t、50 t、80 t偏心底出鋼電弧爐，40 t、60 t和150 t在線LF爐外精煉設(shè)備，60 t RH脫氣設(shè)備和100 t VD脫氣設(shè)備，100 t～600 t VC澆注設(shè)備等。積累了豐富的生產(chǎn)核電、加氫、支承輥、超純凈鋼轉(zhuǎn)子等高合金特種材質(zhì)鋼錠生產(chǎn)經(jīng)驗，為此次超臨界及超超臨界機組汽輪機用超純凈鋼低壓轉(zhuǎn)子鋼錠的攻關(guān)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

1 技術(shù)要求

1.1 化學成分

根據(jù)JB/T 11020—2010，本次生產(chǎn)的超臨界及超超臨界機組汽輪機低壓轉(zhuǎn)子用超純凈鋼30Cr2Ni4MoV熔煉化學成分如表1所示。

1.2 鍛件氣體含量要求

表1 化學成分要求(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 The requirements of chemical composition (mass fraction, %)

[H]≤1.5×10-6，[O]≤35×10-6，[N]≤70×10-6。

1.3 超聲檢測

(1)轉(zhuǎn)子外圓表面上不允許有長度大于1.5 mm的任何缺陷顯示。

(2)轉(zhuǎn)子鍛件葉輪體表面150 mm區(qū)域內(nèi)不允許存在當量直徑大于?1.6 mm的單個缺陷。

(3)在轉(zhuǎn)子鍛件葉輪體表面150 mm范圍內(nèi)不允許有?1.2 mm～?1.6 mm的密集缺陷。

1.4 金相組織

轉(zhuǎn)子鍛件的A、B、C、D四種類型夾雜物按GB/T 10561—2005評定均不應超過3.0級。

2 冶煉工藝方案制定

該材質(zhì)鋼錠化學成分要求As、Sn、Sb、P、S等殘余化學元素含量較低，配料過程必須挑選優(yōu)質(zhì)廢鋼和生鐵，嚴格按照工藝規(guī)定烘烤干燥。由于熔煉鋼液要求[Si]、[Mn]、[Al]含量較低，因此限定了精煉脫氧劑只能采用碳粉，鋼液必須經(jīng)過VCD脫氣處理。另外，鋼液[H]、[O]、[N]及[S]含量要求較低，超聲檢測要求極為嚴格，僅采用碳粉擴散脫氧難度較大。經(jīng)過周密的工藝分析策劃，最終制定冶煉工藝方案為：EBT初煉→LF倒包除渣→LF爐外精煉→真空碳脫氧處理→真空澆注，精煉過程只采用碳粉擴散脫氧脫硫。

3 冶煉過程實施

3.1 初煉爐要點控制

根據(jù)鋼錠熔煉化學成分要求，初煉爐配料采用優(yōu)質(zhì)廢鋼、生鐵，熔清殘余元素As、Sn、Sb、Cu應滿足表2內(nèi)控要求。熔煉初期低溫脫錳、脫磷，多次放渣，過吹氧，出鋼前高溫高堿度條件脫硫，確保出鋼P、Mn、S滿足表2內(nèi)控要求。出鋼采用留鋼留渣操作，嚴禁氧化渣進入精煉包內(nèi)。實際熔清殘余元素及出鋼控制元素含量如表2所示。

3.2 LF爐外精煉要點控制

表2 初煉爐成分控制表(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 2 The composition controlling requirements for primary smelting furnace (mass fraction, %)

精煉爐必須做到防止鋼液[Si]、[Mn]、[P]含量增加，盡快造還原渣脫氧脫硫，并最大限度保證鋼液中非金屬夾雜物充分上浮。為確保氧化渣完全除去，防止渣中SiO2、MnO2、P重新回到鋼水中增加鋼水Si、Mn、P含量，精煉初期提溫熔渣后再次倒包除渣處理。倒包后只采用碳粉擴散脫氧，嚴禁加入含Si、Al脫氧材料。碳粉脫氧產(chǎn)物為CO氣體，不會污染鋼液，且有利于精煉泡沫渣的形成，但碳氧反應只在渣鋼界面進行，精煉時間較長，鋼液中氧向渣鋼反應界面的擴散過程為其限制環(huán)節(jié)，因此包底必須采用適當?shù)臍鍤鈹嚢桎撘?，以均勻鋼水溫度和成分，加快脫氧脫硫速度。精煉過程保證合適的爐渣堿度、渣量及鋼液溫度，待渣白后取樣分析化學成分，滿足Si≤0.04%、Mn≤0.04%、P≤0.004%、S≤0.003%后調(diào)入合金，所有合金選用優(yōu)質(zhì)合金，最大限度降低鋼水P含量。合金調(diào)入標準范圍后，提溫到1660～1670℃方可出鋼進行VCD處理。為滿足鍛件性能要求，精煉結(jié)束控制鋼水C含量范圍為0.22%～0.28%。精煉爐出鋼各元素含量見表3。

表3 精煉出鋼鋼水化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 3 The chemical composition of refined molten steel (mass fraction, %)

3.3 真空碳脫氧處理

真空碳脫氧是在高真空條件下利用低壓來提高鋼液中碳的活性，利用碳氧反應脫除鋼液中的氧，同時生成的CO氣泡相當于一個個小的真空室，有利于鋼液中H、O、N等氣體向其中擴散并隨其一同浮出液面，另外氣泡在上浮過程中還有粘附夾雜物的作用。真空處理過程控制高真空保持時間15 min～20 min，并保證脫氧所需適宜的攪拌強度和壓力。真空處理結(jié)束后，鋼水靜置軟吹時間大于15 min，有效保證鋼中夾雜物的上浮。

3.4 真空澆注

本次超超臨界轉(zhuǎn)子精煉過程采用的是精煉中間包，真空澆注時精煉中間包直接座于真空罐蓋上進行澆注，省去了以往真空澆注二次倒中間包環(huán)節(jié)。不僅可以降低鋼液出鋼澆注溫度，減少由于耐材燒損帶來的外來夾雜，還避免了以往二次倒中間包帶來的鋼液二次污染。另外，在高真空狀態(tài)下進行真空澆注，可以對鋼水起到二次脫氣處理的作用。結(jié)合以往生產(chǎn)經(jīng)驗，為保證鋼錠質(zhì)量，澆注過程一定嚴格控制注溫注速，澆注前期嚴格控流2 min～3 min，后期鋼液上冒口后開始控流，嚴禁澆注后期精煉渣卷入鋼液。

表4 熔煉分析化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 4 The chemical composition of heat analysis (mass fraction, %)

(a)水口端(b)冒口端

圖1 高倍分析照片

Figure 1 The photos of microstructure analysis

4 生產(chǎn)結(jié)果分析

(1)采用以上生產(chǎn)工藝，我公司順利完成了30Cr2Ni4MoV超超臨界低壓轉(zhuǎn)子鋼錠的冶煉澆注，鋼錠熔煉成品化學成分如表4所示。

(2)鋼錠脫模后表面質(zhì)量良好，毛坯及粗加工后超聲檢測結(jié)果均滿足超臨界及超超臨界機組汽輪機用超純凈鋼低壓轉(zhuǎn)子鍛件技術(shù)要求。

(3)高倍分析照片如圖1所示。高低倍分析結(jié)果如表5所示。

表5 高低倍分析結(jié)果Table 5 The results of microstructure and macrostructure analysis

5 結(jié)論

本次冶煉超超臨界超純凈鋼轉(zhuǎn)子鋼錠，采用專用的優(yōu)質(zhì)廢鋼和生鐵配料，有害殘余元素As、Sn、Sb含量滿足熔煉化學成分要求。初煉爐采用低溫脫錳、脫磷，多次放渣過吹氧方式，使初煉爐出鋼鋼水化學成分滿足工藝要求。精煉后二次倒包除渣，全程采用碳粉擴散脫氧，脫氧較為順利，鋼液[O]和[S]含量以及其他化學成分含量均滿足技術(shù)要求。鋼錠粗加工后超聲檢測、力學性能、金相組織等均滿足JB/T 11020—2010《超臨界及超超臨界機組汽輪機用超純凈鋼低壓轉(zhuǎn)子鍛件技術(shù)條件》的要求。首次成功完成了超臨界及超超臨界機組汽輪機用超純凈鋼低壓轉(zhuǎn)子鍛件用鋼錠的生產(chǎn)。

[1] 魏雪晴，李奇，管仲毅. 300MW及以上汽輪機低壓轉(zhuǎn)子冶煉工藝研究[J]. 大型鑄鍛件，2014(3)：34-36.

[2] 李晶. LF精煉技術(shù)[M]. 北京：冶金工藝出版社，2009.

[3] 王少波. 30Cr2Ni4MoV冶煉工藝研究[J]. 一重技術(shù)，2009(1)：20-30.

[4] 邱斌，馬平，李林，等. 30Cr2Ni4MoV超純凈鋼冶煉技術(shù)研究[J]. 大型鑄鍛件，2017(1)：45-47.

[5] 褚錦輝，王帥. 30Cr2Ni4MoV低壓轉(zhuǎn)子Ni含量的優(yōu)化[J]. 大型鑄鍛件，2016(5)：12-14.

編輯 杜青泉

Research on Smelting Process of 30Cr2Ni4MoVUltra Clean Steel Ingot for Low Pressure Rotor

Xin Xueqian, Du Xuan, Liang Xianshu, Zhang Weifeng,Guo Xiansheng, Wei Yajun, Li Jianjun, Jin Shuaiyong

By adopting the reasonable burdening and the following processes during smelting, such as strictly dephosphorization, desulfurization and demanganization during primary smelting, retaining the molten steel and the steel slag during steel tapping, increasing the temperature to smelt the slag in LF and then removing the oxidizing slag after changing the ladle, deoxidization and desulphurization in refining furnace by diffusing the carbon powder, vacuum degassing in VOD, 30Cr2Ni4MoV ultra clean steel ingot used for low pressure rotor of supercritical and ultra supercritical turbines has been smelted successfully.

30Cr2Ni4MoV; low pressure rotor; smelting process

2016—11—29

辛雪倩(1986—)，女，碩士，主要從事特殊鋼冶煉澆注工藝技術(shù)研究。

TF703

B