巨型鋼錠冶煉生產(chǎn)制造研究

鄧 琴 稅遠(yuǎn)強(qiáng) 馬 平 鄧 冬 李 笑 曾 杰 楊先芝

(1.二重集團(tuán)(德陽)重型裝備股份有限公司，四川618000； 2.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京100082)

巨型鋼錠冶煉生產(chǎn)制造研究

鄧 琴1稅遠(yuǎn)強(qiáng)1馬 平1鄧 冬2李 笑1曾 杰1楊先芝1

(1.二重集團(tuán)(德陽)重型裝備股份有限公司，四川618000； 2.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京100082)

通過對(duì)冶金輔具、耐火材料、原輔材料、生產(chǎn)組織、冶煉操作等方面采取的有效措施，成功生產(chǎn)出了符合技術(shù)要求的巨型鋼錠。

巨型鋼錠；冶煉工藝；原輔材料

核電轉(zhuǎn)子、核電核島鍛件、大型化工容器、超臨界火電機(jī)組及特大型支承輥鍛件所用的鋼錠越來越大，同時(shí)這些鍛件對(duì)鋼錠內(nèi)部的質(zhì)量也有極高的要求。從2009年開始二重已經(jīng)陸續(xù)生產(chǎn)出錠型500 t級(jí)以上的巨型鋼錠。其中650 t鋼錠用于CAP1400轉(zhuǎn)軸鍛件的制造，質(zhì)量要求極為苛刻。

對(duì)于530～650 t巨型鋼錠的生產(chǎn)，冶煉、鍛造、熱處理等工序均屬于極限制造，難度和風(fēng)險(xiǎn)極大。本文從煉鋼工序的冶金輔具、耐火材料、原輔材料、生產(chǎn)組織、冶煉操作、工藝文件等方面闡述了巨型鋼錠的制造思路。巨型鋼錠的成功生產(chǎn)對(duì)二重集團(tuán)公司的新產(chǎn)品開發(fā)，占領(lǐng)大型鍛鋼件市場(chǎng)，具有重要的意義。

1 冶金輔具、耐火材料、原輔材料

1.1 冶金輔具

巨型鋼錠的錠型較大，各種冶金輔具的準(zhǔn)備周期較長(zhǎng)，在使用過程中涉及的環(huán)節(jié)很多，因此需要提前準(zhǔn)備。尤其是鋼錠模、保溫帽、底盤等大型輔具的設(shè)計(jì)、采購等都要提前準(zhǔn)備。

1.1.1 鋼錠模設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)合理的鋼錠模形狀、高徑比、錐度、保溫帽形狀、底盤等冶金輔具，不僅可以保證較高的鋼錠模使用壽命，保證鋼錠內(nèi)部組織的致密度，提高 內(nèi)部質(zhì)量，還能夠得到較高的鍛件利用率。前期對(duì)500 t及以上鋼錠凝固過程進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，對(duì)其溫度場(chǎng)和縮孔疏松進(jìn)行了分析預(yù)測(cè)，設(shè)計(jì)出了鋼錠的形狀與尺寸，特別是確定了影響鋼錠熱裂紋、疏松、縮孔及偏析形成的關(guān)鍵參數(shù)，如鋼錠的直徑與高度之比，鋼錠的錐度，錠模各部位的厚度，冒口錐度和高徑比，體積百分比，錠尾所占比例等。通過對(duì)比、模擬，成功設(shè)計(jì)出530～650 t錠型鋼錠模，選擇二十四邊形，鋼錠的高徑比對(duì)鋼錠內(nèi)部的致密程度和宏觀偏析影響較大，故高徑比在0.9～1.3之間。

1.1.2 保溫帽、底盤設(shè)計(jì)

由于巨型鋼錠的生產(chǎn)數(shù)量有限，為減少冶金附具存放數(shù)量和提高使用效率，在設(shè)計(jì)底盤和保溫帽時(shí)，考慮其通用性，將錠型的保溫帽和底盤設(shè)計(jì)為通用型。即設(shè)計(jì)1個(gè)保溫帽和1個(gè)底盤能同時(shí)澆鑄530～650 t的錠型，通過調(diào)節(jié)帽口的澆注高度來得到所需要的錠型。

鑒于二重?zé)掍摤F(xiàn)場(chǎng)的起吊設(shè)備和鋼錠本身重量，在鋼錠冒口部位設(shè)計(jì)了兩個(gè)吊耳，可在鋼錠脫掉保溫帽后，用鋼絲繩掛在吊耳上直接將鋼錠從鋼錠模中脫出。

1.1.3 中間包整體蓋板設(shè)計(jì)

精煉后的鋼液在鑄錠工序由精煉鋼包向中間包兌入的過程中，鋼流暴露在空氣當(dāng)中，鋼液發(fā)生二次氧化、吸氫、吸氮等，在一定程度上影響鋼液的純凈度。因此，為解決鋼液吸氣的問題，設(shè)計(jì)了整體式中間包蓋板。整體式中間包蓋板的使用，不僅減少了鋼液吸氣面積，避免了大量灰塵進(jìn)入中間包，降低了鋼液外來夾雜物的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)有效減少了鋼液對(duì)精煉鋼包的熱輻射。

1.2 耐火材料

巨型鋼錠的冶煉、澆注時(shí)間超長(zhǎng)，鋼液對(duì)爐襯和水口沖刷劇烈，耐火材料侵蝕后進(jìn)入鋼液，不僅會(huì)增加鋼液的雜質(zhì)含量，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生漏鋼，帶來巨大的損失和災(zāi)難。所以對(duì)冶煉、澆注用到的耐火材料有更高的要求，必須質(zhì)量?jī)?yōu)良且穩(wěn)定、使用效果好、壽命長(zhǎng)，才能確保鋼液純凈度、產(chǎn)品質(zhì)量和安全生產(chǎn)。由此可看，生產(chǎn)巨型鋼錠必須全面加強(qiáng)所有耐火材料的質(zhì)量控制，特別是關(guān)鍵耐火材料的質(zhì)量控制，并且使用最好的耐火材料。關(guān)鍵耐火材料主要指的是接觸鋼水的耐火材料，例如鋼包包襯工作層、中間包包襯、保溫帽包襯、水口等部位的耐火材料。生產(chǎn)上需要提前做好所有耐火材料特別是關(guān)鍵耐火材料的相關(guān)準(zhǔn)備工作，如采購、試用、檢驗(yàn)、倉儲(chǔ)、運(yùn)送等，以便確保鋼錠按預(yù)定時(shí)間投料。

1.3 原輔材料

原輔材料選擇的好壞，直接影響到鋼液的純凈度，影響鍛件的性能。以核電轉(zhuǎn)軸鍛件為例，其技術(shù)條件中對(duì)鍛件化學(xué)成分中的殘余有害元素沒有提出過嚴(yán)的要求，但對(duì)力學(xué)性能、無損檢測(cè)及金相組織等要求是極為苛刻的，所以必須嚴(yán)格控制鋼中有害元素S、P及殘余元素Cu、As、Sn、Sb等的含量，以提高鋼液的純凈度。S、P元素可以在電爐和鋼包爐去除一部分，但要控制在較低水平還需要從原材料入手，而Cu、As、Sn、Sb等殘余元素在冶煉過程中是不能去除的，其鋼液中含量的多少完全取決于原材料中帶入的含量。因此，在選用爐料時(shí)要求使用特優(yōu)生鐵、核電本體料、壓塊等低殘余元素的材料備料。由于外購的雜廢鋼存在質(zhì)量不穩(wěn)定、成分不明確、殘余有害元素含量高等問題，嚴(yán)重影響鋼液的純凈度，故禁止外購雜廢鋼和成分不明的廢鋼屑備料。

生產(chǎn)巨型鋼錠的所有鐵合金、爐料必須符合相關(guān)的技術(shù)要求，需有材料質(zhì)量證明卡，內(nèi)容齊全完備。所有原輔材料要標(biāo)識(shí)清楚，到達(dá)使用現(xiàn)場(chǎng)后由專人驗(yàn)收，不得混有雜質(zhì)及受潮，并分類存放，防止混料。對(duì)于嚴(yán)重粉化的石灰、混有泥料的螢石及粉末比例大的鐵合金，均不能使用。造渣用的石灰、螢石、脫氧劑等材料要求保持清潔干燥，不混入雜質(zhì)。

2 生產(chǎn)組織

以二重現(xiàn)有的冶煉設(shè)備能力情況，530～650 t巨型鋼錠生產(chǎn)過程中要?jiǎng)佑盟械囊睙挔t臺(tái)，包括兩臺(tái)電爐和3臺(tái)鋼包爐。需要多爐次冶煉成品鋼水、半成品過渡鋼水，最后多包合澆。由于動(dòng)用的設(shè)備多，生產(chǎn)涉及到的節(jié)點(diǎn)多，冶煉時(shí)間超長(zhǎng)，所以生產(chǎn)組織、設(shè)備保障的難度極大。

2.1 設(shè)備檢查

設(shè)備完好是保證生產(chǎn)過程順利的關(guān)鍵，因此在投料生產(chǎn)前對(duì)所用設(shè)備及系統(tǒng)進(jìn)行仔細(xì)檢查、維修，確保設(shè)備的正常、安全運(yùn)行。如電爐設(shè)備的操作系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)，鋼包爐設(shè)備的吹氬系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、喂絲機(jī)，鑄錠設(shè)備的真空系統(tǒng)、鋼包滑動(dòng)機(jī)構(gòu)、吊具等設(shè)備，確認(rèn)設(shè)備能滿足生產(chǎn)后才能投料。諸多設(shè)備中重點(diǎn)檢查使用到的行車設(shè)備和臺(tái)車設(shè)備的運(yùn)行情況，因?yàn)樾熊囃旰?，才能使鋼包順利起吊、澆注、脫模熱送等。各爐臺(tái)臺(tái)車正常開動(dòng)，才能保證接鋼、兌鋼、出鋼等的通暢運(yùn)行。

2.2 保證體系

為保證巨型鋼錠生產(chǎn)的順利，必須統(tǒng)一思想和認(rèn)識(shí)，不僅要充分做好生產(chǎn)前的各項(xiàng)工作，還要在生產(chǎn)過程中聽從統(tǒng)一指揮，遇到問題不能多人指揮，必須統(tǒng)一由專人指揮，一切工作按程序、工藝和規(guī)章的要求進(jìn)行，任何個(gè)人和單位不得擅做主張。因此，需要制定詳細(xì)的安全組織保證體系和安全質(zhì)量保證體系。這兩個(gè)保證體系包括總指揮、總的安全、技術(shù)及設(shè)備負(fù)責(zé)人以及每個(gè)生產(chǎn)單元的負(fù)責(zé)人。參與生產(chǎn)的操作人員及技術(shù)人員都落實(shí)到人頭，明確職責(zé)，進(jìn)行統(tǒng)一管理。各生產(chǎn)單元必須嚴(yán)格執(zhí)行工藝，同時(shí)統(tǒng)一思想，做好銜接、默契配合，才能確保產(chǎn)品順利生產(chǎn)。

2.3 空包演練

巨型鋼錠的澆注是多包鋼水按順序澆入中間包，在時(shí)間控制、銜接上，并不像單包、雙包澆注那么簡(jiǎn)單。各包澆注的時(shí)間間隔不能過長(zhǎng)，要在短時(shí)間內(nèi)完成鋼包的移動(dòng)、對(duì)位、打開澆口。因此，在生產(chǎn)前應(yīng)先進(jìn)行多次空包演練，使操作者熟悉每臺(tái)行車、鋼包爐的起吊、移動(dòng)速度和等待澆注的最佳位置。演練過程中吊包、澆鋼、翻包等時(shí)間控制要按照預(yù)設(shè)時(shí)間進(jìn)行，只有這樣，才能順利完成實(shí)際澆鋼過程中的操作。

3 工藝文件

生產(chǎn)巨型鋼錠所涉及到的方方面面，在生產(chǎn)前必須充分考慮到其存在的風(fēng)險(xiǎn)。因此對(duì)于各環(huán)節(jié)的方案均應(yīng)反復(fù)論證，消除存在的各種潛在隱患，力爭(zhēng)將風(fēng)險(xiǎn)控制在最低點(diǎn)。并且在論證后形成指導(dǎo)性文件，以便在實(shí)際操作過程中有據(jù)可依。諸如冶煉方案、合澆方案、事故預(yù)案、脫模吊運(yùn)方案等文件都是論證后的技術(shù)文件。這里重點(diǎn)介紹冶煉方案、合澆方案、脫模吊運(yùn)方案。

3.1 合澆方案

在制定多包合澆方案時(shí)，不僅要考慮設(shè)備的承受能力風(fēng)險(xiǎn)，還要考慮生產(chǎn)成本的問題，因此需要合理控制冶煉時(shí)間，以便使生產(chǎn)安全、順利進(jìn)行，同時(shí)還能降低成本。鋼包的使用、臺(tái)車的使用順序、行車的吊運(yùn)順序都要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際環(huán)境進(jìn)行論證、確定。

3.1.1 控制冶煉時(shí)間

由于各爐臺(tái)冶煉1爐鋼所需的時(shí)間基本是固定的，因此可根據(jù)各種鋼水生產(chǎn)組織方案推算出生產(chǎn)巨型鋼錠所用的冶煉時(shí)間節(jié)點(diǎn)和總冶煉時(shí)間。綜合各方面因素，可優(yōu)先選擇總冶煉時(shí)間少的鋼水生產(chǎn)組織，既降低了生產(chǎn)成本，設(shè)備的安全性又有了保證。

3.1.2 臺(tái)車及行車使用安排

多包合澆時(shí)用到的行車有數(shù)臺(tái)，鋼包數(shù)個(gè)，如安排的臺(tái)車使用順序、吊包及澆注順序不合理，則會(huì)導(dǎo)致澆鋼現(xiàn)場(chǎng)混亂，行車運(yùn)行不通暢等情況，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成鋼水澆注斷流、鋼液粘包而導(dǎo)致鋼水澆不出等無法挽回的事故。因此，臺(tái)車及行車的使用順序安排尤為重要，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的真空坑位置、冶煉爐臺(tái)位置進(jìn)行論證、確定。

3.2 冶煉方案

鋼錠的純凈度和鋼錠內(nèi)部各元素的均勻性，大大影響著鍛件的理化性能。因此制定冶煉方案時(shí)，不僅要考慮鋼液的純凈度，還要考慮鋼錠的化學(xué)成分偏析。

3.2.1 控制鋼液純凈度

首先使用殘余有害元素含量低的原材料。其次在冶煉環(huán)節(jié)中，電爐需提供超低磷初水，鋼包爐采用真空碳脫氧、沉淀脫氧、擴(kuò)散脫氧等手段進(jìn)行深度脫氧，使?fàn)t渣保持良好的還原性和流動(dòng)性；采用真空精煉進(jìn)行脫硫、脫氣；采用惰性氣體攪拌鋼液以達(dá)到均勻鋼液化學(xué)成分，促進(jìn)夾雜物上浮的目的。最后在澆注環(huán)節(jié)中，保持冶金輔具清潔干燥，采用真空澆注方式進(jìn)行脫氣，同時(shí)澆注過程進(jìn)行惰性氣體保護(hù)鋼流，采用整體蓋板防止二次氧化，減少吸氣等。

3.2.2 控制鋼錠化學(xué)成分偏析

巨型鋼錠凝固時(shí)間長(zhǎng)，鋼錠在凝固時(shí)由于選分結(jié)晶的作用會(huì)產(chǎn)生顯著的宏觀偏析，鋼中的C、Mn、V、Mo、S、P等元素按鋼錠的凝固順序呈由低到高分布，特別是C、Mo偏析更大。鋼錠越大，由于累積作用的產(chǎn)生，成分的不均勻性將更加顯著，這會(huì)嚴(yán)重影響鍛件性能的均勻性，無法達(dá)到技術(shù)條件的要求。由于鋼水在錠模中處于對(duì)流狀態(tài)，要控制成分偏析非常困難，因此只能在冶煉過程中精確控制各包鋼水的化學(xué)成分，使?jié)沧⒌侥?nèi)的鋼水的各化學(xué)成分呈合理的梯度分布，從而達(dá)到控制鋼錠化學(xué)成分偏析的目的。

3.2.3 控制澆注溫度

澆注溫度是鋼錠生產(chǎn)中極為重要的參數(shù)，為減少巨型鋼錠的偏析、疏松，防止錠身部位產(chǎn)生縮孔，保證鋼錠的順序凝固，就必須精確控制各包的澆注溫度。而澆注溫度受出鋼溫度、待令時(shí)間、鋼水量、冶煉時(shí)間和爐渣量等因素的影響，通過對(duì)鋼包包襯耐火材料、保溫層厚度、氬氣流量等的控制來控制鋼水溫度的變化，達(dá)到了對(duì)各包鋼水澆注溫度的精確控制。

3.3 脫模吊運(yùn)方案

巨型鋼錠的重量超大，脫模、吊運(yùn)及熱送都非常困難，危險(xiǎn)系數(shù)也大。因此對(duì)行車的負(fù)載能力，鋼絲繩的負(fù)載能力、使用數(shù)量，鋼錠重心位置、起吊位置，運(yùn)送臺(tái)車承重力等都需要經(jīng)過仔細(xì)的核算、論證，才能確定需要使用的行車、鋼絲繩的大小、使用數(shù)量，鋼錠位于運(yùn)送臺(tái)車位置等，才能確保在安全的情況下鋼錠脫模、吊運(yùn)及熱送一次性順利完成。

4 實(shí)施過程及結(jié)果

按照投料前制定好的工藝文件進(jìn)行操作，嚴(yán)格執(zhí)行，任何人不得隨意更改。注意冶煉質(zhì)量的控制，冶煉工藝分解到各工序，操作者必須熟知本工序的內(nèi)容，在生產(chǎn)過程中從嚴(yán)控制，以確保鋼錠的純凈度和產(chǎn)品質(zhì)量。

4.1 冶煉過程及結(jié)果

注意鋼水脫P(yáng)、脫O、脫S、控Si及純凈度的控制，合金元素的精確調(diào)整，鋼水量的準(zhǔn)確掌握和出鋼溫度的準(zhǔn)確控制。表1為部分530～650 t鋼錠的熔煉殘余有害元素控制水平。圖1及表2為二重為某公司生產(chǎn)的轉(zhuǎn)子鍛件取樣位置圖及相應(yīng)試樣的化學(xué)成分含量。

4.2 澆注過程

按工藝制定的順序進(jìn)行出鋼、吊包，控制好各 包的澆注溫度和澆注速度以及各包的銜接時(shí)間點(diǎn)。

圖1 轉(zhuǎn)子取樣位置Figure 1 Sampling location of rotor

序號(hào)PSCuTiAlAsSnSb12345678910110．0050．0050．0050．0050．0060．0050．0050．0050．0060．0060．0050．0010．0010．0010．0030．0020．0020．0010．0020．0030．0020．0020．010．020．010．010．020．020．020．020．030．030．030．0010．0010．0020．0010．0010．0020．0010．0010．0020．0010．0010．0050．0050．0070．0050．0050．0050．0050．0040．0040．0040．0050．0040．0040．0030．0040．0030．0050．0040．0050．0050．0060．0050．0020．0030．0020．0030．0020．0020．0020．0030．0030．0030．0020．0020．0020．0020．0020．0020．0020．0020．0020．0020．0020．002

表2 轉(zhuǎn)子相應(yīng)試樣的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Chemical composition of samples relative to the rotors (Mass, %)

4.3 脫模吊運(yùn)

專人指揮鋼錠的脫模吊運(yùn)，行車、臺(tái)梁、鋼絲繩掛好后才能起吊。鋼錠按預(yù)先畫好的位置放在運(yùn)送臺(tái)車上，將其運(yùn)至指定的位置。

5 結(jié)論

從2009年至今，二重已經(jīng)成功生產(chǎn)出14支530～650 t的巨型鋼錠，說明二重制定巨型鋼錠的冶煉制造思路是正確、合理的。

(1)鋼錠模選擇二十四邊形、高徑比在0.9～1.3之間，可得到內(nèi)部組織致密度良好的鋼錠。

(2)選擇質(zhì)量?jī)?yōu)良且穩(wěn)定、使用效果好、壽命長(zhǎng)的耐火材料，可確保鋼液純凈度、產(chǎn)品質(zhì)量和安全生產(chǎn)。

(3)選擇S、P、Cu、As、Sn、Sb等殘余有害元素含量低的原材料，可使鋼液中的殘余有害元素控制到很低水平。

(4)制定有效的安全組織保證體系和安全質(zhì)量保證體系，在生產(chǎn)過程中聽從統(tǒng)一指揮，可確保產(chǎn)品順利產(chǎn)出。

(5)各環(huán)節(jié)的方案均應(yīng)反復(fù)論證，并且形成指導(dǎo)性文件，消除存在的各種潛在隱患，將風(fēng)險(xiǎn)控制在最低點(diǎn)。

(6)通過對(duì)原材料、冶煉環(huán)節(jié)及鑄錠環(huán)節(jié)采取的各種措施，可使鋼錠的純凈度和鋼錠內(nèi)部各元素的均勻性得到有效的控制。

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編輯 杜青泉

Research on Melting and Manufacturing of Large Ingot

DengQin,ShuiYuanqiang,MaPing,DengDong,LiXiao,ZengJie,YangXianzhi

Through the effective measures performed on the aspects like metallurgical auxiliaries, refractory, raw and auxiliary materials, organism of production and melt operation, the large ingot conforming to the technical requirement was produced successfully.

large ingot, melting technology, raw and auxiliary materials

TF77

B

2017—06—01