電爐-精煉爐流程冶煉試制ZG0Cr13鋼的工藝實(shí)踐

黃 飛

上海電氣上重鑄鍛有限公司 冶鑄分廠(chǎng) 上海 200245

1 項(xiàng)目背景

ZG0Cr13不銹鋼被廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，其合金成分主要是鉻，含量為12%～14%，此鋼種含碳量一般要求在0.10%以下。國(guó)內(nèi)外冶煉不銹鋼一般采用兩步法，即電爐加氬氧脫碳法或電爐加真空吹氧脫碳法[1]。筆者單位沒(méi)有氬氧脫碳法、真空吹氧脫碳法相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備，只能采用傳統(tǒng)的電爐-精煉爐工藝進(jìn)行生產(chǎn)，并于2017年6月進(jìn)行了一爐該鋼種試制。根據(jù)此鋼種的成分規(guī)范，制訂了相關(guān)脫碳、還原和鉻合金化等冶煉工藝，鑄鋼產(chǎn)品成分均符合內(nèi)控規(guī)范要求，產(chǎn)品性能測(cè)試全部符合標(biāo)準(zhǔn)，試制取得了成功。

2 ZG0Cr13簡(jiǎn)介

Cr13不銹鋼是目前機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的不銹鋼，此鋼種包含鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼，其中ZG0Cr13屬于鐵素體不銹鋼[2]，是鐵素體不銹鋼中含鉻量最低的鋼種[3]。ZG0Cr13由于含碳量低，因此具有良好的塑性、韌性和冷成形性[4]，同時(shí)又具有良好的耐腐蝕性。其耐蝕性能優(yōu)于鉻含量相同的馬氏體不銹鋼，抗應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)于奧氏體不銹鋼，能在不超過(guò)540℃的環(huán)境下長(zhǎng)期工作，因此被廣泛用于制造含硫介質(zhì)環(huán)境中的工作構(gòu)件，如焦化分餾塔石油化工部件[5]、汽輪機(jī)葉片和靜葉持環(huán)等電站部件[6]。

3 冶煉難點(diǎn)

冶煉ZG0Cr13的難點(diǎn)在于碳的控制。該鋼種是低碳高合金不銹鋼，產(chǎn)品對(duì)碳的含量要求嚴(yán)格，成品規(guī)范要求碳含量為0.06%～0.10%，電爐扒渣前要求鋼水中的碳含量不大于0.020%，如何快速脫碳至工藝規(guī)范是一個(gè)難點(diǎn)。該鋼種含有11%～13%的鉻，加入的合金量大，會(huì)使鋼液增碳。鋼水的澆鑄溫度較高，達(dá)1570～1580℃，真空后鋼水在稀薄渣的情況下加熱，極易增碳，因此要控制好真空前的成分和溫度，盡可能縮短鋼水真空后至出鋼澆鑄的時(shí)間。同時(shí)，產(chǎn)品對(duì)殘余鋁的含量有要求，而精煉爐不能加鋁進(jìn)行快速沉淀脫氧，以免產(chǎn)品中的鋁含量超標(biāo)。如果加硅和鐵，那么其脫氧產(chǎn)物為偏酸性的二氧化硅，會(huì)侵蝕鋼包渣線(xiàn)處耐火材料，使鋼包的使用壽命縮短，而且為了保證爐渣堿度，需加大石灰用量。此外，由于含鉻量高，爐渣較黏稠，這樣會(huì)增大跳碳的風(fēng)險(xiǎn)，因此工藝要求精煉爐還原采取擴(kuò)散脫氧工藝。擴(kuò)散脫氧會(huì)延長(zhǎng)冶煉時(shí)間，如何在冶煉過(guò)程中在電爐中快速深脫碳，同時(shí)控制后續(xù)操作使鋼水不跳碳，這是ZG0Cr13冶煉過(guò)程中的關(guān)鍵。

4 成分規(guī)范

ZG0Cr13鋼種成分主要是鉻、錳和鎳等，其成分規(guī)范和內(nèi)控要求見(jiàn)表1。

表1 ZG0Cr13成分規(guī)范

5 工藝流程

采用一座40t電爐冶煉，經(jīng)還原和合金化，產(chǎn)出 38t 鋼水，轉(zhuǎn)移至60t精煉爐。在精煉爐進(jìn)行還原和補(bǔ)加合金等處理后，經(jīng)真空脫氣，并調(diào)整溫度及鋼水成分至工藝規(guī)范，然后出鋼澆鑄產(chǎn)品。工藝流程如圖1所示。

圖1 ZG0Cr13工藝流程

6 電爐冶煉

ZG0Cr13電爐冶煉的主要任務(wù)是脫碳、脫磷、去氣、去夾雜及合金化，需要控制大批量鉻鐵加入時(shí)碳的增量。為了達(dá)到去氣、去夾雜和凈化鋼水的目的，按收得率60%隨料配加小塊電極塊，配碳量為0.50%，使鋼水的脫碳量不小于0.40%。利用碳氧反應(yīng)在氧化期產(chǎn)生的氣泡，促進(jìn)鋼水中的夾雜物上浮并隨渣流出，減輕精煉爐的負(fù)擔(dān)[7]。該鋼種對(duì)磷的控制要求不高，所制訂的脫磷工藝目標(biāo)為要求扒渣前鋼水中磷含量不大于0.015%，采用常規(guī)脫磷操作即可。

6.1 脫碳

ZG0Cr13碳成分內(nèi)控規(guī)范含量低，鉻鐵的加入量大，因此脫碳是此鋼種冶煉的重點(diǎn)，工藝目標(biāo)為扒渣前鋼水中的碳含量不大于0.020%。鋼液脫碳的熱力學(xué)反應(yīng)式[8]為：

[C]+(FeO)=[Fe]+CO(g)

(1)

ΔGo=98799-90.76T

(2)

式中： 為表示鋼水中物質(zhì)；()表示爐渣中物質(zhì)；ΔGo為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時(shí)反應(yīng)的吉布斯自由能變化，J/mol；T為熱力學(xué)溫度，K。

隨著鋼水中碳含量的降低，熔池中與碳平衡所需的氧含量和溫度會(huì)急劇上升，反應(yīng)產(chǎn)物是一氧化碳。為了利于氣體逸出，促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行，脫碳需要在薄渣高溫條件下進(jìn)行[9]。同時(shí)，碳氧反應(yīng)是零級(jí)反應(yīng)，脫碳速度與碳含量無(wú)關(guān)，而是取決于供氧強(qiáng)度[10]，因此筆者單位實(shí)際的脫碳操作為在脫磷至工藝規(guī)范后，使熔池升溫至1630℃以上，將氧氣流量開(kāi)至最大，保持1.0MPa壓力，此時(shí)渣量控制在1.0%鋼水量左右，堿度控制在2.0，進(jìn)行吹氧脫碳。本次試制采用此操作進(jìn)行，在扒渣前鋼水中的碳含量為0.019%，達(dá)到工藝要求。

6.2 鉻的合金化

當(dāng)鋼水中的碳和磷達(dá)到內(nèi)控規(guī)范要求后，進(jìn)行扒渣操作。扒渣后，加入錳和鋁錠，繼而加入鋼水量0.8%的渣料，渣料中石灰與螢石的比例控制為5∶1，然后加入鋁粉和鈣硅粉進(jìn)行復(fù)合脫氧。當(dāng)熔池溫度上升至1680℃后，分批次加入微碳鉻鐵，含碳量為0.06%。當(dāng)鉻鐵加入后，吹氬氣攪拌，通電升溫，并視合金熔化情況進(jìn)行人工攪拌，促進(jìn)鉻鐵的熔化，均勻熔池中鋼水的成分和溫度。

合金熔化后，確認(rèn)鋼水化學(xué)成分、溫度符合工藝要求，出鋼至60t精煉爐。在出鋼過(guò)程中，隨鋼流加入鋁和鈣硅塊。出鋼完畢，加入150kg石灰、40kg螢石，進(jìn)行預(yù)造渣。

7 精煉爐冶煉

7.1 脫硫和脫氧

精煉爐的主要冶煉任務(wù)為脫氧、脫硫、微調(diào)化學(xué)成分及鋼水真空脫氣，鋼水脫硫的反應(yīng)式[11]為：

[FeS]+(CaO)=(CaS)+(FeO)

(2)

由于ZG0Cr13鋼種對(duì)鋁含量有要求，因此精煉爐鋼水還原采用擴(kuò)散脫氧，具體步驟為進(jìn)入精煉工位后，每噸鋼加入1.0kg碳粉，每噸鋼加入1.5kg鈣硅粉，會(huì)與脫硫產(chǎn)物氧化亞鐵發(fā)生反應(yīng)[12]：

(C)+[FeO]=(CO)(g)+[Fe]

(3)

(Si)+2[FeO]=(SiO2)+2[Fe]

(4)

實(shí)際工作中，精煉爐鋼水脫氧實(shí)際上是脫硫的重要基礎(chǔ)，做好鋼水的脫氧工作，就能將鋼水中的硫含量降至規(guī)范要求。

7.2 鋼水真空處理

鋼水成分符合規(guī)范要求后，控制鋼水中的碳含量為0.065%～0.075%，由于ZG0Cr13的澆鑄溫度較高，為1570～1580℃，精煉爐的出鋼溫度為 1580～1590℃，因此控制真空前鋼水溫度為 1640～1645℃，然后至真空工位進(jìn)行真空處理。真空度要求為不大于133Pa，真空時(shí)間為25min。

真空結(jié)束后，返回精煉工位，測(cè)得鋼水溫度為 1580℃。進(jìn)行小電壓小電流通電升溫，特別需要注意的是，此時(shí)氬氣量要調(diào)小，流量以不沖破渣面為宜，防止造成鋼水二次吸氣[13]。

8 冶煉結(jié)果

ZG0Cr13鋼水在真空后取樣，其成分見(jiàn)表2。由表2可以看到，鋼水成分均符合內(nèi)控規(guī)范要求，通電 2min 后測(cè)溫為1585℃，出鋼澆鑄。此次冶煉真空后成分一次性達(dá)到內(nèi)控規(guī)范要求，真空結(jié)束至吊出澆鑄時(shí)間為16min，試制在冶煉方面達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

表2 ZG0Cr13成品成分

9 產(chǎn)品性能檢測(cè)結(jié)果

ZG0Cr13鑄鋼件產(chǎn)品經(jīng)過(guò)熱處理、機(jī)加工和精整等工序后，室溫力學(xué)性能見(jiàn)表3。由表3可以看到，各項(xiàng)參數(shù)均符合采購(gòu)規(guī)范，試制取得了完全成功。

表3 ZG0Cr13產(chǎn)品室溫力學(xué)性能

10 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)ZG0Cr13鋼種的冶煉試制，成品成分均符合內(nèi)控規(guī)范要求，鑄鋼件產(chǎn)品室溫力學(xué)性能符合采購(gòu)規(guī)范，確認(rèn)制訂的試制工藝正確有效。

鋼水脫碳宜在脫磷后進(jìn)行，控制堿度為2.0，渣量為鋼水量的1.0%，溫度不低于1630℃，大流量吹氧，能快速使鋼水中的碳含量不大于0.020%。

鉻鐵合金化宜在電爐中進(jìn)行，合金化前加入金屬錳和鋁錠，同時(shí)加入鋁粉和鈣硅粉，可有效脫氧。使用相對(duì)便宜的含碳量0.06%的鉻鐵，能夠滿(mǎn)足要求。

精煉爐使用還原劑碳粉、鈣硅粉，還原效果良好，不會(huì)出現(xiàn)鋼水跳碳的現(xiàn)象。真空前鋼水中的碳含量控制在0.065%～0.075%，溫度控制在 1640～1645℃，真空時(shí)間為25min，能夠使鋼水在真空處理后至出鋼澆鑄的時(shí)間維持在20min內(nèi)，減少鋼水真空后的二次污染。

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