13Cr9Mo2Co1NiVNbNB鋼電渣重熔工藝中試研究

巴鈞濤 高建軍 王少波 楊清海

(1.中國(guó)一重天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457；2.中國(guó)第一重型機(jī)械股份公司鑄鍛鋼事業(yè)部煉鋼廠，黑龍江161042)

電渣重熔鋼錠具有組織致密、化學(xué)成分均勻等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此高附加值鍛件產(chǎn)品國(guó)內(nèi)外都采用電渣鋼錠作為毛坯。13Cr9Mo2Co1NiVNbNB(簡(jiǎn)稱FB2)材料作為火電新一代超超臨界機(jī)組的關(guān)鍵部件，可使蒸汽溫度從超臨界的600℃提高到625℃，發(fā)電效率提高5%左右，CO2排放減少10%左右。制造FB2轉(zhuǎn)子鍛件所用的毛坯——電渣重熔鋼錠是制約中國(guó)第一重型機(jī)械股份公司(簡(jiǎn)稱中國(guó)一重)FB2材料開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的限制性環(huán)節(jié)，該材料電渣重熔難度極大，嚴(yán)重制約了我國(guó)FB2產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程，只能依賴于進(jìn)口。目前，國(guó)外建有大型電渣爐的企業(yè)如日本JSW、JCFC，韓國(guó)斗山重工，意大利FOMAS等企業(yè)均能生產(chǎn)高附加值的FB2電渣鋼錠，其中意大利FOMAS和日本JSW實(shí)力最強(qiáng)，但制造技術(shù)也并不完全成熟，存在一定的廢品率。國(guó)內(nèi)建有大型電渣爐的企業(yè)對(duì)于FB2大型電渣鋼錠，由于技術(shù)難度太大，且試驗(yàn)成本昂貴，均未對(duì)此進(jìn)行嘗試。中國(guó)一重目前正在全力開(kāi)發(fā)FB2材質(zhì)的電渣重熔冶煉技術(shù)，力爭(zhēng)在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到FB2產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化的目標(biāo)。針對(duì)FB2電渣鋼錠重熔技術(shù)難題，本文主要從FB2材料簡(jiǎn)介及技術(shù)要求、母材冶煉研究和電渣重熔技術(shù)研究等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行論述。

1 材料簡(jiǎn)介及技術(shù)要求

1.1 材料簡(jiǎn)介

9%Cr系耐熱合金的高溫蠕變持久性能是根本要求，同時(shí)要保持較好的韌性。FB2材料中加入較多的Nb、V與C、N形成MX碳化物，加B(固溶硼)可提高持久性能。熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果表明：對(duì)性能有害的BN在1284℃已經(jīng)開(kāi)始析出，NbN、NbCN分別在1240℃、1296℃開(kāi)始析出，這3種析出相幾乎在同一高溫段析出，但B、N的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)高于Nb、V等，故BN易析出并長(zhǎng)大。圖1為在不同熱處理制度下BN的析出行為。圖2為在9%Cr系鋼中全硼和溶解硼之間的關(guān)系。對(duì)于BN析出尺寸的大小，冷速至關(guān)重要。大型模鑄鋼錠，由于凝固冷卻速度慢，BN可充分析出并可能長(zhǎng)大到20～30μm，而采用電渣重熔方式，冷速快，可獲得尺寸較小的BN。

圖1 不同熱處理制度對(duì)BN析出行為的影響Figure 1 Influence of different heat treatment systems on the precipitation behavior of BN

圖2 9%Cr鋼中全硼和溶解硼之間的關(guān)系Figure 2 The relationship between total boron and dissovlved boron in 9%Cr steel

圖3 FB2產(chǎn)品不同檢測(cè)區(qū)域劃分Figure 3 Division of different test zones for FB2 products

表1 FB2材料化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition requirement of material FB2 (mass fraction, %)

表2 FB2汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件力學(xué)性能要求Table 2 Mechanical properties requirement of FB2 rotor forgings of steam turbine

表3 FB2鍛件檢測(cè)要求Table 3 Test requirement of FB2 forgings

1.2 FB2技術(shù)要求

FB2鋼汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子體鍛件化學(xué)成分要求如表1所示，力學(xué)性能要求如表2所示，檢測(cè)要求如表3所示。FB2產(chǎn)品不同檢測(cè)區(qū)域劃分見(jiàn)圖3。

2 母材冶煉技術(shù)研究

對(duì)于含B的鋼種，為獲得足夠的自由B和防止BN的大量析出，通常冶煉時(shí)加易與N結(jié)合的Al、Ti元素來(lái)固氮，但FB2產(chǎn)品化學(xué)成分明確要求不允許Al、Ti加入。為獲得足夠的固溶硼，需要加入大量的B來(lái)提高獲得自由硼的可能。由于B與O容易結(jié)合，冶煉時(shí)需在充分脫氧的基礎(chǔ)上加入B，防止煉鋼過(guò)程中B的氧化燒損，最好在加硼鐵之前使鋼水O含量<15×10-6，越低越好?？蓪控制在上限，N含量控制在中限，以盡量獲得較多的自由硼，且不形成粗大的BN相，同時(shí)也能滿足MX碳化析出所需的N含量。將V、Nb控制在上限，使NbCN、NbN的析出溫度高于BN的析出溫度，從而消耗一定的N含量，使BN的析出溫度降低，為后續(xù)熱處理奠定基礎(chǔ)。中國(guó)一重在2014年采用雙真空方式投料1支FB2產(chǎn)品，鋼錠化學(xué)成分完全滿足產(chǎn)品技術(shù)要求，但該產(chǎn)品由于粗大BN和復(fù)合夾雜物的大量析出，造成檢測(cè)缺陷，缺陷掃描電鏡照片及能譜如圖4所示。將該鍛件改制成電極棒料進(jìn)行電渣重熔試驗(yàn)。表4為改制的電極棒的組織、晶粒度及夾雜物評(píng)級(jí)情況。

圖4 缺陷處掃描電鏡及能譜照片F(xiàn)igure 4 Scanning electron microscopy and energy spectrum photos of defects

表4 改鍛電極組織、晶粒度及夾雜物評(píng)級(jí)Table 4 Microstructure, grain size and inclusion rating of modified electrode

表5 電極及電渣錠水、冒口化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 5 Chemical composition of electrode and electroslag ingot water and riser (mass fraction, %)

3 電渣重熔技術(shù)研究

FB2產(chǎn)品屬低Si、低Al、含B鋼，B含量要求范圍的最大值與最小值僅差30×10-6，且B很容易偏析，凝固末期殘余液相中B濃度是初始液相的20倍。圖5為中碳鋁鎮(zhèn)定鋼(B=0.01%， N=0.03%)凝固液相區(qū)內(nèi)N、B的偏析曲線[1]。

另外，材質(zhì)中Si≤0.10%，Al≤0.01%，但O含量要求小于35×10-6，造成了重熔過(guò)程中脫氧劑的選擇和加入量難度非常大，可以說(shuō)FB2材質(zhì)代表了電渣重熔最頂尖的高難度產(chǎn)品。中國(guó)一重于2016年5月中試了1支5.5 t FB2電渣鋼錠，自耗電極采用雙真空廢品改制的鍛造電極。渣系采用CaF2-Al2O3-CaO-MgO-SiO2-B2O3六元渣系，全過(guò)程進(jìn)行氬氣保護(hù)，電制度使用恒熔速遞減功率控制，脫氧采用鋁粒和硅鈣粉復(fù)合脫氧方式。鋼錠脫模后熱送退火，退火冷卻后在鋼錠水、冒口套料進(jìn)行化學(xué)成分分析和金相組織檢驗(yàn)。

圖5 中碳鋁鎮(zhèn)定鋼凝固液相區(qū)內(nèi)B、N的偏析曲線Figure 5 Segregation curve of B and N in the solidified liquid zone of medium carbon aluminum stablized steel

3.1 鋼錠化學(xué)成分

整個(gè)鋼錠表面質(zhì)量光滑，無(wú)裂紋和渣溝產(chǎn)生。

圖6 脫氧劑加入量隨時(shí)間變化曲線Figure 6 The changing curve of deoxidizer with the time

圖7 B2O3和MnO+FeO含量隨時(shí)間變化曲線Figure 7 The change curve of B2O3 and MnO+FeO content with the time

圖8 電渣重熔鋼錠鑄態(tài)下BN的形貌Figure 8 Morphology of BN in the cast state of electroslag remelting ingot

整個(gè)鍛件從表面到心部均未發(fā)現(xiàn)?1.6 mm缺陷，完全滿足產(chǎn)品技術(shù)要求。表5為自耗電極及電渣鋼錠不同取樣位置的化學(xué)成分。圖6為脫氧劑加入量隨時(shí)間變化關(guān)系曲線。

從表5可以看出，成分難以控制元素Si、Al、H、O均未超標(biāo)，但電渣鋼錠水口端B含量相比原始電極增加一倍，經(jīng)分析，這與重熔初期脫氧劑加入量過(guò)大有關(guān)。

3.2 冶煉過(guò)程渣系變化

冶煉過(guò)程中約每1 h取1次渣樣，對(duì)渣子進(jìn)行在線檢測(cè)分析。表6為不同時(shí)刻渣系各組元含量變化情況，圖7為該渣系中B2O3和MnO+FeO不穩(wěn)定氧化含量隨時(shí)間變化曲線。其中，slag0為化清后的原始渣樣編號(hào)，slag1～slag10為每隔1 h取1次的渣樣編號(hào)。

從圖7可以看出，渣系中B2O3含量基本保持不變，不穩(wěn)定氧化MnO+FeO含量隨時(shí)間變化略有升高后再呈降低趨勢(shì)，但整體處于較低水平，說(shuō)明脫氧過(guò)程良好，同時(shí)鋼中的硼未有燒損。

3.3 夾雜物評(píng)級(jí)及鑄態(tài)BN析出形貌

表7為5.5 t FB2電渣鋼錠鑄態(tài)下水、冒口的組織、晶粒度及夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果。圖8為水、冒口鑄態(tài)下BN的形貌，呈細(xì)小團(tuán)簇狀分布。

表6 不同時(shí)刻渣系各組元含量變化情況Table 6 Change of each component content of slag system at different time

表7 電渣鋼錠組織、晶粒度及夾雜物評(píng)級(jí)結(jié)果Table 7 Grading results of micrstructure, grain size and inclusions of electroslag ingot

4 結(jié)論

(1)FB2母材冶煉中將B、V、Nb控制在上限，N控制在中限，以獲得較多的自由B。另外，加B時(shí)，鋼液必須經(jīng)過(guò)充分脫氧，最好低于15×10-6。

(2)電渣重熔采用CaF2-Al2O3-CaO-MgO-SiO2-B2O3六元渣系、惰性氣體保護(hù)、Al和硅鈣復(fù)合脫氧的重熔工藝參數(shù)能夠制造出成分合格的小型電渣鋼錠。

(3)FB2電渣鋼錠鍛后熱處理后粗加工檢測(cè)結(jié)果完全滿足技術(shù)要求，BN析出尺寸也都較小。

參考文獻(xiàn)

[1] 羅國(guó)華，張帆，范植金，等.含硼氮中碳鋁鎮(zhèn)定鋼中BN夾雜析出熱力學(xué)分析[J].武漢科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，37(6)：406-410.