30Cr1Mo1V鋼冶煉全流程夾雜物分析

(上海電氣上重鑄鍛有限公司，上海200245)

30Cr1Mo1V高中壓轉(zhuǎn)子是火電機(jī)組的關(guān)鍵零部件，工作時(shí)承受著高應(yīng)力、高溫度的雙重作用，此外，還要承受交替變化的熱應(yīng)力，使高中壓轉(zhuǎn)子發(fā)生蠕變損傷和熱疲勞損傷或者二者的疊加。因此，要求其材料必須具有很高的高溫蠕變斷裂強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。鋼水含有的C、P、S、N、H和T[O]等元素的單一或綜合作用的結(jié)果，將大大地影響鋼的抗拉強(qiáng)度、成型性、韌性、可焊性、抗裂紋、抗腐蝕性、各向異性、耐疲勞性等各種性能。因此，為了改善鋼的性能，必須首先提高鋼水純凈度。我公司生產(chǎn)高中壓轉(zhuǎn)子有較長(zhǎng)的歷史，但其質(zhì)量穩(wěn)定性一直不高，尤其是檢測(cè)合格率忽高忽低，為改變這一現(xiàn)狀，進(jìn)行了一系列的工藝及操作優(yōu)化，其中，第一步就是對(duì)冶煉澆注過(guò)程的全流程夾雜物進(jìn)行分析。

1 生產(chǎn)試驗(yàn)方案

1.1 研究?jī)?nèi)容

在現(xiàn)行工藝條件下對(duì)全流程進(jìn)行了系統(tǒng)取樣，進(jìn)行以下研究：

(1)全流程微觀夾雜物成分變化規(guī)律研究；

(2)全流程微觀夾雜物類型變化規(guī)律研究；

(3)全流程微觀夾雜物數(shù)量密度變化研究；

(4)全流程總氧含量變化規(guī)律研究。

1.2 生產(chǎn)工藝

生產(chǎn)工藝流程為：EAF→LF→VD→中間包→MSD+Ar澆注。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1取樣方案

高中壓轉(zhuǎn)子鋼取樣方案如表1所示。

表1 高中壓轉(zhuǎn)子鋼取樣方案Table 1 Sampling projects of high and medium pressure rotor steel

1.3.2 分析方法

對(duì)所取的試樣主要采用化學(xué)成分常規(guī)分析、光學(xué)顯微鏡分析、掃描電鏡分析等。

2 高中壓轉(zhuǎn)子鋼夾雜物檢測(cè)分析

2.1 全流程的鋼水成分變化

全流程的鋼水成分變化如表2所示。

2.2 全流程的T[O]的變化

全流程氣體樣共取9個(gè)進(jìn)行氣體分析。全流程的T[O]的變化如圖1所示。

2.3 全流程微觀夾雜物成分變化

全流程夾雜物成分分析結(jié)果見表3。

2.4 全流程夾雜物類型

統(tǒng)計(jì)全流程中每個(gè)試樣電鏡觀測(cè)結(jié)果，并且將每個(gè)試樣的夾雜物類型計(jì)算出來(lái)，通過(guò)計(jì)算得出各工序主要夾雜物的類型。各工序主要氧化物夾雜物類型對(duì)比見表4。

表2 全流程鋼液成分變化(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Compositions variety of melting steel in whole flow (mass fraction, %)

表3 全流程夾雜物成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Analyzed results of inclusions compositions in whole flow (mass fraction, %)

圖1 全流程的T[O]含量Figure 1 T[O] content in whole flow

工藝環(huán)節(jié)夾雜物類型比例(%)進(jìn)站前還原20 min第1次加合金第2次加合金真空結(jié)束精煉結(jié)束澆注3/10澆注1/2澆注結(jié)束Al2O3MgO-Al2O3-CaOAl2O3-SiO2-CaSAl2O3-SiO2-CaOAl2O3-SiO2-CaOAl2O3-SiO2-CaOMgO-Al2O3-SiO2-CaOMgO-Al2O3-CaOMgO-Al2O3-CaO72.7376.6733.35057.14505037.566.7

2.5 全流程微觀夾雜物數(shù)量密度變化研究

全流程取高中壓轉(zhuǎn)子鋼共9個(gè)金相樣，每個(gè)金相樣在光鏡下拍攝45個(gè)視場(chǎng)，統(tǒng)計(jì)全流程微觀夾雜物數(shù)量密度變化，如圖2所示。

圖2 全流程夾雜物數(shù)量密度Figure 2 Quantity density of inclusions in whole flow

3 試驗(yàn)結(jié)果討論

3.1 夾雜物成分演變規(guī)律

由表3可以看出：

(1)進(jìn)站前的微觀夾雜物絕大多數(shù)都為Al2O3，高達(dá)88.93%，這主要源自進(jìn)站前加入的預(yù)脫氧鋁錠。

(2)隨著LF的進(jìn)行，夾雜物中MgO的含量稍有增加，Al2O3的含量逐漸減少，CaO的含量急劇上升，最高到53.42%，說(shuō)明夾雜物上浮并被渣吸附，但渣中的CaO也進(jìn)入鋼液當(dāng)中，耐火材料中的少許Mg也進(jìn)入了鋼液。

(3)VD階段，夾雜物中Al2O3含量減少26.71%，CaO含量增加21.21%。

(4)在澆注過(guò)程中，夾雜物中Al2O3含量急劇升高，而鋼水中Al含量?jī)H為0.008%，又中間包耐材使用的是高Al質(zhì)的莫來(lái)石，故認(rèn)為此時(shí)的Al2O3的主要來(lái)源為中間包耐材的侵蝕，或上一爐次中間包上未完全清理干凈的鋼渣，而Al2O3的增加也是聚集成大顆粒夾雜的原因之一。

3.2 夾雜物類型演變規(guī)律

對(duì)各爐次各個(gè)工藝環(huán)節(jié)的氧化物夾雜物類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，情況如表4所示，可以看出：

(1)進(jìn)站前加入鋁錠進(jìn)行預(yù)脫氧，故進(jìn)站前的夾雜物幾乎都為Al2O3。

(2)精煉開始后，在電鏡下沒(méi)有發(fā)現(xiàn)Al2O3單獨(dú)存在，而是與其他氧化物結(jié)合形成復(fù)合夾雜物如MgO-Al2O3-CaO、Al2O3-SiO2-CaO以及MgO-Al2O3-SiO2-CaO等。

(3)精煉過(guò)程的夾雜物主要分為兩類，一類含MgO，為MgO-Al2O3、MgO-Al2O3-CaO、MgO-Al2O3-SiO2-CaO；一類不含MgO，為Al2O3-SiO2(-CaO)等。MgO的主要來(lái)源是爐渣和爐襯。從表3夾雜物成分變化中不難發(fā)現(xiàn)，在精煉過(guò)程中MgO的含量偏低，而澆注過(guò)程中MgO含量明顯增加，這說(shuō)明澆注過(guò)程中精煉渣在中間包中發(fā)生卷渣行為，進(jìn)入鋼水中。

3.3 夾雜物數(shù)量密度演變規(guī)律

將全流程各個(gè)階段的試樣夾雜物數(shù)量密度取平均值，得到全流程夾雜物數(shù)量密度的變化，如圖2所示。

由圖2可知，整個(gè)流程鋼液中的微觀夾雜物數(shù)量密度由進(jìn)站前的12.74個(gè)/mm2降到澆注結(jié)束的3.89個(gè)/mm2。從夾雜物密度變化上看，精煉效果較好。第一次加合金后，較還原20 min的夾雜物數(shù)量密度上升2.82個(gè)/mm2，結(jié)合此時(shí)的夾雜物成分變化可以知道，加合金時(shí)使得渣中的CaO卷入鋼液，使夾雜物的數(shù)量密度增加。在澆注過(guò)程中，夾雜物數(shù)量密度也呈上升趨勢(shì)，這是因?yàn)樵跐沧⑦^(guò)程中發(fā)生了二次氧化，包括空氣二次氧化和爐襯等耐火材料的二次氧化。

3.4 全流程的T[O]的變化

鋼中的氧以兩種形式存在：溶解于鋼中的溶解氧[O]溶和存在于氧化物中的氧[O]夾?？傃鹾靠杀硎緸椋?/p>

T[O]=[O]溶+[O]夾

脫氧合金化后，與脫氧元素(Si、Al)相平衡的[O]溶很低，如鋁鎮(zhèn)靜鋼，加鋁脫氧后，在1600℃與鋼中酸溶鋁含量[Al]s(0.02%～0.05%)處于熱力學(xué)平衡的[O]溶很低(0.0004%～0.0008%)，所以可以用鋼中總氧含量T[O]來(lái)表示鋼中氧化物夾雜物的水平，用T[O]作為潔凈度的量度。鋼中總氧含量越低，說(shuō)明鋼中氧化物夾雜越少，鋼就越干凈。因此，通過(guò)取樣分析鋼中T[O]含量對(duì)鋼的潔凈度進(jìn)行評(píng)價(jià)至關(guān)重要。本試驗(yàn)通過(guò)在全流程取樣來(lái)分析鋼中總氧含量T[O]。全流程鋼中總氧變化如圖1所示。

從圖1可以看出，進(jìn)站前的T[O]含量最高，達(dá)57×10-6，到第1次加合金后降至23×10-6，說(shuō)明前期的精煉效果良好。第2次加合金后T[O]升高至41×10-6，說(shuō)明此時(shí)發(fā)生了二次氧化。精煉結(jié)束時(shí)，T[O]降低到了26×10-6，但是隨著澆注的進(jìn)行，鋼中T[O]逐漸上升到43×10-6，由此可以得出鋼包操作對(duì)鋼的潔凈度影響較大，通過(guò)二次氧化、耐火材料侵蝕等方式使鋼液遭到污染，從而使鋼中總氧升高，因此在實(shí)際操作過(guò)程中，應(yīng)該合理規(guī)范澆注操作，否則將會(huì)使鋼包精煉操作提高鋼液潔凈度的努力前功盡棄。

4 分析與討論

通過(guò)對(duì)高中壓轉(zhuǎn)子鋼全流程生產(chǎn)跟蹤數(shù)據(jù)分析，得出以下認(rèn)識(shí)：

(1)T[O]平均值，電爐出鋼時(shí)為57×10-6，LF初次出站時(shí)為41×10-6，VD出站時(shí)為31×10-6，LF二次出站時(shí)為26×10-6，中間包時(shí)為43×10-6。從鋼的潔凈度水平來(lái)評(píng)價(jià)，從LF二次出站到中間包，鋼液中T[O]含量上升到43×10-6，較LF出站時(shí)增加17×10-6，說(shuō)明在中間包的澆注過(guò)程中，中間包操作對(duì)鋼的潔凈度影響極大，通過(guò)卷渣、二次氧化、耐火材料侵蝕等方式使鋼液遭到污染，從而使鋼中總氧升高，因此在實(shí)際操作過(guò)程中，應(yīng)該合理規(guī)范中間包的操作，否則將會(huì)使鋼包精煉操作提高鋼液潔凈度的努力前功盡棄。

(2)鋼中微觀夾雜物數(shù)量平均值，進(jìn)站前時(shí)為12.74個(gè)/mm2，LF出站時(shí)為6.9個(gè)/mm2，VD出站時(shí)為4.6個(gè)/mm2，LF二次出站3.54個(gè)/mm2，中間包7.2個(gè)/mm2。

(3)進(jìn)站前微觀夾雜物類型主要是Al2O3，LF期間主要是Al2O3-MgO、Al2O3-MgO-CaO、Al2O3-MgO-CaO-SiO2-MnO，VD期間主要是Al2O3-CaO-SiO2，澆注期間主要是Al2O3-MnS、MgO-Al2O3-SiO2-CaO、MgO-Al2O3-CaO。

(4)LF進(jìn)站O含量為57×10-6，LF出站O含量為26×10-6，精煉過(guò)程總氧降低31×10-6，總體來(lái)看LF的脫氧效果較好，但加合金期間操作控制欠佳(合金加入方式較粗放)，使得總氧由最低時(shí)候的23×10-6升高到了41×10-6。

(5)中間包操作存在較嚴(yán)重的二次氧化，中間包澆注過(guò)程中，T[O]含量上升到43×10-6，較LF出站時(shí)增加17×10-6。

5 結(jié)論

為進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量特提出以下改進(jìn)措施：

(1)必須規(guī)范操作，LF操作過(guò)程中特別是加合金過(guò)程，吸氧嚴(yán)重，使得精煉效果打了折扣。

(2)中間包澆注過(guò)程二次氧化比較嚴(yán)重，并伴有卷渣，耐火材料侵蝕行為，是大型夾雜物的主要來(lái)源。建議加強(qiáng)中間包保護(hù)澆注，強(qiáng)化中間包的清理及澆注過(guò)程中的卡渣操作，盡可能的避免精煉渣進(jìn)入中間包。