ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼的潔凈化冶煉過程研究

熊云龍，楊寧，張躍

沈陽鑄造研究所有限公司 遼寧沈陽 110022

1 序言

水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)輪是整個發(fā)電機組重要零件之一，對內(nèi)部質(zhì)量和尺寸精度均要求較高。轉(zhuǎn)輪的質(zhì)量好壞直接影響著轉(zhuǎn)輪的效率、抗空蝕性能和運行穩(wěn)定性，因此它的制造質(zhì)量對水輪機發(fā)電機組的整機運行至關(guān)重要[1-3]，尤其是制造轉(zhuǎn)輪所用的材料。多年來，我公司制造轉(zhuǎn)輪采用ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼，主要因為其具有良好的抗熱沖擊性、耐蝕性、抗氧化性、低溫沖擊韌度等性能[4]。ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼不僅廣泛用于制造水輪機轉(zhuǎn)輪，而且也應(yīng)用在海水泵、閥、增壓器殼體等重要零部件上[5-7]。

由于ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼的廣泛應(yīng)用，對它的研究很多。一些學(xué)者研究了熱處理過程、化學(xué)成分等因素對ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼力學(xué)性能的影響[8]。很少有人研究冶煉工藝對ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼力學(xué)性能的影響。合理的冶煉過程能夠降低材料中有害元素磷、硫、夾雜物，以及氫、氧、氮有害元素含量，從而提高ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼的各方面性能。本文分析冶煉過程對ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼力學(xué)性能的影響，嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，對穩(wěn)定化生產(chǎn)ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼具有重要意義。ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼的化學(xué)成分與力學(xué)性能見表1、表2。

表1 ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表2 ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼鑄件的力學(xué)性能

2 試驗材料與方法

所需原材料有廢鋼（A3）、鉻鐵（60%Cr）、純鎳、鉬鐵、石灰。C按1.2%配入，Si按噸鋼5kg加入，Cr按11.8%配入，Ni按3.7%配入。

冶煉方式采用電弧爐+AOD爐生產(chǎn)。電弧爐主要熔化爐料，AOD爐完成最終冶煉。

冶煉工藝優(yōu)化主要是改變AOD爐冶煉造渣制度和供氣制度。合理的造渣制度能夠有效脫磷、脫硫、去除夾雜物。合理的供氣制度也能夠增加去碳效率，降低冶煉時間和生產(chǎn)成本。

冶煉優(yōu)化方案：

1）將AOD爐由單渣操作優(yōu)化為雙渣操作，堿度由1.5調(diào)整為2.0。

2）供氣制度原來為三階段供氣，第一階段：O2:Ar＝4:1，脫碳到0.3%～0.6%，溫度1630～1670℃；第二階段：O2:Ar＝1:1，脫碳到0.08%～0.2%，溫度1680～1720℃；第三階段：O2:Ar＝1:3，脫碳到0.020%～0.035%。

優(yōu)化后為四階段供氣，第一階段：O2:Ar＝5:1，溫度1680～1720℃；脫碳到0.6%～0.8%；第二階段：O2:Ar＝3:1，脫碳到0.3%～0.5%，溫度1630～1670℃；第三階段：O2:Ar＝1:1，脫碳到0.08%～0.2%，溫度1680～1720℃；第四階段：O2:Ar＝1:3，脫碳到0.020%～0.035%。

3 冶煉工藝過程介紹

3.1 生產(chǎn)準(zhǔn)備過程

（1）鋼包準(zhǔn)備 保證鋼包內(nèi)壁清潔、干凈，無浮渣，無殘鋼；澆注系統(tǒng)無異常；修包過程中保證細(xì)致認(rèn)真，將漏包等事故的概率降低到最小。

（2）設(shè)備要求 電弧爐與AOD爐襯無污染金屬殘余，設(shè)備正常運轉(zhuǎn)。

（3）原料要求 要保證原料無油、無密封容器的清潔廢鋼，合金材料要干燥，保證原料的清潔度，才能保證鋼液質(zhì)量。

（4）配料要求 根據(jù)計劃所需鋼液量和鋼種成分，確定原料加入量，原料燒損8%左右。加合金前氧化脫P處理。配入碳量基本為料重的1.5%～2.0%，Cr、Ni按下限。清楚各種材料的化學(xué)成分。為更好地去除夾雜物，提前造渣，裝料時加入料重1.5%的石灰。

（5）裝爐要求 首先把硅鐵、石灰、增碳劑鋪放在爐底，然后加入鎳板需遠(yuǎn)離電極周圍，防止高溫?zé)龘p，由于鉬鐵不易熔化和保證金屬鉻的回收，因此采用在AOD爐中加入。

3.2 電弧爐冶煉過程

1）裝料要密實，爐底加石灰15kg/t鋼液，合金元素遠(yuǎn)離電弧區(qū)域。

2）起弧時小功率，穿井期大功率，爐料熔化80%開始吹氧助熔，氧壓為0.5MPa。

3）爐料全部熔化后取樣分析成分，吹氧脫碳至1.2%～1.8%。

4）還原期調(diào)整爐渣堿度，把堿度從原來的1.2調(diào)整為2，調(diào)整熔渣流動性，加入鋁1kg/t鋼液，脫氧劑4～8kg/t鋼液進行脫氧還原，分析成分。

5）調(diào)整出鋼條件：①成分合格，wC＝1.2%～1.8%、wSi≤0.5%，Cr、Ni為成分要求下限，wP≤0.030%。②鋼液脫氧良好，達到白渣效果。③鋼液溫度1650～1680℃。④中轉(zhuǎn)包烘烤溫度700℃以上。

3.3 AOD爐冶煉過程

（1）AOD開爐前準(zhǔn)備 AOD在開爐前爐體預(yù)熱達到（700±50）℃，預(yù)先準(zhǔn)備好充分干燥的脫氧劑（硅鐵和鋁）、造渣劑（石灰和螢石）、發(fā)熱劑（鋁），同時要準(zhǔn)備好各種少量的鎳、鉻鐵、鉬鐵及錳鐵等合金（應(yīng)盡量選取小塊，以利快速熔化）。

（2）技術(shù)要求調(diào)整 AOD精煉對電爐提供粗鋼液技術(shù)要求調(diào)整如下：wC＝1.2%～1.8%、wSi≤0.5%、wNi為成分要求下限、wP≤ 0.030%，入爐后溫度1560℃以上開始吹煉。

（3）氧化過程調(diào)整 修改了AOD冶煉的供氣制度，鋼液入爐后測溫，根據(jù)C、Si等元素含量及鋼液量與溫度，估算出氧化所需氧量。

（4）還原期調(diào)整 根據(jù)入爐化學(xué)成分對鋼液成分進行初調(diào)整，Si按中上限配入，采用硅、鋁復(fù)合還原，準(zhǔn)確計算還原劑加入量。翻爐至吹煉位置還原，純Ar攪拌7min，還原溫度控制在1680～1710℃。還原期堿度由原先1.5提高至2.0，降低硫和氣體含量。

（5）出爐前最終微調(diào) 根據(jù)化驗結(jié)果，對鋼液進行微調(diào)，使鋼液達到要求的化學(xué)成分。如果補加合金或升溫必須進行純Ar攪拌2min以上。

4 分析與討論

4.1 冶煉工藝對鋼磷和硫含量的影響

分析了優(yōu)化前后各10爐ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼的P和S含量。優(yōu)化前后ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼P、S含量如圖1所示。

優(yōu)化前材料中wP、wS分別為0.025%和0.02%，通過冶煉工藝優(yōu)化，wP、wS降到0.015%和0.013%。主要是冶煉過程溫度和堿度的調(diào)整。合理的溫度和堿度為脫磷、脫硫創(chuàng)造了有利條件。脫磷過程主要在電弧爐內(nèi)完成，脫硫在AOD爐中完成。

電弧爐在氧化過程中，通過調(diào)整堿度和溫度，可以有效地降低P含量。提前在電弧爐內(nèi)添加石灰，因為適當(dāng)?shù)卦黾邮壹尤肓?，可提高爐渣堿度，在保證爐渣流動性良好的情況下，能促進脫磷反應(yīng)的進行。但當(dāng)爐渣堿度過高時，則會造成爐渣黏度增大，導(dǎo)致爐渣流動性變差，反而對脫磷不利，同時也會造成石灰有效利用率偏低，冶煉成本增加。

圖1 優(yōu)化前后ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼中P、S含量對比

AOD爐冶煉過程，脫硫能力受渣量、堿度和溫度影響較大，通過調(diào)整爐渣量、堿度和溫度可有效改善脫硫能力。單渣操作，導(dǎo)致渣量大，冶金動力學(xué)效果變差，脫碳效率低，通過雙渣操作，能夠達到更好的冶金效果，從而有效地去除鋼中的硫和夾雜物等。堿度由1.5增大至2.0，升高爐溫，爐渣脫硫能力明顯增強，溫度提高能夠使渣中復(fù)雜離子團的鍵斷裂并釋放部分氧離子，爐渣黏度降低，爐渣與金屬液之間的傳質(zhì)過程增強，促使更多的硫向渣中轉(zhuǎn)移，從而提高了爐渣脫硫能力。堿度增大，渣中堿性氧化物以及自由陽離子增多，渣中復(fù)雜硅氧離子體解聚為簡單的四面體結(jié)構(gòu)，爐渣流動性增強，從而提高了爐渣脫硫能力[9]。但堿度超過2.0后，脫硫趨勢變得緩慢，由于高熔點化合物生成量增多，這些化合物以固態(tài)質(zhì)點存在于液態(tài)渣中，導(dǎo)致脫硫的動力學(xué)條件變差。供氣制度的改變，也能夠達到更好的冶金動力學(xué)效果和脫碳速率，有助于磷、硫和夾雜物的去除。

4.2 冶煉工藝對力學(xué)性能的影響

分析了優(yōu)化前后各10爐ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼的力學(xué)性能。在熱處理工藝相同的條件下1050℃正火+580℃回火，力學(xué)性能如圖2、圖3所示。從圖中可以看出：材料的屈服強度從590MPa提高到650MPa，提高了10%；抗拉強度從780MPa提高到840MPa，提高了8%；材料塑韌性提高30%；材料的沖擊吸收能量從60J提高到80J，提高了30%左右。

圖2 優(yōu)化前后ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼力學(xué)性能對比

圖3 優(yōu)化前后ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼沖擊性能對比

通過優(yōu)化冶煉工藝，調(diào)整造渣制度即由單渣操作改為雙渣操作，堿度由1.5調(diào)整為2。優(yōu)化供氣制度，改善冶金效果動力學(xué)和熱力學(xué)效果，很好地降低了鋼中磷、硫及夾雜物含量，改善了材料的力學(xué)性能。磷和硫為有害元素，應(yīng)嚴(yán)格控制。磷在奧氏體中溶解度很低，主要影響ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼的力學(xué)性能，降低材料的塑韌性。wP為0.03%時，出現(xiàn)磷共晶組織，ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼塑性和沖擊性能明顯下降，因此生產(chǎn)ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼時磷含量越低越好。硫元素對ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼的危害是硫與鐵化合生成FeS，且與Fe形成共晶。共晶產(chǎn)物熔點985℃，存在晶粒邊界，破壞了基體的連續(xù)性，降低了ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼的力學(xué)性能。非金屬夾雜物是影響高強度鋼疲勞性能的原因之一。夾雜物的尺寸對鋼的疲勞性能有直接影響，可以對臨界夾雜物尺寸進行預(yù)測。嚴(yán)格控制夾雜物含量，有利于提高材料的韌性和抗疲勞能力。

4.3 冶煉工藝對生產(chǎn)效率的影響

分析了優(yōu)化前后各10爐ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼的冶煉時間，如圖4所示。優(yōu)化前平均每爐鋼冶煉時間為3h，優(yōu)化后縮短為2.5h。

圖4 優(yōu)化前后ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼冶煉時間對比

AOD爐氬氧精煉的技術(shù)核心就是供氣制度，通過氧氣和惰性氣體的混合比例，調(diào)整爐內(nèi)CO分壓，促進脫碳反應(yīng)，從而達到去碳保鉻的效果，同時保持熔池內(nèi)有最充分的熱力學(xué)和動力學(xué)脫碳和精煉條件。通過把原來的三階段供氣，調(diào)整為四階段供氣，能夠更好地適應(yīng)爐內(nèi)氣氛，提高反應(yīng)速率。第一階段提高了氧氣比率，主要是因為第一階段鋼液中含有大量的碳，有利于脫碳反應(yīng)。隨后根據(jù)碳含量調(diào)整氬氧比率，從而為脫碳創(chuàng)造有利氣氛，防止過多的氧用來氧化鉻。再加上調(diào)整造渣制度，即由單渣操作改為雙渣操作，堿度由1.5調(diào)整至2，創(chuàng)造了良好的冶金條件，縮短了冶煉時間，減少了鋼液在爐內(nèi)的停留時間，降低了耐火材料的消耗，同時因為時間縮短也提高了生產(chǎn)效率。

5 結(jié)束語

1）冶煉是影響材料性能的重要過程，合理的冶煉工藝過程能夠有效降低材料中有害元素和夾雜物含量，從而提高ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼材料的力學(xué)性能。

2）將AOD爐單渣操作，優(yōu)化為雙渣操作，堿度由1.5調(diào)整為2.0。降低了磷、硫及夾雜物含量，實現(xiàn)潔凈化冶煉。通過冶煉工藝優(yōu)化，ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼材料的力學(xué)性能提高了30%。

3）優(yōu)化供氣制度，把原來的三階段供氣，調(diào)整為四階段供氣，冶煉時間明顯縮短，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。