核電半速轉軸用巨型鋼錠的生產(chǎn)過程控制及冶金質量評價

蔣新亮 王 濤 羅玉立 稅遠強 馬 平 邱 斌 鄧 琴

(二重集團(德陽)重型裝備股份有限公司，四川618013)

試驗研究

核電半速轉軸用巨型鋼錠的生產(chǎn)過程控制及冶金質量評價

蔣新亮 王 濤 羅玉立 稅遠強 馬 平 邱 斌 鄧 琴

(二重集團(德陽)重型裝備股份有限公司，四川618013)

主要分析了550 t級以上巨型鋼錠的冶煉、鑄錠等生產(chǎn)過程控制，從化學成分、夾雜物、晶粒度等方面評價了半速轉軸的冶金質量。

核電半速轉軸；巨型鋼錠；冶煉

目前我國在建的大型核電機組基本都是半速機組，并且該類機組將成為今后的發(fā)展趨勢。然而百萬千瓦級核電半速轉軸需采用550 t級及以上巨型鋼錠鍛制，隨著鋼錠噸位的劇增，對于制造廠來說無論從生產(chǎn)組織及安全保障，還是從鋼錠的偏析、非金屬夾雜物、微觀疏松等方面的控制難度都急劇增大。產(chǎn)品的無損檢測風險、性能風險也大幅增加。二重自2009年以來共生產(chǎn)了14支550 t級及以上鋼錠，鋼種為25Cr2Ni4MoV或類似鋼種。本文從鋼錠制造過程控制等環(huán)節(jié)分析巨型鋼錠的制造過程，從化學成分、夾雜物評價、金相組織、無損檢測等方面評價鋼錠質量。

1 生產(chǎn)難點分析

1.1 鋼水量大

提供550 t～650 t鋼水量，電爐需單爐臺連續(xù)冶煉4爐以上，鋼包爐同時冶煉4爐以上，前后冶煉時間長，對電爐、鋼包爐以及其他配套設備都是嚴格的考驗，設備保障難度大。

1.2 鋼包爐控制難度大

由于需要4包以上鋼水合澆，各包鋼水的化學成分和溫度控制困難，澆注各包鋼水的銜接與配合難度大、風險高[1]。

1.3 偏析控制難度大

偏析是鋼錠在凝固過程中的固有特性，在鋼錠模形狀已經(jīng)固定的情況下，如何通過控制各包化學成分及出鋼溫度成為控制偏析的關鍵因素。

1.4 鋼錠重量大

鋼錠重量大，鋼錠的脫模、吊裝及熱送保障難度大。

從以上幾個因素分析可以看出，無論哪個環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，都必然會導致巨型鋼錠生產(chǎn)任務的失敗。所以，巨型鋼錠的生產(chǎn)是整個冶煉車間的一項系統(tǒng)工程，環(huán)環(huán)緊扣，環(huán)環(huán)制約。

2 生產(chǎn)方案

機組不同，半速轉子的重量有所差異，所以鋼錠重量也有不同程度的差異。從二重生產(chǎn)情況來看，鋼錠從550 t～650 t不等，采用的生產(chǎn)流程均為EAF→LF(VD)→MSD。根據(jù)二重設備能力，電爐需多爐次冶煉提供粗煉鋼水，LF爐需同時冶煉4爐以上鋼水，各包鋼水化學成分、溫度合格后連續(xù)出鋼，動用多臺大型行車吊著鋼包進行真空澆注，見圖1。

3 生產(chǎn)過程控制

3.1 粗煉鋼水的冶煉及質量控制

電爐主要負責提供足量的鋼水，同時將C、P、S、As、Sn、Sb等元素控制在工藝要求的范圍內。從14支半速轉軸粗煉鋼水的實際成分看，電爐環(huán)節(jié)關鍵控制元素含量見表1，不僅全部達到了工藝要求，而且殘余元素處于較低水平，近年來殘余元素降低趨勢明顯。

圖1 巨型鋼錠澆注示意圖Figure 1 The sketch of pouring process of heavy ingot表1 電爐粗煉鋼水控制要求(質量分數(shù)，%)Table 1 The control requirements of primary smelting molten steel in electric furnace (mass fraction, %)

CPSAsSnSb≤0．10≤0．003≤0．018≤0．008≤0．003≤0．002

(a)合金化

(b)真空前

(c)出鋼前 圖2 LF爐爐渣Figure 2 The slags of ladle furnace

3.2 鋼包精煉爐的質量控制

鋼包精煉爐的主要任務是脫氧、脫硫、去氣、調整化學成分以及均勻溫度。為了更好地脫氧、脫硫，必須保證熔渣有足夠高的堿度，冶煉本鋼種堿度一般控制在2.5～4.0之間，同時要求合金化、真空前、出鋼前必須保持白渣(見圖2)，以保證脫氧效果。

由于巨型鋼錠需要多包依次合澆，所以針對各包澆注順序，對各包化學成分、出鋼溫度進行分包控制，從而最大限度地降低偏析。

3.3 鑄錠過程控制

鑄錠環(huán)節(jié)的各項控制，直接關系到鋼錠的冶金質量，所以此環(huán)節(jié)的控制對鍛件質量來說至關重要。首先，對本環(huán)節(jié)中與鋼水接觸的耐火材料必須進行精選；其次，鋼錠模、底盤、保溫帽等附具必須清潔干凈、烘烤良好；再次，澆注時嚴格執(zhí)行注流保護等措施，嚴防外來夾雜進入鋼錠模內；最后，嚴格控制澆注溫度和澆注速度，以使真空澆注擴散良好，達到滴流脫氣效果，擴散效果見圖3。

圖3 真空澆注鋼流擴散Figure 3 The diffusion of molten steel during vacuum pouring

4 質量分析

鋼錠的質量分析主要從化學成分及偏析、夾雜物、氣體含量、超聲檢測等方面進行評價。

4.1 熔煉化學成分

選取4支典型鋼錠熔煉化學成分與日本相關數(shù)據(jù)[2]進行對比，詳見表2。從多支鋼錠的化學分析結果看，可控元素含量均在一個很小的范圍內波動，化學成分控制十分穩(wěn)定。而Cr、Ni、Mo與日本數(shù)據(jù)相比有差異，這是由于控制要求不同，而非控制能力不足。

4.2 化學成分及夾雜物分析

為了掌握鋼錠的偏析狀況，對一支550 t鋼錠水冒口、對應鍛件兩端、對應轉軸試料區(qū)進行取試，從化學成分、夾雜物、氣體含量等方面進行分析與評價，并與日本相關數(shù)據(jù)[1]進行對比分析。

(1)鋼錠取樣位置、化學分析結果及夾雜物評級

表2 鋼錠熔煉化學成分(質量分數(shù)，%)Table 2 The chemical composition of heat analysis of ingot (mass fraction, %)

圖4 鋼錠取樣位置示意圖Figure 4 The sketch of sampling location of ingot表3 鋼錠水冒口端取樣結果(質量分數(shù)，%)Table 3 The results of samples taken from gate and riser of ingots (mass fraction, %)

試樣編號CSiMnPSCrNiMoV熔煉AB0．220．240．240．060．060．050．270．270．260．0060．0070．0070．0040．0030．0021．641．651．623．413．443．400．450．450．480．110．110．11

表4 氧含量及夾雜物評級(水口端)Table 4 The oxygen content andthe inclusion grade (gate end)

圖5 半速轉軸鍛件兩端取試示意圖Figure 5 The sketch of sampling location on both ends of half speed rotation shaft forging

利用水冒口的切除料做了化學成分分析，取樣位置見圖4，化學分析結果見表3。夾雜物評級見表4。

(2)鍛件兩端頭取樣位置、化學分析及夾雜物

半速轉軸在機械加工的過程中，在鍛件兩端分別取試。將轉軸兩端多余料鋸下，試樣沿橫截面中心均勻分布，并對試樣進行化學成分、氣體、夾雜物分析。取樣部位見圖5，分析結果見表5。半速轉軸T端、B端橫截面化學成分見圖6。

表5 夾雜物評級Table 5 The inclusion grade

(a)T端

(b)B端 圖6 半速轉軸T端、B端橫截面化學成分Figure 6 The chemical composition of cross section of T end and B end of half speed rotation shaft表6 半速轉子本體取樣化學成分分析結果(質量分數(shù)，%)Table 6 The results of chemical composition analysis of samples taken from the proper of half speed rotor (mass fraction, %)

試料區(qū)CSiMnPSCrNiMoVO熔煉ABCDEFGHJK0．210．230．220．220．210．260．250．240．260．220．230．060．050．050．050．050．060．060．060．060．040．050．270．280．270．280．280．280．280．280．280．280．270．0060．0080．0070．0070．0070．0080．0060．0080．0060．0080．0080．0040．0020．0020．0020．0020．0030．0030．0030．0030．0020．0021．641．601．591．611．631．671．651．641．651．611．633．413．383．383．423．423．543．453．483．433．443．460．450．460．440．500．480．490．500．480．490．500．470．110．100．100．100．100．110．110．110．110．100．11---11×10-412×10-4----8×10-4-

圖7 半速轉軸取樣示意圖Figure 7 The sketch of sampling location of half speed rotation shaft表7 半速轉軸各部位夾雜物及晶粒度評級Table 7 The inclusion grade and the grain size grade of each location of half speed rotation shaft

取樣位置ABCD粗細粗細粗細粗細晶粒度等級ABCDEFGHJKL0．500．50．500000．500．50．500．50．500000．500．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．500．5000000．500．50．500．5000000．500．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．5-7．06．0-6．0-6．56．07．06．06．5

(3)半速轉軸上的取樣位置及結果分析

結合半速轉軸的取試圖，在半速轉軸本體及中心孔試棒上取樣，取樣位置見圖7，分析結果見表6。

在圖7所示各位置取試進行夾雜物及晶粒度評級，見表7。

無論是鋼錠水冒口的化學成分，還是鍛件上的化學成分，都可以看出巨型鋼錠的偏析非常小[3-4]，說明二重巨型鋼錠的偏析控制技術應用非常成功。而且氣體氧含量很低，夾雜物評級也處于較低水平，證明二重巨型鋼錠的純凈度達到了國際水平。

4.4 無損檢測結果

無論是用550 t、600 t還是650 t鋼錠生產(chǎn)的半速轉軸，按照相關標準逐件進行超聲檢測，結果都合格。

4.5 力學性能

從多支半速轉軸的生產(chǎn)過程看，通過適當?shù)臒崽幚砉に囘M行性能熱處理后，轉軸的力學性能都一次合格，進一步證明巨型鋼錠的冶金質量良好。

5 結束語

二重通過十多支巨型鋼錠的生產(chǎn)，成功地掌握了550 t級以上巨型鋼錠的質量控制技術。從半速轉軸的局部解剖分析，結合產(chǎn)品的超聲檢測、力學性能檢驗等參數(shù)看，二重的巨型鋼錠偏析控制技術非常成功，鋼錠純凈度良好，達到了國內領先、國際先進水平。

[1] 金楊,稅遠強,段紅玲.真空澆注過程控制技術研究[J].大型鑄鍛件,2013(3):17-20.

[2] Takayuki Miyata,YasushiWakeshima,etc.650t鋼錠整體低壓汽輪機轉子鍛件制造技術[C]//第十九屆國際鍛造師會議，2014:199.

[3] 陳海堤,王濤,羅玉立.400t級巨型鋼錠偏析及夾雜物分布研究[J].大型鑄鍛件,2013(1):9-15.

[4] 羅玉立,鞠慶紅,曾杰.燃機輪盤鍛件用30Cr2Ni4MoV鋼冶煉工藝研究及冶金質量評價[J].大型鑄鍛件,2017(2):36-37.

編輯 杜青泉

Production Process Control and Metallurgical Quality Evaluation ofHeavy Steel Ingot for Nuclear Power Half Speed Rotation Shaft

Jiang Xinliang, Wang Tao, Luo Yuli, Shui Yuanqiang, Ma Ping, Qiu Bin, Deng Qin

The production process control of smelting and ingot casting of 550 t and above heavy ingots has been mainly analyzed. The metallurgical quality of half speed rotation shaft has been evaluated in the aspect of chemical composition, inclusion, grain size etc.

nuclear power half speed rotation shaft; heavy ingot; smelting

2016—11—02

TF703

B