壓氣機(jī)輪盤用30Cr2Ni4MoV超純凈鋼冶煉工藝研究

羅玉立 王 剛 曾 杰 金 楊 邱 斌 房 鑫 楊先芝 張 健 李福浩

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

30Cr2Ni4MoV超純凈鋼由于具有比普通30Cr2Ni4MoV更好的使用性能，廣泛應(yīng)用于燃機(jī)輪盤鍛件、火電高溫部件的制造，是高附加值產(chǎn)品之一，具有很大的應(yīng)用場景。但是由于超純凈鋼要求Si≤0.04%、Mn≤0.04%、P≤0.003%[1]，冶煉難度極大。同時(shí)按照國際慣例要求超純凈指標(biāo)P+S+H+O+N≤80×10-6[2]，這對脫氣也提出了嚴(yán)格的要求，性能要求極高、UT檢測也很嚴(yán)苛。鋼水冶煉與鑄錠是該類產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)瓶頸之一。

燃機(jī)鍛件由于其質(zhì)量要求非常高，導(dǎo)致國產(chǎn)化程度不高，長期以來主要依靠進(jìn)口。而該類產(chǎn)品附加值較高，市場需求量很大。為此，近年來我公司開展了大量的相關(guān)試驗(yàn)研究工作，掌握了燃機(jī)鍛件的制造技術(shù)，并進(jìn)行了工業(yè)化生產(chǎn)，本文主要介紹30Cr2Ni4MoV超純凈鋼的冶煉工藝、過程控制及冶金質(zhì)量評價(jià)。

1 主要技術(shù)指標(biāo)

燃機(jī)輪盤用30Cr2Ni4MoV超純凈鋼化學(xué)成分要求見表1。

2 冶煉難點(diǎn)分析

超純凈鋼鍛件對化學(xué)成分均勻性、純凈度、致密度等均提出嚴(yán)格要求，煉鋼工序主要難點(diǎn)有：

(1)標(biāo)準(zhǔn)要求P≤0.003%，在煉鋼過程中，P只能在電爐粗煉階段有一定的去除量，在鋼包精煉爐中，需要進(jìn)行造渣、合金化等操作，不僅不能脫P(yáng)，而且在加入各類渣料、脫氧、鐵合金的過程中，還會(huì)帶入一定的P或者出現(xiàn)回P問題，導(dǎo)致鋼水增P。如何將P降至最低，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，是本鋼種冶煉的最大難點(diǎn)之一。

(2)由于各類鋼鐵料都帶有一定的Mn，在電爐粗煉階段，將Mn降低到標(biāo)準(zhǔn)要求以下難度很大，不僅要延長冶煉時(shí)間、降低爐齡和鋼鐵料收得率，而且需要大幅調(diào)整供電制度和吹氧制度，所以獲得低Mn的粗水成為冶煉本鋼種的限制性環(huán)節(jié)。

(3)標(biāo)準(zhǔn)不僅對As、Sn、Sb等單個(gè)元素有限制，而且有X系數(shù)的綜合要求，由于As、Sn、Sb不能在煉鋼過程中去除，所以保障殘余元素符合標(biāo)準(zhǔn)要求也是難點(diǎn)之一。

(4)輪盤鍛件無損檢測要求起始靈敏度為?0.7 mm，不允許有?0.7 mm以上密集型缺陷和?1.5 mm以上的單個(gè)缺陷[1]，且強(qiáng)度指標(biāo)被限定在一個(gè)很窄的范圍，是目前所有鍛件中要求最高的產(chǎn)品之一。故對鋼水純凈度，進(jìn)而對鋼錠冶金質(zhì)量提出了苛刻要求。

3 冶煉工藝技術(shù)方案

3.1 冶煉工藝方式的選擇

采用電爐與鋼包精煉爐雙聯(lián)的工藝方式來生產(chǎn)。電爐的主要任務(wù)是脫P(yáng)、脫Mn，利用電爐的氧化階段充分脫P(yáng)、脫Mn，將P脫至0.001%以下，Mn脫至0.02%以下。鋼包爐的主要任務(wù)是脫O、脫S、合金化和純凈化控制。

3.1.1 電爐粗煉控制

(1)[P]的控制

表1 壓氣機(jī)輪盤用30Cr2Ni4MoV超純凈鋼化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)[1]Table 1 Chemical composition requirement of 30Cr2Ni4MoV ultra-pure steel for compressor wheel(mass fraction,%)

對于煉鋼過程，脫磷反應(yīng)方程式為：

2[P]+(FeO)+4(CaO)=(Ca4P2O5)+[Fe]

lgw(P)/w[P]=22350/T-16.0 +

0.08×w(CaO)+2.5lgw(FeO)[3]

從上式可以看出降低溫度、提高爐內(nèi)氧化性氣氛、增加石灰用量提高堿度可以促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，利于脫磷。

(2)Mn的控制

Mn的氧化行為與P的氧化行為極為相似，其氧化反應(yīng)為：

[Mn]+[O]=(MnO)

該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，并且隨著溫度的提高，渣中游離狀態(tài)的(MnO)參與C的氧化反應(yīng)，轉(zhuǎn)而變?yōu)镸n的還原，其反應(yīng)式如下：

(MnO)+[C]=[Mn]+{CO}

所以要想降低鋼中的Mn含量，必須控制好反應(yīng)溫度、吹氧強(qiáng)度和噴碳強(qiáng)度，否則無法將Mn脫至較低水平。在多爐超純鋼的冶煉過程中，電爐初煉階段Mn含量均成功地控制在0.02%以下，達(dá)到了工藝目標(biāo)。

3.1.2 精煉爐冶煉工藝研究

鋼包精煉的主要任務(wù)就是通過采用高堿度、強(qiáng)還原渣脫S，在真空處理過程，進(jìn)一步將S降至0.002%以下，同時(shí)在強(qiáng)攪拌條件下真空除氣及真空碳脫氧，達(dá)到降低鋼中的H、O、N的目的。

3.2 澆注方式的選擇

考慮到氣體含量和鋼水純凈度要求，澆注采用真空直澆模式，一是嚴(yán)防二次污染和二次氧化，二是精煉鋼水再經(jīng)真空鑄錠流滴脫氣使H、O、N含量進(jìn)一步降低。澆注過程嚴(yán)格控制鋼水量，嚴(yán)防因鋼水不足衍化產(chǎn)生其他質(zhì)量問題。

3.3 鋼鐵料質(zhì)量控制

鋼中的有害元素As、Sn、Sb在冶煉中不能通過氧化還原反應(yīng)去除，所以要想得到殘余元素低的鋼水，必須在鋼鐵料的選擇上進(jìn)行嚴(yán)格把控。一般來說選用特優(yōu)生鐵和特優(yōu)廢鋼，從源頭上控制鋼鐵料中As、Sn、Sb等元素的含量，降低殘余元素來源，從而保證獲得純凈鋼水。

3.4 夾雜物的控制

在超純凈鋼的生產(chǎn)中，夾雜物的控制主要從減少外來夾雜物來源、降低內(nèi)生夾雜物的生成條件、利于夾雜物上浮等方面采取必要措施。

(1)控制外來夾雜物進(jìn)入鋼水中。嚴(yán)格規(guī)定精煉包包況條件，冶金附具必須清潔、干燥良好，冶金附具裝配過程嚴(yán)防二次污染。

(2)內(nèi)生夾雜物的控制。充分利用精煉包真空處理過程的強(qiáng)烈攪拌，使鋼水充分流動(dòng)，使微小夾雜物相互碰撞長大，利于夾雜物的上浮。真空處理結(jié)束后，嚴(yán)控吹氬攪拌強(qiáng)度，并給予足夠的上浮時(shí)間，使夾雜物進(jìn)一步充分上浮，達(dá)到去除夾雜物的目的。

(3)充分利用真空碳脫氧生成產(chǎn)物CO氣體的溢出過程，進(jìn)一步降低鋼水的氣體含量，同時(shí)也將部分夾雜帶出鋼液，從而提高最終鋼錠內(nèi)部的冶金質(zhì)量。

4 過程控制

嚴(yán)格按照工藝的要求，在電爐階段重點(diǎn)做好脫P(yáng)、去Mn的任務(wù)，使P、Mn達(dá)到工藝要求；在鋼包爐內(nèi)重點(diǎn)做好脫氧去氣除雜質(zhì)，保證化學(xué)成分滿足內(nèi)控要求，冶煉后期保持白渣操作；在鑄錠工序做好冶金附具的清潔、干燥，嚴(yán)防鋼水的二次污染和二次氧化，采取必要措施保障澆注鋼流的擴(kuò)散，充分利用二次真空，達(dá)到進(jìn)一步去氣和純凈鋼液的目的。通過整個(gè)流程的精細(xì)化控制，獲得了優(yōu)質(zhì)的真空鋼錠。

5 實(shí)際檢驗(yàn)情況

5.1 化學(xué)成分評價(jià)

部分化學(xué)成分含量和鍛件氣體含量結(jié)果見表2、表3。

從表2、表3可以看出，我公司生產(chǎn)的燃機(jī)鍛件的殘余元素和氣體含量都達(dá)到了極低含量要求，O含量均低于7×10-6，O的控制水平達(dá)到了相當(dāng)高的程度。

在更高的溫度條件下工作，具有低回火脆性的鍛件稱之為超純凈鋼，往往含有非常低的Si、Mn、P、S、As、Sn、Sb等殘余元素，也通常用J系數(shù)來評價(jià)鍛件質(zhì)量。公司和國外某廠家冶煉水平對比情況見表4[4]。

表2 部分化學(xué)成分實(shí)際含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Actual contents of some chemicalcompositions(mass fraction,%)

表3 鍛件氣體含量(×10-6)Table 3 Gas content of forgings(×10-6)

表4 公司與國外廠家的化學(xué)成分冶煉數(shù)據(jù)對比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 4 Comparison of chemical compositionsmelting data between our company andforeign manufacturers(mass fraction,%)

表5 純凈度指標(biāo)評價(jià)(×10-6)Table 5 Evaluation of purity index(×10-6)

表6 燃機(jī)輪盤超純凈鋼鍛件夾雜物評級Table 6 Inclusion rating of ultra-pure steel forgingof gas turbine wheel

從表4可以看出，考察冶煉水平的Si、Mn、P，二重好于國外某廠，而考察原材料水平的Sn、Sb，國外好于二重。

5.2 純凈度評價(jià)

(1)超純凈度指標(biāo)評價(jià)

國際上常用O+P+S+N+H≤80×10-6來評價(jià)純凈鋼的純凈化水平，我公司生產(chǎn)的鍛件五項(xiàng)之和見表5。

從表5中可以看出我公司煉鋼純凈化水平完全能夠滿足國際上通用的評價(jià)指標(biāo)要求。S含量按我公司分析手段以及化學(xué)報(bào)出方式?jīng)Q定最低按0.001%，但實(shí)際其含量低于0.001%，達(dá)到三零級別，所以分析方法及報(bào)出習(xí)慣有待進(jìn)一步提升。同時(shí)從表中可以看出制約我公司降低純凈度評價(jià)指標(biāo)的元素是N，所以如何進(jìn)一步降低鋼中的N含量是我們超純凈鋼冶煉技術(shù)提升需要重點(diǎn)考慮的問題之一。

(2)夾雜物水平評價(jià)

夾雜物也是鍛件純凈度評價(jià)的重要指標(biāo)，盡管燃機(jī)輪盤鍛件的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)沒有提出明確的要求，但是公司根據(jù)自身質(zhì)量控制要求，對部分鍛件進(jìn)行了夾雜物評級，見表6。從表中數(shù)據(jù)可以看出夾雜物評級都在0.5級及以下水平，部分產(chǎn)品出現(xiàn)全部為0級的超高水平。

(3)UT檢測評價(jià)

對生產(chǎn)的百余件壓氣機(jī)燃機(jī)輪盤超純凈鋼鍛件進(jìn)行無損檢測，未發(fā)現(xiàn)可記錄和超標(biāo)缺陷，所有鍛件一次合格。

(4)力學(xué)性能評價(jià)

所有鍛件經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗?，力學(xué)性能檢驗(yàn)一次合格，晶粒度8級以上。

6 結(jié)語

從以上實(shí)際成分檢測可以看出公司的冶煉水平較3年前有大幅提升[5-6]，從J系數(shù)的國內(nèi)外數(shù)據(jù)對比看，對殘余元素的控制水平達(dá)到了高水平要求。也因超純凈鋼冶煉技術(shù)的成功開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了燃機(jī)輪盤全套鍛件國產(chǎn)化制造。