核電用特大型鋼錠澆注過程夾雜物的控制

閆抒宇 朱偉偉 楊海石

(上海電氣上重鑄鍛有限公司，上海200245)

隨著第三代核電技術(shù)的發(fā)展，要求核電大鍛件向大型化、一體化發(fā)展[1]，對冶煉、鍛造、熱處理等關(guān)鍵工序提出了更高的要求，鍛造用鋼錠噸位越來越大。特大型鋼錠需要多包鋼水拼澆，噸位在300 t以上，制造難度極大，并且國內(nèi)外主要鍛件供應(yīng)商對技術(shù)嚴(yán)格保密。國內(nèi)外主要鍛件供應(yīng)商的最大鋼錠制造能力見表1[2]，其中以日本JSW技術(shù)最為先進(jìn)，在20世紀(jì)70年代即可制造出600 t級鋼錠，依靠先進(jìn)的夾雜物控制技術(shù)，省去粗加工后的UT檢測，直接進(jìn)行精加工，鍛件的最終UT檢測即可滿足要求。

表1 國內(nèi)外主要供應(yīng)商鋼錠制造能力對比Table 1 Comparison of ingot manufacturing capacityof main suppliers at home and abroad

1 原因分析

針對我公司某項(xiàng)目460 t特大型鋼錠因UT檢測發(fā)現(xiàn)大量當(dāng)量大于?1.6 mm的單個(gè)缺陷及密集缺陷，最大單個(gè)缺陷當(dāng)量達(dá)到?8.4 mm，造成鍛件粗加工UT檢測不合格，并且超標(biāo)缺陷分布在鍛件內(nèi)外圓面內(nèi)，無法通過加工借調(diào)，導(dǎo)致鍛件最終報(bào)廢，造成了重大經(jīng)濟(jì)損失和工期延誤。因此，鋼錠中夾雜物尺寸超標(biāo)是導(dǎo)致UT檢測不合的直接原因，一旦鍛件加工余量不足，即造成鍛件報(bào)廢。

我公司現(xiàn)有一臺100 t電爐，配套120 t精煉加熱工位2個(gè)，脫氣工位一個(gè)，兩臺40 t電爐，配套80 t精煉加熱工位1個(gè)，脫氣工位一個(gè)，具備最大500 t特大型鋼錠的冶煉能力，其中460 t鋼錠的工藝路線見圖1。

圖1 460 t特大型鋼錠工藝路線Figure 1 Process route of 460 t super large ingot

我公司通過優(yōu)選廢鋼、生鐵等原材料，對P、S、Sn、As、Sb等有害元素含量控制極低，鋼水精煉時(shí)間長，脫氧產(chǎn)物能充分上浮，鋼水純凈度達(dá)到較高水平[3]，因此，內(nèi)生夾雜物不是超標(biāo)缺陷的主要來源。

460 t的特大型鋼錠需要5包鋼水拼澆，通過80 t中間包澆注，澆注溫度控制在1570～1590℃，中間包水口采用純鋯水口，直徑?55 mm，速度在6.5～7.0 t/min，鋼水在中間包內(nèi)停留時(shí)間大于60 min。澆注過程中鋼水與中間包、限流器、冒口等耐火材料接觸時(shí)間長，容易發(fā)生侵蝕反應(yīng)、損壞剝落[4]，形成大尺寸的外來夾雜物。

綜上所述，本文認(rèn)為特大型鋼錠的超標(biāo)缺陷主要來源是澆注過程中中間包、限流器、冒口等部位的侵蝕反應(yīng)、剝落卷入鋼錠中的耐火材料，形成大尺寸的超標(biāo)夾雜物。

2 夾雜物的控制措施

2.1 中間包包齡控制

中間包是澆注特大型鋼錠必不可少的環(huán)節(jié)，主要起到調(diào)節(jié)鋼流澆注速度，防止真空澆注斷流，調(diào)節(jié)澆注溫度的作用。對于特大型鋼錠，鋼水在中間包內(nèi)停留時(shí)間一般在60 min以上，鋼水溫度在1570～1590℃之間，對中間包耐火材料的侵蝕、沖刷比較嚴(yán)重，是鋼錠外來夾雜物的主要來源之一，中間包耐火材料的性能對鋼錠純凈度影響最大。

我公司中間包磚材質(zhì)選用鋯莫來石，成分要求Al2O3≥44%，SiO2≤43%，ZrO2≥12%，對一個(gè)包齡為8爐次的中間包拆包后，選取包壁中部的耐火磚進(jìn)行成分檢測，含量前10種的化學(xué)成分檢測結(jié)果見表2。

表2 中間包磚使用前后的主要成分對比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Comparison of main components of tundish brick before and after use(mass fraction, %)

由表2中成分可見，使用前的成分符合采購技術(shù)規(guī)范，在中間包使用后，Al2O3的成分降低8.98%，SiO2含量基本不變，但ZrO2含量增加1.76%，由于鋼水、鋼渣中均不含有ZrO2成分，可知ZrO2升高是由于耐火磚表面侵蝕導(dǎo)致Al2O3骨料大量流失造成，耐火磚表面呈密集蜂窩狀(見圖2)，與實(shí)際情況類似。耐火磚使用后增加的MgO、CaO、CaF2是精煉渣卷入中間包的殘留物，MnO、Fe2O3是鋼水二次氧化產(chǎn)物，P2O5、Cr2O3為耐火磚本身殘余成分，變化不大。

圖2 中間包包壁照片F(xiàn)igure 2 Photos of tundish wall

由中間包耐火磚使用前后的成分變化對比可以看出，中間包在使用過程中會被不斷的侵蝕，作為主要骨料成分的Al2O3侵蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致中間包包壁表面出現(xiàn)蜂窩狀的侵蝕小坑，造成表面容易剝落，污染鋼水。在澆注過程中精煉渣會被卷入中間包內(nèi)，鋼水二次氧化產(chǎn)物附著在耐火磚表面，形成一層黑色氧化物，在澆注過程中極易被卷入鋼錠內(nèi)。中間包包況隨使用爐次增加，耐火磚骨料成分流失越嚴(yán)重，包內(nèi)殘?jiān)诫y控制、清理。

在改進(jìn)前未進(jìn)行中間包包齡控制，特大鋼錠的中間包包齡平均在5～8爐次，此時(shí)的中間包內(nèi)部掛渣較大，且難以清理，中間包耐火材料沖刷帶入鋼錠內(nèi)部，未能完全上浮，在鋼錠內(nèi)部形成超標(biāo)缺陷，導(dǎo)致鋼錠合格率偏低。

因此，控制中間包的包齡是降低耐火材料夾雜物進(jìn)入鋼錠內(nèi)的有效措施，對特大型鋼錠，要求中間包的包齡控制在2～3爐內(nèi)，保證中間包的包況處于最佳狀態(tài)，無冷鋼、掛渣，不易被侵蝕、剝落，降低外來夾雜物總數(shù)量。

我公司中間包水口采用一體壓鑄成型的純鋯水口，ZrO2含量不低于94%，具有高強(qiáng)度、抗沖刷性能，在使用后基本不會發(fā)生侵蝕擴(kuò)徑和結(jié)瘤。

2.2 限流器材質(zhì)改進(jìn)

我公司使用的限流器是由七節(jié)高鋁磚拼接而成，總高度為1100 mm，內(nèi)徑460 mm，可以把鋼液散流限制在冒口內(nèi)，起到束縛散流液滴的作用。鋼水澆注過程中會沖刷到限流器內(nèi)壁，遇冷易凝結(jié)，易形成內(nèi)部結(jié)瘤，冷凝的鋼液沿內(nèi)壁不斷結(jié)瘤延長，在限流器底部形成胡須狀的結(jié)瘤，隨結(jié)瘤不斷長大，極易掉入鋼錠模中。限流器結(jié)瘤對鋼錠純凈度影響極大，由于結(jié)瘤成分與鋼水成分不同，造成異形金屬夾雜物，此類夾雜物上浮困難，一旦發(fā)生結(jié)瘤掉落，鋼錠即存在報(bào)廢風(fēng)險(xiǎn)。

針對限流器結(jié)瘤問題，公司開發(fā)了一種石墨材質(zhì)的限流器磚，內(nèi)壁表面光滑，鋼水不易凝結(jié)在石墨材質(zhì)上[5]，可以有效減少限流器內(nèi)部、底部的結(jié)瘤情況。

在試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)石墨材質(zhì)的受熱膨脹較高鋁磚大，使用6、7節(jié)石墨材質(zhì)磚，在烘烤后限流器頂部的兩節(jié)之間容易形成較大的縫隙，因此在試驗(yàn)中采用上半部分高鋁材質(zhì)，下半部分石墨材質(zhì)，并安排4組對比試驗(yàn)，石墨材質(zhì)分別安裝2、3、4、5塊，使用后結(jié)瘤情況見表3。

由表3可知，由2節(jié)高鋁和5節(jié)石墨組成的限流器在不發(fā)生膨脹縫隙下，結(jié)瘤最少，內(nèi)部少量結(jié)瘤在每節(jié)之間的縫隙處，底部結(jié)瘤小于50 mm，內(nèi)部結(jié)瘤、底部結(jié)瘤情況明顯改善，減少夾雜物凝結(jié)內(nèi)核數(shù)量。

表3 限流器使用后結(jié)瘤情況Table 3 Nodulation situations of current limiterafter use

2.3 冒口砌筑方式改進(jìn)

由于公司煉鋼車間內(nèi)只有一臺250 t行車和一臺350 t行車，對于特大型鋼錠來說，單臺行車起重能力不夠，必須在冒口位置設(shè)置兩個(gè)吊耳，脫模時(shí)用500 t抬吊通過鋼絲繩起吊。

特大型冒口是鋼水最后一處接觸耐火材料的位置，冒口在起到保溫補(bǔ)縮的同時(shí)，冒口兩側(cè)的吊耳是特大鋼錠脫模起吊的位置，由于兩個(gè)吊耳空腔，造成冒口內(nèi)部耐火材料砌筑困難。原有設(shè)計(jì)時(shí)，由剛玉澆注料對兩個(gè)吊耳整體澆注，在鋼錠澆注結(jié)束后，鋼水翻騰、沖刷導(dǎo)致澆注料剝落、侵蝕較多，冒口內(nèi)鋼液面浮渣較多，卷入鋼錠內(nèi)部的夾雜物未能充分上浮，隨溫度下降，凝固在鋼錠內(nèi)部，聚集而形成單個(gè)或密集夾雜缺陷。

對冒口的砌筑方式進(jìn)行改進(jìn)，由整體澆注改為用高鋁磚砌筑，縫隙部位用切割的高鋁磚薄片填充。新舊冒口砌筑方式對比見圖3，澆注結(jié)束后冒口表面浮渣對比見圖4。由此可知，改進(jìn)后的冒口浮渣大大減少，減少澆注過程中鋼水卷入鋼錠內(nèi)部浮渣的總量，提高鋼錠內(nèi)部質(zhì)量。

圖3 冒口砌筑方式Figure 3 Riser masonry method

圖4 冒口表面浮渣Figure 4 Scum on riser surface

3 投料結(jié)果

在核電用特大型鋼錠澆注過程中夾雜物控制措施實(shí)施后，共計(jì)投料10支特大型鋼錠，投料信息見表4。

表4 特大型鋼錠投料信息Table 4 Feeding information of super large ingot

核電鍛件要求UT檢測的單個(gè)缺陷當(dāng)量小于?5 mm，密集缺陷當(dāng)量小于?3 mm，本次UT檢測方法為參考試塊法，掃查靈敏度均為?6.4 mm DAC、提高30dB，UT檢測合格率見表5。

表5 特大型鋼錠UT檢測合格率Table 5 UT qualified rate of large steel ingot

由表4可知，特大型鋼錠的爐前活度氧控制在5×10-6以下，鍛件取樣全氧含量基本控制在15×10-6以下，說明鍛件內(nèi)部非金屬夾雜物總量較低，鋼水純凈度較高，目前的冶煉工藝和操作水平可以滿足需要。

由表5可知，在夾雜物的控制措施實(shí)施后，特大型鋼錠的UT檢測合格率由63.6%提高到了100%，取得了連續(xù)10支特大型鋼錠UT檢測一次合格的成績，說明澆注過程中夾雜物的控制措施行之有效。

4 結(jié)論

(1)特大型鋼錠的冶煉工藝能滿足需要，爐前活度氧控制在5×10-6以下，鋼水純凈度較高，鍛件取樣全氧含量基本控制在15×10-6以下。

(2)特大型鋼錠大尺寸夾雜物主要來源是澆注過程中中間包、限流器、冒口等部位的侵蝕反應(yīng)、剝落卷入鋼錠中的耐火材料，形成的大尺寸超標(biāo)夾雜物。

(3)中間包耐火磚在使用過程中與鋼水發(fā)生反應(yīng)，表面產(chǎn)生蜂窩狀侵蝕孔，易造成夾雜物卷入。中間包包齡控制在2～3爐內(nèi)，選用的中間包包況處于最佳狀態(tài)，無冷鋼、掛渣，不易被侵蝕、剝落。

(4)限流器選用2節(jié)高鋁磚與5節(jié)石墨磚組合，澆注過程中產(chǎn)生的內(nèi)部結(jié)瘤與外部結(jié)瘤最少。

(5)對冒口吊耳位置的砌筑方式改進(jìn)，把澆注料改為高鋁磚砌筑，減少鋼水翻騰、沖刷導(dǎo)致澆注料剝落、侵蝕，澆注結(jié)束后冒口內(nèi)鋼液面浮渣明顯減少。

(6)在夾雜物控制措施實(shí)施后，特大型鋼錠的UT檢測合格率由63.6%提高到了100%，取得了連續(xù)10支特大型鋼錠UT檢測一次合格的成績，說明夾雜物的控制措施行之有效。