高硅高鈦不銹鋼低氣體含量控制冶煉方法研究

陳知偉 曹征寬 王渝 李勁 龔兵

(1．寶武特冶航研科技有限公司，重慶400082；2．四川貝金達(dá)新材料有限公司，四川618407)

14Cr18Ni11Si4AlTi是一種高硅高鈦的奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼，由于具有良好的耐腐蝕性能，較高的屈服強(qiáng)度，良好的韌性等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于化工、石油、能源、海洋事業(yè)以及航空航天、核能、軍工等領(lǐng)域。目前該鋼生產(chǎn)中普遍存在著一個(gè)技術(shù)瓶頸問(wèn)題：產(chǎn)品的屈服強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)要求的一次合格率低，產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性差。

1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求

1.1 化學(xué)成分

14Cr18Ni11Si4AlTi的化學(xué)成分要求見(jiàn)表1。

表1 14Cr18Ni11Si4AlTi鋼化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition requirements of 14Cr18Ni11Si4AlTi steel(mass fraction,%)

1.2 力學(xué)性能

產(chǎn)品經(jīng)固溶熱處理(固溶溫度1000～1030℃)后的力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表2 固溶熱處理后的力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties after solid solutionheat treatment

2 難點(diǎn)分析

GJB 2294A—2014要求14Cr18Ni11Si4AlTi的屈服強(qiáng)度≥440 MPa，而同類的不銹鋼屈服強(qiáng)度≥250 MPa，其指標(biāo)高了近76%，且該鋼種標(biāo)準(zhǔn)含量規(guī)定的易氧化元素多，并且含量高，特別是活潑元素硅含量(3.7%～4.0%)太高，采用爐外精煉AOD、VOD工藝生產(chǎn)難度大。

從氧化物的標(biāo)準(zhǔn)生成自由能數(shù)據(jù)[1]計(jì)算，活潑元素硅含量(3.7%～4.0%)的氧化損失約為70%，吹氧過(guò)程金屬中的硅元素氧化反應(yīng)釋放的熱量太高(見(jiàn)表3)，導(dǎo)致熔池溫度太高(>2000℃)，并且爐渣呈酸性，造成對(duì)堿性爐襯鋼包的侵蝕而影響鋼包的壽命，因此該鋼比較容易實(shí)現(xiàn)的生產(chǎn)工藝路線為：感應(yīng)爐熔煉→電渣重熔→鍛造開(kāi)坯→改鍛成材→熱處理。采用常壓中頻感應(yīng)爐熔煉的鋼中氮和氧含量高，在后續(xù)的電渣重熔冶煉過(guò)程中，容易與鋼中的鈦、鋁等元素反應(yīng)，引起鋼錠內(nèi)部鈦、硅、鋁元素含量降低，并在鋼液內(nèi)形成新的有害夾雜物。鋼錠化學(xué)成分偏差大、有害夾雜物及氣體含量高是造成鋼的屈服強(qiáng)度波動(dòng)大，一次合格率低的主要因素。

表3 鋼中元素的氧化放熱Table 3 Oxidative exotherm of elements in steel

3 試制過(guò)程

為了降低高硅高鈦含鋁不銹鋼的氣體含量，提高鋼的冶金質(zhì)量，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的冶煉工藝路線為：EAF→LFⅠ→VOD→LFⅡ→VD→ESR。試驗(yàn)工藝的主要特點(diǎn)是，鋼中的硅元素在VOD初始合金化完成前都按殘余元素的要求進(jìn)行調(diào)整控制；待VOD合金化完成后，才能在LF加硅鐵，加熱進(jìn)行硅元素的最后合金化。其冶煉方法包括以下步驟：

(1)EAF：將各種金屬爐料的合金成分進(jìn)行配料計(jì)算、搭配后，裝入電爐內(nèi)進(jìn)行加熱熔化，熔清后吹入氧氣初步脫氣、去除夾雜，按表4中EAF階段要求調(diào)整鋼液的化學(xué)成分。

(2)LF Ⅰ：還原電爐爐渣中的鉻元素，同時(shí)加入包含對(duì)應(yīng)元素的合金，按表4中LF Ⅰ階段要求精確調(diào)整鋼液的化學(xué)成分，并調(diào)整鋼液的溫度符合VOD工序的要求；將鋼包吊至渣坑位，扒出全部鋼渣。

(3)VOD：在真空條件對(duì)鋼液進(jìn)行吹氧脫碳，以去除鋼液中的氮、氫、氧和夾雜物，并通過(guò)鋼包底部吹氬促進(jìn)鋼液循環(huán)；VOD吹氧結(jié)束后加入鋁塊、硅鐵、精選石灰、鉻鐵、鎳板和錳鐵，進(jìn)行真空化渣、還原，按表4中VOD階段要求進(jìn)行初始合金化，然后開(kāi)蓋破真空測(cè)溫，并取樣分析鋼液的化學(xué)成分。

(4)LF Ⅱ：加硅鐵、加熱進(jìn)行硅元素、鈦元素的合金化；并按表4中LF Ⅱ階段合金化要求精確調(diào)整化學(xué)成分。

(5)VD：對(duì)鋼液進(jìn)行真空脫氣處理，開(kāi)蓋破真空測(cè)溫，可以再對(duì)目標(biāo)成分補(bǔ)加合金進(jìn)行微調(diào)；進(jìn)行吹氬處理降溫，吊包澆注成電渣母坯。

(6)ESR：對(duì)電渣母坯金屬材料重新熔化和精煉，并按順序凝固成鋼錠；生產(chǎn)的金屬材料純凈可以改善或消除金屬材料的發(fā)紋。電渣重熔過(guò)程中渣系的選擇對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量及技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的改進(jìn)至關(guān)重要，為高硅高鈦含鋁的奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼14Cr18Ni11Si4AlTi專門設(shè)計(jì)使用的渣系組成為：CaF248%～55%、CaO 18%～22%、Al2O318%～22%、MgO 3%～4%、TiO24%～5%、Fe2O3≤0.15%。

表4 冶煉過(guò)程14Cr18Ni11Si4AlTi鋼化學(xué)成分控制要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 4 Chemical composition control requirements of 14Cr18Ni11Si4AlTi steel during smelting process(mass fraction，%)

四元渣系具有較高的CaO，與Al2O3、SiO2結(jié)合成諸如CaO·Al2O3，2CaO·SiO2和CaO·SiO2等復(fù)雜的化合物，從而有效地降低了渣中Al2O3、SiO2的活度，有利于促進(jìn)鋁、硅等易氧化元素在金屬-熔渣薄膜處與氧的反應(yīng)，達(dá)到降低氧含量的目的，相關(guān)反應(yīng)見(jiàn)式(1)、(2)。

2[Al]+3[O]=(Al2O3)

(1)

[Si]+2[O]=(SiO2)

(2)

四元渣系具有較高的CaO，能夠增加渣中CaO的活度aCaO，相比于三七渣系具有較大的硫分配比LS，促進(jìn)了脫S現(xiàn)象。在電渣重熔脫硫過(guò)程中，主要發(fā)生的反應(yīng)見(jiàn)式(3)。

(Ca2++O2-)+[S]=(Ca2++S2-)+[O]

(3)

因此四元渣系能夠大大地降低成品鋼中的S含量。

從生產(chǎn)實(shí)踐中可以看出，四元渣的夾雜物面積百分比較二元渣低，這與四元渣具有較低的氧、硫含量相符合。因此四元渣具有較低的夾雜物含量，能提高鋼的純凈度。

4 冶金質(zhì)量

分別采用上述冶煉新工藝和我公司以前采用的高硅高鈦不銹鋼冶煉工藝(中頻感應(yīng)爐+ESR)生產(chǎn)14Cr18Ni11Si4AlTi雙相不銹鋼，其中本文開(kāi)發(fā)的工藝記為工藝一，以前我公司不銹鋼的冶煉工藝(中頻感應(yīng)爐+ESR)記為工藝二。

工藝一和工藝二冶煉得到成品中的非金屬夾雜物分布如圖1所示，工藝一冶煉得到的產(chǎn)品中的夾雜物細(xì)小且均勻彌散分布，工藝二冶煉得到的產(chǎn)品中的夾雜物呈堆積狀態(tài)。工藝一和工藝二生產(chǎn)得到的14Cr18Ni11Si4AlTi雙相不銹鋼中(電渣母坯)氣體及夾雜物的含量分析對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

由表5可見(jiàn)，新工藝通過(guò)VOD及VD雙聯(lián)鋼液真空脫氣處理能大幅度降低鋼中的氣體及夾雜物含量，且相對(duì)于原工藝二，新工藝一的脫氮率≥50%、脫氫率≥35%、脫氧率≥50%、D類夾雜物去除率≥50%。

表5 氣體及夾雜物的分析對(duì)比數(shù)據(jù)Table 5 Analysis and comparison dataof gas and inclusion

對(duì)工藝一和工藝二生產(chǎn)得到的成品進(jìn)行分析，其化學(xué)成分對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 化學(xué)成分對(duì)比數(shù)據(jù)Table 6 Chemical composition comparison data

由表6可見(jiàn)，新工藝一得到的產(chǎn)品收得率穩(wěn)定，鋼錠頭、尾的化學(xué)成分偏析小。因此按新工藝冶煉14Cr18Ni11Si4AlTi雙相不銹鋼過(guò)程中，可以根據(jù)鋼中各合金元素對(duì)組織、性能影響程度，制定合金元素最佳配入范圍方案：Ni為強(qiáng)奧氏體形成元素，Cr、Si為強(qiáng)鐵素體形成元素，強(qiáng)度指標(biāo)主要取決于鋼中的鐵素體相，其中屈服強(qiáng)度與鐵素體含量的關(guān)系尤為明顯；鋼中奧氏體形成元素(Ni)按下限配入，鐵素體形成元素(Si、Cr)按上限配入，保證合金元素的優(yōu)化設(shè)計(jì)調(diào)整的實(shí)現(xiàn)，從而保證鋼組織中足夠的鐵素體相量。

工藝一和工藝二冶煉得到的14Cr18Ni11Si4AlTi雙相不銹鋼(成品)的力學(xué)性能和成材率見(jiàn)表7。

表7 力學(xué)性能及成材率Table 7 Mechanical properties and yield

由此可見(jiàn)，新工藝一冶煉得到的產(chǎn)品力學(xué)性能符合GB/T 1220—2007或GJB 2294A—2014的要求，且相對(duì)于工藝二，新工藝一得到的14Cr18Ni11Si4AlTi雙相不銹鋼的屈服強(qiáng)度提高了107 MPa，抗拉強(qiáng)度提高了40 MPa，一次合格率增加了43.77%，達(dá)到100%。

5 結(jié)論

(1)試制工藝針對(duì)14Cr18Ni11Si4AlTi鋼種活潑元素硅含量(3.7%～4.0%)太高的特性值指標(biāo)，在LF爐內(nèi)最后進(jìn)行Si元素合金化，避免了活潑元素Si在VOD或AOD吹氧過(guò)程中大量氧化，減輕Si元素的還原任務(wù)，降低Si的鐵損；Si元素最后在LF爐內(nèi)合金化，溫度也相對(duì)比較低、時(shí)間短，酸性爐渣對(duì)堿性爐襯的侵蝕有限，不會(huì)影響耐火材料的壽命。

(2)本次試制針對(duì)高硅高鈦不銹鋼14Cr18Ni11Si4AlTi的鋼種特性，靈活運(yùn)用了多聯(lián)多種鋼液爐外精煉、真空脫氣手段，有較強(qiáng)的鋼液精煉能力，提高了產(chǎn)品的冶金質(zhì)量，力學(xué)性能取樣檢測(cè)一次合格率達(dá)到100%，最終產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，保障了用戶急需材料的供應(yīng)。

(3)多種多聯(lián)鋼液爐外精煉手段的應(yīng)用，也降低了生產(chǎn)成本，節(jié)約了能源，提高了整體的生產(chǎn)效率，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。