620℃超超臨界汽輪機轉子用新材料冶煉工藝研究

羅玉立　李連龍　何亞軍

(中國第二重型機械集團公司，四川618013)

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620℃超超臨界汽輪機轉子用新材料冶煉工藝研究

羅玉立李連龍何亞軍

(中國第二重型機械集團公司，四川618013)

摘要：介紹了620℃超超臨界汽輪機轉子用FB2鋼的冶煉難點。通過對3支1 t電渣鋼錠的試驗研究，基本掌握了FB2鋼的冶煉技術。

關鍵詞：620℃；超超臨界；汽輪機；轉子；冶煉工藝；電渣重熔

火電機組從亞臨界、超臨界向超超臨界高效機組發展，蒸汽溫度從538℃提高到600℃，甚至更高，轉子的受熱溫度同比大幅提升，工況變差，為此對轉子材料的要求也越來越高。為了適應新型高效機組需求，研究汽輪機轉子鍛件用新材料迫在眉睫，二重針對620℃機組轉子鍛件用FB2鋼開展了系列冶煉試驗研究。

1化學成分及冶煉難點分析

FB2鋼主要元素成分控制范圍差見表1。FB2鋼殘余元素標準要求見表2。

結合相關標準及表1、表2可以看出，冶煉該鋼種主要存在以下幾個方面的難點：

(1)合金含量較高，成分復雜

表1　FB2鋼主要元素成分控制范圍差(質量分數，%)

注：范圍差=標準上限-標準下限。

表2　FB2鋼殘余元素標準要求(質量分數，%)

該鋼為不銹鋼，合金含量高，且含Cr、Ni、Mo、Ni、V、Co、Nb、B、N等元素，成分極為復雜。

(2)N的范圍窄，準確控制難度大

該鋼種N的變化范圍只有0.015%，但在實際生產過程中澆注電極和電渣重熔過程都有可能導致N的變化，致使N含量滑出標準范圍。

(3)B不僅范圍窄，而且易氧化

B的可控范圍只有0.003%，同時B又特別容易氧化，在熔煉、澆注、重熔過程均有不同程度的燒損，收得率難以精確控制。

(4)低Si、低Al鋼脫氧難度大

標準要求Si≤0.10%、Al≤0.010%，同時對氧含量及夾雜物評級有嚴格要求，在實際生產中既要確保Si、Al不超標，又要脫氧良好，保證O含量和夾雜物評價符合標準要求，難度非常大。

(5)殘余元素要求高

殘余有害元素要求特別高，按目前原材料的質量等級及冶煉方法，熔煉分析結果難以達到標準要求，而且極大地增加了冶煉難度和冶煉成本。

2冶煉過程試驗的目的

鑒于存在以上冶煉難點，為了確保產品的一次冶煉成功，進行冶煉工藝試驗研究，旨在摸索N、B、Al、Si、O等元素在電極冶煉、澆注及電渣重熔等過程的變化規律，研究電渣重熔過程的渣系配比及脫氧劑用量等方面的控制技術。

31 t電渣鋼錠的試驗研究

針對產品暫定工藝流程，制定試驗流程為：中頻爐冶煉→澆注自耗電極→電極精整→電渣重熔。

3.1第一支1 t鋼錠試驗

按照以上工藝流程生產第一支1 t電渣鋼錠，原材料采用優質生鐵、廢鋼及各類鐵合金冶煉，電極坯采用砂型鑄造方式澆注，并在型腔內進行緩冷。

電渣過程采用二元渣系，Al2O3∶CaF2=3∶7，進行嚴格烘烤，選擇Al脫氧劑。通過嚴格控制各環節，生產出了第一支1 t電渣鋼錠。C、Mn、Cr、Ni、Mo、Co、V、N等元素化學成分全部合格，在整個冶煉、澆注、重熔過程中表現穩定。而其余部分易氧化元素變化較大，各環節部分成分見表3。

表3　第一支鋼錠生產各環節部分

通過本次試驗主要掌握了以下幾個方面的情況：

(1)電極坯冶煉澆注環節，化學成分基本能穩定控制；

(2)對于橫截面較小的電極坯通過緩慢冷卻，沒有出現開裂現象；

(3)在電渣重熔過程中Si、B均有大幅燒損，Si的收得率僅為50%，B的收得率僅為33.33%，殘Al較低；

(4)電渣重熔過程脫硫效果非常明顯，脫硫率達80%以上；

(5)在整個工藝流程中N的變化不明顯，比較穩定；

(6)鋼錠中的O含量較高，超出了標準要求；

(7)P、S、As、Sn、Sb等殘余元素含量均符合標準要求。

通過本次試驗基本掌握了各元素的變化情況，從易氧化元素均有不同程度的氧化及鋼錠中O含量過高這一結果說明脫氧劑加入量不足，應加強電渣重熔過程的脫氧。也可以看出，生產該材料電渣鋼錠的主要難點在于電渣重熔過程脫氧的控制。

3.2第二支1 t鋼錠試驗

針對第一支鋼錠出現的問題，進行了第二支電渣錠的投料，電渣重熔之前的工序過程控制基本與第一支的一致，變化主要在電渣重熔環節。

在電渣重熔環節，調整了渣系，增加了活性石灰和鈦白粉等渣料，采用四元渣，同時加大了脫氧劑的使用量，加強了重熔過程的脫氧，并對重熔過程進行氣氛保護。而且在電極坯冶煉環節有意將Si、B等元素含量提高，各環節部分成分見表4。

表4　第二支鋼錠生產各環節部分

通過對重熔過程控制的調整，常規元素成分全部合格，部分氧化性元素成分基本沒有變化，但易氧化元素依然有很大的變化：

(1)Si含量變化不大，而Al有大幅增加；

(2)O含量達到≤30×10-6的水平，達到了標準要求；

(3)Al含量嚴重超標，脫氧劑使用過多；

(4)在脫氧良好的情況下B仍然有大幅燒損，收得率為45%，基本可以說在電渣重熔過程中B的收得率不易超過50%。

3.3第三支1 t鋼錠試驗

本次試驗是在第二次的基礎上，調整了脫氧劑用量，進一步加強電渣重熔過程的氣氛保護和過程控制。各環節部分元素成分見表5。

表5　第三支鋼錠生產各環節部分

表6　電渣重熔過程脫氧劑用量對比分析(質量分數，%)

從表5可以看出，所有易氧化元素全部合格，說明在電極坯冶煉環節大幅提高B元素含量，適當按中上限控制Si元素是合理的，在電渣重熔環節渣系選擇、脫氧劑用量及保護措施是有效的。

3.4脫氧劑用量的對比分析

電渣重熔過程脫氧劑用量對比分析見表6。

通過計算脫氧劑總的加入量，結合對各易氧化元素變化量的分析，電渣重熔過程吸氧非常嚴重，Al的燒損達到75%，所以非常容易導致B、Si、V、C、Cr等元素有不同程度的氧化，造成成分不能穩定控制，同時造成O含量很高，超出標準要求等問題。

4驗證性試驗研究

我公司為了進一步驗證試驗研究結果，針對25Cr2Ni4MoV、30Cr1Mo1V及Cr9等VCD鋼進行了驗證性試驗研究，通過對三種材料3支10 t左右VCD鋼的電渣重熔結果分析，化學成分全部合格，特別是Si、Al、Nb、B、O等元素基本控制在標準范圍內。通過系列試驗研究掌握了Si≤0.10%、Al≤0.010%鋼種電渣重熔的工藝參數和過程控制經驗。

5結論

通過對FB2鋼三支1 t電渣鋼錠及驗證性試驗件的生產過程來看，難點在于電渣重熔環節，既要保證易氧化元素B含量滿足標準要求，又要保證殘余元素Al、O等不超標。通過系列試驗研究，基本掌握了該類鋼的電渣重熔技術。

(1)電渣重熔過程渣系的選擇以及脫氧劑用量是保證電渣重熔后化學成分合格的關鍵因素；

(2)電渣重熔過程N基本處于穩定狀態，所以在制備電極坯時按標準中限控制即可；

(3)電渣重熔過程中易氧化元素B容易燒損，其收得率基本不會超過50%，故在制備電極坯時必須充分考慮電渣過程B的燒損，否則無法保證B元素達到標準要求；

(4)通過對電渣重熔過程各元素變化情況分析，必須將Si、Nb、B等元素控制在一個比較合理的范圍內，才能確保電渣重熔后所有化學成分均能滿足標準要求，從而進一步指導電極坯的成分控制；

(5)通過對冶煉過程的精細化控制，加強脫氧操作等，可以冶煉出成分穩定且合格的電極坯。

參考文獻

[1]金楊，馬騰霄.鋼包爐冶煉超低硫鋼研究.大型鑄鍛件，2015(6)：13-15.

[2]魏雪晴，李奇，等.300MW及以上汽輪機低壓轉子冶煉工藝研究.大型鑄鍛件，2014(3)：34-35.

編輯杜青泉

《第十九屆國際鍛造師會議論文集》征訂

國際鍛造師會議是當今世界上鍛件制造領域高水平的技術交流會，在全球鍛造行業具有很大的影響力。第19屆國際鍛造師會議已于2014年9月29—10月2日在日本千葉縣召開，來自日本、美國、德國、英國、法國、韓國、意大利、中國和印度的代表在會上做了技術交流。我們根據會議交流情況編譯出版了《第十九屆國際鍛造師會議論文集》，內容涉及國際鍛造行業市場形勢、設備情況與技術發展水平，對鍛造及相關行業的科研開發、生產技術以及設備改造具有非常實際的指導意義。該文集共476頁，收錄論文120余篇，訂價￥600.00元/本。請需要購買的企業或個人與我們聯系。

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聯 系 人： 李韋螢杜青泉

Research on Smelting Process of New Material Used for 620℃ Ultra-Supercritical Steam Turbine Rotor

Luo Yuli, Li Lianlong, He Yajun

Abstract：The difficulties of smelting process of FB2 steel used for 620℃ ultra-supercritical steam turbine rotor have been described. By studying on three 1t electroslag remelting ingots, the smelting technology of FB2 steel has been known well.

Key words：620℃; ultra-supercritical; steam turbine; rotor; smelting process; eletroslag remelting

作者簡介：羅玉立(1979—)，女，高級工程師，從事大型鑄鍛件的冶煉工藝及新產品開發等工作。電話：13808104609，E-mail：wxlhy1971@163.com

收稿日期：2015—11—02

中圖分類號：TG703

文獻標志碼：B