GX12CrMoWVNbN10-1-1中鎢收得率的影響因素分析

□黃 飛

上海電氣上重鑄鍛有限公司 冶鑄分廠 上海 200245

1 鋼種簡介

馬氏體不銹耐熱鑄鋼GX12CrMoWVNbN10-1-1（簡稱GX12）是德國在20世紀90年代歐洲科技合作501計劃期間研制的，在T/P91基礎上將鉻含量調整到10%左右，并加入1%的鎢得到，其標準化學成分見表1。GX12常溫下抗拉強度為807 MPa，通過與ZG20SiMn合金鑄鋼和ZG06Cr13Ni4Mo馬氏體不銹鑄鋼對比，顯示出較好的常溫力學性能[1]。中強碳化物形成元素鎢的加入[2]，不僅對鋼種起到了固溶強化作用，而且在700℃高溫下長期使用時，鎢的碳化物會將固溶強化作用轉變為析出強化作用[3]，從而加強了GX12的高溫性能。相關研究表明，熱處理后GX12在550℃、600℃、650℃、700℃溫度下的抗拉強度依次為 565 MPa、505 MPa、410 MPa、315 MPa，明顯高于同溫度下不銹鋼和合金鋼的抗拉強度，說明其在高溫下具有良好的力學性能。GX12鋼在國內主要用于制造超超臨界汽輪機組的中高壓內缸、閥體和閥殼[4]。

表1 GX12標準化學成分

2 工藝路線

上海電氣上重鑄鍛有限公司冶鑄分廠2015年度冶煉GX12總鋼水量近2 000 t，由于此鋼種用于鑄造，在生產過程中會產生30%～40%的返回料，為了回收貴金屬鎢、鎳和鉬等，冶鑄分廠必須采用返吹法消化吸收這些廢料。GX12屬于不銹鋼，一般通過兩步法冶煉生產[5]，實際生產中，由于沒有相關設備，因此通過電爐、精煉爐流程，采用一爐返回吹氧法、一爐氧化法生產，然后兌入精煉爐，經真空脫氣后澆鑄成相關產品，具體工藝路線如圖1所示[6]。

圖1 GX12生產工藝路線

3 鎢鐵的合金化機制

目前，關于鎢在鋼液中的合金化，主要有兩種觀點。

（1）認為鎢和鐵的金屬活性相近，與氧的親和力也相差不大，因此屬于不易氧化的元素[7]，鎢鐵在鋼液中的合金化只是單純的熔化問題。而且鎢鐵合金的熔點極高，純鎢的熔點為3 410℃，密度為19.32 g/cm3，鎢含量80%的鎢鐵合金密度為16.5 g/cm3，熔點超過2 600℃，所以應該在電爐氧化末期加入，因為氧化末期溫度最高，有利于鎢鐵的熔化。

（2）認為鎢鐵合金在鋼液中存在氧化問題，在鋼液中氧含量極高的情況下，鋼液中鎢會與爐渣中的氧化亞鐵發生反應[8-9]，加入的鎢鐵合金會發生氧化損耗[10]：

式中：[]表示鋼液中物質；（）表示爐渣中物質。

式中：ΔGo為標準狀態時反應的吉布斯自由能變化，J/mol；T為熱力學溫度，K。

產生的反應物WO3會與石灰發生反應：

4 溫度對鎢收得率的影響

為了驗證以上兩種觀點，基于第一種觀點制訂了鎢鐵合金化工藝。所用鎢鐵合金的鎢含量為80%，塊度大小約為130 mm，使用前烘烤至600℃。當鋼水溫度≥1 700℃時，加入鎢鐵進行合金化，并繼續吹氧升溫，待成分符合工藝要求后進行拉渣，鎢鐵加入至拉渣時間約為20 min。之后再加入鉻鐵等其它合金進行合金化處理，最后取樣放鋼，與采用返回吹氧法冶煉的鋼水一起兌入精煉爐，鎢含量不足部分在精煉爐補加，鎢收得率情況見表2。

由表2可知，鎢在電爐合金化時的總體收得率最高為56%，最低為45%，平均為50.9%。繪制合金化溫度與鎢收得率關系圖，如圖2所示。由圖2可以看到，隨著鎢鐵合金化溫度的升高，收得率并沒有提升，而此時溫度已接近電爐最高工作溫度（1 760℃），這說明鎢鐵合金化不是單純的物理熔化問題，提高合金化溫度無法提高鎢的收得率[11]。

表2 第一種觀點工藝GX12鎢收得率統計

圖2 合金化溫度與鎢收得率關系圖

5 氧化性因素對鎢收得率的影響

電爐中加入鎢鐵提高GX12的鎢收得率較難實現，這說明在鎢合金化時存在鎢的氧化反應，造成了鎢鐵的氧化損耗，所以基于觀點二制訂了合金化工藝。

將鎢鐵合金化置于精煉爐進行，提高合金化溫度。精煉爐的合金化溫度相比電爐的合金化溫度要低很多，原先的精煉工藝規定合金的加入溫度≥1 600℃，所以將合金化溫度制訂為≥1 610℃。

改進還原工藝，強化精煉爐脫氧。原先的精煉工藝規定為全擴散脫氧，造渣后單位質量鋼加入鈣硅合金粉 1.5 kg/t、鋁粉 0.8 kg/t，還原時間為 40 min，氬氣壓力控制為0.4 MPa，流量為300 L/min，采用雙透氣磚。為了強化還原效果，將還原時間改為45 min，且改擴散脫氧為復合脫氧，在擴散脫氧的同時，單位質量鋼加入低錳5 kg/t、硅鐵合金1 kg/t，并將氬氣壓力調整為0.45 MPa，流量調整為350 L/min，使鋼水與爐渣的接觸面積增大，鋼水的循環增強。經過10爐次的跟蹤，發現經過45 min的強化脫氧后，爐渣均能轉化為灰白渣，為合金化提供了良好的基礎。實施此合金化工藝后，鎢收得率情況見表3。

由表3可知，在精煉爐進行鎢的合金化后，鎢的收得率有了提高，最低為61%，最高達到了87%，平均為70.9%。與電爐合金化后鎢收得率進行對比，如圖3所示。由圖3可以看到，在精煉爐進行鎢的合金化后，鎢收得率有明顯提高，這說明鋼液的氧化性因素，即含氧量是影響鎢收得率的主要因素。

圖3 鎢收得率對比

6 鎢鐵合金化工藝實施總結

根據兩次GX12鎢鐵合金化工藝實施情況，對鎢鐵合金化工藝進行總結。

（1）如果所冶煉鋼種的氧化終點碳含量很低，特別是≤0.05%時，不宜在氧化末期進行鎢鐵合金化。如果采用電爐、精煉爐工藝，將鎢鐵合金化過程置于精煉爐進行是比較合適的。如果沒有精煉爐，要提高拉渣溫度，待還原渣造成后再進行鎢鐵合金化，并且要適當增加攪拌和強化還原期脫氧，可以考慮在鎢鐵合金化后進行吹氬攪拌操作，增加渣鋼接觸，攪拌熔池，均勻溫度，加快鎢鐵的熔化。

表3 第二種觀點工藝GX12鎢收得率統計

（2）如果鎢鐵合金化在精煉爐進行，需要提高合金化溫度，使溫度≥1 610℃是比較合適的。同時要強化精煉爐前期的脫氧工作，可以采取硅錳合金加擴散脫氧的復合脫氧方式。從實踐結果來看，硅鐵合金與錳鐵合金比例以1∶5較為合適。適當增大氬氣的壓力和流量，增強渣鋼間的接觸，可以利于擴散脫氧反應的進行，增強鋼水的循環作用且利于鋼液脫氧。

（3）在合金化過程中，如果在精煉爐進行鎢鐵合金化，鎢鐵合金需要第一批次加入，再加入其它合金。根據實踐結果來看，按鎢收得率90%配至成分規范的中限比較合適，在真空脫氣前能做到鎢鐵合金的補加質量在100 kg以內。

7 結束語

根據GX12冶煉過程中兩種鎢鐵合金化工藝的實施情況，結合鎢收得率結果統計，得出以下結論[12]。

（1）鎢鐵合金化時，鋼液的含氧量是影響鎢收得率的主要因素。

（2）在電爐氧化末期進行鎢鐵合金化，存在鎢與爐渣的氧化反應，進而造成鎢的氧化損耗。鎢在鋼液中不是單純的物理熔化問題，單純提高合金化溫度無法提高鎢收得率。

（3）鎢鐵合金化適于在精煉爐中進行，同時提高合金化溫度和強化鋼水脫氧，能使鎢的收得率提高到70%以上。

[1]盧建偉.GX12耐熱鑄鋼熱力學計算分析及組織性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2009.

[2]孫琦琳.淺析合金元素在鋼中的作用[J].河北煤炭，2010（1）：59-60，70.

[3]劉樹勛，李培杰，曾大本，等.析出硬化型熱強鋼中合金元素的作用機制[J].鋼鐵研究學報，2004，16（1）：44-48.

[4]田宇，彭建強，魏雙勝，等.我國超超臨界汽輪機用高溫鑄件材料發展趨勢[J].大型鑄鍛件，2016（1）：1-5.

[5]黃飛,朱偉偉，閆抒宇.不銹鋼冶煉工藝的發展與分析[J].大型鑄鍛件，2017（4）：50-51.

[6]黃飛.返回吹氧法冶煉GX12CrMoWVNbN10-1-1的生產實踐[J].上海電氣技術，2017，10（1）：44-48.

[7]邱紹岐，祝桂華.電爐煉鋼原理及工藝[M].北京：冶金工業出版社，1996：209-210.

[8]黃希祜.鋼鐵冶金原理[M].4版.北京：冶金工業出版社，2013：197.

[9]黃飛.提高25Gr2Ni4MoV中釩收得率的研究[J].裝備機械，2017（1）：18-22.

[10]曾凡就.電弧爐冶煉低鎢鋼鎢回收率的穩定性[J].大型鑄鍛件，1993（1）：43-44.

[11]姚國平.電弧爐冶煉低鎢、鉬合金鋼合金加入工藝探討[J].山西科技，2009（2）：98-100.

[12]黃飛.提高GX12CrMoWVNbN10-1-1鋼中鎢收得率的實踐[J].煉鋼，2017，33（4）：63-66.