電爐-精煉爐流程冶煉試制ZG0Cr13鋼的工藝實踐

黃 飛

上海電氣上重鑄鍛有限公司 冶鑄分廠 上海 200245

1 項目背景

ZG0Cr13不銹鋼被廣泛應用于各個工業領域，其合金成分主要是鉻，含量為12%～14%，此鋼種含碳量一般要求在0.10%以下。國內外冶煉不銹鋼一般采用兩步法，即電爐加氬氧脫碳法或電爐加真空吹氧脫碳法[1]。筆者單位沒有氬氧脫碳法、真空吹氧脫碳法相關生產設備，只能采用傳統的電爐-精煉爐工藝進行生產，并于2017年6月進行了一爐該鋼種試制。根據此鋼種的成分規范，制訂了相關脫碳、還原和鉻合金化等冶煉工藝，鑄鋼產品成分均符合內控規范要求，產品性能測試全部符合標準，試制取得了成功。

2 ZG0Cr13簡介

Cr13不銹鋼是目前機械制造行業中應用最為廣泛的不銹鋼，此鋼種包含鐵素體不銹鋼和馬氏體不銹鋼，其中ZG0Cr13屬于鐵素體不銹鋼[2]，是鐵素體不銹鋼中含鉻量最低的鋼種[3]。ZG0Cr13由于含碳量低，因此具有良好的塑性、韌性和冷成形性[4]，同時又具有良好的耐腐蝕性。其耐蝕性能優于鉻含量相同的馬氏體不銹鋼，抗應力腐蝕性能優于奧氏體不銹鋼，能在不超過540℃的環境下長期工作，因此被廣泛用于制造含硫介質環境中的工作構件，如焦化分餾塔石油化工部件[5]、汽輪機葉片和靜葉持環等電站部件[6]。

3 冶煉難點

冶煉ZG0Cr13的難點在于碳的控制。該鋼種是低碳高合金不銹鋼，產品對碳的含量要求嚴格，成品規范要求碳含量為0.06%～0.10%，電爐扒渣前要求鋼水中的碳含量不大于0.020%，如何快速脫碳至工藝規范是一個難點。該鋼種含有11%～13%的鉻，加入的合金量大，會使鋼液增碳。鋼水的澆鑄溫度較高，達1570～1580℃，真空后鋼水在稀薄渣的情況下加熱，極易增碳，因此要控制好真空前的成分和溫度，盡可能縮短鋼水真空后至出鋼澆鑄的時間。同時，產品對殘余鋁的含量有要求，而精煉爐不能加鋁進行快速沉淀脫氧，以免產品中的鋁含量超標。如果加硅和鐵，那么其脫氧產物為偏酸性的二氧化硅，會侵蝕鋼包渣線處耐火材料，使鋼包的使用壽命縮短，而且為了保證爐渣堿度，需加大石灰用量。此外，由于含鉻量高，爐渣較黏稠，這樣會增大跳碳的風險，因此工藝要求精煉爐還原采取擴散脫氧工藝。擴散脫氧會延長冶煉時間，如何在冶煉過程中在電爐中快速深脫碳，同時控制后續操作使鋼水不跳碳，這是ZG0Cr13冶煉過程中的關鍵。

4 成分規范

ZG0Cr13鋼種成分主要是鉻、錳和鎳等，其成分規范和內控要求見表1。

表1 ZG0Cr13成分規范

5 工藝流程

采用一座40t電爐冶煉，經還原和合金化，產出 38t 鋼水，轉移至60t精煉爐。在精煉爐進行還原和補加合金等處理后，經真空脫氣，并調整溫度及鋼水成分至工藝規范，然后出鋼澆鑄產品。工藝流程如圖1所示。

圖1 ZG0Cr13工藝流程

6 電爐冶煉

ZG0Cr13電爐冶煉的主要任務是脫碳、脫磷、去氣、去夾雜及合金化，需要控制大批量鉻鐵加入時碳的增量。為了達到去氣、去夾雜和凈化鋼水的目的，按收得率60%隨料配加小塊電極塊，配碳量為0.50%，使鋼水的脫碳量不小于0.40%。利用碳氧反應在氧化期產生的氣泡，促進鋼水中的夾雜物上浮并隨渣流出，減輕精煉爐的負擔[7]。該鋼種對磷的控制要求不高，所制訂的脫磷工藝目標為要求扒渣前鋼水中磷含量不大于0.015%，采用常規脫磷操作即可。

6.1 脫碳

ZG0Cr13碳成分內控規范含量低，鉻鐵的加入量大，因此脫碳是此鋼種冶煉的重點，工藝目標為扒渣前鋼水中的碳含量不大于0.020%。鋼液脫碳的熱力學反應式[8]為：

[C]+(FeO)=[Fe]+CO(g)

(1)

ΔGo=98799-90.76T

(2)

式中： 為表示鋼水中物質；()表示爐渣中物質；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。

隨著鋼水中碳含量的降低，熔池中與碳平衡所需的氧含量和溫度會急劇上升，反應產物是一氧化碳。為了利于氣體逸出，促進反應進行，脫碳需要在薄渣高溫條件下進行[9]。同時，碳氧反應是零級反應，脫碳速度與碳含量無關，而是取決于供氧強度[10]，因此筆者單位實際的脫碳操作為在脫磷至工藝規范后，使熔池升溫至1630℃以上，將氧氣流量開至最大，保持1.0MPa壓力，此時渣量控制在1.0%鋼水量左右，堿度控制在2.0，進行吹氧脫碳。本次試制采用此操作進行，在扒渣前鋼水中的碳含量為0.019%，達到工藝要求。

6.2 鉻的合金化

當鋼水中的碳和磷達到內控規范要求后，進行扒渣操作。扒渣后，加入錳和鋁錠，繼而加入鋼水量0.8%的渣料，渣料中石灰與螢石的比例控制為5∶1，然后加入鋁粉和鈣硅粉進行復合脫氧。當熔池溫度上升至1680℃后，分批次加入微碳鉻鐵，含碳量為0.06%。當鉻鐵加入后，吹氬氣攪拌，通電升溫，并視合金熔化情況進行人工攪拌，促進鉻鐵的熔化，均勻熔池中鋼水的成分和溫度。

合金熔化后，確認鋼水化學成分、溫度符合工藝要求，出鋼至60t精煉爐。在出鋼過程中，隨鋼流加入鋁和鈣硅塊。出鋼完畢，加入150kg石灰、40kg螢石，進行預造渣。

7 精煉爐冶煉

7.1 脫硫和脫氧

精煉爐的主要冶煉任務為脫氧、脫硫、微調化學成分及鋼水真空脫氣，鋼水脫硫的反應式[11]為：

[FeS]+(CaO)=(CaS)+(FeO)

(2)

由于ZG0Cr13鋼種對鋁含量有要求，因此精煉爐鋼水還原采用擴散脫氧，具體步驟為進入精煉工位后，每噸鋼加入1.0kg碳粉，每噸鋼加入1.5kg鈣硅粉，會與脫硫產物氧化亞鐵發生反應[12]：

(C)+[FeO]=(CO)(g)+[Fe]

(3)

(Si)+2[FeO]=(SiO2)+2[Fe]

(4)

實際工作中，精煉爐鋼水脫氧實際上是脫硫的重要基礎，做好鋼水的脫氧工作，就能將鋼水中的硫含量降至規范要求。

7.2 鋼水真空處理

鋼水成分符合規范要求后，控制鋼水中的碳含量為0.065%～0.075%，由于ZG0Cr13的澆鑄溫度較高，為1570～1580℃，精煉爐的出鋼溫度為 1580～1590℃，因此控制真空前鋼水溫度為 1640～1645℃，然后至真空工位進行真空處理。真空度要求為不大于133Pa，真空時間為25min。

真空結束后，返回精煉工位，測得鋼水溫度為 1580℃。進行小電壓小電流通電升溫，特別需要注意的是，此時氬氣量要調小，流量以不沖破渣面為宜，防止造成鋼水二次吸氣[13]。

8 冶煉結果

ZG0Cr13鋼水在真空后取樣，其成分見表2。由表2可以看到，鋼水成分均符合內控規范要求，通電 2min 后測溫為1585℃，出鋼澆鑄。此次冶煉真空后成分一次性達到內控規范要求，真空結束至吊出澆鑄時間為16min，試制在冶煉方面達到預期目標。

表2 ZG0Cr13成品成分

9 產品性能檢測結果

ZG0Cr13鑄鋼件產品經過熱處理、機加工和精整等工序后，室溫力學性能見表3。由表3可以看到，各項參數均符合采購規范，試制取得了完全成功。

表3 ZG0Cr13產品室溫力學性能

10 結束語

通過ZG0Cr13鋼種的冶煉試制，成品成分均符合內控規范要求，鑄鋼件產品室溫力學性能符合采購規范，確認制訂的試制工藝正確有效。

鋼水脫碳宜在脫磷后進行，控制堿度為2.0，渣量為鋼水量的1.0%，溫度不低于1630℃，大流量吹氧，能快速使鋼水中的碳含量不大于0.020%。

鉻鐵合金化宜在電爐中進行，合金化前加入金屬錳和鋁錠，同時加入鋁粉和鈣硅粉，可有效脫氧。使用相對便宜的含碳量0.06%的鉻鐵，能夠滿足要求。

精煉爐使用還原劑碳粉、鈣硅粉，還原效果良好，不會出現鋼水跳碳的現象。真空前鋼水中的碳含量控制在0.065%～0.075%，溫度控制在 1640～1645℃，真空時間為25min，能夠使鋼水在真空處理后至出鋼澆鑄的時間維持在20min內，減少鋼水真空后的二次污染。

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