超臨界汽輪機缸體用鋼冶煉工藝優化

梁子卿，李金良

超臨界汽輪機缸體是火電機組的大型關鍵零部件、鑄件形狀復雜并且處在高溫、高壓下工作[1]。產品需進行磁粉、射線、超聲波探傷，重要部位不允許有缺陷存在[2]。我公司以前生產此類產品冶煉方案為：EBT （粗煉） +LF （爐外精煉） +VD（真空脫氣處理） +澆注[3]。此工藝方案中碳的控制是冶煉中的一大難點，生產過程中易發生碳含量超出規格上限，生產不能順利進行。此類鋼種合金量大，在精煉序調整成分時，要長時間加熱，易使鋼液增碳，為保證碳含量不超出要求，在精煉過程中要使用價格較高的低碳鉻鐵合金，在冶煉過程中脫氧劑的使用和脫氧程度受到限制。為實現降本增效，經過充分論證，從2020 年開始我公司成功開發中頻感應爐熔化水電廢鋼返回料+VOD（真空氧脫碳） +VD+澆注的工藝流程，已成功生產多支超臨界汽輪機缸體鑄件。

1 主要冶煉參數

1.1 化學成分要求

超臨界汽輪機缸體用鋼ZG1Cr10MoVNbN 的化學成分（見表1），要求Cu、Pb、As、Sn、Sb 應嚴格控制并提供報告，O2≤20 ppm；H2≤3 ppm。

表1 化學成分 （wt.%）

1.2 中頻感應爐裝料量的確定

與電爐冶煉相比，感應爐不使用電極，可以更好地控制碳含量；感應爐合金元素損失少，金屬收得率高，且由于電磁攪拌作用使鋼液成分更均勻?？紤]到用我廠之前積壓的水電廢鋼冶煉，決定采用感應爐裝料。

本工藝方案粗煉鋼液全部由感應爐冶煉，感應爐裝入本鋼種返回料，裝入前分析入爐成分，防止混入W 元素和Ni、Mo 含量超標。

感應爐裝入重量為：

式中：M感—感應爐裝入本鋼種返回料重量；M澆—缸體鑄件澆注鋼水量；M外引流—大包澆注前外引流鋼水量；M注余—精煉包澆注結束時包內殘余鋼水量；M精煉合金—精煉序微調合金重量；98%—感應爐冶煉鋼水收得率。

由于有VOD 工序，感應爐裝料成分表中碳元素范圍可放寬至0.10%～0.35%（見表2），所以在返回料不足時還可裝入價格較低的高碳鉻鐵和部分廢鋼。

表2 感應爐裝料成分 （wt.%）

1.3 精煉加熱

本工序主要完成脫氧、脫硫任務，同時進行成分微調，為執行VOD 操作做準備。

當鋼液成分達到要求（見表3），溫度處于1 650 ℃～1 670 ℃之間，吊出鋼包翻出全部精煉渣后吊回精煉包，鋼包移至VOD 工位，執行真空氧脫碳操作。

表3 VOD 前成分控制 （wt.%）

1.4 VOD 操作

影響脫碳工藝的主要因素有：供氧強度、鋼水初始成分、鋼水溫度、氧槍高度、真空度、底吹氬氣攪拌強度等。目前，通過VOD 參數控制（見表4），冶煉本材質鋼種可將C 含量控制在0.04%～0.07%。

表4 VOD 過程工藝參數

1.5 VD 操作

本工序的任務是在造渣脫氧，真空除氣的同時提高鋼液純凈度。VOD 工序完成后，鋼包轉至加熱工位，首先按一定比例，分批次加入造渣材料石灰2 000～2 500 kg，螢石200～300 kg；同時加入沉淀脫氧劑鋁塊2 kg/t，擴散脫氧劑鋁粉2.5 kg/t。

合金調整結束后，在1 640 ℃～1 660 ℃時進行真空除氣操作，在真空度小于2 乇下保持20 min。真空結束調整N 元素時，為避免加入含氮鐵合金時帶入的鋼渣破壞鋼液純凈度，采用底吹氮氣調整N 元素，吹氮時間35～45 min，確保N 元素調至內控值。吹氮結束后切換氬氣軟吹10～15 min 后出鋼，通過以上冶煉流程，鋼液成分C：0.09%～0.11%、O ≤20 ppm、H ≤2 ppm、N：0.03%～0.05%。

2 生產試制

從2020 年3 月開始，我公司按上述工藝參數生產多件超臨界汽輪機用缸體鑄鋼件，產品滿足技術文件要求，在冶煉過程中未出現碳高于規格現象。

3 工藝方案對比

本工藝方案的優點是使感應爐提供鋼水最大化。中頻感應爐的電磁攪拌使熔化過程中產生的氧化物夾雜聚集長大并上浮到渣中。無電極的電離作用使得H 含量較低，初煉鋼水純凈度高。電弧爐由于大量氧化使鋼水含氧量非常高，在后續脫氧過程中產生大量氧化夾雜，使精煉期脫氧任務繁重，而中頻感應爐脫氧任務較輕，可以穩定得到低氧、低夾雜物的優質鋼水。此外，感應爐可減少金屬材料及貴重金屬的燒損，能耗比電弧爐大大減少，車削廢料和廢鋼也得到最大限度地利用，加上本工藝可以采用價格相對較低的高碳鉻鐵，生產成本大幅降低。

由于采用VOD 操作，鋼液中碳含量較低，所以可進行二次真空操作，進一步降低鋼液中氣體含量。在VOD 后通過優化渣系，提高爐渣吸附夾雜物能力，鋼液的純凈度進一步提高。

與原工藝相比，優化工藝在精煉環節總冶煉時間增加1.5～2 h，對此，今后應優化配料和精煉，縮短總冶煉時間，以進一步降低成本。

4 結 語

本文采用中頻感應爐熔化返回料+VOD+VD+澆注工藝流程，優化過程控制，最終獲得低氫、低氧和碳、氮含量滿足要求的超臨界汽輪機缸體鑄件。通過廢鋼再利用降低生產成本，生產過程可控，實現超臨界汽輪機缸體鑄件穩定、批量生產。