高建軍 巴鈞濤 唐作濱 康永斌

(1.中國第一重型機械股份公司天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457；2.中國第一重型機械股份公司鑄鍛鋼事業(yè)部水鍛分廠，黑龍江161042)

隨著國家節(jié)能減排戰(zhàn)略的進一步推進以及核電裝備的大力發(fā)展，超超臨界機組成為我國核電和火電裝備的主流[1]。12Cr%超超臨界轉(zhuǎn)子鋼以其具有良好的鍛造性、淬透性、抗氧化性、焊接性和持久韌性成為1 000 MW超超臨界核電機組高壓轉(zhuǎn)子的選用材料[2]。中國第一重型機械股份公司(簡稱一重)自2008年以來采用雙真空方式已成功制造多支12Cr%超超臨界轉(zhuǎn)子，但也有部分轉(zhuǎn)子因強度和沖擊性能不合格而造成廢品。采用雙真空方式生產(chǎn)的鋼錠冷卻時間長，鑄態(tài)組織晶粒粗大，偏析嚴重，很難保證鍛件的均質(zhì)性，而電渣重熔鋼錠冷卻速度快(凝固速度系數(shù)可達到40 mm/min1/2)，鋼錠成分均勻、組織致密、夾雜物少，因此采用電渣重熔方式制造12%Cr轉(zhuǎn)子鋼錠成為必然。

1 大鋼錠制造

由于市場對核電主管道、12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子等高品質(zhì)大鍛件的需求，我公司于2010年新上了120 t三相雙極串聯(lián)電渣爐，并于2011年4月利用12%Cr廢轉(zhuǎn)子鍛件改制成自耗電極對120 t電渣爐進行了熱調(diào)試。

表1、表2為自耗電極和鋼錠水口端、冒口端的化學(xué)成分和氣體含量。

從表1可以看出，冒口端Mn、Cr、V等元素?zé)龘p嚴重，氧含量達到了132×10-6，相對自耗電極增加了4倍之多。電渣重熔過程中氧通過四種途徑進入熔渣及鋼液：(1)自耗電極中溶解的氧及不穩(wěn)定的非金屬氧化物夾雜；(2)在電極制造和重熔時渣池上方電極表面生成的氧化鐵皮；(3)造渣材料中帶入的不穩(wěn)定氧化物；(4)氧直接從大氣中通過熔渣轉(zhuǎn)移到金屬熔池。對于廢轉(zhuǎn)子改制的自耗電極，其氧含量為26×10-6，處于較低水平，且渣料純度較高，因此影響鋼錠最終氧含量較高的原因是氣體保護效果差，大氣中的氧通過渣池轉(zhuǎn)移到鋼中，其機理如圖1所示。

表1 自耗電極及鋼錠水口和冒口化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 The chemical compositions of consumable electrodes and ingot head and riser(mass fraction,%)

表2 自耗電極及鋼錠水口和冒口氣體含量(×10-6)Table 2 Gas contents of consumable electrodes and ingot head and riser(×10-6)

圖1 氧化物傳氧機理示意圖Figure 1 The schematic diagram of oxygen-transfer mechanism of oxide

在渣池表面上，低價的氧化物被空氣中的氧氧化成高價氧化物，如式(1)所示：

2(FeO)+1/2{O2}=(Fe2O3)

(1)

當這些高價氧化物轉(zhuǎn)移到渣-金界面時，又與該金屬作用轉(zhuǎn)變成低價氧化物，從而使氧轉(zhuǎn)入金屬中，如式(2)、式(3)所示：

(Fe2O3)+[Fe]=3(FeO)

(2)

(FeO)=[Fe]+[O]

(3)

通過上述反應(yīng)可以看出，這個變價的氧化鐵起一個“氣筒”的作用，通過變價過程將空氣中的氧不斷送入金屬熔池[3]。另外，Mn、Cr、V等元素?zé)龘p產(chǎn)生的大量不穩(wěn)定氧化物進入渣中，造成渣子性能惡化，從而影響了熔煉的正常進行。

2 中試試驗

根據(jù)大爐子調(diào)試經(jīng)驗，對12%Cr材質(zhì)在10 t電渣爐上進行了中試試驗。在中試試驗之前首先對一些工藝參數(shù)進行了計算機模擬，從而為制定更加合理的工藝參數(shù)提供依據(jù)。

2.1 計算機模擬結(jié)果

結(jié)晶器尺寸?760 mm，電極尺寸480 mm，冷卻水水溫11℃，初始渣帽層厚度240 mm，有效電流16 000 A，熔速10 kg/min，渣皮厚度2 mm。圖2為凝固過程中的溫度場和液相分數(shù)模擬。圖3為枝晶間距預(yù)測。圖4為成斑概率預(yù)測。

圖2 溫度場和液相分數(shù)模擬結(jié)果Figure 2 The simulation results of temperature fields and liquid fractions

圖3 枝晶間距預(yù)測Figure 3 The prediction of dendrite spacing

圖4 成斑概率預(yù)測Figure 4 The prediction of freckle formation ratio

從圖2可以看出，金屬熔池深度340 mm，兩相區(qū)厚度270 mm。金屬熔池的深度直接影響了結(jié)晶質(zhì)量，鋼液結(jié)晶方向一定沿金屬熔池曲面的法向方向生長，所以熔池形狀對鋼錠的凝固結(jié)晶影響很大，而結(jié)晶的方向與速度又直接影響了鋼錠的冶金質(zhì)量。實踐證明，一般金屬熔池深度應(yīng)控制為結(jié)晶器直徑的1/2～1/3，這樣的冶金質(zhì)量及工藝效果較好[4]。

由于二次樹枝晶之間有溶質(zhì)的偏析，因此希望這種樹枝晶間距越小越好。從圖3可以看出，鑄錠心部一次枝晶1 450 μm，二次枝晶為718 μm；1/2半徑處，一次枝晶為849 μm，二次枝晶間距為363 μm；最大半徑處，一次枝晶間距為197 μm，二次枝晶間距為56 μm。說明枝晶間距大小比較合理。

采用熔渣液相線溫度T=1 573 K進行計算。計算結(jié)果顯示渣系熔點正常，熔池深度控制比較合理，晶間流動的雷諾數(shù)較大，可能會產(chǎn)生偏析和偏析所致的斑多發(fā)生在心部半徑250 mm區(qū)域內(nèi)。

2.2 中試試驗方案

根據(jù)計算機模擬結(jié)果，制定了中試試驗方案。自耗電極采用堿性電弧爐冶煉+真空精煉+大氣下注+鍛造的方式制造。鍛造后電極需要機加扒除氧化鐵皮，并對電極套料進行電極的成分檢測。渣系采用CaF2-Al2O3-CaO-MgO-SiO2五元渣系。采用氬氣保護防止冶煉過程中吸氣。供電參數(shù)采用如圖5所示的恒熔速遞減功率控制。鋼錠脫模后馬上罩冷，待冷至室溫后，沿鋼錠高度方向每隔200 mm處取尺寸為50 mm×50 mm×100 mm試樣進行化學(xué)成分分析和氣體含量檢測。

2.3 渣系選擇及脫氧方式

酸性渣雖然脫硫、脫氧效果較差，且氧位相對較高，但酸性渣透氣率低，可以有效防止重熔過程中鋼錠的增氫，尤其針對12%Cr材質(zhì)非常重要。另外，酸性渣可以有效控制鋼中非金屬夾雜物的形態(tài)，獲得塑性夾雜物。中試試驗采用前蘇聯(lián)巴頓電焊研究所研制的ANF-32的CaF2-Al2O3-CaO-MgO-SiO2五元渣系，根據(jù)資料報道，該渣系相對CaF2-Al2O3-CaO渣系所重熔的鋼沖擊韌性可以提高30%～40%左右[5]。采用鋁粒和硅鈣粉復(fù)合間隔脫氧，根據(jù)電極原始氧含量及相關(guān)經(jīng)驗確定脫氧劑用量。

2.4 中試結(jié)果

2.4.1 鋼錠化學(xué)成分

圖6為沿鋼錠高度方向上的不同取樣位置。

圖5 供電參數(shù)Figure 5 The parameters of power supply

圖6 取樣位置Figure 6 The sampling position

CSiMnPSCrNiMoVNbAlW標準要求電極ABCDE0.11～0.130.120.110.110.120.120.11≦0.120.090.090.06<0.05<0.05<0.050.40～0.500.440.390.410.420.430.40≦0.0120.0110.0150.010.0090.0110.01≦0.0050.0030.0020.0020.0020.0020.00210.20～10.6010.8510.6910.8510.6810.9110.940.70～0.800.730.710.710.700.730.711.00～1.101.161.101.111.121.181.130.15～0.250.210.200.200.200.210.200.04～0.060.050.030.040.040.050.03≦0.0100.0050.0070.0090.0090.0080.0090.95～1.051.041.031.031.021.031.03

表4 電極及電渣錠不同取樣位置氣體含量(×10-6)Table 4 Gas contents in various sampling positions of electrode and electroslag ingot(×10-6)

圖7 不同時刻渣系組員成分變化Figure7 The changes of slag components at the different times

從圖6可以看出，整個鋼錠表面光滑，無裂紋和渣溝。其中，字母A代表水口端，E為冒口端。表3、表4為自耗電極及電渣鋼錠不同取樣位置的化學(xué)成分、氣體含量。

從表3、表4可以看出，鋼錠氫含量平均值較原始電極增加了22%左右.在保證鋼錠鋁含量不超標的情況下，重熔過程中采用合理數(shù)量的鋁和硅鈣間隔脫氧，氧含量相對自耗電極減少了38%左右，氮含量相對原始電極降低了19%左右。由此可以看出，如果自耗電極成分控制合格，采取合適的電渣工藝參數(shù)能夠滿足12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子產(chǎn)品技術(shù)要求。

2.4.2 冶煉過程渣系變化

圖7為該渣系在整個冶煉過程中其組員成分的變化曲線。冶煉過程中每隔2 h取一次樣。slag0代表原始渣，slag1～slag5依次隔2 h取一次樣，slag6為渣帽取樣。

從圖7可以看出，原始渣、冶煉過程中的渣樣以及渣帽渣樣的各個組員成分在整個冶煉過程中變化很小，說明整個冶煉過程控制良好，證明供電參數(shù)、脫氧制度及電極埋入深度都是合理的，且氣體保護效果良好。

3 結(jié)論

(1)12%Cr材質(zhì)大型電渣重熔鋼錠冒口氧含量超標與氣體保護效果差造成Cr、Mn、V等元素?zé)龘p生成的不穩(wěn)定氧化物向熔池供氧有關(guān)。

(2)計算機模擬結(jié)果顯示，中試小錠其熔池形狀、熔池深度、二次枝晶間距合理，心部半徑250 mm內(nèi)有可能產(chǎn)生偏析。

(3)嚴格控制自耗電極成分，采用CaF2-Al2O3-CaO-MgO-SiO2五元渣系、惰性氣體保護、鋁和硅鈣間隔脫氧的重熔工藝參數(shù)制造的小錠能夠滿足產(chǎn)品技術(shù)要求。

[1] 張百忠.合金元素在12%Cr型超超臨界轉(zhuǎn)子鋼中的作用.大型鑄鍛件，2008(5):9-11.

[2] 孫奉亮，何文武，趙曉東，劉建生.12%Cr超超臨界轉(zhuǎn)子鋼的晶粒長大規(guī)律.大型鑄鍛件，2011(5):4-8.

[3] 姜周華. 電渣冶金的物理化學(xué)及傳輸現(xiàn)象[M].沈陽:東北大學(xué)出版社，2000(3):P150.

[4] 李正邦. 電渣冶金的理論與實踐[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2010(1):192.

[5] Медовар В И. Проблемы спедиальной электрометаллургии, Наукова думка. Киев,1981(5): 30-34.