鄧 琴 李洪波 謝云飛 鞠慶紅 稅遠(yuǎn)強(qiáng) 李 笑 曾 杰 楊先芝

(二重集團(tuán)(德陽(yáng))重型裝備股份有限公司鑄鍛公司，四川618000)

近年來，隨著水電建設(shè)的不斷發(fā)展，一方面水電鑄件的超大型化明顯，其水輪機(jī)主要不銹鋼部件——上冠、下環(huán)的單件鋼水量已達(dá)到300 t級(jí)，超大型化的不銹鋼鑄件對(duì)重型機(jī)械制造企業(yè)的冶煉能力提出了更高的要求；另一方面，對(duì)上冠、下環(huán)等主要鑄件的要求也越來越嚴(yán)格。目前國(guó)內(nèi)大型及超大型水電不銹鋼鑄件上冠、下環(huán)基本采用Cr13型的材質(zhì)，標(biāo)準(zhǔn)中的化學(xué)成分均要求超低碳、低釩和低氣體含量，對(duì)鑄件的化學(xué)成分、純凈度等要求極其嚴(yán)格，因此也就對(duì)制造企業(yè)在冶煉過程中的化學(xué)成分控制、鋼水純凈度控制等環(huán)節(jié)提出了更高的要求。

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備條件，生產(chǎn)超大型C≤0.04%的Cr13型水電不銹鋼鑄件，我廠煉鋼工序采取VOD工藝流程，在一定的真空條件下實(shí)現(xiàn)“脫碳保鉻”的目的，使鋼中的C達(dá)到≤0.04%的要求。受冶煉爐臺(tái)能力的制約，煉鋼需要雙包VOD冶煉合澆300 t級(jí)的超低碳水電不銹鋼鑄件。由于涉及到雙包VOD生產(chǎn)的環(huán)節(jié)、影響因素，存在問題相較于單包VOD冶煉也更多，特別是VOD后保碳、控氮、鋼液純凈度、設(shè)備承受能力及安全等一系列問題，生產(chǎn)超大型超低碳水電不銹鋼鑄件難度非常大。

1 材料化學(xué)成分要求

我廠為某企業(yè)生產(chǎn)的大型上冠、下環(huán)鑄件產(chǎn)品，其化學(xué)成分要求見表1，殘余有害元素和氣體元素控制要求與其他同材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)比較見表2。

從表1和表2可以看出，該企業(yè)產(chǎn)品與其他相同或類似材質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)要求相比，殘余有害元素P、S、V和氣體元素H、O、N要求嚴(yán)格，尤其是S、V、O、N元素。同時(shí)該企業(yè)產(chǎn)品力學(xué)性能要求高，無損檢測(cè)要求嚴(yán)，因此對(duì)鋼水純凈度也提出了更高的要求。

表1 某企業(yè)上冠、下環(huán)鑄件產(chǎn)品熔煉及成品化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Smelting of crown and band castings and chemical compositionrequirement of final product of one enterprise (Mass,%)

表2 殘余有害元素和氣體元素控制要求對(duì)比(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Control requirement comparison between residual harmful elements and gas elements (Mass,%)

2 難點(diǎn)分析

2.1 化學(xué)成分

2.1.1 元素C

VOD過程中，C含量往往已經(jīng)降到0.030%以下的極低程度，但下一步的真空處理過程中常出現(xiàn)C含量意外增加的現(xiàn)象，極易導(dǎo)致鋼中C含量超出標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)先VOD包次在等后包次VOD過程中也容易出現(xiàn)增C現(xiàn)象，所以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的C≤0.04%非常困難。

2.1.2 元素V

該企業(yè)產(chǎn)品熔煉及成品均要求V≤0.05%，沒有成品分析偏差，在同類產(chǎn)品中要求比較嚴(yán)格。Cr13型不銹鋼冶煉時(shí)需要加入大量的鉻鐵合金，而普通鉻鐵合金中含V均較高，使用普通鉻鐵生產(chǎn)V≤0.05%的Cr13型不銹鋼很難達(dá)到，而搭配部分金屬鉻的生產(chǎn)成本又太高。

2.1.3 元素O

由于VOD過程的特殊性，鋼液在VOD結(jié)束后的一段時(shí)間內(nèi)鋼液內(nèi)的氧是過飽和的，因此也就導(dǎo)致了后續(xù)精煉過程中鋼液的脫氧任務(wù)很重，要保證滿足標(biāo)準(zhǔn)中O含量的要求困難較大。

2.1.4 元素N

因?yàn)镹易與Cr等元素結(jié)合生成氮化物，特別是在Cr含量達(dá)12.3%以上的鋼種中，根據(jù)公式計(jì)算，N的飽和溶解度可達(dá)0.086%，而標(biāo)準(zhǔn)中要求N≤0.0150%，同時(shí)由于僅有一臺(tái)VOD設(shè)備，先VOD包次在等待后包次VOD的長(zhǎng)時(shí)間過程中也容易出現(xiàn)增氮現(xiàn)象。因此，如何減少鋼中N含量并滿足標(biāo)準(zhǔn)要求有較大的難度。

2.2 鋼液純凈度控制難

煉鋼廠僅有一臺(tái)大型VOD冶煉設(shè)備，不能同時(shí)進(jìn)行VOD生產(chǎn)，需要一爐鋼水VOD操作后，再進(jìn)行另一爐鋼水VOD操作。這就存在先VOD冶煉完成后的鋼水在等待下一包鋼水VOD冶煉的過程中，鋼液容易吸氣及氧化程度加深，這增加了對(duì)鋼液純凈度的控制難度。

3 工藝技術(shù)分析

3.1 工藝流程

工藝流程為：EF→LF(S)→LF1(VOD)+ LF2(VOD)→合澆鑄件。

3.2 優(yōu)選原輔材料

使用成分明確的廢鋼和低碳、低釩、低雜質(zhì)的鐵合金，盡量減少P、S、Cu、W、V等有害元素和殘余元素的帶入量，同時(shí)精選造渣材料等。

3.3 電爐冶煉低磷粗水

電爐備料考慮一定的配碳量，使粗水在氧化脫碳過程中有一定的脫碳量，確保熔池有合適的沸騰改善傳質(zhì)和傳熱條件，但又不至于配碳過高，使得脫碳負(fù)擔(dān)加重。

通過強(qiáng)氧化、大渣量、換渣等手段冶煉出P≤0.003%的鋼水，以保證鋼包爐精煉后的成品鋼液中P含量達(dá)到最低水平。

3.4 鋼包爐造渣

在鋼包爐整個(gè)冶煉過程中造渣操作極其重要，因此根據(jù)不同的冶煉時(shí)期造不同的渣，如VOD結(jié)束后，除加入脫氧劑外，還需要加入石灰。因?yàn)槭业募尤雽?duì)VOD后的精煉至關(guān)重要，是提升鋼液純凈度的重要保證，鋼液中加入的石灰形成熔渣后，是吸收脫氧產(chǎn)物的必要載體，也是阻隔鋼液再次吸氣的屏障。

3.5 鋼包爐化學(xué)成分控制

綜合考慮VOD過程中溫度升高、后期合金加入量、自由空間限制等因素，精煉合金化過程中主要控制C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo元素，合金元素調(diào)整到位后盡量做到VOD后不調(diào)整Cr、Ni、Mo含量。

3.5.1 控制元素C

3.5.1.1 分析增碳原因

根據(jù)2009～2014年煉鋼車間VOD生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對(duì)VOD過程后增碳量進(jìn)行了分析，其具體分布圖見圖1。

圖1 VOD過程后增碳量分布圖Figure 1 Carbon increased distribution map after VOD process

煉鋼采用VOD工藝流程在完成真空吹氧降碳工序后要加入脫氧劑和石灰，以還原渣中的鉻并促進(jìn)液態(tài)渣的形成。在加入脫氧劑和石灰后常常出現(xiàn)C含量意外增加0.005%～0.025%的現(xiàn)象。從圖1可以看出，C含量增加的比例達(dá)50%，最大增碳量0.039%，其中增碳量在0～0.01%最多，比例達(dá)到30%，這極易導(dǎo)致鋼中C含量超出內(nèi)控范圍或標(biāo)準(zhǔn)要求。

通過分析認(rèn)為，脫氧劑幾乎不影響鋼液中的C含量，不是增碳的主要影響因素，而石灰質(zhì)量對(duì)增碳的影響最大，是增碳的主要原因。

3.5.1.2 控制C≤0.04%的措施

對(duì)2009～2014年VOD冶煉不銹鋼情況及VOD過程異常增碳原因分析后，認(rèn)為在現(xiàn)有的設(shè)備和工藝流程條件下，生產(chǎn)C≤0.04%的低碳Cr13型不銹鋼，要從增強(qiáng)反應(yīng)條件和減少VOD后增碳量這兩方面入手。采取的措施如在鋼包爐熔渣精煉過程中，整個(gè)冶煉操作過程中控制氬氣流量，強(qiáng)化攪拌，提高碳氧反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)條件，精選燒透的石灰等。

在真空吹氧過程需密切關(guān)注真空度、氧濃差電勢(shì)、廢氣溫度等參數(shù)調(diào)整及變化情況，并在氧濃差電勢(shì)處于谷底水平一定時(shí)間后，再綜合參考吹氧時(shí)間、真空度等因素的變化情況后再停氧，確保真空吹氧將碳脫到工藝要求，又不致使鋼液過度氧化。同時(shí)VOD后鋼液的C含量較低，還需要采取措施防止異常增碳。

3.5.2 控制V元素

3.5.2.1 分析V的來源

根據(jù)多年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，無論采用哪種廢鋼作為原材料，經(jīng)電爐氧化冶煉的粗水V含量均在0.01%以下。而在鋼包爐冶煉碳(錳)鋼、低Cr合金鋼或其他不含V的鋼種時(shí)，熔煉分析V含量均≤0.01%。在生產(chǎn)不銹鋼時(shí)，隨著鐵合金的加入(除鉻鐵合金外)，V含量增加不明顯，而一旦加入鉻鐵合金時(shí)，鋼水V含量明顯增加。因此，可以判斷鋼水V含量主要來源于鉻鐵合金。

3.5.2.2 控制V≤0.05%的措施

V作為殘余元素在冶煉過程不可能有意添加釩，帶入的釩均以鉻鐵為主的鐵合金帶入，這極大地增大了生產(chǎn)難度和生產(chǎn)成本。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中并未對(duì)鉻鐵合金中的V元素做要求，常規(guī)的鉻鐵合金中的V含量通常比較高，在冶煉過程中往往加入一部分鉻鐵后，需加入金屬鉻，才能保證V≤0.05%的要求，這使得生產(chǎn)成本大大增加。因此需采購(gòu)合適的鉻鐵，既能滿足Cr13型水電不銹鋼中V≤0.05%的要求，又能大大節(jié)省生產(chǎn)成本。

3.5.3 控制O元素

鋼液的O含量過高，鋼液凝固過程中會(huì)與碳反應(yīng)生產(chǎn)CO氣體，造成鑄件出現(xiàn)氣孔。另外，氧與鋼中易氧化元素反應(yīng)產(chǎn)生的氧化物，若殘留鋼中，會(huì)形成非金屬夾雜物。一般來說，氧在鋼液中的含量高低可表征鋼液純凈的好壞，氧在成品鋼中過多的存在是鋼液冶金質(zhì)量較差的表現(xiàn)。因此，如何保證鋼液的低氧含量并滿足標(biāo)準(zhǔn)要求是冶煉過程控制的重要目標(biāo)。

VOD結(jié)束后，鋼液中存在大量的氧，需要進(jìn)行充分脫除，此時(shí)必須采取沉淀脫氧與擴(kuò)散脫氧的綜合手段，才能取得較好的脫氧效果。

3.5.4 控制N元素

鋼液中的N會(huì)與鋼中的Cr、V、Nb等元素形成氮化物，在不銹鋼中，由于Cr含量較高，氮化物的形成在所難免，一般來說，在馬氏體不銹鋼中，一定數(shù)量的氮化物因熔點(diǎn)高、尺寸小，可成為結(jié)晶的核心，細(xì)化晶粒，形成氮化物細(xì)晶強(qiáng)化效果，對(duì)提高鋼的塑性、韌性有幫助，但若氮化物數(shù)量過多，會(huì)造成強(qiáng)度偏高、補(bǔ)焊區(qū)硬度偏高及產(chǎn)生時(shí)效脆性等問題。

VOD的主要作用是降碳保鉻，其次是可借助吹氧脫碳反應(yīng)過程創(chuàng)造的條件降低鋼中N含量。在吹氧過程中，碳氧反應(yīng)形成的CO氣泡相當(dāng)于小真空室，在吸附擴(kuò)散過來的氮?dú)庵?，氣泡上浮并逸出到真空系統(tǒng)中，從而使N含量降低。另外，碳氧反應(yīng)的進(jìn)行使得熔池的攪拌狀況良好，也促進(jìn)了N的擴(kuò)散，使VOD后鋼液的N含量達(dá)到較低水平。同時(shí)還需要采取措施防止異常增氮。

3.6 終脫氧

為使鋼液中的氧進(jìn)一步降低和減少澆注過程中的二次氧化程度，具備出鋼條件后，需要對(duì)鋼液進(jìn)行終脫氧。利用強(qiáng)脫氧劑中與氧親和力強(qiáng)的元素和氧的結(jié)合并排除來達(dá)到脫氧目的。

表3 成品化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Analysis result of chemical composition of final product (Mass,%)

4 生產(chǎn)結(jié)果

部分超大型ZG04Cr13Ni4Mo鑄件不銹鋼產(chǎn)品的成品取樣分析結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出：(1)所有元素的成品分析值均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。(2)C含量均≤0.030%，說明控碳措施是正確的。(3)有害元素P≤0.010%、S≤0.005%，殘余元素V≤0.04%、Cu≤0.04%，說明優(yōu)選原輔材料的措施是有效的。(4)成品氣體含量均在要求范圍內(nèi)，除324+212爐號(hào)中O含量偏高外，其余爐號(hào)O≤60×10-6，說明鋼液脫氧效果、純凈度良好。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)二重在一臺(tái)VOD爐冶煉雙包VOD的條件下，批量生產(chǎn)的C≤0.04%、V≤0.05%的超大型Cr13型水電不銹鋼鑄件，其產(chǎn)品化學(xué)成分均很好地滿足了標(biāo)準(zhǔn)要求。其中殘余有害元素P、S、Cu、W、V均控制在較低的水平，說明二重在生產(chǎn)Cr13型不銹鋼水電鑄件時(shí)對(duì)殘余有害元素的控制方面所采取的措施非常有效。同時(shí)，氣體含量控制較低，說明了鋼液脫氧、脫氣效果好，鋼液的純凈度好。

(2)二重生產(chǎn)的C≤0.04%、V≤0.05%的超大型Cr13型水電不銹鋼鑄件，其成品C含量基本控制在≤0.030%，因此可以考慮拓展標(biāo)準(zhǔn)要求C≤0.03%的超超低碳Cr13型水電不銹鋼鑄件產(chǎn)品的市場(chǎng)。

[1] 黃希祜. 鋼鐵冶金原理[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1980.

[2] 馬平，王濤，謝云飛，等. 用低碳鎂碳磚鋼包冶煉低碳不銹鋼生產(chǎn)實(shí)踐[J]. 大型鑄鍛件 2014(1)：48-50.

[3] 鄧琴，王濤，邱斌，等. 620℃超超臨界含B耐熱鋼大型鑄件冶煉技術(shù)研究[J]. 大型鑄鍛件 2014(2)：26-28.