陳知偉 曹征寬 王渝 李勁 龔兵

(1．寶武特冶航研科技有限公司，重慶400082；2．四川貝金達新材料有限公司，四川618407)

14Cr18Ni11Si4AlTi是一種高硅高鈦的奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼，由于具有良好的耐腐蝕性能，較高的屈服強度，良好的韌性等特點。廣泛應用于化工、石油、能源、海洋事業(yè)以及航空航天、核能、軍工等領域。目前該鋼生產中普遍存在著一個技術瓶頸問題：產品的屈服強度符合標準要求的一次合格率低，產品質量的穩(wěn)定性差。

1 技術標準要求

1.1 化學成分

14Cr18Ni11Si4AlTi的化學成分要求見表1。

表1 14Cr18Ni11Si4AlTi鋼化學成分要求(質量分數，%)Table 1 Chemical composition requirements of 14Cr18Ni11Si4AlTi steel(mass fraction,%)

1.2 力學性能

產品經固溶熱處理(固溶溫度1000～1030℃)后的力學性能見表2。

表2 固溶熱處理后的力學性能Table 2 Mechanical properties after solid solutionheat treatment

2 難點分析

GJB 2294A—2014要求14Cr18Ni11Si4AlTi的屈服強度≥440 MPa，而同類的不銹鋼屈服強度≥250 MPa，其指標高了近76%，且該鋼種標準含量規(guī)定的易氧化元素多，并且含量高，特別是活潑元素硅含量(3.7%～4.0%)太高，采用爐外精煉AOD、VOD工藝生產難度大。

從氧化物的標準生成自由能數據[1]計算，活潑元素硅含量(3.7%～4.0%)的氧化損失約為70%，吹氧過程金屬中的硅元素氧化反應釋放的熱量太高(見表3)，導致熔池溫度太高(>2000℃)，并且爐渣呈酸性，造成對堿性爐襯鋼包的侵蝕而影響鋼包的壽命，因此該鋼比較容易實現的生產工藝路線為：感應爐熔煉→電渣重熔→鍛造開坯→改鍛成材→熱處理。采用常壓中頻感應爐熔煉的鋼中氮和氧含量高，在后續(xù)的電渣重熔冶煉過程中，容易與鋼中的鈦、鋁等元素反應，引起鋼錠內部鈦、硅、鋁元素含量降低，并在鋼液內形成新的有害夾雜物。鋼錠化學成分偏差大、有害夾雜物及氣體含量高是造成鋼的屈服強度波動大，一次合格率低的主要因素。

表3 鋼中元素的氧化放熱Table 3 Oxidative exotherm of elements in steel

3 試制過程

為了降低高硅高鈦含鋁不銹鋼的氣體含量，提高鋼的冶金質量，試驗設計的冶煉工藝路線為：EAF→LFⅠ→VOD→LFⅡ→VD→ESR。試驗工藝的主要特點是，鋼中的硅元素在VOD初始合金化完成前都按殘余元素的要求進行調整控制；待VOD合金化完成后，才能在LF加硅鐵，加熱進行硅元素的最后合金化。其冶煉方法包括以下步驟：

(1)EAF：將各種金屬爐料的合金成分進行配料計算、搭配后，裝入電爐內進行加熱熔化，熔清后吹入氧氣初步脫氣、去除夾雜，按表4中EAF階段要求調整鋼液的化學成分。

(2)LF Ⅰ：還原電爐爐渣中的鉻元素，同時加入包含對應元素的合金，按表4中LF Ⅰ階段要求精確調整鋼液的化學成分，并調整鋼液的溫度符合VOD工序的要求；將鋼包吊至渣坑位，扒出全部鋼渣。

(3)VOD：在真空條件對鋼液進行吹氧脫碳，以去除鋼液中的氮、氫、氧和夾雜物，并通過鋼包底部吹氬促進鋼液循環(huán)；VOD吹氧結束后加入鋁塊、硅鐵、精選石灰、鉻鐵、鎳板和錳鐵，進行真空化渣、還原，按表4中VOD階段要求進行初始合金化，然后開蓋破真空測溫，并取樣分析鋼液的化學成分。

(4)LF Ⅱ：加硅鐵、加熱進行硅元素、鈦元素的合金化；并按表4中LF Ⅱ階段合金化要求精確調整化學成分。

(5)VD：對鋼液進行真空脫氣處理，開蓋破真空測溫，可以再對目標成分補加合金進行微調；進行吹氬處理降溫，吊包澆注成電渣母坯。

(6)ESR：對電渣母坯金屬材料重新熔化和精煉，并按順序凝固成鋼錠；生產的金屬材料純凈可以改善或消除金屬材料的發(fā)紋。電渣重熔過程中渣系的選擇對產品質量及技術經濟指標的改進至關重要，為高硅高鈦含鋁的奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼14Cr18Ni11Si4AlTi專門設計使用的渣系組成為：CaF248%～55%、CaO 18%～22%、Al2O318%～22%、MgO 3%～4%、TiO24%～5%、Fe2O3≤0.15%。

表4 冶煉過程14Cr18Ni11Si4AlTi鋼化學成分控制要求(質量分數，%)Table 4 Chemical composition control requirements of 14Cr18Ni11Si4AlTi steel during smelting process(mass fraction，%)

四元渣系具有較高的CaO，與Al2O3、SiO2結合成諸如CaO·Al2O3，2CaO·SiO2和CaO·SiO2等復雜的化合物，從而有效地降低了渣中Al2O3、SiO2的活度，有利于促進鋁、硅等易氧化元素在金屬-熔渣薄膜處與氧的反應，達到降低氧含量的目的，相關反應見式(1)、(2)。

2[Al]+3[O]=(Al2O3)

(1)

[Si]+2[O]=(SiO2)

(2)

四元渣系具有較高的CaO，能夠增加渣中CaO的活度aCaO，相比于三七渣系具有較大的硫分配比LS，促進了脫S現象。在電渣重熔脫硫過程中，主要發(fā)生的反應見式(3)。

(Ca2++O2-)+[S]=(Ca2++S2-)+[O]

(3)

因此四元渣系能夠大大地降低成品鋼中的S含量。

從生產實踐中可以看出，四元渣的夾雜物面積百分比較二元渣低，這與四元渣具有較低的氧、硫含量相符合。因此四元渣具有較低的夾雜物含量，能提高鋼的純凈度。

4 冶金質量

分別采用上述冶煉新工藝和我公司以前采用的高硅高鈦不銹鋼冶煉工藝(中頻感應爐+ESR)生產14Cr18Ni11Si4AlTi雙相不銹鋼，其中本文開發(fā)的工藝記為工藝一，以前我公司不銹鋼的冶煉工藝(中頻感應爐+ESR)記為工藝二。

工藝一和工藝二冶煉得到成品中的非金屬夾雜物分布如圖1所示，工藝一冶煉得到的產品中的夾雜物細小且均勻彌散分布，工藝二冶煉得到的產品中的夾雜物呈堆積狀態(tài)。工藝一和工藝二生產得到的14Cr18Ni11Si4AlTi雙相不銹鋼中(電渣母坯)氣體及夾雜物的含量分析對比數據見表5。

由表5可見，新工藝通過VOD及VD雙聯(lián)鋼液真空脫氣處理能大幅度降低鋼中的氣體及夾雜物含量，且相對于原工藝二，新工藝一的脫氮率≥50%、脫氫率≥35%、脫氧率≥50%、D類夾雜物去除率≥50%。

表5 氣體及夾雜物的分析對比數據Table 5 Analysis and comparison dataof gas and inclusion

對工藝一和工藝二生產得到的成品進行分析，其化學成分對比數據見表6。

表6 化學成分對比數據Table 6 Chemical composition comparison data

由表6可見，新工藝一得到的產品收得率穩(wěn)定，鋼錠頭、尾的化學成分偏析小。因此按新工藝冶煉14Cr18Ni11Si4AlTi雙相不銹鋼過程中，可以根據鋼中各合金元素對組織、性能影響程度，制定合金元素最佳配入范圍方案：Ni為強奧氏體形成元素，Cr、Si為強鐵素體形成元素，強度指標主要取決于鋼中的鐵素體相，其中屈服強度與鐵素體含量的關系尤為明顯；鋼中奧氏體形成元素(Ni)按下限配入，鐵素體形成元素(Si、Cr)按上限配入，保證合金元素的優(yōu)化設計調整的實現，從而保證鋼組織中足夠的鐵素體相量。

工藝一和工藝二冶煉得到的14Cr18Ni11Si4AlTi雙相不銹鋼(成品)的力學性能和成材率見表7。

表7 力學性能及成材率Table 7 Mechanical properties and yield

由此可見，新工藝一冶煉得到的產品力學性能符合GB/T 1220—2007或GJB 2294A—2014的要求，且相對于工藝二，新工藝一得到的14Cr18Ni11Si4AlTi雙相不銹鋼的屈服強度提高了107 MPa，抗拉強度提高了40 MPa，一次合格率增加了43.77%，達到100%。

5 結論

(1)試制工藝針對14Cr18Ni11Si4AlTi鋼種活潑元素硅含量(3.7%～4.0%)太高的特性值指標，在LF爐內最后進行Si元素合金化，避免了活潑元素Si在VOD或AOD吹氧過程中大量氧化，減輕Si元素的還原任務，降低Si的鐵損；Si元素最后在LF爐內合金化，溫度也相對比較低、時間短，酸性爐渣對堿性爐襯的侵蝕有限，不會影響耐火材料的壽命。

(2)本次試制針對高硅高鈦不銹鋼14Cr18Ni11Si4AlTi的鋼種特性，靈活運用了多聯(lián)多種鋼液爐外精煉、真空脫氣手段，有較強的鋼液精煉能力，提高了產品的冶金質量，力學性能取樣檢測一次合格率達到100%，最終產品各項指標符合標準要求，保障了用戶急需材料的供應。

(3)多種多聯(lián)鋼液爐外精煉手段的應用，也降低了生產成本，節(jié)約了能源，提高了整體的生產效率，具有顯著的經濟效益。