羅玉立 曾杰 路正平 王剛 金楊 李連龍 葉成立 李亞寧 謝劍鋒 陳庚

(二重(德陽)重型裝備有限公司,四川 德陽 618000)

我國是全球第一大電力生產(chǎn)國和消費國,從電力構(gòu)成上看,我國仍以火電為主,其發(fā)電比例高達70%左右,且這一狀況在短期內(nèi)難以改變。在碳減排的大環(huán)境下,如何提高火電機組的發(fā)電效率,降低碳排放成為火電機組長效發(fā)展必須解決的問題。從國內(nèi)外電力開發(fā)的現(xiàn)狀分析,在火電機組應(yīng)用和發(fā)展超(超)臨界技術(shù)方面,提高其發(fā)電效率是一個重要的、行之有效的措施和必然趨勢。

13Cr9Mo2Co1NiVNbNB(FB2)鋼就是制造620℃超超臨界轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵材料,是超超臨界機組的核心部件,由于其服役于高溫、高壓的蒸汽環(huán)境,要求FB2轉(zhuǎn)子鋼具有較高的長時蠕變強度和良好的抗氧化性。一直以來,FB2轉(zhuǎn)子長期依賴進口,FB2鋼錠的制造成為了制約超(超)臨界轉(zhuǎn)子國產(chǎn)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為此,二重裝備公司多年來一直致力于FB2鋼的冶煉制造技術(shù)研究,并從材料特性、工藝特性等出發(fā),進行了系統(tǒng)的研究,最終成功開發(fā)出百噸級FB2大型電渣鋼錠,并成功用于了轉(zhuǎn)子的制造。

本文從FB2鋼的技術(shù)背景、電極制造控制、電渣重熔控制等方面進行了介紹與回顧,并對鋼錠質(zhì)量進行了回歸性評價,系統(tǒng)地反映了鋼錠的關(guān)鍵元素和純凈度的控制水平和制造難點。

1 FB2鋼的技術(shù)背景及路線

FB2鋼源于歐洲,是在10%Cr材料的基礎(chǔ)上進行了改良,成分設(shè)計方面添加了Co、B以及去掉了W,大量研究[1-4]表明,微量的B元素在該鋼種中起著非常明顯的作用,B元素主要固溶在M23C6中,起到阻礙碳化物長大的作用。添加的Co用以改善鋼的高溫性能和抗氧化性,增加耐蝕能力,同時還添加了B、Nb等元素,起到強化作用并抑制鐵素體晶核的形成?？傊?通過成分設(shè)計優(yōu)化進而析出MX和M23C6進行強化,同時結(jié)合固溶強化提高轉(zhuǎn)子的高溫蠕變性能。

1.1 化學(xué)成分

關(guān)于FB2鋼的化學(xué)成分多篇文獻均有報道,其中文獻[5-7]對FB2鋼的化學(xué)成分中每個元素僅進行了點的描述,文獻[8-10]對FB2鋼的化學(xué)成分給出了確切范圍,綜合文獻[8-10],FB2的化學(xué)成分見表1。

從表1可看出,FB2鋼為了獲得穩(wěn)定的力學(xué)性能,在每個元素具體成分設(shè)計上,給定的控制范圍非常窄,尤其是易氧化元素B;另外該鋼種還具有火電轉(zhuǎn)子鋼的低Si(≤0.010%)、低Al(≤0.010%)、低O(≤0.0035%)的特征。

表1 13Cr9Mo2Co1NiVNbNB化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical composition of 13Cr9Mo2Co1NiVNbNB(mass fraction,%)

1.2 技術(shù)難點與路線

國外主要采用電渣重熔進行生產(chǎn)FB2鋼錠,但微量B元素的添加極大地增加了冶煉難度,文獻[11]中詳盡的描述了B元素的冶煉難題。本文擬采用電爐→鋼包精煉爐→澆注→電極→電渣重熔的工藝路線生產(chǎn)百噸級FB2鋼錠,其制造中的難點如下:

(1)低氧含量控制難度大

低Si、低Al鋼,不止?fàn)t前脫氧難度大,而且由于平衡氧的元素含量非常低,該類鋼種非常容易吸氧,特別對于單重達到30 t以上的大氣下注電極坯,澆注時間長,受環(huán)境因素影響大,吸氣明顯,其吸氧、增氧幅度比普通Si脫氧鋼大10倍以上。

(2)電渣重熔過程脫氧難度大

在以往的試驗中出現(xiàn)問題最多的是電渣鋼錠O含量高,B燒損嚴(yán)重;沒有很好地掌握脫氧劑用量與Si、Al之間的平衡關(guān)系,容易出現(xiàn)脫氧良好而Si、Al高,或者出現(xiàn)O高而Si、Al低的問題,都會導(dǎo)致化學(xué)成分不合格。

(3)B的穩(wěn)定控制難度大

B元素不僅容易氧化,而且B在鋼渣中還存在一定的平衡關(guān)系,如何在整個冶煉工序?qū)崿F(xiàn)B的準(zhǔn)確控制,關(guān)系到FB2化學(xué)成分穩(wěn)定控制,成為FB2鋼錠成功制造的關(guān)鍵影響因素。

2 電極的制造

電極制造采用電爐→鋼包精煉爐→澆注→電極,基于流程特點和鋼種特性,主要從以下幾個方面進行電極制造的難點控制。

2.1 殘余元素的控制

從表1可以看出本鋼種殘余及有害元素(As、Sn、Sb、P、S)含量低,特別是P(≤0.010%)、Sb(≤0.0015%)要求嚴(yán)格,基本達到該高合金鋼的極限控制水平。如何利用已有的資源低成本地生產(chǎn)出符合要求的鋼液是生產(chǎn)中需要解決的一個重要難題。

(1)As、Sn、Sb的控制

這三種有害元素?zé)o論是電爐煉鋼還是鋼包爐煉鋼,基本都不能去除,為此只能通過控制鋼鐵料品位,從源頭上控制這些殘余元素的帶入量。

(2)P的控制

基于前述采用的電爐+鋼包爐鋼包精煉電極工藝路線,P主要受鋼包精煉爐鋼水中P含量水平?jīng)Q定,其主要來源于電爐粗水中的P和合金中的P。同時為了降低生產(chǎn)成本,鋼包爐上的合金化擬采用普通的低碳鉻鐵和普通鉬鐵,合金加入量達到18%左右,而這兩類合金中都含有P元素,導(dǎo)致合金化過程會大幅增加鋼液中的P含量。為了確保成品P滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,又可以使用性價比高的合金,就必須將電爐鋼液中的P脫除至很低水平。

電爐冶煉時,在氧化性渣條件下,去磷反應(yīng)是在鋼渣相界面上進行的,反應(yīng)[12]如下:

2[P]+8(FeO)=(3FeO·P2O5)+5[Fe]

(1)

為了有效去P,應(yīng)讓渣中的P在上述溫度條件下以更穩(wěn)定的化合物的形態(tài)存在。更穩(wěn)定的化合物是3CaO·P2O5或4CaO·P2O5。當(dāng)熔渣具有高堿度、含有大量游離CaO時,將發(fā)生如下置換反應(yīng)[12]:

2[P]+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+5[Fe]

(2)

反應(yīng)式(2)的平衡常數(shù)[12]則為:

(3)

式中a4CaO·P2O5、aFeO、aCaO分別為渣中4CaO·P2O5、FeO、CaO的活度值(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)。w[P]為鋼中P的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)。T為反應(yīng)溫度(K)。

從式3中可以看出:單從熱力學(xué)的角度來考慮,去P的基本條件是高w(FeO)、高w(CaO)、合適的渣量和低溫。

但在重機行業(yè)的電爐煉鋼中,爐料來源是塊料或屑料,其熔化溫度基本都達到了脫P反應(yīng)的溫度,待爐料完全熔化,鋼液溫度已經(jīng)超過最佳脫P溫度,也就錯過了最佳脫P時期。通過流渣、換渣操作,降低渣中脫P產(chǎn)物的濃度,從而促使反應(yīng)式(2)正向進行。最終通過大渣量、高堿度、強氧化性爐渣,將鋼液中P含量降低到0.0015%以下,為后續(xù)LF精煉合金化創(chuàng)造良好的冶煉條件。出鋼過程中,采用卡渣工藝,嚴(yán)格杜絕電爐的氧化性爐渣進入到LF,避免回P現(xiàn)象的發(fā)生。

同時各類鐵合金中也含有一定量的殘余元素,影響這些元素的最終含量。如鉻鐵、鉬鐵等鐵合金中普遍含有一定量的P,在合金化過程中鋼液中的P會隨鉻鐵、鉬鐵的加入而增加。為了保證最終化學(xué)成分合格,在鐵合金選用上必須進行嚴(yán)格把控,否則易出現(xiàn)因為合金化導(dǎo)致的殘余元素超標(biāo)。

2.2 LF爐脫氧控制

在電爐冶煉環(huán)節(jié)為了滿足后續(xù)低成本生產(chǎn)及合金化需求,電爐粗水往往具有超低碳、超飽和氧的特點。鋼液中的氧含量達到過飽和狀態(tài),具有非常強的氧化性。而LF爐的主要任務(wù)則是脫氧、脫硫、合金化,實現(xiàn)窄成分的精確控制,同時將O含量控制在較低水平。脫氧則是保證B、Nb收得率的關(guān)鍵因素所在,也是鋼液純凈度的重要評價指標(biāo)。

鋼水中常用脫氧劑[Al]、[Ti]、[Si]、[B]與[O]反應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)見表2[13]。從圖1可以看出,在1600℃時,易氧化性順序Al>Ti>B>Si,其中B和Si的性質(zhì)相似。

表2 [Al]、[Ti]、[Si]、[B]與[O]反應(yīng)的熱力學(xué)數(shù)據(jù)Table 2 Thermodynamic data of the reactionsbetween [Al],[Ti],[Si],[B] and [O]

圖1 [Al]、[Ti]、[Si]、[B]與[O]反應(yīng)的ΔGFigure 1 The ΔG of [Al],[Ti],[Si],[B] reacted with [O]

液態(tài)時易氧化元素的氧化順序為Al>Ti>B>Si。而在本鋼種冶煉過程中不允許添加Al和Ti,只能用Si質(zhì)等材料進行脫氧。實際生產(chǎn)中由于Si含量也較低,Si質(zhì)材料脫氧劑用量也受限,否則容易出現(xiàn)Si超標(biāo)的問題。同時為了實現(xiàn)低成本生產(chǎn),采用普通低碳鉻鐵進行鉻的合金化,鉻鐵中Cr∶Si比基本在60∶1,即加入9.30%的Cr就會帶入0.155%的Si,也就是說加入鉻鐵帶入的Si含量已經(jīng)遠(yuǎn)大于鋼液中允許的Si含量。為此鋼包精煉爐脫氧操作、合金化操作細(xì)節(jié)控制成為低成本冶煉的關(guān)鍵所在。

(1)Si的控制

電爐鋼液進入鋼包爐后,進行沉淀脫氧、造渣、擴散脫氧及合金化,在整個過程中觀察爐渣的變化(見圖2),并對關(guān)鍵時間節(jié)點進行取樣,分析爐渣堿度及鋼液中的氧含量、Si含量(見表3)。

圖2 FB2鋼冶煉過程中爐渣顏色變化趨勢Figure 2 Change trend of slag color in FB2 steel smelting process

表3 鋼液中的Si、O含量和爐渣堿度RTable 3 Content of Si and O in liquid steeland basicity R of slag

從圖2可以看出隨著冶煉的進行,爐渣顏色由深逐漸變淺,說明脫氧效果越來越明顯,從表3的數(shù)據(jù)也印證了這一點,隨著冶煉的進行鋼中氧含量越來越低,爐渣堿度也越來越低。說明合金化過程中,鉻鐵里的Si大部分與鋼液中的氧發(fā)生反應(yīng)生成了SiO2進入到了爐渣中起到了脫氧作用,少量起到了合金化作用。

(2)B的合金化

B收得率的高低直接與鋼液中的氧含量成反比,即氧含量越低,B的收得率越高。因此鋼包爐鋼水脫氧良好后,再按照一定的收得率加入硼鐵進行B的合金化,本試驗中B的收得率達到了75%以上,其合金化后成分見表4。

表4 FB2電極部分元素成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 4 Partial elements of FB2 electrode(mass fraction,%)

從表4電極坯實際成分可以看出,B元素控制滿足了成分要求,同時殘余元素的控制完全達到了成分要求。

表5 鐵液中各元素單位質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低純鐵凝固點的值(℃/%)Table 5 Solidification point value of pure iron reduced by unit mass fraction of each elements in liquid iron

2.3 澆注過程控制

FB2的液相線按照式(4)[12]以及表5[12]中相關(guān)參數(shù)進行計算,其液相線為1503℃?？紤]到鋼水運輸過程的溫降以及澆注過熱度,出鋼溫度設(shè)計為TL+(50～90℃)。

(4)

式中TL為液相線溫度(℃);1538為純鐵的熔點(℃);ΔTi為鐵液中各元素單位質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低純鐵凝固點的值(℃/%);w[i]為鋼中元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)。

在澆注環(huán)節(jié),針對本鋼種易氧化特性,進行惰性氣氛全保護澆注,實現(xiàn)澆注鋼流與大氣的全隔絕,同時通過嚴(yán)格控制保護渣的加入量及加入方式,有效避免了二次氧化,降低了澆注過程二次氧化程度,氧含量變化情況見表6。

表6 澆注過程氧含量變化情況Table 6 Changes of oxygen content in pouring process

2.4 討論

通過生產(chǎn)實踐證明,采用普通低碳鉻鐵、鉬鐵進行Cr、Mo的合金化,P等殘余元素的增幅可控,且能滿足表1中成分要求;同時驗證了普通低碳鉻鐵進行合金化,合金中的Si分流成為脫氧劑和合金化元素,控制了鋼液增Si的問題;最后通過不同的澆注方式,驗證了VCD不銹鋼的二次氧化程度,本鋼種易氧化,必須采用保護澆注。

3 電渣重熔過程B的控制

澆注制備的電極經(jīng)過清理后,繼續(xù)在電渣爐進行電渣重熔,電渣重熔控制主要在于以下幾個方面:

(1)設(shè)備選擇

如圖3,采用我公司125 t大型保護氣氛電渣爐進行生產(chǎn),該電渣爐具有“單相穩(wěn)定、氣體保護、熔速精準(zhǔn)、智能控制、短網(wǎng)優(yōu)秀、錠型自由”等特點。

(2)渣系選擇

電渣重熔三元基礎(chǔ)渣系為CaF2-CaO-Al2O3,但對于FB2鋼而言,往往需要采用多元渣系進行重熔控制。因為其在電渣重熔過程中,Al、Si、B元素不僅要參與氧化還原反應(yīng),同時還存在鋼渣平衡的問題。其三者之間存在如下渣金反應(yīng)[14]:

3[Si]+2(Al2O3)=3(SiO2)+4[Al]

(5)

4[B]+3(SiO2)=2(B2O3)+3[Si]

(6)

2[B]+(Al2O3)=2[Al]+(B2O3)

(7)

圖3 125t大型保護氣氛電渣爐Figure 3 125 t large protective atmosphere electroslag furnace

當(dāng)上述各反應(yīng)中各物質(zhì)活度以及溫度滿足反應(yīng)條件后,相應(yīng)的存在降Si增Al、降B增Si、降B增Al的風(fēng)險,無論發(fā)生以上三個反應(yīng)中的哪一種,都會造成窄成分Al、Si、B元素的成分變化,變化嚴(yán)重的會帶來元素成分超標(biāo)。因此本文在CaF2-CaO-Al2O3傳統(tǒng)電渣渣系的基礎(chǔ)上,考慮窄成分元素渣金反應(yīng)的變化,并依據(jù)自身的工況條件,添加了SiO2、B2O3等組元形成多元渣系。多元渣系的選擇和設(shè)計是FB2鋼電渣重熔過程確保化學(xué)成分合格的關(guān)鍵。

(3)鋼錠生產(chǎn)

采用CaF2-CaO-Al2O3-xSiO2-yB2O3等的多元渣系在保護氣氛(O≤200×10-6)的電渣爐進行了FB2鋼的電渣重熔生產(chǎn),通過合適的熔速和電制度控制,成功制造了百噸級電渣鋼錠(見圖4)。

4 質(zhì)量評價

鋼錠通過鍛造后被鍛為?1000 mm×15 000 mm的鍛坯,為了驗證鋼錠內(nèi)部質(zhì)量和化學(xué)成分的控制效果,對鍛坯進行了細(xì)致的取樣分析(見圖5),圖中陰影部分為取樣位置。同時根據(jù)鍛造工藝參數(shù),將鍛坯的取樣位置回歸到鋼錠中,得到相應(yīng)鋼錠位置的試樣結(jié)果。

4.1 鋼錠中B、Si、Al成分的分布

(1)B元素含量沿鋼錠軸線高度的分布趨勢如圖6所示。

由圖6可看出,鋼錠下端B含量低,上端B含量高,下端表面500 mm左右B含量基本合格,芯部略高,在300 mm左右合格。B含量在鋼錠橫截面上分布有一定不均,B含量在鋼錠橫截面上主要呈現(xiàn)為由外向內(nèi)的增高趨勢。

(2)Si、Al元素含量沿鋼錠軸線分布趨勢如圖7所示。

圖4 百噸級FB2電渣鋼錠Figure 4 100-ton class FB2 electroslag ingot

圖5 鍛坯的取試位置示意圖Figure 5 Schematic diagram of test location of forging stock

圖6 B元素沿鋼錠高度的分布Figure 6 Distribution of element B along the steel ingot height

圖7 Al、Si元素沿鋼錠高度的分布Figure 7 Distribution of Al and Si elements along the steel ingot height

對比表3和圖7數(shù)據(jù)可以看出,在FB2電渣重熔過程中Si、Al含量都有不同程度增加,但是均處于表1中要求值的合格范圍。說明采用的多元渣系適用于FB2轉(zhuǎn)子的電渣重熔,其穩(wěn)定性和可靠性良好。

4.2 純凈度

在鍛件上隨機挑選位置,進行夾雜物評級分析,其取試分析結(jié)果見表7。

由表7可看出,夾雜物評級結(jié)果良好,均能滿足產(chǎn)品要求。

表7 夾雜物評級Table 7 Inclusion rating

4.3 UT檢測和性能

鋼錠經(jīng)后續(xù)鍛造、熱處理后進行檢驗,其UT檢測、力學(xué)性能均合格,滿足技術(shù)要求,成功應(yīng)用于轉(zhuǎn)子等鍛件的制造。

5 結(jié)語

本支百噸級FB2鋼錠從冶煉難點出發(fā),通過控制原輔材料品位、電爐深脫P、合理控制鋼包爐脫氧參數(shù)等措施,克服了殘余元素超標(biāo)的問題,掌握了超低殘余元素的控制方法,且易氧化元素收得率穩(wěn)定;通過保護澆注有效解決了澆注過程的二次氧化問題;在電渣重熔過程通過采用CaF2-CaO-Al2O3-xSiO2-yB2O3等多元渣系,成功解決了Si、Al、B與渣系之間的平衡問題,保證了Si、Al、B元素窄成分的合格可控。從質(zhì)量評價結(jié)果看,化學(xué)成分及夾雜物評級等各項指標(biāo)達到了標(biāo)準(zhǔn)要求,生產(chǎn)出了合格的鍛件,成功地解決了FB2鋼錠的制造技術(shù)難題。