邱 斌 馬 平 李 林 李 笑 廖 凱

(中國第二重型機械集團公司鑄鍛公司，四川618000)

30Cr2Ni4MoV超純凈鋼冶煉技術研究

邱 斌 馬 平 李 林 李 笑 廖 凱

(中國第二重型機械集團公司鑄鍛公司，四川618000)

介紹了生產(chǎn)30Cr2Ni4MoV超純凈鋼的冶煉技術。結(jié)果表明，產(chǎn)品Mn、Si、P、S、As、Sn、Sb等雜質(zhì)元素含量控制得當，夾雜物評級結(jié)果優(yōu)良，J系數(shù)控制穩(wěn)定，產(chǎn)品最終滿足技術要求。

30Cr2Ni4MoV；超純凈鋼；冶煉技術

2013年，國務院發(fā)布了《國家重大科技基礎設施建設中長期規(guī)劃(2012～2030)》，其中潔凈高效燃氣輪機實驗裝置被列為“十二五”期間啟動的項目，這表明國家對燃氣輪機基礎研究的高度重視。2014年3月6日，四川省燃氣輪機產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在德陽成立，由二重等22家單位共同組成，二重負責30Cr2Ni4MoV超純凈材料的研究，用于該項目的葉輪、輪盤、轉(zhuǎn)子等部件的制造。從2014年開始至今，二重已經(jīng)成功制造出燃機葉輪、燃機輪盤、燃機轉(zhuǎn)子等，這給我國燃氣輪機用超純凈鍛件的制造積累了寶貴的技術經(jīng)驗。

1 超純凈鋼化學成分及主要指標要求

超純凈鋼殘余有害元素熔煉要求見表1。力學性能要求見表2。

從表1、表2看，標準化學成分對鋼液中的殘余有害元素要求非常嚴格，特別是Mn、Si、P、Sn、Sb和J系數(shù)，如果鋼液中殘余有害雜質(zhì)元素及非金屬夾雜物含量過高，則很難達到該產(chǎn)品各方面的性能要求。由于超純凈鋼產(chǎn)品要求超純凈、高壽命，對金屬內(nèi)部缺陷控制和力學性能要求極為嚴格，加上該鋼微觀組織復雜，極易形成混晶和粗晶，相變應力大，極易開裂，制造風險相當大。因此，在整個煉鋼工序過程控制中，必須嚴格控制殘余有害元素的含量，并盡可能降低鋼液中的氣體含量和非金屬夾雜物含量，以提高鋼液的純凈度。

表1 超純凈鋼殘余有害元素熔煉要求(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 The smelting requirements of residual impurity elements of ultra-high clean steel (mass fraction, %)

表2 力學性能要求Table 2 The requirements of mechanical property

2 冶煉技術難點分析

(1)標準要求熔煉分析Si≤0.03%、Mn≤0.05%、Al≤0.008%。所以在冶煉過程中沒有很好的脫氧元素能夠在保證前述三者化學元素熔煉要求的前提下還要進行徹底的脫氧，這為難點之一。

(2)P、S、As、Sn、Sb等殘雜元素要求高，且標準要求系數(shù)J≤8。As、Sn、Sb等元素的還原性均比Fe弱，它們在冶煉過程中不可能被氧化去除，因此，按照一般的工藝技術方法不可能將As、Sn、Sb控制在技術條件要求的限制范圍內(nèi)。市場上絕大部分廢鋼無法滿足要求，冶煉過程中大量的鐵合金加入對此類殘雜元素的影響也很大，所以要使用殘雜元素極低的專用廢鋼、鐵合金。在保證技術要求的同時，如何控制生產(chǎn)成本又是一大難題。

(3)以現(xiàn)有設備及成熟的工藝模式，采用傳統(tǒng)流程生產(chǎn)此類超純凈鋼，如何進行冶煉過程鋼水純凈度的控制、澆注環(huán)節(jié)的防污染控制、凝固過程中的均勻化控制，也極為困難。

3 冶煉工藝流程及控制措施制定

3.1 冶煉工藝流程

經(jīng)過分析，在原有成熟的雙真空冶煉澆注工藝流程的基礎上，增加新的工藝措施和澆注保護措施，即優(yōu)化后的工藝流程為：電爐(初煉)+鋼包爐(真空精煉)+真空澆注(真空直接澆注)。

3.2 電爐控制措施

(1)使用本廠優(yōu)質(zhì)返回廢鋼材料，配入適量海綿鐵，以降低殘雜元素的帶入。

(2)前一爐留鋼操作，便于本爐次快速熔化、快速成渣。

(3)采用強氧化性、高堿度、大渣量、強供氧操作，在熔化后期溫度較低時即開始大力脫磷，控制氧化脫磷溫度低于1 600℃，多次換渣。

(4)電爐采用倒包方式出鋼，嚴格控制鋼水量，避免爐渣兌入鋼包爐。

通過實踐驗證，電爐出鋼可以達到P≤0.002 0%、S≤0.010%、As≤0.004%、Sn≤0.002%、Sb≤0.001 5%的低水平。

3.3 鋼包爐控制措施

(1)冶煉前鋼包精煉爐平臺，包括加料平臺、電極、料斗等進行徹底打掃，防止加入合金時帶入含P、Mn雜質(zhì)。同時，對精煉包進行熔煉前處理，徹底清理掉精煉包內(nèi)壁上的殘鋼殘渣。

(2)精選原輔材料，嚴格控制原輔材料的殘雜元素帶入量。控制爐內(nèi)還原性氣氛，防止爐渣及鋼液的氧化。

(3)選擇合適的精煉渣和吹氬量，不間斷的加入擴散脫氧劑，以保證鋼液的脫氧和去硫。提高真空精煉的真空度要求，進一步提高鋼水的純凈度。

(4)控制合理的底吹氬制度，適當延長真空處理時間，更為徹底的凈化鋼液。

3.4 真空鑄錠控制措施

(1)鑄錠采用真空直接澆注，如圖1所示。

(2)引入水口吹氬，促進鋼液擴散，利于夾雜物上浮，如圖2所示。

圖1 真空直接澆注(水口吹氬)示意圖Figure 1 The sketch of direct vacuum pouring (gate argon blowing)

圖2 鋼液的擴散效果Figure 2 The diffusion effect of molten steel

(3)澆注完畢后加入保護材料，保證鋼錠的凝固質(zhì)量。

4 生產(chǎn)結(jié)果與討論

4.1 化學成分

表3為鍛件(成品)取樣分析結(jié)果。從表3可以看出，主要殘雜元素得到有效的控制，J系數(shù)<4，完全達到了標準要求。鍛件中的氣體含量相當?shù)?，顯著優(yōu)于標準要求。

4.2 夾雜物評級及晶粒度

夾雜物評級按ASTM45E標準進行。表4是鍛件產(chǎn)品各部位取試夾雜物評級的統(tǒng)計結(jié)果，其數(shù)值遠低于標準要求，且硫印檢查無痕跡顯示，說明鋼的純凈度很高。一錠多件的評級結(jié)果與單件各部位的評級結(jié)果基本相當，可見鍛件具有很高的純凈度和均勻性。

產(chǎn)品晶粒度結(jié)果見表5。從表5可見，遠高于標準要求的4級，晶粒度≥6.0級占到試樣的94%以上，說明超純凈鋼在控制鋼水純潔度的同時，晶粒度得到有效控制，不會造成晶粒粗化。

表3 鍛件取樣分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 3 The analysis results of the samples of forgings (mass fraction, %)

表4 鍛件夾雜物評級結(jié)果Table 4 The evaluation results of the inclusion of forgings

表5 產(chǎn)品晶粒度結(jié)果統(tǒng)計Table 5 The result statistics of the grain sizes of products

表6 超純凈鋼產(chǎn)品性能指標Table 6 The performance indicators of ultra-high clean steel products

4.3 性能指標

超純凈鋼產(chǎn)品性能指標見表6。

與普通產(chǎn)品相比，超純凈鋼具有更好的強度均勻性和更優(yōu)的韌性。尤其是FATT50提升了30%和上平臺功指標提升約8%，進一步說明超純凈鋼鍛件的可靠性高。

5 結(jié)論

二重以此工藝生產(chǎn)的30Cr2Ni4MoV超純凈鋼，各項技術指標達到技術條件的要求，成功制造了燃氣機輪盤、葉輪、600 MW汽輪機超純凈低壓轉(zhuǎn)子等為代表的典型超純凈鋼產(chǎn)品，證明雙真空冶煉澆注工藝流程制造超純凈產(chǎn)品是可行的。

編輯 杜青泉

Study on Smelting Technology of 30Cr2Ni4MoV Ultra-High Clean Steel

Qiu Bin, Ma Ping, Li Lin, Li Xiao, Liao Kai

The smelting technology of 30Cr2Ni4MoV ultra-high clean steel has been introduced. The results show that the impurity element of products, for example, Mn, Si, P, S, As, Sn, Sb etc, has been controlled appropriately; the evaluation result of inclusion is fine; the J coefficient is controlled steadily; the products meets the technical requirements finally.

30Cr2Ni4MoV; ultra-high clean steel; smelting technology

2016—08—19

TF111

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