蔣新亮 王 濤 羅玉立 稅遠(yuǎn)強(qiáng) 馬 平 邱 斌 鄧 琴

(二重集團(tuán)(德陽(yáng))重型裝備股份有限公司，四川618013)

試驗(yàn)研究

核電半速轉(zhuǎn)軸用巨型鋼錠的生產(chǎn)過(guò)程控制及冶金質(zhì)量評(píng)價(jià)

蔣新亮 王 濤 羅玉立 稅遠(yuǎn)強(qiáng) 馬 平 邱 斌 鄧 琴

(二重集團(tuán)(德陽(yáng))重型裝備股份有限公司，四川618013)

主要分析了550 t級(jí)以上巨型鋼錠的冶煉、鑄錠等生產(chǎn)過(guò)程控制，從化學(xué)成分、夾雜物、晶粒度等方面評(píng)價(jià)了半速轉(zhuǎn)軸的冶金質(zhì)量。

核電半速轉(zhuǎn)軸；巨型鋼錠；冶煉

目前我國(guó)在建的大型核電機(jī)組基本都是半速機(jī)組，并且該類機(jī)組將成為今后的發(fā)展趨勢(shì)。然而百萬(wàn)千瓦級(jí)核電半速轉(zhuǎn)軸需采用550 t級(jí)及以上巨型鋼錠鍛制，隨著鋼錠噸位的劇增，對(duì)于制造廠來(lái)說(shuō)無(wú)論從生產(chǎn)組織及安全保障，還是從鋼錠的偏析、非金屬夾雜物、微觀疏松等方面的控制難度都急劇增大。產(chǎn)品的無(wú)損檢測(cè)風(fēng)險(xiǎn)、性能風(fēng)險(xiǎn)也大幅增加。二重自2009年以來(lái)共生產(chǎn)了14支550 t級(jí)及以上鋼錠，鋼種為25Cr2Ni4MoV或類似鋼種。本文從鋼錠制造過(guò)程控制等環(huán)節(jié)分析巨型鋼錠的制造過(guò)程，從化學(xué)成分、夾雜物評(píng)價(jià)、金相組織、無(wú)損檢測(cè)等方面評(píng)價(jià)鋼錠質(zhì)量。

1 生產(chǎn)難點(diǎn)分析

1.1 鋼水量大

提供550 t～650 t鋼水量，電爐需單爐臺(tái)連續(xù)冶煉4爐以上，鋼包爐同時(shí)冶煉4爐以上，前后冶煉時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)電爐、鋼包爐以及其他配套設(shè)備都是嚴(yán)格的考驗(yàn)，設(shè)備保障難度大。

1.2 鋼包爐控制難度大

由于需要4包以上鋼水合澆，各包鋼水的化學(xué)成分和溫度控制困難，澆注各包鋼水的銜接與配合難度大、風(fēng)險(xiǎn)高[1]。

1.3 偏析控制難度大

偏析是鋼錠在凝固過(guò)程中的固有特性，在鋼錠模形狀已經(jīng)固定的情況下，如何通過(guò)控制各包化學(xué)成分及出鋼溫度成為控制偏析的關(guān)鍵因素。

1.4 鋼錠重量大

鋼錠重量大，鋼錠的脫模、吊裝及熱送保障難度大。

從以上幾個(gè)因素分析可以看出，無(wú)論哪個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障，都必然會(huì)導(dǎo)致巨型鋼錠生產(chǎn)任務(wù)的失敗。所以，巨型鋼錠的生產(chǎn)是整個(gè)冶煉車間的一項(xiàng)系統(tǒng)工程，環(huán)環(huán)緊扣，環(huán)環(huán)制約。

2 生產(chǎn)方案

機(jī)組不同，半速轉(zhuǎn)子的重量有所差異，所以鋼錠重量也有不同程度的差異。從二重生產(chǎn)情況來(lái)看，鋼錠從550 t～650 t不等，采用的生產(chǎn)流程均為EAF→LF(VD)→MSD。根據(jù)二重設(shè)備能力，電爐需多爐次冶煉提供粗煉鋼水，LF爐需同時(shí)冶煉4爐以上鋼水，各包鋼水化學(xué)成分、溫度合格后連續(xù)出鋼，動(dòng)用多臺(tái)大型行車吊著鋼包進(jìn)行真空澆注，見(jiàn)圖1。

3 生產(chǎn)過(guò)程控制

3.1 粗煉鋼水的冶煉及質(zhì)量控制

電爐主要負(fù)責(zé)提供足量的鋼水，同時(shí)將C、P、S、As、Sn、Sb等元素控制在工藝要求的范圍內(nèi)。從14支半速轉(zhuǎn)軸粗煉鋼水的實(shí)際成分看，電爐環(huán)節(jié)關(guān)鍵控制元素含量見(jiàn)表1，不僅全部達(dá)到了工藝要求，而且殘余元素處于較低水平，近年來(lái)殘余元素降低趨勢(shì)明顯。

圖1 巨型鋼錠澆注示意圖Figure 1 The sketch of pouring process of heavy ingot表1 電爐粗煉鋼水控制要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 The control requirements of primary smelting molten steel in electric furnace (mass fraction, %)

CPSAsSnSb≤0．10≤0．003≤0．018≤0．008≤0．003≤0．002

(a)合金化

(b)真空前

(c)出鋼前 圖2 LF爐爐渣Figure 2 The slags of ladle furnace

3.2 鋼包精煉爐的質(zhì)量控制

鋼包精煉爐的主要任務(wù)是脫氧、脫硫、去氣、調(diào)整化學(xué)成分以及均勻溫度。為了更好地脫氧、脫硫，必須保證熔渣有足夠高的堿度，冶煉本鋼種堿度一般控制在2.5～4.0之間，同時(shí)要求合金化、真空前、出鋼前必須保持白渣(見(jiàn)圖2)，以保證脫氧效果。

由于巨型鋼錠需要多包依次合澆，所以針對(duì)各包澆注順序，對(duì)各包化學(xué)成分、出鋼溫度進(jìn)行分包控制，從而最大限度地降低偏析。

3.3 鑄錠過(guò)程控制

鑄錠環(huán)節(jié)的各項(xiàng)控制，直接關(guān)系到鋼錠的冶金質(zhì)量，所以此環(huán)節(jié)的控制對(duì)鍛件質(zhì)量來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。首先，對(duì)本環(huán)節(jié)中與鋼水接觸的耐火材料必須進(jìn)行精選；其次，鋼錠模、底盤、保溫帽等附具必須清潔干凈、烘烤良好；再次，澆注時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行注流保護(hù)等措施，嚴(yán)防外來(lái)夾雜進(jìn)入鋼錠模內(nèi)；最后，嚴(yán)格控制澆注溫度和澆注速度，以使真空澆注擴(kuò)散良好，達(dá)到滴流脫氣效果，擴(kuò)散效果見(jiàn)圖3。

圖3 真空澆注鋼流擴(kuò)散Figure 3 The diffusion of molten steel during vacuum pouring

4 質(zhì)量分析

鋼錠的質(zhì)量分析主要從化學(xué)成分及偏析、夾雜物、氣體含量、超聲檢測(cè)等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

4.1 熔煉化學(xué)成分

選取4支典型鋼錠熔煉化學(xué)成分與日本相關(guān)數(shù)據(jù)[2]進(jìn)行對(duì)比，詳見(jiàn)表2。從多支鋼錠的化學(xué)分析結(jié)果看，可控元素含量均在一個(gè)很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，化學(xué)成分控制十分穩(wěn)定。而Cr、Ni、Mo與日本數(shù)據(jù)相比有差異，這是由于控制要求不同，而非控制能力不足。

4.2 化學(xué)成分及夾雜物分析

為了掌握鋼錠的偏析狀況，對(duì)一支550 t鋼錠水冒口、對(duì)應(yīng)鍛件兩端、對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)軸試料區(qū)進(jìn)行取試，從化學(xué)成分、夾雜物、氣體含量等方面進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，并與日本相關(guān)數(shù)據(jù)[1]進(jìn)行對(duì)比分析。

(1)鋼錠取樣位置、化學(xué)分析結(jié)果及夾雜物評(píng)級(jí)

表2 鋼錠熔煉化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 The chemical composition of heat analysis of ingot (mass fraction, %)

圖4 鋼錠取樣位置示意圖Figure 4 The sketch of sampling location of ingot表3 鋼錠水冒口端取樣結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 The results of samples taken from gate and riser of ingots (mass fraction, %)

試樣編號(hào)CSiMnPSCrNiMoV熔煉AB0．220．240．240．060．060．050．270．270．260．0060．0070．0070．0040．0030．0021．641．651．623．413．443．400．450．450．480．110．110．11

表4 氧含量及夾雜物評(píng)級(jí)(水口端)Table 4 The oxygen content andthe inclusion grade (gate end)

圖5 半速轉(zhuǎn)軸鍛件兩端取試示意圖Figure 5 The sketch of sampling location on both ends of half speed rotation shaft forging

利用水冒口的切除料做了化學(xué)成分分析，取樣位置見(jiàn)圖4，化學(xué)分析結(jié)果見(jiàn)表3。夾雜物評(píng)級(jí)見(jiàn)表4。

(2)鍛件兩端頭取樣位置、化學(xué)分析及夾雜物

半速轉(zhuǎn)軸在機(jī)械加工的過(guò)程中，在鍛件兩端分別取試。將轉(zhuǎn)軸兩端多余料鋸下，試樣沿橫截面中心均勻分布，并對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分、氣體、夾雜物分析。取樣部位見(jiàn)圖5，分析結(jié)果見(jiàn)表5。半速轉(zhuǎn)軸T端、B端橫截面化學(xué)成分見(jiàn)圖6。

表5 夾雜物評(píng)級(jí)Table 5 The inclusion grade

(a)T端

(b)B端 圖6 半速轉(zhuǎn)軸T端、B端橫截面化學(xué)成分Figure 6 The chemical composition of cross section of T end and B end of half speed rotation shaft表6 半速轉(zhuǎn)子本體取樣化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 6 The results of chemical composition analysis of samples taken from the proper of half speed rotor (mass fraction, %)

試料區(qū)CSiMnPSCrNiMoVO熔煉ABCDEFGHJK0．210．230．220．220．210．260．250．240．260．220．230．060．050．050．050．050．060．060．060．060．040．050．270．280．270．280．280．280．280．280．280．280．270．0060．0080．0070．0070．0070．0080．0060．0080．0060．0080．0080．0040．0020．0020．0020．0020．0030．0030．0030．0030．0020．0021．641．601．591．611．631．671．651．641．651．611．633．413．383．383．423．423．543．453．483．433．443．460．450．460．440．500．480．490．500．480．490．500．470．110．100．100．100．100．110．110．110．110．100．11---11×10-412×10-4----8×10-4-

圖7 半速轉(zhuǎn)軸取樣示意圖Figure 7 The sketch of sampling location of half speed rotation shaft表7 半速轉(zhuǎn)軸各部位夾雜物及晶粒度評(píng)級(jí)Table 7 The inclusion grade and the grain size grade of each location of half speed rotation shaft

取樣位置ABCD粗細(xì)粗細(xì)粗細(xì)粗細(xì)晶粒度等級(jí)ABCDEFGHJKL0．500．50．500000．500．50．500．50．500000．500．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．500．5000000．500．50．500．5000000．500．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．50．5-7．06．0-6．0-6．56．07．06．06．5

(3)半速轉(zhuǎn)軸上的取樣位置及結(jié)果分析

結(jié)合半速轉(zhuǎn)軸的取試圖，在半速轉(zhuǎn)軸本體及中心孔試棒上取樣，取樣位置見(jiàn)圖7，分析結(jié)果見(jiàn)表6。

在圖7所示各位置取試進(jìn)行夾雜物及晶粒度評(píng)級(jí)，見(jiàn)表7。

無(wú)論是鋼錠水冒口的化學(xué)成分，還是鍛件上的化學(xué)成分，都可以看出巨型鋼錠的偏析非常小[3-4]，說(shuō)明二重巨型鋼錠的偏析控制技術(shù)應(yīng)用非常成功。而且氣體氧含量很低，夾雜物評(píng)級(jí)也處于較低水平，證明二重巨型鋼錠的純凈度達(dá)到了國(guó)際水平。

4.4 無(wú)損檢測(cè)結(jié)果

無(wú)論是用550 t、600 t還是650 t鋼錠生產(chǎn)的半速轉(zhuǎn)軸，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)逐件進(jìn)行超聲檢測(cè)，結(jié)果都合格。

4.5 力學(xué)性能

從多支半速轉(zhuǎn)軸的生產(chǎn)過(guò)程看，通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に囘M(jìn)行性能熱處理后，轉(zhuǎn)軸的力學(xué)性能都一次合格，進(jìn)一步證明巨型鋼錠的冶金質(zhì)量良好。

5 結(jié)束語(yǔ)

二重通過(guò)十多支巨型鋼錠的生產(chǎn)，成功地掌握了550 t級(jí)以上巨型鋼錠的質(zhì)量控制技術(shù)。從半速轉(zhuǎn)軸的局部解剖分析，結(jié)合產(chǎn)品的超聲檢測(cè)、力學(xué)性能檢驗(yàn)等參數(shù)看，二重的巨型鋼錠偏析控制技術(shù)非常成功，鋼錠純凈度良好，達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平。

[1] 金楊,稅遠(yuǎn)強(qiáng),段紅玲.真空澆注過(guò)程控制技術(shù)研究[J].大型鑄鍛件,2013(3):17-20.

[2] Takayuki Miyata,YasushiWakeshima,etc.650t鋼錠整體低壓汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子鍛件制造技術(shù)[C]//第十九屆國(guó)際鍛造師會(huì)議，2014:199.

[3] 陳海堤,王濤,羅玉立.400t級(jí)巨型鋼錠偏析及夾雜物分布研究[J].大型鑄鍛件,2013(1):9-15.

[4] 羅玉立,鞠慶紅,曾杰.燃機(jī)輪盤鍛件用30Cr2Ni4MoV鋼冶煉工藝研究及冶金質(zhì)量評(píng)價(jià)[J].大型鑄鍛件,2017(2):36-37.

編輯 杜青泉

Production Process Control and Metallurgical Quality Evaluation ofHeavy Steel Ingot for Nuclear Power Half Speed Rotation Shaft

Jiang Xinliang, Wang Tao, Luo Yuli, Shui Yuanqiang, Ma Ping, Qiu Bin, Deng Qin

The production process control of smelting and ingot casting of 550 t and above heavy ingots has been mainly analyzed. The metallurgical quality of half speed rotation shaft has been evaluated in the aspect of chemical composition, inclusion, grain size etc.

nuclear power half speed rotation shaft; heavy ingot; smelting

2016—11—02

TF703

B