620℃超超临界汽轮机转子用新材料冶炼工艺研究

罗玉立　李连龙　何亚军

(中国第二重型机械集团公司，四川618013)



620℃超超临界汽轮机转子用新材料冶炼工艺研究

罗玉立李连龙何亚军

(中国第二重型机械集团公司，四川618013)

摘要：介绍了620℃超超临界汽轮机转子用FB2钢的冶炼难点。通过对3支1 t电渣钢锭的试验研究，基本掌握了FB2钢的冶炼技术。

关键词：620℃；超超临界；汽轮机；转子；冶炼工艺；电渣重熔

火电机组从亚临界、超临界向超超临界高效机组发展，蒸汽温度从538℃提高到600℃，甚至更高，转子的受热温度同比大幅提升，工况变差，为此对转子材料的要求也越来越高。为了适应新型高效机组需求，研究汽轮机转子锻件用新材料迫在眉睫，二重针对620℃机组转子锻件用FB2钢开展了系列冶炼试验研究。

1化学成分及冶炼难点分析

FB2钢主要元素成分控制范围差见表1。FB2钢残余元素标准要求见表2。

结合相关标准及表1、表2可以看出，冶炼该钢种主要存在以下几个方面的难点：

(1)合金含量较高，成分复杂

表1　FB2钢主要元素成分控制范围差(质量分数，%)

注：范围差=标准上限-标准下限。

表2　FB2钢残余元素标准要求(质量分数，%)

该钢为不锈钢，合金含量高，且含Cr、Ni、Mo、Ni、V、Co、Nb、B、N等元素，成分极为复杂。

(2)N的范围窄，准确控制难度大

该钢种N的变化范围只有0.015%，但在实际生产过程中浇注电极和电渣重熔过程都有可能导致N的变化，致使N含量滑出标准范围。

(3)B不仅范围窄，而且易氧化

B的可控范围只有0.003%，同时B又特别容易氧化，在熔炼、浇注、重熔过程均有不同程度的烧损，收得率难以精确控制。

(4)低Si、低Al钢脱氧难度大

标准要求Si≤0.10%、Al≤0.010%，同时对氧含量及夹杂物评级有严格要求，在实际生产中既要确保Si、Al不超标，又要脱氧良好，保证O含量和夹杂物评价符合标准要求，难度非常大。

(5)残余元素要求高

残余有害元素要求特别高，按目前原材料的质量等级及冶炼方法，熔炼分析结果难以达到标准要求，而且极大地增加了冶炼难度和冶炼成本。

2冶炼过程试验的目的

鉴于存在以上冶炼难点，为了确保产品的一次冶炼成功，进行冶炼工艺试验研究，旨在摸索N、B、Al、Si、O等元素在电极冶炼、浇注及电渣重熔等过程的变化规律，研究电渣重熔过程的渣系配比及脱氧剂用量等方面的控制技术。

31 t电渣钢锭的试验研究

针对产品暂定工艺流程，制定试验流程为：中频炉冶炼→浇注自耗电极→电极精整→电渣重熔。

3.1第一支1 t钢锭试验

按照以上工艺流程生产第一支1 t电渣钢锭，原材料采用优质生铁、废钢及各类铁合金冶炼，电极坯采用砂型铸造方式浇注，并在型腔内进行缓冷。

电渣过程采用二元渣系，Al2O3∶CaF2=3∶7，进行严格烘烤，选择Al脱氧剂。通过严格控制各环节，生产出了第一支1 t电渣钢锭。C、Mn、Cr、Ni、Mo、Co、V、N等元素化学成分全部合格，在整个冶炼、浇注、重熔过程中表现稳定。而其余部分易氧化元素变化较大，各环节部分成分见表3。

表3　第一支钢锭生产各环节部分

通过本次试验主要掌握了以下几个方面的情况：

(1)电极坯冶炼浇注环节，化学成分基本能稳定控制；

(2)对于横截面较小的电极坯通过缓慢冷却，没有出现开裂现象；

(3)在电渣重熔过程中Si、B均有大幅烧损，Si的收得率仅为50%，B的收得率仅为33.33%，残Al较低；

(4)电渣重熔过程脱硫效果非常明显，脱硫率达80%以上；

(5)在整个工艺流程中N的变化不明显，比较稳定；

(6)钢锭中的O含量较高，超出了标准要求；

(7)P、S、As、Sn、Sb等残余元素含量均符合标准要求。

通过本次试验基本掌握了各元素的变化情况，从易氧化元素均有不同程度的氧化及钢锭中O含量过高这一结果说明脱氧剂加入量不足，应加强电渣重熔过程的脱氧。也可以看出，生产该材料电渣钢锭的主要难点在于电渣重熔过程脱氧的控制。

3.2第二支1 t钢锭试验

针对第一支钢锭出现的问题，进行了第二支电渣锭的投料，电渣重熔之前的工序过程控制基本与第一支的一致，变化主要在电渣重熔环节。

在电渣重熔环节，调整了渣系，增加了活性石灰和钛白粉等渣料，采用四元渣，同时加大了脱氧剂的使用量，加强了重熔过程的脱氧，并对重熔过程进行气氛保护。而且在电极坯冶炼环节有意将Si、B等元素含量提高，各环节部分成分见表4。

表4　第二支钢锭生产各环节部分

通过对重熔过程控制的调整，常规元素成分全部合格，部分氧化性元素成分基本没有变化，但易氧化元素依然有很大的变化：

(1)Si含量变化不大，而Al有大幅增加；

(2)O含量达到≤30×10-6的水平，达到了标准要求；

(3)Al含量严重超标，脱氧剂使用过多；

(4)在脱氧良好的情况下B仍然有大幅烧损，收得率为45%，基本可以说在电渣重熔过程中B的收得率不易超过50%。

3.3第三支1 t钢锭试验

本次试验是在第二次的基础上，调整了脱氧剂用量，进一步加强电渣重熔过程的气氛保护和过程控制。各环节部分元素成分见表5。

表5　第三支钢锭生产各环节部分

表6　电渣重熔过程脱氧剂用量对比分析(质量分数，%)

从表5可以看出，所有易氧化元素全部合格，说明在电极坯冶炼环节大幅提高B元素含量，适当按中上限控制Si元素是合理的，在电渣重熔环节渣系选择、脱氧剂用量及保护措施是有效的。

3.4脱氧剂用量的对比分析

电渣重熔过程脱氧剂用量对比分析见表6。

通过计算脱氧剂总的加入量，结合对各易氧化元素变化量的分析，电渣重熔过程吸氧非常严重，Al的烧损达到75%，所以非常容易导致B、Si、V、C、Cr等元素有不同程度的氧化，造成成分不能稳定控制，同时造成O含量很高，超出标准要求等问题。

4验证性试验研究

我公司为了进一步验证试验研究结果，针对25Cr2Ni4MoV、30Cr1Mo1V及Cr9等VCD钢进行了验证性试验研究，通过对三种材料3支10 t左右VCD钢的电渣重熔结果分析，化学成分全部合格，特别是Si、Al、Nb、B、O等元素基本控制在标准范围内。通过系列试验研究掌握了Si≤0.10%、Al≤0.010%钢种电渣重熔的工艺参数和过程控制经验。

5结论

通过对FB2钢三支1 t电渣钢锭及验证性试验件的生产过程来看，难点在于电渣重熔环节，既要保证易氧化元素B含量满足标准要求，又要保证残余元素Al、O等不超标。通过系列试验研究，基本掌握了该类钢的电渣重熔技术。

(1)电渣重熔过程渣系的选择以及脱氧剂用量是保证电渣重熔后化学成分合格的关键因素；

(2)电渣重熔过程N基本处于稳定状态，所以在制备电极坯时按标准中限控制即可；

(3)电渣重熔过程中易氧化元素B容易烧损，其收得率基本不会超过50%，故在制备电极坯时必须充分考虑电渣过程B的烧损，否则无法保证B元素达到标准要求；

(4)通过对电渣重熔过程各元素变化情况分析，必须将Si、Nb、B等元素控制在一个比较合理的范围内，才能确保电渣重熔后所有化学成分均能满足标准要求，从而进一步指导电极坯的成分控制；

(5)通过对冶炼过程的精细化控制，加强脱氧操作等，可以冶炼出成分稳定且合格的电极坯。

参考文献

[1]金杨，马腾霄.钢包炉冶炼超低硫钢研究.大型铸锻件，2015(6)：13-15.

[2]魏雪晴，李奇，等.300MW及以上汽轮机低压转子冶炼工艺研究.大型铸锻件，2014(3)：34-35.

编辑杜青泉

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联 系 人： 李韦萤杜青泉

Research on Smelting Process of New Material Used for 620℃ Ultra-Supercritical Steam Turbine Rotor

Luo Yuli, Li Lianlong, He Yajun

Abstract：The difficulties of smelting process of FB2 steel used for 620℃ ultra-supercritical steam turbine rotor have been described. By studying on three 1t electroslag remelting ingots, the smelting technology of FB2 steel has been known well.

Key words：620℃; ultra-supercritical; steam turbine; rotor; smelting process; eletroslag remelting

作者简介：罗玉立(1979—)，女，高级工程师，从事大型铸锻件的冶炼工艺及新产品开发等工作。电话：13808104609，E-mail：wxlhy1971@163.com

收稿日期：2015—11—02

中图分类号：TG703

文献标志码：B