汽轮机低压转子用75 t电渣锭生产

温培建 向大林

(浙江电渣核材有限公司，浙江314305)



汽轮机低压转子用75 t电渣锭生产

温培建 向大林

(浙江电渣核材有限公司，浙江314305)

通过采用低H、低Al控制技术，成功生产了两根汽轮机低压转子用75 t电渣锭。电渣锭底部成型良好，表面光洁，无渣沟，顶部补缩平整密实。

汽轮机；低压转子；电渣锭；电渣重熔

汽轮机低压转子是发电设备的核心部件。根据JB/T 7178—2002《300 MW～600 MW汽轮发电机转子锻件技术条件》，要求电渣锭纯净度高，夹杂少，成分均匀性高，同时低Si、低P、低S、低H、超低Al(Al≤0.010%)。电渣重熔的方法为生产高品质巨型电渣锭提供了新方法、新途径。本文报告了两根汽轮机转子用75 t电渣锭的生产及对锻压电渣锭的一些认识。

1 技术方案

制定两根75 t电渣锭技术方案主要考虑以下几个因素：

1.1 低H控制技术

低压转子对H特别敏感，电渣锭H含量必须控制在2×10-6以内。大气下电渣重熔对H的控制是有难度的，北方空气干燥，稍好些，南方空气潮湿，湿度课达到30 g/m3。利用直径1.8 m结晶器，气渣接触界面很大，加之巨型电渣锭重熔时间长达数十小时。因此，低H控制是一大难题。

我公司130 t电渣炉装备气体保护设施，具有可靠又可控的保护熔炼功能，可以在线测量大气和炉内湿度，炉内湿度始终小于1 g/m3，而且不存在湿度梯度。图1为利用最大2 m结晶器空载状态下测量的炉内湿度值。

1.2 低Al的控制技术

钢中Al含量超过0.010%时会对蠕变断裂性能产生不利的影响，特别是CrMoV钢。

01/4r1/2r3/4rr11109876543210.70.80.80.80.80.80.80.80.80.90.90.70.70.80.80.80.80.80.80.80.80.90.70.70.70.70.80.80.80.80.80.80.90.60.70.70.70.70.70.80.80.80.80.80.70.70.70.70.80.80.80.80.80.90.9

图1 2 m结晶器内湿度分布

Figure 1 The humidity distribution of 2 m casting mold

电渣锭中铝的来源有以下几个方面：

(1)自耗电极中的残余铝；

(2)重熔过程中加入的含铝脱氧剂；

(3)熔渣组元Al2O3。

自耗电极中的残余铝可以控制到0.010%以下。

重熔过程中也可以不加入含铝的脱氧剂。但在一定的渣制度下，不含铝的脱氧剂如果使用不当，也可能引起增铝，比如用Ca-Si脱氧，重熔过程中就有可能发生如下反应而使金属熔池增铝。

3Ca+Al2O32Al+3CaO

(1)

3Si+2Al2O34Al+3SiO2

(2)

由于渣中有约20%Al2O3的，渣钢之间势必存在着如下平衡：

Al2O32Al+3O

(3)

因此，在一定的渣制度下，当自耗电极中铝含量较低时，熔池就可能增铝，就是在Si、Mn大量氧化烧损的情况下也可能增铝。而当自耗电极中的铝含量较高时，又不宜用减少脱氧剂以提高渣中FeO含量的办法来解决。铝毕竟是残余元素，再高至少也应比易氧化的Si、Mn等合金元素低一个数量级。因此，这可能只是Si、Mn等合金元素的氧化，而Al却不被氧化，降不下来。若让其自然烧损到0.010%以下，这样势必发生Si、Mn的大量烧损而脱格，造成钢中氧含量上升，脱硫率下降，最终恶化钢的冶金质量，甚至不合格。

显而易见，需要解决控制冶金反应的方向、顺序和限度的问题，保证在用低铝电极(Al≤0.010%)重熔时，不增铝。当电极铝高于0.010%时，又能保证把铝降到0.010%以下，而Si、Mn烧损又不太严重。同时还要保证高的氧纯净度和高的硫纯净度。这就要研制适宜的渣系和与之配合的脱氧制度。

采用55%CaF2、20%CaO、20%Al2O3、5%SiO2渣系。石灰密封保存，避免吸潮，随用随取。萤石精选，达到特级，CaF2≥98%，SiO2≤1.5%，P≤0.030%，避免增P，块度∅5 mm～50 mm。

重熔过程加脱氧剂的目的是为了脱掉进入熔渣及钢中的氧，脱氧元素能优先被氧化，既起到脱氧的作用，又对钢锭成分影响最小。脱氧元素优先被氧化的前提条件是：与钢种要求的该元素平衡时钢中氧的活度值最小。

钢中某元素M和O发生反应：

x[M]+y[O](MxOy)

(4)

(5)

反应平衡时钢中氧的活度值为：

(6)

式中，a[MxOy]为渣中氧化物(MxOy)的活度；a[O]、a[M]分别为钢中O和M的活度；K为平衡常数。

由式(5)可见，平衡时氧的活度与氧化物生成的自由能有关，与该元素在钢中的含量有关，还与渣中该氧化物的活度有关。通常，钢中含有若干种易氧化元素，但是其中必有一种元素控制着钢中最低氧含量，即与他平衡时钢中氧活度最低。

所以选择Al-Ca和Si-Ca复合脱氧。合适的脱氧剂用量是指所加的脱氧剂刚好把进入渣中的氧脱除而自身也全被氧化。

1.3 电渣锭成分均匀性

电极6个炉号，共57根，生产方法：EAF+LF+VOD。各炉号化学成分见表1 。

利用公司专利技术[1-5]，将上述成分有差异的6个炉号、57根电极(表1)成功生产出成分高度均匀的两根汽轮机低压转子用75 t电渣锭。其中一根汽轮机低压转子用75 t电渣锭轴向化学成分变化如表2所示。大钢锭的均匀性控制很难。电渣锭直径约1 800 mm，电渣重熔时间最长达40 h。既要注意控制大截面凝固偏析以获得横向均匀性，又要在长达40 h的重熔期间注意控制合金元素烧损以获得高的纵向均匀性。

钢锭的偏析取决于凝固冷却速度，从提高冷却速度的传热入手，充分发挥电渣技术高速冷却、快速凝固的优势获得横向高均匀性。对电极的组配、渣系的选择、熔渣碱度及氧化性的控制、重熔工艺、脱氧工艺等方面充分考虑。对比表2和表1可以看出，取得了很好的效果。

2 电渣重熔过程控制技术

2.1 引燃造渣

表1 自耗电极成分(质量分数，%)

表2 电渣锭轴向成分分布(质量分数，%)

本钢种电极、引锭板引燃造渣，渣料不预热。研究和生产结果表明，炉气湿度、渣池氢、金属熔池氢三者之间有一个平衡关系。生产过程中，有可靠的干燥空气保护，炉内湿度始终保持小于1 g/m3，渣料使用前不烘烤。70多只50 t～124 t的多种牌号的电渣锭生产结果表明，电渣锭底部H含量不但不存在峰值，而且和整个钢锭一致，都在2×10-6以下。这既减少了设备投入，又节约了能耗，降低了成本，同时还改善了劳动环境。

利用公司专门的引燃造渣技术，升温速度快，造渣时间短，电渣锭底部成型棱角分明，底部质量优良。

2.2 正常重熔

电渣重熔结晶组织的决定性因素是重熔过程中熔池的深度。经验认为，熔池深度不应超过钢锭的半径。

熔池的深度取决于输入功率，输入功率决定电流电压，同时电流电压为熔化速度服务，所以熔池深度的控制就相当于熔化速度的控制，而熔化速度的控制可以通过支臂的下降速度来控制。

重熔过程中，适时逐渐降低电压，不允许升电压。控制电流的平衡，在保证规定熔化速度和不明弧的前提下，最小的电流就是最优选电流。这样渣层里电极断面是平的，而不是有锥头。

补缩是逐渐降低功率，逐渐降低熔化速度，逐渐降低熔池深度的过程。熔池深度的变化是从引燃造渣的零深度逐渐增加，达到热输入和冷却平衡时为最大，然后一直保持这个深度直至补缩开始。补缩阶段，温度降低，熔池深度逐渐变浅直至补缩结束。

3 分析与讨论

电渣锭锻造并机加工后经超声检测，没有发现密集缺陷，单个缺陷数量少，尺寸小，都在∅1.6 mm以下。经成分分析，H含量在1.6×10-6以下，Al含量在0.010%以下。下面对电渣锭锻造的一些认识进行一些讨论。

3.1 钳把应压在顶端

电渣锭的优势之一是钢锭利用率高。电渣锭热塑性好，锻压裂纹少甚至不产生裂纹，烧剥清理大大减少。钢锭利用率较高的突出表现还在于两端切除量少。不管是冷启动还是热启动，只要重熔工艺得当，底端的冶金质量都是好的。

众所周知，电渣锭尽管有长时间的补缩，但顶端补缩的最后凝固部位，仍不免会存在一定的凝固缺陷。这是一切钢锭凝固的自然规律和正常现象，只要将钳把压在顶端，锻压时，补缩最后凝固部位的缺陷就不致发生凹缩，而且又可避免顶端补缩最后凝固部位可能出现的锻造裂纹的扩展。

采用专利技术[5]锻压，还可以使顶端补缩的最后凝固部位鼓出，然后进行拔长。此时，由于顶端呈鼓形凸面，在拔长过程中不致凹缩，最后顶端切除量大大减少，钢锭利用率大大提高。压机若有抱钳，用这种方法锻压，可以用抱钳夹住鼓出的钢锭顶部直接拔长而省去钳把，钢锭利用率可达90%。

3.2 应注重变形量，不必追求锻比

应该看到，电渣锭与电炉锭不同，自然，锻压也应与电炉锭有所不同。

电渣锭不是像电炉锭那样以总量液态金属而是以少量金属熔池形式进行凝固的。电渣重熔是边熔炼边凝固，整个过程中，处于液体状态的金属重量要比电渣锭重量小许多倍。而且，在凝固过程中，电渣锭不是像电炉锭那样靠自然冷却缓慢结晶，而是在强制冷却条件下快速凝固的。

电渣锭在凝固过程中，上部始终有高温渣池加热，同时底部又受到强制水冷，模壁与钢锭之间的渣壳和凝固收缩形成的间隙，起到径向绝热作用。这样，液态金属熔池同时受到定向加热和定向冷却的双重作用，这种双重作用使凝固过程不是在封闭的体积内进行，而保持在很陡的温度梯度条件下的定向渐进结晶特点，凝固收缩可以得到源源不断的液体金属补充。所以，电渣锭没有缩孔和疏松，组织极其致密，中心也是致密的，以致未经锻压的电渣锭的密度与锻比为4～6的电炉钢锻件的密度相当。因此，电渣锭无需反复镦拔(特别是高合金钢更不宜反复镦拔)，不必像锻压电炉锭那样追求锻比，热加工给予的变形量只要足以破碎铸态组织能成型即可。

4 结论

汽轮机低压转子用电渣锭的生产，应充分考虑低H控制、低Al控制、高纯净度和高均匀性的获得。

目前，国内越来越多的企业认识到电渣重熔技术的重要性，近几年新建了几台电渣炉，电渣技术得到了蓬勃的发展。

[1] 向大林，等. 一种多个小炉生产大型钢锭的电渣重熔法：中国， ZL 2012 1 0247584.3[P].

[2] 向大林，等.电渣重熔炉：中国，ZL 2013 1 0069507.8[P].

[3] 向大林，等.一种电渣钢残余铝的控制方法：中国，ZL 2012 1 0252479.9[P].

[4] 向大林，等.一种电渣重熔的低氢控制方法：中国，ZL 2012 1 0252486.9[P].

[5] 谢培德，周永达，汪建明，等. 一种电渣锭锻压台阶轴的锻造方法：中国，2013 1 0012336.5[P].

编辑 杜青泉

Production of 75 t ESR Ingot for LP Rotor of Steam Turbine

Wen Peijian, Xiang Dalin

By adopting the control technique with low hydrogen and low aluminum, 75 t ESR ingots used for two LP rotors of steam turbine have been manufactured successfully. The bottom appearance of two ESR ingots is good with smooth surface and free of slag runner. Meanwhile, the feeding on the top of ingots is flat and tight.

steam turbine; LP rotor; ESR ingot; electroslag remelting

2016—07—29

TF142

B