GX12CrMoWVNbN10-1-1中钨收得率的影响因素分析

□黄 飞

上海电气上重铸锻有限公司 冶铸分厂 上海 200245

1 钢种简介

马氏体不锈耐热铸钢GX12CrMoWVNbN10-1-1（简称GX12）是德国在20世纪90年代欧洲科技合作501计划期间研制的，在T/P91基础上将铬含量调整到10%左右，并加入1%的钨得到，其标准化学成分见表1。GX12常温下抗拉强度为807 MPa，通过与ZG20SiMn合金铸钢和ZG06Cr13Ni4Mo马氏体不锈铸钢对比，显示出较好的常温力学性能[1]。中强碳化物形成元素钨的加入[2]，不仅对钢种起到了固溶强化作用，而且在700℃高温下长期使用时，钨的碳化物会将固溶强化作用转变为析出强化作用[3]，从而加强了GX12的高温性能。相关研究表明，热处理后GX12在550℃、600℃、650℃、700℃温度下的抗拉强度依次为 565 MPa、505 MPa、410 MPa、315 MPa，明显高于同温度下不锈钢和合金钢的抗拉强度，说明其在高温下具有良好的力学性能。GX12钢在国内主要用于制造超超临界汽轮机组的中高压内缸、阀体和阀壳[4]。

表1 GX12标准化学成分

2 工艺路线

上海电气上重铸锻有限公司冶铸分厂2015年度冶炼GX12总钢水量近2 000 t，由于此钢种用于铸造，在生产过程中会产生30%～40%的返回料，为了回收贵金属钨、镍和钼等，冶铸分厂必须采用返吹法消化吸收这些废料。GX12属于不锈钢，一般通过两步法冶炼生产[5]，实际生产中，由于没有相关设备，因此通过电炉、精炼炉流程，采用一炉返回吹氧法、一炉氧化法生产，然后兑入精炼炉，经真空脱气后浇铸成相关产品，具体工艺路线如图1所示[6]。

图1 GX12生产工艺路线

3 钨铁的合金化机制

目前，关于钨在钢液中的合金化，主要有两种观点。

（1）认为钨和铁的金属活性相近，与氧的亲和力也相差不大，因此属于不易氧化的元素[7]，钨铁在钢液中的合金化只是单纯的熔化问题。而且钨铁合金的熔点极高，纯钨的熔点为3 410℃，密度为19.32 g/cm3，钨含量80%的钨铁合金密度为16.5 g/cm3，熔点超过2 600℃，所以应该在电炉氧化末期加入，因为氧化末期温度最高，有利于钨铁的熔化。

（2）认为钨铁合金在钢液中存在氧化问题，在钢液中氧含量极高的情况下，钢液中钨会与炉渣中的氧化亚铁发生反应[8-9]，加入的钨铁合金会发生氧化损耗[10]：

式中：[]表示钢液中物质；（）表示炉渣中物质。

式中：ΔGo为标准状态时反应的吉布斯自由能变化，J/mol；T为热力学温度，K。

产生的反应物WO3会与石灰发生反应：

4 温度对钨收得率的影响

为了验证以上两种观点，基于第一种观点制订了钨铁合金化工艺。所用钨铁合金的钨含量为80%，块度大小约为130 mm，使用前烘烤至600℃。当钢水温度≥1 700℃时，加入钨铁进行合金化，并继续吹氧升温，待成分符合工艺要求后进行拉渣，钨铁加入至拉渣时间约为20 min。之后再加入铬铁等其它合金进行合金化处理，最后取样放钢，与采用返回吹氧法冶炼的钢水一起兑入精炼炉，钨含量不足部分在精炼炉补加，钨收得率情况见表2。

由表2可知，钨在电炉合金化时的总体收得率最高为56%，最低为45%，平均为50.9%。绘制合金化温度与钨收得率关系图，如图2所示。由图2可以看到，随着钨铁合金化温度的升高，收得率并没有提升，而此时温度已接近电炉最高工作温度（1 760℃），这说明钨铁合金化不是单纯的物理熔化问题，提高合金化温度无法提高钨的收得率[11]。

表2 第一种观点工艺GX12钨收得率统计

图2 合金化温度与钨收得率关系图

5 氧化性因素对钨收得率的影响

电炉中加入钨铁提高GX12的钨收得率较难实现，这说明在钨合金化时存在钨的氧化反应，造成了钨铁的氧化损耗，所以基于观点二制订了合金化工艺。

将钨铁合金化置于精炼炉进行，提高合金化温度。精炼炉的合金化温度相比电炉的合金化温度要低很多，原先的精炼工艺规定合金的加入温度≥1 600℃，所以将合金化温度制订为≥1 610℃。

改进还原工艺，强化精炼炉脱氧。原先的精炼工艺规定为全扩散脱氧，造渣后单位质量钢加入钙硅合金粉 1.5 kg/t、铝粉 0.8 kg/t，还原时间为 40 min，氩气压力控制为0.4 MPa，流量为300 L/min，采用双透气砖。为了强化还原效果，将还原时间改为45 min，且改扩散脱氧为复合脱氧，在扩散脱氧的同时，单位质量钢加入低锰5 kg/t、硅铁合金1 kg/t，并将氩气压力调整为0.45 MPa，流量调整为350 L/min，使钢水与炉渣的接触面积增大，钢水的循环增强。经过10炉次的跟踪，发现经过45 min的强化脱氧后，炉渣均能转化为灰白渣，为合金化提供了良好的基础。实施此合金化工艺后，钨收得率情况见表3。

由表3可知，在精炼炉进行钨的合金化后，钨的收得率有了提高，最低为61%，最高达到了87%，平均为70.9%。与电炉合金化后钨收得率进行对比，如图3所示。由图3可以看到，在精炼炉进行钨的合金化后，钨收得率有明显提高，这说明钢液的氧化性因素，即含氧量是影响钨收得率的主要因素。

图3 钨收得率对比

6 钨铁合金化工艺实施总结

根据两次GX12钨铁合金化工艺实施情况，对钨铁合金化工艺进行总结。

（1）如果所冶炼钢种的氧化终点碳含量很低，特别是≤0.05%时，不宜在氧化末期进行钨铁合金化。如果采用电炉、精炼炉工艺，将钨铁合金化过程置于精炼炉进行是比较合适的。如果没有精炼炉，要提高拉渣温度，待还原渣造成后再进行钨铁合金化，并且要适当增加搅拌和强化还原期脱氧，可以考虑在钨铁合金化后进行吹氩搅拌操作，增加渣钢接触，搅拌熔池，均匀温度，加快钨铁的熔化。

表3 第二种观点工艺GX12钨收得率统计

（2）如果钨铁合金化在精炼炉进行，需要提高合金化温度，使温度≥1 610℃是比较合适的。同时要强化精炼炉前期的脱氧工作，可以采取硅锰合金加扩散脱氧的复合脱氧方式。从实践结果来看，硅铁合金与锰铁合金比例以1∶5较为合适。适当增大氩气的压力和流量，增强渣钢间的接触，可以利于扩散脱氧反应的进行，增强钢水的循环作用且利于钢液脱氧。

（3）在合金化过程中，如果在精炼炉进行钨铁合金化，钨铁合金需要第一批次加入，再加入其它合金。根据实践结果来看，按钨收得率90%配至成分规范的中限比较合适，在真空脱气前能做到钨铁合金的补加质量在100 kg以内。

7 结束语

根据GX12冶炼过程中两种钨铁合金化工艺的实施情况，结合钨收得率结果统计，得出以下结论[12]。

（1）钨铁合金化时，钢液的含氧量是影响钨收得率的主要因素。

（2）在电炉氧化末期进行钨铁合金化，存在钨与炉渣的氧化反应，进而造成钨的氧化损耗。钨在钢液中不是单纯的物理熔化问题，单纯提高合金化温度无法提高钨收得率。

（3）钨铁合金化适于在精炼炉中进行，同时提高合金化温度和强化钢水脱氧，能使钨的收得率提高到70%以上。

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