电弧炉冶炼P91材质工艺技术实践

张生存，龚明健，赵国伟

（共享铸钢有限公司，宁夏银川 750021）

P91是美国GE公司和橡树岭实验室联合研发的低碳高铬马氏体耐热不锈钢材质，该材质具有良好的高温持久性能、高温蠕变强度、抗氧化性能和高温腐蚀性能，目前已经广泛用于300 MW和600 MW发电机组的高压内缸、弯管和阀壳等关键零部件中。该材质对化学成分、气体含量及夹杂物等方面的要求非常严格，故冶炼是生产该材质钢种的重点和难点。本文从冶炼流程和成分控制方面介绍此钢种的冶炼过程。

1 技术条件及控制要求

P91钢（ZG1Cr9Mo1VNbN）化学成分如表1所示。

表1 ZG1Cr9Mo1VNbN化学成分（质量分数，%）

从以上化学成分表中可以看出，此材质在化学成分控制方面需要做到以下几个方面：

1）P、S含量非常低，在冶炼过程中需要重视脱P、脱S操作，避免最终P、S含量超标；

2）Ni含量较一般的高合金材质要低，在备料环节需要重点考虑原辅材料的选择；

3）Nb含量低且范围较窄，同时Nb元素在高温下容易氧化，如何精准控制；

4）N含量较高，质量分数达到0.03%～0.07%，钢液中如何能稳定控制其含量；

5）Al含量低，如何保证钢液的还原性。

2 冶炼工艺流程及设备

根据此材质的成分规范及技术要求，本文选取的冶炼流程为：电弧炉冶炼+LF加合金+VOD吹氧脱碳+LF调整成分/温度+浇注，其主要的设备参数如表2所示。

3 冶炼过程控制

3.1 电弧炉冶炼过程控制

在EAF炉主要是控制P含量及各残余元素含量，备料时应选择低氮、低镍废钢，同时配备一定量的生铁，废钢生铁质量分数之比为4∶1为宜，且按照每t钢液加入50 kg～80 kg的石灰，根据回收率计算好加入量后投入到电弧炉中，送电熔化，取样分析，重点关注P、Ni的含量，一定要保证Ni质量分数在 0.3%～0.4%，同时 Cu、Pb、Sb、Sn、As含量要尽量的低，然后在1 560℃～1 590℃之间进行吹氧脱P，直至ω（P）＜0.010%后方可结束吹氧，然后可升温出钢至LF炉加合金精炼。

表2 冶炼P91材质的主要设备及参数

3.2 LF加合金

钢液到达LF炉后，先对钢液进行还原，一般是加入1 kg/t～2 kg/t钢液的铝粒、SiCa等还原剂，8 kg/t～10 kg/t钢液的活性石灰，同时保持氧活性小于7×10-4%半小时以上，取样分析，当含S质量分数小于0.005%以后，方可根据光谱成分调整成分，此时调整的成分主要有：C、Cr、Mo、Ni，调整的目标值为：ω （C）0.3%～0.5%，ω （Cr）7.5%～8.0%，ω（Ni）0.3%～0.35%，当成分调整到位后，温度升至1 610℃～1 640℃后方可进入VOD.

3.3 VOD吹氧脱碳

钢液到达VOD后，先扒除90%以上的渣子，然后入VOD罐，接通氩气，测温（吹氧参考，一般在1 590℃～1 610℃为宜），盖罐，抽真空，吹氧，吹氧量的计算公式为：吹氧量=钢液量×脱碳量/氧气回收率（氧气回收率根据设备参数决定，通常较电弧炉的氧气利用率低，一般在30%～60%之间），吹氧量是关系到VOD后碳是否能一次吹到位的关键，如果吹氧过多，会导致钢液的氧化严重，影响到最终的铸件质量，甚至可能导致报废，如果吹氧量过少，会导致出炉后含碳质量分数过高（如ω（C）＞0.14%），而需要重新进VOD进行二次吹氧脱碳，这样一方面影响钢液质量，另一方面增加了成本和冶炼时间。

吹氧完毕后，进一步抽真空至67 Pa以下，进行碳脱氧15min以上。碳脱氧完毕后加入0.5 kg/t～1 kg/t钢液的铝粒和1 kg/t～2 kg/t钢液的活性石灰，这个过程是对钢液进行初步还原，同时在高真空环境下还原产物能充分上浮净化钢液；还原保持10 min左右即可出钢至LF.

3.4 LF调整成分/温度

钢液达到LF炉后，先调整氩气至不裸露钢液为宜，然后加入一定量的铝粒、硅钙等还原剂（加入量根据钢液的氧化情况而定），测量钢液的氧活性，当钢液的氧活性小于7×10-4%后，方可取样分析，此时应该分别取光谱样和气体样，根据气体样检测结果，首先加入氮化铬铁调整N含量至目标值，然后根据光谱样依次调整 Mo、Ni、Cr、V、Mn、Si、Nb、C，其调整顺序不能颠倒，特别是Nb含量的调整，因为Nb在高温下容易氧化，如果加入的时间过早，非常容易氧化造成回收率偏低，且后期一旦钢液的还原氛围久了后，Nb又会被还原回来，导致最终的Nb超标，另外由于此钢种的Al含量要求非常严格，故整个成分调整过程，特别是在成分调整的后期，都要保证ω（Al）≤0.02%，条件允许的话，在此过程中就不用Al进行还原，而是采用稀土合金或者CaBa合金等代替Al粒对钢液进行还原，以避免Al含量超标；最后调整碳含量，由于整个成分调整的时间较长，钢液的温降较多，需要不断的送电升温，故钢液的增碳较多，故只有当其他成分到达内控线后再一次性的将碳含量调整到目标值。

以上所有成分调整到位后，温度合适后就可出钢浇注。

4 总结

冶炼P91材质需要注意以下方面：

1）EAF炉需要控制P、Ni含量；

2）进VOD前在LF先进行脱S操作，然后加合金，只需调整 Mo、Ni、Cr的含量，同时调整 Cr含量时，要考虑预留在VOD后LF炉成分调整时由于需要加氮化铬铁增N而引起Cr含量增加量；

3）VOD的吹氧脱碳和碳脱氧的时间是关键要点，其吹氧量的计算是关系到碳是否脱到位的关键；

4）VOD后再LF调整成分，其Al含量的控制和加合金的顺序是关系到成分调整的关键控制要点。