熊云龙,杨宁,张跃
沈阳铸造研究所有限公司 辽宁沈阳 110022
水轮发电机转轮是整个发电机组重要零件之一,对内部质量和尺寸精度均要求较高。转轮的质量好坏直接影响着转轮的效率、抗空蚀性能和运行稳定性,因此它的制造质量对水轮机发电机组的整机运行至关重要[1-3],尤其是制造转轮所用的材料。多年来,我公司制造转轮采用ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢,主要因为其具有良好的抗热冲击性、耐蚀性、抗氧化性、低温冲击韧度等性能[4]。ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢不仅广泛用于制造水轮机转轮,而且也应用在海水泵、阀、增压器壳体等重要零部件上[5-7]。
由于ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢的广泛应用,对它的研究很多。一些学者研究了热处理过程、化学成分等因素对ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢力学性能的影响[8]。很少有人研究冶炼工艺对ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢力学性能的影响。合理的冶炼过程能够降低材料中有害元素磷、硫、夹杂物,以及氢、氧、氮有害元素含量,从而提高ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢的各方面性能。本文分析冶炼过程对ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢力学性能的影响,严格控制工艺参数,对稳定化生产ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢具有重要意义。ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢的化学成分与力学性能见表1、表2。
表1 ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢化学成分(质量分数)(%)
表2 ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢铸件的力学性能
所需原材料有废钢(A3)、铬铁(60%Cr)、纯镍、钼铁、石灰。C按1.2%配入,Si按吨钢5kg加入,Cr按11.8%配入,Ni按3.7%配入。
冶炼方式采用电弧炉+AOD炉生产。电弧炉主要熔化炉料,AOD炉完成最终冶炼。
冶炼工艺优化主要是改变AOD炉冶炼造渣制度和供气制度。合理的造渣制度能够有效脱磷、脱硫、去除夹杂物。合理的供气制度也能够增加去碳效率,降低冶炼时间和生产成本。
冶炼优化方案:
1)将AOD炉由单渣操作优化为双渣操作,碱度由1.5调整为2.0。
2)供气制度原来为三阶段供气,第一阶段:O2:Ar=4:1,脱碳到0.3%~0.6%,温度1630~1670℃;第二阶段:O2:Ar=1:1,脱碳到0.08%~0.2%,温度1680~1720℃;第三阶段:O2:Ar=1:3,脱碳到0.020%~0.035%。
优化后为四阶段供气,第一阶段:O2:Ar=5:1,温度1680~1720℃;脱碳到0.6%~0.8%;第二阶段:O2:Ar=3:1,脱碳到0.3%~0.5%,温度1630~1670℃;第三阶段:O2:Ar=1:1,脱碳到0.08%~0.2%,温度1680~1720℃;第四阶段:O2:Ar=1:3,脱碳到0.020%~0.035%。
(1)钢包准备 保证钢包内壁清洁、干净,无浮渣,无残钢;浇注系统无异常;修包过程中保证细致认真,将漏包等事故的概率降低到最小。
(2)设备要求 电弧炉与AOD炉衬无污染金属残余,设备正常运转。
(3)原料要求 要保证原料无油、无密封容器的清洁废钢,合金材料要干燥,保证原料的清洁度,才能保证钢液质量。
(4)配料要求 根据计划所需钢液量和钢种成分,确定原料加入量,原料烧损8%左右。加合金前氧化脱P处理。配入碳量基本为料重的1.5%~2.0%,Cr、Ni按下限。清楚各种材料的化学成分。为更好地去除夹杂物,提前造渣,装料时加入料重1.5%的石灰。
(5)装炉要求 首先把硅铁、石灰、增碳剂铺放在炉底,然后加入镍板需远离电极周围,防止高温烧损,由于钼铁不易熔化和保证金属铬的回收,因此采用在AOD炉中加入。
1)装料要密实,炉底加石灰15kg/t钢液,合金元素远离电弧区域。
2)起弧时小功率,穿井期大功率,炉料熔化80%开始吹氧助熔,氧压为0.5MPa。
3)炉料全部熔化后取样分析成分,吹氧脱碳至1.2%~1.8%。
4)还原期调整炉渣碱度,把碱度从原来的1.2调整为2,调整熔渣流动性,加入铝1kg/t钢液,脱氧剂4~8kg/t钢液进行脱氧还原,分析成分。
5)调整出钢条件:①成分合格,wC=1.2%~1.8%、wSi≤0.5%,Cr、Ni为成分要求下限,wP≤0.030%。②钢液脱氧良好,达到白渣效果。③钢液温度1650~1680℃。④中转包烘烤温度700℃以上。
(1)AOD开炉前准备 AOD在开炉前炉体预热达到(700±50)℃,预先准备好充分干燥的脱氧剂(硅铁和铝)、造渣剂(石灰和萤石)、发热剂(铝),同时要准备好各种少量的镍、铬铁、钼铁及锰铁等合金(应尽量选取小块,以利快速熔化)。
(2)技术要求调整 AOD精炼对电炉提供粗钢液技术要求调整如下:wC=1.2%~1.8%、wSi≤0.5%、wNi为成分要求下限、wP≤ 0.030%,入炉后温度1560℃以上开始吹炼。
(3)氧化过程调整 修改了AOD冶炼的供气制度,钢液入炉后测温,根据C、Si等元素含量及钢液量与温度,估算出氧化所需氧量。
(4)还原期调整 根据入炉化学成分对钢液成分进行初调整,Si按中上限配入,采用硅、铝复合还原,准确计算还原剂加入量。翻炉至吹炼位置还原,纯Ar搅拌7min,还原温度控制在1680~1710℃。还原期碱度由原先1.5提高至2.0,降低硫和气体含量。
(5)出炉前最终微调 根据化验结果,对钢液进行微调,使钢液达到要求的化学成分。如果补加合金或升温必须进行纯Ar搅拌2min以上。
分析了优化前后各10炉ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢的P和S含量。优化前后ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢P、S含量如图1所示。
优化前材料中wP、wS分别为0.025%和0.02%,通过冶炼工艺优化,wP、wS降到0.015%和0.013%。主要是冶炼过程温度和碱度的调整。合理的温度和碱度为脱磷、脱硫创造了有利条件。脱磷过程主要在电弧炉内完成,脱硫在AOD炉中完成。
电弧炉在氧化过程中,通过调整碱度和温度,可以有效地降低P含量。提前在电弧炉内添加石灰,因为适当地增加石灰加入量,可提高炉渣碱度,在保证炉渣流动性良好的情况下,能促进脱磷反应的进行。但当炉渣碱度过高时,则会造成炉渣黏度增大,导致炉渣流动性变差,反而对脱磷不利,同时也会造成石灰有效利用率偏低,冶炼成本增加。
图1 优化前后ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢中P、S含量对比
AOD炉冶炼过程,脱硫能力受渣量、碱度和温度影响较大,通过调整炉渣量、碱度和温度可有效改善脱硫能力。单渣操作,导致渣量大,冶金动力学效果变差,脱碳效率低,通过双渣操作,能够达到更好的冶金效果,从而有效地去除钢中的硫和夹杂物等。碱度由1.5增大至2.0,升高炉温,炉渣脱硫能力明显增强,温度提高能够使渣中复杂离子团的键断裂并释放部分氧离子,炉渣黏度降低,炉渣与金属液之间的传质过程增强,促使更多的硫向渣中转移,从而提高了炉渣脱硫能力。碱度增大,渣中碱性氧化物以及自由阳离子增多,渣中复杂硅氧离子体解聚为简单的四面体结构,炉渣流动性增强,从而提高了炉渣脱硫能力[9]。但碱度超过2.0后,脱硫趋势变得缓慢,由于高熔点化合物生成量增多,这些化合物以固态质点存在于液态渣中,导致脱硫的动力学条件变差。供气制度的改变,也能够达到更好的冶金动力学效果和脱碳速率,有助于磷、硫和夹杂物的去除。
分析了优化前后各10炉ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢的力学性能。在热处理工艺相同的条件下1050℃正火+580℃回火,力学性能如图2、图3所示。从图中可以看出:材料的屈服强度从590MPa提高到650MPa,提高了10%;抗拉强度从780MPa提高到840MPa,提高了8%;材料塑韧性提高30%;材料的冲击吸收能量从60J提高到80J,提高了30%左右。
图2 优化前后ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢力学性能对比
图3 优化前后ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢冲击性能对比
通过优化冶炼工艺,调整造渣制度即由单渣操作改为双渣操作,碱度由1.5调整为2。优化供气制度,改善冶金效果动力学和热力学效果,很好地降低了钢中磷、硫及夹杂物含量,改善了材料的力学性能。磷和硫为有害元素,应严格控制。磷在奥氏体中溶解度很低,主要影响ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢的力学性能,降低材料的塑韧性。wP为0.03%时,出现磷共晶组织,ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢塑性和冲击性能明显下降,因此生产ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢时磷含量越低越好。硫元素对ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢的危害是硫与铁化合生成FeS,且与Fe形成共晶。共晶产物熔点985℃,存在晶粒边界,破坏了基体的连续性,降低了ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢的力学性能。非金属夹杂物是影响高强度钢疲劳性能的原因之一。夹杂物的尺寸对钢的疲劳性能有直接影响,可以对临界夹杂物尺寸进行预测。严格控制夹杂物含量,有利于提高材料的韧性和抗疲劳能力。
分析了优化前后各10炉ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢的冶炼时间,如图4所示。优化前平均每炉钢冶炼时间为3h,优化后缩短为2.5h。
图4 优化前后ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢冶炼时间对比
AOD炉氩氧精炼的技术核心就是供气制度,通过氧气和惰性气体的混合比例,调整炉内CO分压,促进脱碳反应,从而达到去碳保铬的效果,同时保持熔池内有最充分的热力学和动力学脱碳和精炼条件。通过把原来的三阶段供气,调整为四阶段供气,能够更好地适应炉内气氛,提高反应速率。第一阶段提高了氧气比率,主要是因为第一阶段钢液中含有大量的碳,有利于脱碳反应。随后根据碳含量调整氩氧比率,从而为脱碳创造有利气氛,防止过多的氧用来氧化铬。再加上调整造渣制度,即由单渣操作改为双渣操作,碱度由1.5调整至2,创造了良好的冶金条件,缩短了冶炼时间,减少了钢液在炉内的停留时间,降低了耐火材料的消耗,同时因为时间缩短也提高了生产效率。
1)冶炼是影响材料性能的重要过程,合理的冶炼工艺过程能够有效降低材料中有害元素和夹杂物含量,从而提高ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢材料的力学性能。
2)将AOD炉单渣操作,优化为双渣操作,碱度由1.5调整为2.0。降低了磷、硫及夹杂物含量,实现洁净化冶炼。通过冶炼工艺优化,ZG06Cr13Ni4Mo不锈钢材料的力学性能提高了30%。
3)优化供气制度,把原来的三阶段供气,调整为四阶段供气,冶炼时间明显缩短,提高了生产效率,降低了生产成本。