超低碳不銹鋼c003%合金的冶煉工藝

1鋼包爐無鉛槍黃河萬家寨水庫是中國采用國際招標(biāo)的主要項目。其中，該架船由天津雅斯通水電設(shè)備公司制造。按國際水電設(shè)計先進技術(shù)規(guī)范,對轉(zhuǎn)輪體上冠等關(guān)鍵鑄件的內(nèi)在質(zhì)量及化學(xué)成分要求十分嚴(yán)格,特別是要求鋼中C≤0.05%。要冶煉這樣低碳的大型不銹鋼鑄件,在鋼包爐無氧槍設(shè)備系統(tǒng)的情況下,其技術(shù)難度高,對設(shè)備、原材料的要求較嚴(yán),生產(chǎn)組織也有一定的難度。在國內(nèi)重機行業(yè)屬首次試制。除此之外,該項目的合同交貨周期短(首臺份八個月交貨)。因此,我們組織了攻關(guān)小組,對低碳不銹鋼的冶煉方案進行了研究分析,經(jīng)過充分的工藝、設(shè)備準(zhǔn)備,我們采用在鋼包爐上(無氧槍系統(tǒng))冶煉超低碳不銹鋼的新方法,分別于1997年9月、1998年2月成功地冶煉出四爐不銹鋼上冠鋼水,其成品碳含量達到0.03%以下,最好的一爐達到0.019%。該方法在國內(nèi)屬首次應(yīng)用。2規(guī)范和技術(shù)難點2.1材料的質(zhì)量指標(biāo)技術(shù)協(xié)議要求產(chǎn)品的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為TI-QACD-1.20-A003-IND.A《水力機械不銹鋼鑄件通用技術(shù)規(guī)范》;TI-TECD-PUR-WJZ383C-IND.B《萬家寨水輪機轉(zhuǎn)輪上冠粗加工訂貨補充規(guī)范》。采用的0Cr16Ni5Mo鋼的化學(xué)成分要求見表1。鑄件的力學(xué)性能要求見表2。上冠的無損探傷須符合質(zhì)量單“9GT.960.000FQS”的要求。2.2粗級礦的鋼水排放嚴(yán)重采用鋼包精煉爐(無氧槍設(shè)備系統(tǒng)下)生產(chǎn)超低碳不銹鋼,國外尚無這方面的資料報道。國內(nèi)僅有用礦石VD法生產(chǎn)過低碳不銹鋼,但鋼中成品碳含量較高,且效果不夠明顯。把粗級礦石加入到精煉鋼水中,對鋼水的污染也是可想而知的。工藝難點之一是我公司過去生產(chǎn)低碳不銹鋼均使用電爐法,成品碳含量可以達到0.05%～0.07%。萬家寨上冠要求≤0.05%,采用普通電爐法難以達到這項要求。其二,以往的鑄件需要鋼水量不超過60t,而該產(chǎn)品上冠鋼水需要量達到102t,一臺電爐(40t)冶煉不能滿足要求,采用多臺電爐合澆和原來的冶煉方法也不能滿足要求。另外,鋼中鉻含量較高,磷、硫含量較低,都增加了冶煉的難度。3去碳保鉻理論的基礎(chǔ)3.1萬家灶不銹鋼上冠在不銹鋼冶煉中,當(dāng)鋼液中同時存在[C]和[Cr]時,氧化的特征則表現(xiàn)為二者的競爭氧化。[C]、[Cr]的氧化反應(yīng)處于平衡的溫度即[C]、[Cr]的氧化轉(zhuǎn)化溫度。從熱力學(xué)講,它是“去碳保鉻”的最低溫度。黃河萬家寨不銹鋼上冠主要成分為:[C]≤0.05%(以0.03%計),[Cr]為15%～16.5%(以15.75%計),[Ni]為4.8%～6.0%(以5.4%計)。根據(jù)Simkovich等人提出的Ni對C-Cr關(guān)系式:lg[%Cr][%C]=13800T+4.21[%Ni]+8.76(1)lg15.750.03=?13800T+4.21×5.4+8.76lg[%Cr][%C]=13800Τ+4.21[%Νi]+8.76(1)lg15.750.03=-13800Τ+4.21×5.4+8.76TC-Cr=2262K即1989℃。計算結(jié)果表明,從熱力學(xué)出發(fā),要把[C]降至0.03%且保[Cr]不損失是不可能的。3.2脫碳速度與鋼液含碳量的反應(yīng)鋼液的脫碳速度大致可分三個階段:第一階段:[C]≥0.1%時,脫碳速度和含碳量無關(guān),此階段脫碳反應(yīng)稱為零極反應(yīng)。第二階段:當(dāng)[C]=0.05%～0.10%時,脫碳速度與鋼液含碳量具有線性關(guān)系,此濃度范圍內(nèi)屬一般反應(yīng)。在此階段,碳的擴散是C-O反應(yīng)的限制性環(huán)節(jié)。第三階段:屬[C]≤0.05%范圍內(nèi),脫碳速度與含碳量幾次方的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。上述三個階段的劃分主要是根據(jù)電爐的經(jīng)驗。電爐中的供氧是通過吹氧完成的,由于熔池淺及鋼水?dāng)嚢璧牟痪鶆蛐?使氧氣利用率不高。在鋼包爐中,因為有底吹氬系統(tǒng),鋼水?dāng)嚢鑿娏?供氧的動力學(xué)條件比電爐好得多,這也是LRF(鋼包精煉爐)的優(yōu)點所在。4工藝設(shè)計4.1國內(nèi)外的工藝措施在LRF(無氧槍設(shè)備系統(tǒng))中,采用氧化法把鋼中碳降至0.04%以下,在國內(nèi)是絕無僅有的,在國外也極為少見。通過熱力學(xué)和動力學(xué)分析,為了保證把鋼中碳降低至≤0.04%水平,采取了以下工藝措施:(1)LRF操作前期,鋼水保持氧化狀態(tài);(2)采用送電提溫與吹氧相結(jié)合的提溫方式;(3)鉻鐵合金在LRF操作后期加入,以利降碳操作的順利進行。4.2渣堿度的控制考慮本工藝的特殊性,LRF冶煉前期造氧化渣(無Cr2O3),考慮真空脫碳效果問題,前期加入渣量不能太多,以能夠基本覆蓋鋼液面為準(zhǔn),渣堿度控制在3以下。LRF操作后期,即加鉻及調(diào)整成分、調(diào)渣期,這期間要求鋼中保碳(不增碳),鉻鐵分期分批加入鋼中,造還原渣。4.3加鉻工藝操作要求加鉻越快越好,但加鉻批量過大,鉻熔化慢,鋼水降溫嚴(yán)重。工藝考慮分4～5批次加入近30t鉻鐵。5操作完成后的場景5.1質(zhì)量可靠(1)LRF中采用全新無碳耐火材料砌筑;(2)選用質(zhì)量良好的石墨電極作為本次精煉使用;(3)使用質(zhì)量可靠(主要指耐侵蝕)的透氣塞,以適應(yīng)超長時間精煉;(4)準(zhǔn)備強脫氧劑若干,準(zhǔn)備調(diào)渣用。5.2鋼包爐真空處理工藝冶煉采用三臺電爐提供粗煉鋼水,鋼包爐內(nèi)進行吹氧脫碳、造渣、加鉻及合金化等操作,并在鋼包爐進行一次真空處理。真空處理完畢后加入第二批渣料及部分鉻鐵,提溫化渣,每批按時加入鉻鐵合金,同時進行成分調(diào)整工作。鉻鐵基本調(diào)整好后,進行成分微調(diào),最后控制出鋼溫度。5.3工藝進一步規(guī)范經(jīng)過技術(shù)人員的共同努力,4件黃河萬家寨超低碳不銹鋼上冠冶煉獲得成功,鋼水的冶金質(zhì)量也比以前有較大提高。4件上冠成品化學(xué)成分見表3(快速分析法)。將前兩件的成品樣送大鍛所和上材所進行了成品成分分析,結(jié)果見表4。4爐渣樣全部送大鍛所進行了分析,其結(jié)果分別見表5、表6。由表3、表4分析可見,四爐次鋼水成品的碳含量均在0.03%以下,最好水平達到0.019%。鋼中磷、硫含量也比較低,均≤0.015%。說明工藝思路正確,操作得當(dāng)。表5、表6比較可見,氧化渣和還原渣組成相差比較大,特別是氧化鐵,在鋼包爐中把強氧化渣調(diào)成還原渣還是第一次,經(jīng)過4爐實踐,表明調(diào)渣精煉工藝是恰當(dāng)與合適的。氧化渣主要組成為五元渣系(CaO-SiO2-FeO-Al2O3-MgO),還原渣主要組成為四元渣系(CaO-SiO2-Al2O3-MgO)。從操作上看,鋼包爐操作前期,采用人工吹氧降碳方式,可以把鋼中碳降至0.02%～0.03%左右。在隨后的真空氧脫碳過程中可以降碳0.01%左右。前期降碳操作完成后,造渣操作要注意渣的泡沫化,只有泡沫類渣才能防止送電提溫增碳問題,加鉻操作主要應(yīng)該考慮批次、加入量問題。6氧化渣氧脫碳/吹氧降碳(1)采用鋼包爐(無氧槍設(shè)備條件下)冶煉超低碳不銹鋼是成功的。鋼中成品碳達到0.03%以下,最好的一件達到0.019